Nanotechnologie - Maketech Platform

Themabijeenkomst Nanotechnologie, 30 maart 2017
Nanotechnologie:
de volgende
technologische revolutie ?
Guido Groeseneken
Imec en KU Leuven
1
 = nanos = dwerg
Nanos is het Griekse woord voor dwerg, dus iets kleins...
2
Page 1
Hoe groot is een nanometer ?
1 nm = 10-9 m = 1 miljardste van een meter
1 m/1000 = 1 mm
Diameter = 10,000 km
= 10,000,000 m
= 107 m
1 mm/1000 = 1 m
Delen door 1 miljard
1 m/1000 = 1 nm
107/109 m = 10-2 m = 1 cm
3
Hoe groot is een nanometer ?
Mijn baard groeit 5 nanometer per seconde = 300nm per minuut
= 18000 nm per uur = 432000 nm of 0.432mm per dag
4
Page 2
Nanotechnologie
Methoden en werktuigen voor fabricatie en/of gebruik
van structuren op nanometerschaal
(1 tot 100nm)
bruikbaar voor tal van nieuwe toepassingen
Griep Virus
Transistor
TiO2
Deeltjes
Zonnecreme C-Nanobuisje
Atoom
1nm
3 1 nm
20 nm
Si
Nanodraden
Grafeen
Nanoporie
0.3 nm
100 nm
NANOTECHNOLOGIE
5
De profeet: de visie of de droom ?
The Classic Talk: “There’s Plenty of Room
at the Bottom”
Richard Feynman
Noble Prize Physics 1965
”The principles of physics do not speak against
the possibility of maneuvering things atom by
atom. It is not an attempt to violate any laws; it
is something, in principle, that can be done; but
in practice, it has not been done because we are
too big”
”I want to build a billion tiny factories, models
of each other, which are manufacturing
simultaneously, drilling holes, stamping parts,
and so on.
6
Page 3
Nanotechnology: Shaping the picture
Source: NSF
7
Nanowetenschappen en
nanotechnologie
Key = multidisciplinariteit – grensvlak van
verschillende wetenschappelijke disciplines
Renaissance ingenieurs !
Page 4
8
Toepassingsgebieden
Nanoelectronica (ICT, mobile, etc.)
Smart materials (slimme materialen)
Displays (flexible displays)
Sensoren en biosensoren
Nanoscale biostructuren
Energie opwekking en opslag
Health and life sciences and technology
Photovoltaics
Environmental
…
…
9
Impact op nagenoeg iedere
(klassieke) industriële activiteit…
ICT, Medica, Farma, Cosmetica, Verlichting, Catalysts,
Voeding, Waterzuivering, Energie, Textiel, Auto, Bouw…
http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/.
Source: UMICORE NanoGrain™
2005: 54 Nano producten; in 2012: al 1750
Page 5
10
Wat maakt Nano-deeltjes zo bijzonder?
54 atomen
nm
Nano

24 buitenste
36 buitenste
Reactiviteit ~ buitenste atomen (chemische reactiviteit)
Effecten van kwantumfysica (optisch, elektrisch, magnetisch…)
Materiaaleigenschappen veranderen (geleidbaarheid, sterkte, ...)
Chemische decoratie mogelijk (b.v. “haken” naar levende cellen)
Nieuwe materialen => nanotoxiciteitsonderzoek!
…
EEN NIEUW GRENSGEBIED TE ONTDEKKEN, TE BEWAKEN EN
TOE TE PASSEN
11
Kwantum fysica
Op nanometer schaal spelen volop de effecten van de
kwantum fysica
Kwantum fysica werd ontwikkeld in de eerste helft vn
de 20e eeuw, o.m. op de Solvay bijeenkomsten in
Brussel (zie hieronder foto uit 1927)
13
Page 6
Interactie met licht
 Licht heeft een deeltjes (fotonen) en een
golfkarakter
 Deeltjes (bv electronen) hebben ook een
golfkarakter
 Energie is gekwantiseerd: E = h f met h
constante van Planck
 Allerlei interferentie en
verstrooiingseffecten zorgen b.v. dat
nanodeeltjes andere kleuren
hebben dan op macro schaal
14
Nano in de natuur
Nanostructuren in b.v. de vleugels van vlinders, veren van
pauwestaarten en opaal veroorzaken bonte kleurschakeringen
15
Page 7
Nano is al zeer oud !
