Nanoteknoloji. Evren Mutlugün. Akademik danışman: Hilmi Volkan Demir

Transkript

1 Nanoteknoloji ve nanokristal temelli aygıtlar Evren Mutlugün Fizik Bölümü Nanoteknoloji Araştırma Merkezi Bilkent Üniversitesi, Ankara Akademik danışman: Hilmi Volkan Demir

2 Sunum Nanoteknoloji 8 Önemi 8 Uygulamalar Nanoteknolojik bir açılım 8 Nanokristal katkılı optoelektronik aygıtlar Nanokristal sintilatörleri Diğer projelerimiz Sonuçlar 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi

3 Geleceğin teknolojisi DEVRĐMSEL KUVVETLER Bilim ve teknolojideki temel ilerlemeler her yüzyılda iki kere gerçekleşir ve büyük güç yaratılmasına yol açar Tekstil Demiryolları Otomobil Bilgisayar Nanoteknoloji? Teknoloji başlangıcı Yaygın kabullenilme Hızlı gelişimin sonu Endüstri devrimi Enformasyon devrimi KAYNAK: Nanoteknoloji 8Geleceğin teknolojisi geleceğin iş alanları

4 Sanayi devrimleri 1. Buhar makinası, makina imalat sanayi, otomasyon. metre - milimetre 2. Mikroelektronik sanayi. 1 mikrometre= 1 milimetre / Nanoteknoloji 1 nanometre= 1 mikrometre / 1000

5 Nanometre Nanometre = metrenin milyarda biri Örneğin, bir saç telinin kalınlığı: yüzbin nanometre alyuvarlar: bir kaç bin nanometre DNA kalınlığı: bir kaç nanometre nm

6 Nanoteknoloji nedir? Geleceğin teknolojisi: nanoteknoloji 8100 nanometre boyutta ve daha küçük 1 metrenin 10 milyonda biri ve altı 8Yeni özelliklerinin görüldüğü yapıları 8Đşlevsel kullanarak daha önce elde edilememiş 8Malzeme, aygıt ve sistemler yapar. KUANTUM NOKTA ZĐNCĐRĐ Source:web

7 Nanoyapılardan örnekler Örnekler, - Nanokristaller - Proteinler, DNA - Karbon nanotüpler Sadece küçültme değil, nanoboyutlarda ortaya çıkan yeni özellikler: - Boyut sınırlandırması - Yüzeye bağlı etkiler Nanoboyutlarda ortaya çıkan yeni özellikleri makroboyutlardaki özelliklerden tahmin etmek mümkün değildir.

8 Neden nanoteknoloji? Örnek, bilgi depolama 8Dünyada her yıl on milyar kere milyar bit bilgi yaratılmaktadır. 8Bu bilgiyi depolamak için gerekli CD ler üstüste konulsa 1000 km lik bir sütun elde edilir. 8Aynı bilgiyi nanoteknoloji sayesinde bir kesme şeker boyutunda depolamak olası görülmektedir.

9 Forbes top 10 nano-ürün Eddie Bauer Babolat with CNT in frame Vitamine A in polymer capsule NuCelle SunSense SPF 30 : Nano dispersion of ZnO particles BASF InMat's Air D-Fense nanocomposite Source:web

10 En çok nanoteknoloji patenti alanlar No. Kurum Adet 1 L Oreal (cosmetics) International Business Machines (IBM) (technology) Regents of the University of California Eastman Kodak Company (photo images) 84 5 Massachusetts Institute of Technology (MIT) 79 6 Henkel Kommanditgesellschaft (home/pers. Care) 76 7 Japan S&T Corp (government-sponsored agency ) 76 8 BASF Aktiengesellschaft (Chem/mat) 66 9 Allied Signal (chem/mat., now part of Honeywell) Micron Technology, Inc. (semiconductors) 62

11 Endüstride nanoteknoloji Energy Fuel cells Chemistry Nanoparticles for catalysis Cosmetics TiO2 particles as UV filters Telecom Quantum dots lasers Single photon source for quantum cryprography Nanotechnologies Life Sciences and Medicine Quantum dots for biological imaging Drug targeting Textiles Sensors and monitoring, small fabrics medical applications IT Flat panel displays IC:NT for transistors Quantum computing Building Industry Nanocomposite plastics FOOD Industry Nanocomposite aluminium panels Nanocomposites for 31/10/2007 Selfcleaning Evren surfaces Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi gas barriers Source:web

12 Nanoteknoloji pazarı Beklenen dünya marketi: $28,7 billion in 2008 $1 trillion in 2015 Source:web

13 Kırışıklık önleyici krem Plenitude marka kozmetik ürünler nanokapsüller içeriyor. Bu nano-kapsüller sayesinde aktif malzeme derinin daha derinliklerine inebiliyor. Bu aktif malzemeler nanoboyutlara indirildikten sonra biyo-bozunur bir polimer ile kaplanıyor. Oluşturulan nanokapsüller derinin ilk tabakalarından rahatlıkla geçebilecek boyutlarda oluyor. Derinin enzimleri nanokapsülün yüzeyini emince içerisindeki aktif malzeme derinin daha alt tabakalarına yayılıyor den beri piyasada. Source:web

