Materiali še kar osvajajo svet: globalno in lokalno · Polimeri Keramika Kompoziti Nano Po...
Transcript of Materiali še kar osvajajo svet: globalno in lokalno · Polimeri Keramika Kompoziti Nano Po...
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
1
Marija Kosec
Institut “Jožef Stefan”, Jamova cesta 39, 1000 LjubljanaCenter odličnosti NAMASTE
Materiali še kar osvajajo svet: globalno in lokalno
Odsek za
elektronsko keramiko
s pomočjo
MIDEM, 26. 5. 2011
Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.
Kako čim bolj izkoristiti sončno sevanje? S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični efekt.
Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo? Z uporabo piezoelektrikov.
Se nam obeta nova generacija učinkovitih, enostavnih hladilnikov?Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen elektrokaloričniefekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.
Vsebina
MIDEM, 26. 5. 20112
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
2
Elektronika in elektrotehnika
Energetika
Zdravje
Materiali
Materiali so infrastruktura tehnološko usmerjene družbe
Materiali so snovi, ki v primerni obliki izvajajo določene funkcije
Les kot materialali kot gorivo
MIDEM, 26. 5. 2011 3
Sestava in
struktura
Kovine
Polimeri
Keramika
Kompoziti
Nano
Po uporabnosti
Mat.v elektroniki
Medicini
Gradbeništvu
Tekstilu
Energetiki
+
Tehnologije
Nano
Tankoplastne
Debeloplastne
Keramične
+.
?
++???++
??
?
Materiali: razdelitev
MIDEM, 26. 5. 2011 4
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
3
MIKROELEKTRONIKAPolprevodniki
Si, ZnO, C (grafen)
Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.
Kako čim bolj izkoristititi sončno sevanje? S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični efekt.
Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo? Z uporabo piezoelektrikov.
Se nam obeta nova generacijo učinkovitih, enostavnih hladilnikov?Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen elektrokaloričniefekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.
MIDEM, 26. 5. 2011 5
Prvi (bipolarni) tranzistor so izdelali v
Bellovih laboratorijih - Bell Telephone
Laboratories leta 1948. Izumitelji Bardeen,
Brattain in Shockley so leta 1956 za to delo
prejeli Nobelovo nagrado.
MIDEM, 26. 5. 2011 6
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
4
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Monokristalines_Silizium_f%C3%BCr_die_Waferherstellung.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:ICC_2008_Poland_Silicon_Wafer_1_edit.png
http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit
Si-polprevodniki
dodelana tehnologija
Visoke temperature pri
izdelavi
togi
netransparentni
Upper interconnect layers on an
Intel 80486DX2 microprocessor die.
Microchips (EPROM memory)
with a transparent window,
showing the integrated circuit
inside.
MIDEM, 26. 5. 2011 7
Transparent +
MIDEM, 26. 5. 2011 8
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
5
+ and flexible
Transparentni fleksibilni polprevodniki
MIDEM, 26. 5. 2011 9
Transparentni prevodni oksidi
Transparent conductive oxides: TCO
zahteve- Visoka optična transparentnost- dovolj širok prepovedani pas, da je material
transparenten v vidnem področju: > ≈ 3.1 eV (Si: 1.1 eV @ 300K)
- Visoka električna prevodnost (≈ 10 4 S/cm)
- Dovolj velika koncentracija nosilcev nabojev
(elektronov ali vzeli) > ≈ 1019 /cm3
- Dovolj visoka mobilnost, > ≈ 1 cm2/V s (še bolje, > ≈ 10 cm2/V s)
“pasivni prevodniki”: prevodnost naj bo čim večja = visoka koncentracija
nosilcev nabojev
“aktivni prevodniki”: nizka koncentracijo nosilcev nabojev vendar z visoko
mobilnostjo
Wager, Keszler, Presley, Transparent electronics, 2008.MIDEM, 26. 5. 2011 10
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
6
Common TCOs and their properties
TCO Bandgap σ * Charge carrier Mobility
/ eV (S/cm) conc (cm-3) (cm2/V s)
In2O3 3.75 10000 > 1021 35
ZnO 3.35 8000 > 1021 20
SnO2 3.6 5000 > 1020 15
*: values for polycrystalline films
n-type (conduction via electron transport)
Passive applications (= conductors): In2O3: Sn (ITO), SnO2: F, SnO2: Sb, ZnO : Al
Metals: σ W ≈ 105 S/cmMIDEM, 26. 5. 2011 11
Nomura, Ohta, Takagi, Kamiya, Hirano & Hosono
NATURE, VOL 432, 2004, 488.
