Trendek 2015 A nanotudomány és gondjai Gyulai József, prof. emeritus BME VIK Elektronikus Eszközök Tsz., MTA EK Műszaki Fiz. és Anyagtud. Intézet, MFA.

Az előadások a következő témára: "Trendek 2015 A nanotudomány és gondjai Gyulai József, prof. emeritus BME VIK Elektronikus Eszközök Tsz., MTA EK Műszaki Fiz. és Anyagtud. Intézet, MFA."— Előadás másolata:

1 Trendek 2015 A nanotudomány és gondjai Gyulai József, prof. emeritus BME VIK Elektronikus Eszközök Tsz., MTA EK Műszaki Fiz. és Anyagtud. Intézet, MFA www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/ 2015 ősz

2 Trendek 2015 A mikroelektronika-közeli Nobel díjak J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley, tranzisztor (1956) L. Esaki, I. Giaever, B.D. Josephson, alagúthatás alkalmazásai (1973) K. von Klitzing, kvantum Hall-effektus is tranzisztor (1985) E. Ruska elektronmikroszkóp, G. Binnig, H. Rohrer alagútmikroszkóp (1986) Z.I. Alferov, félvezető lézer, H. Kroemer, UHF tranzisztor, optika, J. S. Kilby, Integrált áramkör (2000) W.S. Boyle és G.E. Smith, CCD szerkezet, optika, (Charles K. Kao, optikai szál) A. Geim és K. Novoselov a grafénen, mint kétdimenziós anyagon végzett alapvető kísérletekért N, Shuji, A. Hiroshi és A. Isamu, a kék LEDiódáért Geim 2000-ben megkapta az IgNobel díjat is IgNobel – paródia - „first make people laugh, then make them think”: diamagnetic levitation 1T- 10T elegendő az élő szervezetek levitációjának előidézéséhez 2015 ősz

3 Trendek 2015 A technológiák jellege, Feynman (1957) – kihívás az anyagtudománynak A "lebontó", top down (pl. pattintott kőszerszám) mai gondja: a forgácsolás trilliószám tépi fel a kémiai kötéseket! Kívánatos az "építkező", bottom up, technológiák térhódítása A nanotechnológia lényege és fő tennivalója ez az építkező gyártás 2015 ősz

4 Trendek 2015 Tranzisztortól a ”Moore törvény”-ig A legnagyobb hatású találmány a 20. században a tranzisztor, nem a legszebb, mert az szerintem a populáció inverzió, a lézer... A Fairchildból kivált Intel kezdeti „titka”: az anyacégnél kidolgozott technológiai higiéne. Ezzel elsőként tudtak egyetlen chipen külső feszültség nélkül nyitott (növekményes), ill. zárt (kiürítéses) tranzisztorpárt gyártani G. Moore: kétévente kétszer annyi elem egyetlen chipen (Electronics, 38(8), apr.19,1965) „Talán a hetvenes évek végéig sikerül…” – mondta Gordon Moore. Generikus törvény született, ami inkább üzleti, nem csak technológiai! Az arányos kicsinyítés sikere a titok. International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS ( http://public.itrs.net/ ) : négyévenkénti tanulmány, kétévenként korrekció Jelenleg 2024-ig vannak a táblázatok 2015 ősz

5 2015.tavaszBME Nano-2 A Fairchildból Intel kiválás Generikus törvény, ami – és ezt ritkán hangsúlyozzák – inkább üzleti, semmint technológiai – a technológia csak eleget tesz a piacnak! Az Intel kezdeti sikerének „titka” pimaszul egyszerű volt: a technológiai higiéne, (a kemence samott- nátrium – kvarccső szilícium bélelés) Ezzel elsőként tudtak –egyetlen chipen alaphelyzetben nyitott (növekményes), ill. feszültségre záró (kiürítéses) tranzisztorpárt, ezzel „kaput” gyártani. –Több magyar emigráns is része volt a Bruce Deal vezette technológus-csapatnak: Andrew Grove, Leslie Vadasz... International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS: http://public.itrs.net/ négy évenkénti tanulmány, kétévenként korrekció

6 Trendek 2015 A „nehéz technológiai feladatok”, 2011. A fehér: az ipar tudja, sárga: kell némi fejlesztés, piros: „red brick wall”, „no known solution” – eddig megoldódott... (PROCESS INTEGRATION, DEVICES, AND STRUCTURES 2015 ősz