Nanodeeltjes in het glas van eeuwenoude glasramen
veroorzaken gelijkaardige bonte kleurschakeringen
16
Het Lotus effect
17
Page 8
Waterafstotende schoenen
Katrien Herdewyn:
- ex master student nanowetenschappen en nanotechnologie
- Zaakvoerster Elegnano, Wezemaal
- UNIZO starter van het jaar 2015
- Elegnano schoenen zijn dankzij nanotechnologie volledig vuil- en
waterafstotend.
www.elegnano.com
18
TiO2 for self –cleaning windows
TiO2
photocatalysis + oxidation
Organic dirt is broken down
Hydrophilic surface
Rain washes away the dirt
https://www.pilkington.com/en-gb/uk/householders/types-of-glass/self-cleaning-glass
Page 9
19
Zinc Oxide sunscreen
Nanophase zinc oxide
20
Nano silver: anti-bacterial
Silver Nano Health System) is a trademark name of an antibacterial technology
which uses silver nanoparticles in washing machines, refrigerators, air conditioners,
air purifiers and vacuum cleaners introduced by Samsung in April 2003 (Wikipedia)
21
Page 10
Nanotechnology and energy
22
Koolstof gebaseerde nanomaterialen
Carbon: Diamond (sp3) and Graphite (sp2)
0D
Fullerenes (C60)
1D
2D
Carbon Nanotubes
Graphene
3D
Graphite
23
Page 11
Grafeen in 2010
24
Grafeen: materiaal van de toekomst ?
Nobelprijs 2010 !
Grafeen:
- Sterker dan staal
- Goede geleider
- Unieke optische eigenschappen
Veel nieuwe toepassingen:
- Nieuwe transistoren
- Efficientere zonnecellen
- Quantum dot devices
- Biodevices
- Nanoribbons
25
Page 12
Carbon nanotubes
Single-wall
Double-wall
Multi-wall
SWCNT carpet
SW-CNT G/D ≈ 10
LCNT=2.6μm
SWCNT carpet
2.6μm
Voorbeelden van toepassingen:
composietmaterialen: geleidende plastics, carbon fibers in boten,vliegtuigen.
versterken van tennisraketten, fietsen, skis, golfsticks etc.: licht en sterk !
betere transistoren en geleiders voor electronica
26
Nanoelectronica is de meest succesvolle en
wijd verspreide nanotechnologie
•PC
•50cm
•Moederbord
•Verpakte
CPU
•30cm
•5cm
•Chip
•(dual core)
•1.5cm
•Grootte•orde
27
Page 13
Nanoelectronica is de meest succesvolle en
wijd verspreide nanotechnologie
•Chip
•(dual core)
• Verschillende
•Circuits
•Transistor
•(820 miljoen in
•Intel Quad Core)
•Gate
•oxide
•(6T-SRAM)
•HfO2
•1.5cm
•0.6um
•100nm
•1nm
•Grootte•orde
•haardikte
•Ebola virus
•H20
•molecule
•1 millimeter = 0.001 meter
1 micrometer = 0.000001 meter
1 nanometer = 0.000000001 meter
28
1947: uitvinding van de transistor
De eerste transistor, uitgevonden bij
Bell Laboratories op 16 December, 1947
door William Shockley, John Bardeen en
Walter Brattain, was gemaakt in
Germanium. Het woord transistor komt
van zijn eigenschap stroom te regelen of
te schakelen (TRANSfer + resISTOR).
John Bardeen enWalter Brattain
ontvingen de Nobel Prijs in
Fysica, 1956, samen met William
Shockley, "for their researches on
semiconductors and their
discovery of the transistor effect."
29
Page 14
1958: uitvinding van de
geintegreerde schakeling
First silicon IC chip made by Robert Noyce
of Fairchild in 1961
Invention of the integrated circuit
In 1958 and 1959, Jack Kilby at Texas Instruments and Robert Noyce at Fairchild Camera, came up with
a solution to the problem of large numbers of components, and the integrated circuit was developed.