Struktura je narejena s PLD
ITO: In2O3: Sn (10%)
a-IGZO: amorfni In-Ga-Zn-O (1.1 : 1.1 : 0.9)
Mobilnost: 10 cm2/Vs
Koncentracija nosilcev naboja: 10-14/cm3
Fleksibilnost zahteva nizke tempeature
priprave:nosilec je polimer
Priprava tankoplastnega tranzistorja uporabljajoč
amorfne polprevodnike
MIDEM, 26. 5. 201112
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
7
Nomura, NATURE, 2004.
Transportne poti v kristaliničnih in amorfnih TCOs
In2O3-ZnO (IZO)
In2O3-Ga2O3- ZnO (IGZO)
+MIDEM, 26. 5. 2011 13
n-type TCOs:
In2O3: Sn (ITO)
CdO
SnO2
ZnO
In2O3-ZnO (IZO)
In2O3-Ga2O3- ZnO (IGZO)
+
p-type TCOs:
Delafossite-type materials
(contain Cu(I))
CuCrO2
CuAlO2
High-K dielectrics:
Ta2O3
HfO2
SiO2
Al2O3
Single or mixed oxides
+
MIDEM, 26. 5. 2011 14
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
8
Priprava TCOs
Fizikalne metode nanašanja: sputtering, PLD
Najpogosteje
Depozicija pri nizki temperaturi
Primerno za različne nosilce
Kompletno pokritje
Zahteve: keramične tarče s točno določeno kemijsko sestavo, visoko gostoto,
homogeno porazdelitvijo
Sinteza iz raztopin (CSD)
Sestava se določi že v raztopini
Problem, kako doseči nizke temperature, da dobimo čisto anorgansko fazo
Kompletno pokritje
In jet printing podobno kot CSD, velika prednost: direktno oblikovanje, nič
jedkanja
MIDEM, 26. 5. 2011 15
Andre Geim, and Konstantin Novoselov 2010
Nobel Prize in Physics "for groundbreaking
experiments regarding the two-dimensional material
graphene".
2010 Nobelova nagrada za fiziko
Grafen (Graphene):CAndre Geim Konstantin Novoselov
C:grafit C:diamantMIDEM, 26. 5. 2011 16
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
9
http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
Grafen: lastnosti
Zero-gap polprevodnik
Visoka mobilnost elektronov 15,000 cm2V−1s−1 (Si mobilnost elektronov:1400
cm2V−1s−1).
Električna upornost: 10−6 Ωcm manj kot srebro (Si intrinsična upornost: 3.2105
Ωcm)
Optično transparenten
Nenormalni Hall efekt
Toplotna prevodnost:4.84±0.44) ×103 to (5.30±0.48) ×103 Wm−1K−1
(najvišja poznana vrednost)
Zlomna trdnost 200x višja od jekla, natezna trdnost 130 GPa
Uporaba:Lahko nadomesti silicij v elektroniki, primeren je za transparentne
elektrode,
v fotovoltaiki, optoelektroniki, fotoniki, uporaben v spintroniki itd.