7 Trendek 2015 ITRS változások, 2010, http://public.itrs.net/ Eddig sikerrel és bőven megoldódtak a „red brick wall” feladatok Vajjon meddig maradhat így? 2015 ősz

8 Trendek 2015 Another, recent example from ITRS: Difficult technology tasks, 2013: ( Lithography challenges) 2015 ősz

9 Trendek 2015 Intel processor 14 nm-es technológiával 2014-ben – 2022 helyett

10 2015 őszTrendek 2015 Intel processor 14 nm-es technológiával 2014-ben – 2022 helyett

11 Trendek 2015 Kezdjük az elektronikával: a Moore ”törvény” A mai csúcs az Intelnél – kisebb, mint egy vírus! Az ún. Dennard scaling, (arányos kicsinyítés) működik 2020-ig… A szilíciumon ül egy átok: Nem lehet belőle lézert készíteni De igyexik a szakma… http://public.itrs.net/ 2015 ősz

12 Trendek 2015 A „More-Moore” és a „More-than- Moore” jövője Én annyira becsülöm Gordon Moore-t, hogy remélem, ha már, mondjuk, biokomputereink lesznek, akad mérnök, aki elkészíti ennek is a helyettesítő kapcsolását – hogy hány trillió kapu kellene hozzá? Hiszem, hogy a kétévenkénti 1.6-szoros komplektálódás – ebben az értelemben – érvényben marad 2020 után is… Ez arra is bizonyíték lehetne, hogy a Moore- törvény főleg gazdasági törvény, műszaki következményekkel 2015 ősz

13 Memristor, Leon Chua, 1971 Az ötlet a szimmetria- meggondolásokból ered: a negyedik fajta eszköz (ábra a wikipediából) Az eszköz gyorsan kapcsol alacsony és nagyellenállsáú állapot között – az áram irányától függően Millió-szám képes kapcsolni Atomi szintű állapotváltozás Megbízhatóság? Trendek 20152015 ősz

14 A flash memória konkurrense: a 3DXPoint? 2015 őszTrendek 2015 (A flash memóriát R. D. Pashley Caltech PhD diákunk találta fel) ”I want to thank you and Jim for an excellent education and the opportunity to have a career at Intel. Without your patience and guidance, I would have never been as successful.” Amit előnyének mondanak, az engem aggaszt: anyagtulajdonság megváltozásáról beszélnek – megbízhatóság, ismételhetőség … ArsTechnica

15 Trendek 2015 A nanoelektronika gondjai Scale down korlátai, új elemek: Nem elektronvezetés, más bináris rendszerek: spin, ~tronika A chipen optika fémezés helyett – elkerülhetetlen Optika: plazmonika? Analóg vs digitális rendszerek Szerintem a mai gyárakban is megvalósítható változat lehet csak nyerő – különben elkezdődik egy akár ocsmány verseny… 2015 ősz

16 Trendek 2015 Kvantumkomputer – spintronika (Courtesy of D. Jamieson, Melbourne) 2015 ősz

17 Trendek 2015 A kvantumkomputer A „qubit” kvantummechanikai fogalom, amely összekapcsolt részecskéket jelöl. Az öt fluor és a két szén hét qubitje képes 15-öt faktorizálni: 3.5=15 Rádióhullámok indítják a gépet, NMR olvassa ki az eredményt 2012: Szupravezető qubit stabilizálás (10 μ s), Si- technológiával! 2015: négy qubit, IBM IBM Research Dicarbonylcyclopenta dienyl (perfluorobutadien-2- yl) iron (C11H5F5O2Fe ) (ill. pentafluorobutadienyl cyclopentadienyldicar bonyl-iron complex) 2015 ősz

18 Trendek 2015 NMP Tématerületek támogatják az Európai Gazdasági Megújulás Tervét (European Economic Recovery Plan) > európai újjászületés PPP konstrukciók (Public Privat Partnerships) PPP-s –Factories of the Future > A jövő gyárai –Energy Efficient Buildings > Energiahatékony épületek –Green Cars > Zöld járművek Innovációs elemek (már 2012-től); demonstrációs és pilot projektek Javaslatok; NMP Expert Advisory Group, European Technology Platforms, Programme Committee Híd a Horizon 2020 Kutatási és Innovációs Keretprogram-hoz NMP Program jellemzői 2013 2015 ősz

19 Trendek 2015 A hat kulcstechnológia (key enabling technologies, KET) közvetlen támogatása –nanotechnology, –micro- and nanoelectronics including –semiconductors, –advanced materials, –biotechnology and –photonics 3 kulcstechnológiát (mikro- és nanoelektronika, fotonika és biotechnológia) közvetetten is támogatják NMP Program jellemzői 2013 2015 ősz