The Nobel Prize in Physics 2000 was awarded to Jack Kilby for the invention of the integrated circuit.
30
1971: Eerste Intel microprocessor
Intel 4004
The first microprocessor on the market
The Intel 4004 was originally designed for use in a Busicom scientific calculator, but Intel engineers
realized the design of the chip afforded multi-purpose use - thus the microprocessor was born.
The 4004 contained 2000 transistors and is a 4-bit microprocessor capable of processing 4 bits of
information at a time at a rate of about 60 kHz.
31
Page 15
Transistor principe
 ‘Switch’
 Gate spanning regelt de
stroom van electronen
als Vg > Vth
drain stroom vloeit
(switch is gesloten)
als Vg < Vth
geen stroom kan
vloeien (switch is
open)
Vd = constant
Vth
Control gate Voltage
32
Transistoren
De bouwsteen van de nano-elektronica revolutie is
een ‘simpele’ schakelaar, maar wel eentje die vandaag
een lengte heeft van minder dan 100 atomen ...
20nm
33
Page 16
The power of scaling
Making things smaller  more
and faster transistors on chip
Intel 4004
Year
1971
2014
ratio
Transistors
2.300
2.600.000.000
~ 1.130.000
Speed (Hz)
~ 310.000
10.800
3.500.000.000
Number of cores
1
8
8
Gate length (nm)
10.000
22
~ 1/450
12
356
~ 22
Area (mm2)
Cost scaling
Performance
Intel Core i7 5960x
34
Drijfveer: “wet” van Moore
“# transistoren/chip maal 2 om de 18 maanden”
Rekenkracht/chip maal 2 om de 2 jaar…2*106 sinds 1971
1USB stick : meer transistoren dan bevolking van China + India samen
35
Page 17
Een aantal cijfers en beschouwingen
Meest geavanceerde geïntegreerde schakelingen
vandaag :
– 10nm transistoren.
– Meer dan 2 miljard transistoren/chip
– 1 menselijk haar : 100 μm breed, omvat 10.000 dergelijke
transistoren!
Geheugenchips vandaag :
– Verschillende Gigabytes
– De hele Winkler Prins Encyclopedie (20 boeken) kan op 1
chip van 2cm2
Precisie lithografie :
– Vanuit geostationaire satelliet : 1 bepaald
grassprietje op een voetbalveld viseren
Markt Halfgeleiderschips : >300 Miljard$
36
Het is een kleine wereld
Een menselijk haar bovenop een 110 nm chip
Page 18
37
More Moore
Microelectronia industrie is geevolueerd tot de meest succesvolle
nanotechnologie (nanoelectronica) met hoog volume produktie
MOSFET gate length (m)
Transistors per processor chip
Nanotechnology
38
Major fabrication steps in a planar IC technology
UV light
Mask
oxygen
exposed
photoresist
photoresist
Silicon dioxide
oxide
Silicon substrate
Oxidation
(Field oxide)
Photoresist
Coating
Mask-Wafer
Alignment and
Exposure
Exposed
Photoresist
Dopant gas
Ionized CF4 gas
photoresist
oxide
Ionized oxygen gas
oxide
Oxide
Etch
CF4 or C3F8 or CHF3
Photoresist
Strip
O3
Oxidation
(Gate oxide)
Ionized CCl4 gas
Silane gas
oxygen
gate oxide
Photoresist
Develop
polysilicon
Polysilicon
Deposition
oxide
Polysilicon
Mask and Etch
CF4+O2 or CL2
Scanning
ion beam
silicon nitride
top nitride
G
ox
S
Contact
holes
D
Ion
Implantation
S
G
D
Active
Regions
S
G
D
Nitride
Deposition
Metal
contacts
S G D
G
drain
S
D
Contact
Etch
Metal Deposition
and Etch
Copied from Advanced Micro Devices
Page 19
39
EUV lithografie
 EUV: key for keeping patterning cost manageable in advanced nodes
 Since 2011: ASML pre-production scanner NXE:3100
 Phenomenal lithographic power can be achieved : 9nm half-pitch demonstrated
40
EUV lithografie
ASML NXE 3100 at IMEC interfaced to TEL Lithius Pro EUV and equipped with
Ushio DPP source
41
Page 20
Micro-Nano convergentie
Wetten van de
Quantumfysica!