MIDEM, 26. 5. 2011 17
Grafen: novi material za hlajenje čipov v elektroniki
http://www.smartplanet.com/business/blog/intelligent-energy/will-electronics-enter-into-a-graphene-age/1155/
Hlajenje mikroelektronskih čipov: toplotna prevodnost 600W/K baker: 250W/K, silicij:10 W/K
MIDEM, 26. 5. 2011 18
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
10
Science (7. februar 2010) — IBM-ovi znanstveniki so
predstavili nov 100 GHz grafenski tranzistor.
http://www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100205113551.htm
GRAFENSKI TRANZISTOR
IBM-ovi znanstveniki so predstavili najhitrejši grafenski
tranzistor na svetu. (PRNewsFoto/IBM)
MIDEM, 26. 5. 2011 19
Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?
Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.
Kako čim bolj izkoristiti sončno sevanje?
S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in
termoelektrični efekt.
Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo?
Z uporabo piezoelektrikov.
Se nam obeta nova generacija učinkovitih, enostavnih
hladilnikov?
Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen
elektrokalorični
efekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.
MIDEM, 26. 5. 2011 20
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
11
Sončne celice
MIDEM, 26. 5. 2011 21
, ,
MIDEM, 26. 5. 2011 22
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
12
Termoelektriki
Termoelektrični generatorji osnovani na Seebeck-ovem efektu. Temperaturna razlika med spojema dveh različnih materialov privede do napetosti.
Termoelektrični generator
D. Jia, J. Liu,Front. Energy Power Eng. China 2009, 3(1): 27–46
hladna stran
topla stran
MIDEM, 26. 5. 2011 23
Slike prikazujejo:(a) oksidne dele tipa p in n, (b) deli p in n keramike vstavljeni v Al2O3 matriko in (c) končni izdelek po segrevanju.
Funahashi R, Mikami M, Mihara T, Urata S and Ando N 2006,J. Appl. Phys. 99 066117
Termoelektriki
Rešitev: keramika namesto monokristalovp-tip: Ca2,7Bi0.3Co4O9
n-tip: La0.9Bi0.1NiO3
materiali: p-type Bi2Te3/Sb2Te3
n-type Bi2Te3/Bi2Te2.7Se0.3
MIDEM, 26. 5. 2011 24
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
13
K. A. Cook-Chennault, N. Thambi, A. M. Sastry, Smart Mater. Struct. 17 (2008) 043001
MIDEM, 26. 5. 2011 25
Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen
(C)?
Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.
Kako čim bolj izkoristiti sončno sevanje?
S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični
efekt.
Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se
sprehajamo?
Z uporabo piezoelektrikov.
Se nam obeta nova generacija učinkovitih, enostavnih
hladilnikov?
Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen
elektrokalorični
efekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.
MIDEM, 26. 5. 2011 26
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
14
Energy HarvestingZbiranje energije
Zbiranje majhnih količin energije iz lokalnih virov
MIDEM, 26. 5. 2011 27
Viri energije:
Termalna energija – “odpadna” energija iz peči, grelcev in iz trenja
Mehanska energija – izvor iz vibracij, mehanskih napetosti in deformacij
Svetlobna energija – izvor iz sončne svetlobe ali sobne svetlobe, izkoristimo jo lahko s foto-senzorji, foto diodami, ali sončnimi celicami
Elektromagnetna energija – iz tuljav in transformatorjev
Naravna energija – iz okolja, npr. veter, vodni tok, oceanski tokovi, sonce
Človeško telo – kombinacija mehanske in toplotne eneregije, ki jo proizvaja človeško telo med hojo ali drugačno aktivnostjo
Ostala energija – iz kemičnih in bioloških virov
http://www.energyharvesting.net/
MIDEM, 26. 5. 2011 28
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
15
MIDEM, 26. 5. 2011 29
Vir: Mehanska energija
Piezoelektrični “zbiralniki energije” (piezoelectric harvesters)
Shematska predstavitev smeri sil delovanja na piezoelektrični element in proizvedenega naboja oziroma napetosti v primeru dveh načinov delovanja:
(a) tlačni način delovanja s stiskanjem(b) prečni način delovanja z upogibanjem
MIDEM, 26. 5. 2011 30
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
16
MIDEM, 26. 5. 2011 31
Piezoelektična keramikaPiezoelektična keramika: : SestavaSestava
BaTiO3,
PbTiO3 (PT)
Piezoelektrični materiali na osnovi trdne raztopine Pb(Zr,Ti)O3 (PZT):Odlične piezoelektrične lastnosti, ki jih lahko spreminjamo s sestavo in dopiranjem za široko uporabo v različnih aplikacijah.