20 Trendek 20152015 ősz

21 Trendek 2015 Európai prioritások Personalising health and care Sustainable food security Blue growth: unlocking the potential of the oceans Smart cities and communities Competitive low-carbon energy Energy Efficiency Mobility for growth Waste: a resource to recycle, reuse and recover raw materials Water innovation: boosting its value for Europe Overcoming the crisis: new ideas, strategies and governance Disaster-resilience: safeguarding and securing society, including adapting to climate change Digital security 2015 ősz

22 Trendek 2015 A mai technológiai "forradalmak" Távközlés ~ az érzékelők/beavatkozók ~ a világítás ~ a közlekedés ~ automatizálás, általában az élelmezés ~ mesterséges érzékszervek a bio- és orvostudomány nanotudomány, -technológia 2015 ősz

23 Trendek 2015 Az elektronikai kutatás „forró” területei - példák Komputer-távközlés –Hordozható eszközök –Viselhető (Wear-on) –Szórt (Ambience) intelligencia (inter car, intelligens „homok”) –Akusztikai eszközök Érzékelők/beavatkozók forradalma –Akár biológia is… –Közlekedés automatizálása Mikro- és nanotechnológia –„Energy harvesting” – energiaforrások Világítás forradalma –Világító dióda (LED), Organikus LED 2015 ősz

24 Trendek 2015 A nanotudomány – szerintem Kolliodikusok: „mi mindig is nano-t csináltunk…” Majdnem igaz: a reaktorban ui. csak a nano-molekulákat eredményező reakció volt fontos – a helye, azaz a termékmolekula „címezhetősége” nem, pedig csak így igazi nano… Kémiai-orvosi: önszerveződés, a kémiai kötőerők és a termikus mozgás mérkőzése, ennek határai adják a végső teljesítményt, a megbízhatóságot. Fizikai-mérnöki: hozzájön még pl. az atomi, ionos, elektronos megmunkálás, az önszerveződés tökéletessége (címezhetőség), de a perspektíva a kvantumfizikába való metamorfózis, entanglement Kombinálható még a mikrotechnológiával 2015 ősz

25 Trendek 2015 A „megbízhatóság” eltérő fogalmai A mérnöki, ezen belül az elektronikáé – tévesztés/műveletszám, „MTBF” A kémiáé, ezen belül a gyógyszerkémiáé – tolerálható szennyezések Az élőlényeké – stresszhelyzetek túlélése, a faj fennmaradása 2015 ősz

26 Trendek 2015 Megbízhatóság A mikro-, nanoelektronikában a komplexitás növekedésével egyre inkább modellekre hagyatkozunk, akár sztochasztikus, káosz (?) modelleket kidolgozva számszerűsítjük megbízhatóságot A biorendszereknek a redundanciája jelent egy, de másfajta megbízhatóságot. Találkozik-e ez a két koncepció valahol középtájon, azaz a 2020-as More-than-Moore eszközé és egy vírusé? (Mert méretben hasonlóak, sőt, a vírus a nagyobb) Elég-e a vírus „megbízhatósága” (amelyben a driving force-ot az ön- és fajfenntartás fogalmával antropomorfizáljuk) – egy emberi termékben realizálódó művelethez? 2015 ősz

27 Trendek 2015 Frontvonalak 2015 ősz

28 Ipari trendek az anyagok világában 2015 őszTrendek 2015

29 Trendek A mai nanotechnológia még inkább nanotudomány, a termékké válás kritériumait teljesítenie kell Nanoelektronika: Moore, ameddig csak lehet (More Moore), More-than-Moore (post-Moore) megoldások: –optika –spintronika, –plazmonika, –Biomimetikus rendszerek Rendszerek, elemei –Szenzorika-beavatkozók „forradalma” –Ambience intelligence –Energy harvesting rendszerek –Bioelektronika A 100nm nódus tanulsága: 10-15 év: mi van a laborban készen? A kémiai, orvosi, ill. metallurgiai Nanotechnológia külön ág, ami azonban itt-ott összeér 2015 ősz