Magneto-elektronica
Polymeer elektronica SIF
Opto-elektronica
Nanoelektronica
Nano-elektronica
Biosensoren
Moleculaire nano-technologie
Micro (nano)
elektromechanische
systemen
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
42
De bouwstenen van het leven (DNA en RNA)
zijn een perfect staaltje van nanotechnologie !
43
Page 21
Nano-Bio visie : Bio en ICT ontmoeten
elkaar op nanoschaal
BIOTECH
nm
m
NANOTECH
Targeted Drug
Delivery
cm
Nano Particles
Biosensoren, Lab on chip
x109
31 nm
Courtesy H. Deman
transistor
NANOELECTRONICS
44
Nano Particles als Trojaans paard
voor kankercellen
Targeted drug delivery
Will we get rid of Chemotherapy some day?
Selective
Chemical
“Hooks”
(Antibodies)
Nanoparticle
Drug Payload
Source: J.Baker U. Michigan
Page 22
45
Neuron hersencellen en
nanoelectronica
SRAM
47
ICT interfaces Bio at Nano-Scale…
action potential
neurotransmitter
Neuron
Chip
electrical
chemical
ICT Interpretation-control-transmission
Alzheimer
Parkinson
Brain Research
Neuroprobes…
IMEC-VIB
© IMEC-HUJI 2003
K.U.Leuven
48
Page 23
Neuroprobes:
neural interfacing technologie
For DBS : Deep Brain Stimulation
reeds zeer effectief in de behandeling van ziekte van
Parkinson, maar ook beloftevol voor vele andere neurale
aandoeningen (typisch ziekten met een hoge menselijke en
economische kost)
Neuroprobes developed by imec:
Elke probe bevat 112 electrodes die elke apart Kunnen
gecontroleerd worden door de interface electronische circuits
onder de probes
De probes worden gefabriceerd met behulp van MEMS
micromachining technologie
80μm
49
Bio-Lab op Chip…
Snelle DNA analyse, point-of-care diagnose, voedselveiligheid,
toxiciteit testen, snellere ontwikkeling geneesmiddelen
Centraal
Labo
Dokters
Kabinet
51
Page 24
CELL SORTER: DRIVERS
Metastase cellen: verantwoordelijk voor 90% van alle kanker gerelateerde
overelijdens
 Vroegtijdige detectie is de beste manier om kanker te bestrijden
 Uitdaging: detecteren van1circulerende tumor voor 1 miljard normale cellen
 Nood voor een high-throughput cell sorter

52
CELL SORTER: CONCEPT
Movie



Combinatie van cell imaging en cell sorting analyse
Inspectie van 20 millioen cellen per seconde met hoge betrouwbaarheid
Parallelization: tot 1,000 kanaaltjes processed in een enkele produktie flow
53
Page 25
Lab-on-chip: vroege detectie van
metastase kankercellen
54
DNA Biosensor
artist’s impression of a nanowire device used as a sensor for specific DNA
molecules in an electrolyte solution. The charge binds to the channel
dielectric and modulates the current inside the nanowire (Courtesy : Peter
Allen, UCSB). Peter Allen, UCSB. Page 26
55
Nanopore DNA sequencer
Oxford university
56
Nanomotoring and nanorobots
Ben Feringa
Universiteit Groningen
Nobelprijs Chemie 2016 !
Page 27
57
Nanomotoring en nanorobots
Toepassingen zijn nog onduidelijk...
Mogelijks een stap in de richting van
moleculaire machines die door onze aderen
reizen en kankercellen onschadelijk maken.
58
Nanotechnology de volgende
technology-wave voor de 21e eeuw ?
Source : Red Herring, May 2002
59
Page 28
Will Impact all existing industries…
“The true power of nanotechnology is not so much in the creation of new
industries, as in its impact on major existing industries.”
60
PUBLIC
Page 29