Nadaljnje sestave
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN)
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 – PbTiO3 (PMN-PT)
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – PbTiO3 (PZN-PT), (PMN-PZN-PT)
Visoka vsebnost svinca (~60w%) → ekološki problemi
V zadnjem desetletju: iskanje piezoelektričnih materialov brez svinca
Primer:(K,Na)NbO3 s.s. (KNN).
A
B
O
MIDEM, 26. 5. 2011 32
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
17
Shenck N S and Paradiso J A 2001 Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectrics IEEE Micro. 21 30–42
Čevelj, ki proizvaja energijo med hojo človeka (“Human power shoe”) vsebuje PZT element Moč : 8.4 mW pri 0.9 Hz in 500 kOhm.
MIDEM, 26. 5. 2011 33
Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?
Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.
Kako čim bolj izkoristiti sončno sevanje?
S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični efekt.
Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo?
Z uporabo piezoelektrikov.
Se nam obeta nova generacija učinkovitih, enostavnih
hladilnikov?
Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen
elektrokalorični
efekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.
Elektrokaloriki
MIDEM, 26. 5. 2011 34
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
18
Elektrokalorični efekt: polarni material
MIDEM, 26. 5. 2011 35
Cr/Au,
≈ 80 nm
PLZT,
≈≈≈≈ 430 do 450 nm
Pt,≈
100 nm
TiO2,
≈ 30 nm
SiO2,
≈ 450 nm
Si
5 mm
0 200 400 600 800 1000 12000
10
20
30
40
50
60
∆T (K)
E (kV/cm)
8/65/35 PLZT thin film
direct measurements
at 318 K
0 200 400 600 800 1000 12000
10
20
30
40
50
60
70
8/65/35 PLZT thin film
direct measurements
at 318 K
∆S/m
(J/kgK)
E (kV/cm)
100 nm
Direktne meritve elektrokaloričnega efekta na IJS
Lu et al, Appl. Phys. Let. 97 162904 (2010)
MIDEM, 26. 5. 2011 36
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
19
Lu et al, Appl. Phys. Let. 97 162904 (2010)
“Figure of merit”Maksimalna učinkovitost
∆∆∆∆T/∆∆∆∆E in ∆∆∆∆S/∆∆∆∆E za različne vzorce.
MIDEM, 26. 5. 2011 37
Slovenija: Kje smo?
Institut “Jožef Stefan”Odsek za elektronsko keramiko: http://www-k5.ijs.si/Piezoelektriki: volumenski materiali, tanke in debele plasti Prosojni prevodni oksidi: In2O3:ZnO: Ga2O3
Tehnologije: sito-tisk, brizgalno tiskanjeElektrokaloriki
Močni v raziskavah materialov, vendar pa razdrobljeni in šibko povezani z ostalimi področji.
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehnikoLaboratorij za fotovoltaiko in optoelektroniko : http://lpvo.fe.uni-lj.si/ materiali (Si, Graetzel tip), naprave, moduli, sistemi
Kemijski inštitut: http://www.ki.si/en/L02 Laboratorij za spektroskopijo materialovCO: Nizko oglične tehnologije, CO NOT
Fotovoltaični materiali: DSSC tip
MIDEM, 26. 5. 2011 38
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
20
Testni vzorci PZT na korundni podlagi pripravljeni z metodo sito-tiska.