30 Trendek 2015 „Nanosafety” A gyártás és alkalmazás biztonsági, környezeti kérdéseinek tudománya. A nanotechnológia nem-informatikai ágai jelentenek elsősorban veszélyt, egészségügyi kockázatot – kozmetikumok, festékek, stb. Lejutottunk ui. abba a mérettartományba, amelynek számára –Nem csak a szűrőink alkalmatlanok, hanem –a sejtfalak, az ioncsatornák is átjárhatók… Standardok kellenek. –Friss példa: a szén nanocsövek hatásának szimulálására a fekete tetoválási festék alkalmas standard (Saito, Nature)… 2015 ősz

31 Trendek 2015 Kitekintés Az életünket egyre jobban átszövi, birtokba veszi a „nano” Fontos, hogy kellő biztonságot is jelentsen. Az EU programjai irányt vettek a –Nanobiztonság, –Megbízhatóság, de főleg –A szabványosítás felé. Reméljük, hogy kellő önmérséklet fogja kísérni a nanotechnológia alkalmazásait De a nanotudománynak zöld utat kell kapnia Küzdeni, ha „buzzword”-ként használják 2015 ősz

32 Trendek 2015 Gondolkodásmód változás elé – a kémiában Példa: kémiai katalízis a katalizátor atom, a telítetlen d-, f-héjával – szerintem – olyan atomi méretű „labor” a maga gyorsan változó elektromos- mágneses terével, amelybe a bekerülő (oda vonzott?) atomok/molekulák elektronkötései fellazulnak, (más) vegyületbe lépnek palládium-, platina-atom, stb. atomi méretű „laboratórium” 2015 ősz

33 Trendek 2015 Mérnöki gondolkodás a biológiában - kevesebb antropomorfizmus Pl. a stressz protein Megtalálja a sérült fehérjét, hogyan? „megméri” a nm-es torzulásokat, hogyan? Átadja a saját testének egy részét – milyen energetika vezérli? Tudjuk, csak atomi erők szerepelhetnek Én mindezek fizikai, atomisztikus megértését tekintem a biológia új életének 2015 ősz

34 Trendek 2015 A nanotechnológia nem-informatikai ágai A pásztázó szondás módszerek – mint preparatív technika Kémiai: katalízis, a fullerén-, szén nanocső, bio- rendszerek Önszerveződéssel nanostrukturált tömbi anyagok, fémek, kompozitok, kerámiák, dielektrikumok Végső cél: az élővilág napenergiára alapozott "preparatív technikáját" a szervetlen világban alkalmazni, a kódolás-kiválogatódás ottani elveit megkeresni Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá… 2015 ősz

35 Trendek 2015 Kérdések? TQM modelek (Total Quality Management ) Mikroelektronika ≈100% kihozatal! Funkcionális teszt, 10 10 lépés egyetlen hibára Redundancia Nanotech – kémiai, biomedikus Ipari kontroll is ilyen, kémiai analízis (kromatográfia, stb.) Gyógyszer standardok – erős, de más, mint a mikroelektronikai, Pl. szennyezés tolerancia 2015 ősz

36 Trendek 2015 Kétségeim – I A miniatürizálás megnöveli a megbízhatóságot, mert a chipbe beépített intelligencia nem, vagy csak ritkán téved –a tönkremenetel ui. csak nemkívánatos atomi mozgásokból eredhet (magas hőmérséklet) De –pl. ionizáló részecske-becsapódás "Soft error" vagy "Single Event Upset, SEU", mert nem destruktív hiba… védekezés: redundancia, ismétléses kontroll 2015 ősz

37 Trendek 2015 Kétségeim – II Az emberiség termeléssel és logisztikai elosztással dolgozik – milyen lesz a nanogyár? Minőségellenőrzés –Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, –A biorendszerek "minőségellenőrzése" az evolúció: 1.a ön-reprodukció, 2.a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), 3.a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva –Lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'? A mai, pl. gyógyszergyártási minőségellenőrzése nem lehet elég pl. a kvantumkomputer "gyártásához": –nem maradhatnak inaktív, nem szenzibilizált molekulák, –térben szervezetten kell létrejönniük (megtalálható – címezhető) IBM kvantum chipjének megbízhatósága 90% – kevés... 2015 ősz

38 Trendek 2015 Kétségeim – III A biorendszerben ugyanez már nagy baj: –ha az immunrendszernek nem sikerül közbelépnie, carcinogenezis Bioban a redundancia óriási foka –miatt jön létre valamiféle "megbízhatóság"-gal analóg folyamat, pl. az agy plaszticitása… de ez, pl. a repülőgépünk vezérlőegységében aligha megnyugtató… A "nanogyár"-ban vajon minimálhatjuk-e a zaj (káosz) hatását, pláne, szobahőmérsékleten? –Mi lesz a "laissez passer"-vel? Ez jelentősen korlátozhatja a nem-direkt biológiai-orvosi nanotermékek körét. 2015 ősz