Piezoelektrične debele plasti PZTFibre optic cable
controller
Opto-electronic
V
A
B
head
Optical sensor
Merjenje piezoelektričnih koeficientov
Simulacije
MIDEM, 26. 5. 2011 39
brizgalno tiskanje “drop-on-demand”
Kapljice nastajajo le, če to zahtevamo
http://www.dimatix.com
Vzorčenje: brizgalno tiskanje
Komercialna glava tiskalnikaBrizgalni tiskalnik Dimatix
MIDEM, 26. 5. 2011 40
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
21
Šoba
Rep
Kapljica
Prosojni prevodni oksidi (In2O3:ZnO)
• Kontrolirano iztekanje raztopin
• Možnost printanja na različnih podlagah
• Prosojno na steklih in polimerih
Dobro definirane strukture
Meritve kontaktnega kota
In2O3/ZnO 89.3/10.7wt%
Alkoksidne in acetatne raztopine v 2-metoksietanolu
Nanos iz raztopin
Kamera za opazovanje
kapljic
AFM
FESEM
500µm
40 µm
SiOx/Si
IZO
Raztopina prilagojena za tiskanje
MIDEM, 26. 5. 201141
Procesiranje keramičnih tarč
→ Sinteza v trdnem stanjuVisoko-kvalitetni začetni materiali, homogenizacija začetnih materialov, predžganje, sintranje, optimizacija sintranja T, atmosfere, časa.
Cilj je zmanjšati število korakov procesiranja, da bi se izognili kontaminaciji.
Plastični pripomočki Visoko-energijski mlin Peč za sintranje
MIDEM, 26. 5. 2011 42
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
22
Sinteza keramike v sistemu In2O3: ZnO : Ga2O3
In2O3
In2ZnGa2O7
1450oC
In2O3
ZnGa2O4
In2ZnGa2O7
1350oC
Sinteza v trdnem stanju
Mehanokemična aktivacija
ZnO-In2O3-Ga2O3 fazni diagram
MIDEM, 26. 5. 2011 43
Tarča za naprševanje
Od keramike do naprave
20 30 40 50 60 70
300
600
IZO
2 Theta (degree)
IZO:Zr
Napršene tanke plasti pripravljene iz
visoko-kakovostnih keramičnih tarč so
gladke in amorfne.
RMS=0.5 nm
Slika površine tanke plasti narejena z mikroskopom na
atomsko silo
Rentgenski spekter tanke plasti
Tanko-plastni tranzistor
Naprševanje
Ob
likovan
je
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 3510
-13
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
IG
I D (A)
VG (V)
W/L= 25/25
VD= 20 V
ID
Napetostni prag = 4VGVS (Gate voltage swing) = 0.5V/decRazmerje On/Off = 108
Mobilnost = 55 cm2/Vs
Karakterizacija
n-kanalna TFT naprava
MIDEM, 26. 5. 201144
P. Barquinha et al, J Electrochemical.Soc. 156 2009
© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011
Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM
23
Dela so bila narejena v okviru programa ARRS P2-0105
Ob sofinaciranju Hyb d. o. o. in HIPOT R-R d. o. o.
5. OP PIRAMID, 6. OP MINUET, 6. OP MIND, 6. OP MULTIFLEXIOXIDES, 7.
OP ORAMA
Za konec:
Materiali bodo kot doslej krojili tehnično plat našega življenja.
Vabijo inventivne, pogumne raziskovalce in drzne realizatorje.
Zahtevajo pa nujno kompleksen pristop več znanj in spretnosti.
Tega pa je žal pri nas premalo!
MIDEM, 26. 5. 2011 45
ZAHVALA
Dr. Barbara Malič
Dr. Janez Holc
Dr. Marko Hrovat
Dr. Danjela Kuščer Hrovatin
Dr. Andreja Benčan
Dr. Tadej Rojac
Dipl. ing. Silvo Drnovšek
Dipl. ing. Jena Cilenšek
Ing. Srečko Maček
Tina Ručigaj
Darko Belavič, dipl. ing.
Dr. Marina Santo Zarnik
Mitja Jerlah
Prof. Nava Setter, EPFL, Lausanne
Prof. Rainer Waser, RWTH Aachen
Mrs. Wanda Wolny, Ferroperm Piezoceramics,
Copenhagen
Hvala za pozornost!
V slogi je moč!
MIDEM, 26. 5. 2011 46