39 Trendek 2015 Biomimetikus rendszerek A XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, mint az akkori-mai biológiára Az a szójárás tehát, hogy "a XX. volt a fizikáé, a XXI. a biológiáé" – így értelmetlen De: a fizikának agresszíven bele kell vonulnia az interdiszciplinákba és nem visszahúzódnia pl. a részecskefizikába, asztrofizikába – mint tartósabban "saját" területekre... 2015 ősz

40 Trendek 2015 A biológia nyújtotta lehetőségek – mint a scifi… A sejten belüli molekuláris „gépek” felhasználása –a (kontroverz) génmódosítás, mára semmiség, –DNS-felhasználású replikákkal anyagelőállítás; –vírusok, mint önszerveződést provokáló „gépek”; –Ezeket „tudománynak” érzem, egyelőre –Szeretném hinni, hogy ez senkinek a hitét nem befolyásolja: mindez a törvények alkalmazása … A Materials Today illusztrációja 2015 ősz

41 Trendek 2015 Nanomegmunkálás fokuszált ionnyalábbal, és vezérelt CVD-vel (LEO gym., MFA-ban) Nanopore - nanopórus MFA rekord: 20nm pórus FIB – DNS átfért rajta, „Pungor Ernő díj”, Gyurcsányi Róbert, BME 2015 ősz

42 Trendek 2015 Grafén – litográfia „plazmapisztoly” http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/ MFA két világelsősége a grafén kitográfia; két Junior Prima-díj: Tapasztó Levente és Nemes-Incze Péter (Biró László Péter csoportja) 2015 ősz

43 Trendek 2015 Bevezető gondolatok: Buckminster Fuller: Operating Manual for Spaceship Earth - (1969) Biosphere, Montreal, 1967 “…One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it…„ …, hogy nem kaptunk hozzá Használati utasítást… 2015 ősz

44 Trendek 2015 A ‘Spaceship Earth’ mély értelmű: a kékesszürke Föld termikus egyensúlyban lebeg az Űrben. Ekkor az érkező és az űrbe kisugárzott hőmennyiség azonos (+ a radioaktivitásból származik néhány %-nyi geotermikus hő) a Római Klub analízise (Kirchhoff törvény) a hetvenes évekből: ha az érkező napenergia 5 tízezredét (!) többletként felszabadítjuk – bármilyen „tiszta” módon – a földi átlaghőmérséklet kb. egy fokkal megemelkedik! Ezt szokták úgy mondani, hogy pár óra alatt megérkezik a Földre az emberiség teljes éves energiaszükségletét kitevő napenergia. Az emberiség fejlett fele kb. ennyit szabadít fel a saját szállásterületén „Föld űrhajó” 2015 ősz

45 Trendek 2015 A teljes rendszert, a „túlszaporodott ember a természetben”-t kell vizsgálni, és úgy, hogy a lobbi-érdek lólába ne lógjon ki. A Földet a „napmotor” hajtja ma is („solar engine”), A nagy csoda, hogy a felszín egyensúlyi hőmérséklete évszázmilliók óta a jég olvadáspontja körül mozog. A termelési-fogyasztási folyamatok zárt láncba kapcsolása Érzésem szerint, kb. az a határ érvényes a napenergiának részleges „emberi csatornákba” való terelésében, mint a hőfok-emelkedésnél, azaz a kb. 5/10000... Ekkor az ökológiai lábnyom számítása jelentősen megváltozik: ha ui. az alapanyagok kizárólag az emberi termelésen- fogyasztáson belül forognak, akkor csak az átalakításaikhoz szükséges energetika okán terhelik a Földet és növelik meg az ökológiai lábnyomot… Tézisszerűen: 2015 ősz

46 Trendek 2015 A mai tudománynak egyetlen missziója van és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel az ön- és fajfenntartás ösztönének is: 1. megkeresni annak a módozatait, hogy élhet-e, ill. hogyan 7-10 G ember a Földön – úgy is, hogy a többi élőlény is megmaradjon?… 2. emellett az egyén élettartam-növelése domináns érdeklődést vonz – a biotudományok súlya, érdekessége, Képes lesz-e az emberiség az életforma receptet idejében magáévá tenni? Én az „elviselhetővé” tételt a humanióráktól, ill. kiknek-kiknek a vallástól remélem … Az alapkérdés 2015 ősz