14 Güneş kremi Çinko oksit boyutları sayesinde UVB ve UVA zararlı ışıklarını geçirmez. Güneş Kremleri sonucunda ortaya çıkan beyazlık oluşmaz. Source:web

15 Lotus (nilüfer çiçeği) Lotus yaprağında yağmur damlaları Source:web

16 Su tutmayan nano kaplama Normal yüzey Lotus-etkili yüzey Source:web

17 Araştırma rma programımız Araştırma amacı: 8 inovasyon içeren çip üstünde nano fotonik, elektronik ve mekanik aygıtları ve sensörleri - icat etmek ve geliştirmek. Araştırma teması: 8 işlevsel olarak aygıt mimarilerinde NANO yapıları anahtarlama, hesaplama, iletişim, algılama gibi uygulamalar için kullanmak. Araştırma içeriği: 8 malzeme aygıt tasarımı teorik modelleme ve simülasyon fabrikasyon deneysel karakterizasyon sistem uygulaması aygıt fikir oluşumu aygıt demonstrasyonu

18 Özet Motivasyon Silisyum fotonik 8Si temelli optoelektronik agıtlar Nanokristaller 8Optik özellikler Fotoalgılama için nanokristal sintilatörleri 8Deneysel karakterizasyon sonuçları Sonuçlar

19 Motivasyon Problem: Silisyumun sınırlı özellikleri 8 Morötesinde yüksek soğurma katsayısı 1 (10 6 cm -1 ) (100:1 görünür ışığa göre) 8 Kısa soğurma boyu 2 (10-2 µm) (1:100 görünür ışığa göre) 8 Optik duyarlılığın kesilmesi (<300 nm) Çözüm: Silisyum platformu üzerine melez nanokristal sintilatörleri 8 Yüksek dalga boyu dönüşümü için çok iyi aday Morötesinde yüksek optik soğrulma Görünür bölgede yüksek ışıma verimliliği Işıma ve soğrulma tayflarının çok az kesişmesi Uygulamalar: 8 Si CMOS için morötesi duyarlılık artışı 8 Si CCD için morötesi görüntüleme 8 Morötesine uzanan fotovoltaiklerin verimiliklerinin artırılması Özellikle uzay uygulamaları için

20 Silisyum temelli fotonik.silisyum özellikleri 8Grup IV yarıiletkeni 8Yeryüzünde en çok bulunan ikinci element 8Avantajları Düşük maliyet Yüksek kristal kalitesi Elektronik ve optik özellikleri Yüksek termal iletkenlik Nonlineer özellikler Silisyum teknolojisi Elektronik ve optoelektronik için gelişmiş aygıtlar Ürünler: örn., Bütünleyici Metal Oksit Yarıiletken (CMOS) Yalıtımlı silisyum (SOI) Yükten bağlaşımlı aygıtlar (CCD) Fotoalgılayıcılar Fotovoltaikler Nikon

21 Nanokristaller Onlarca - binlerce atomun kristal yapısında birleşimi Sıfır boyutlu yapılar Bohr yarıçapına yaklaştıkça kuvantum özelliklerinin görülmesi Boyut bağımlı Elektronik geçişlerin enerji tayfı Optik geçiş ihtimali

22 Nanokristal uygulamaları 8 Optoelektronik LEDler Fotovoltaikler Foto algılayıcılar Optik hafızalar 8 Biyoteknoloji Işıkla tanımlama

23 Nanokristallerin fotoışı ışıma ve soğurma eğrilerie absorption (a.u) absorption (a.u.) photoluminescence(a.u) photoluminesence (a.u) absorption (a.u) absorption (a.u) photoluminescence(a.u) photolum inesence (a.u) wavelength (nm) wavelength(nm) 0 çap λ PL λ 1exciton FWHM konsantrasyon CdSe/ZnS çekirdek kabuk nanokristalleri = 5.2nm = 600 nm = 577 nm = 37nm = 200 µg/nmol çap λ PL λ 1exciton FWHM konsantrasyon = 2.4 nm = 548 nm = 525 nm = 36nm = 15 µg/nmol

24 Fotoalgılama lama için i in nanokristal sintilatörler Motivasyon Morötesi bölgede silisyum optik duyarlılığını nanokristal melezleştirmesi ile arttırmak responsivity (A/W) (X wavelength(nm) PL intensity (a.u) absorption(a.u) absorption(a.u) absorption(a.u) photoluminescence(a.u) wavelength(nm) absorption(a.u) photoluminescence(a.u) PL(a.u) PL (a.u) red nc yellow nc wavelength(nm) wavelength(nm)

25 Nanokristal sintilatörler ile sağlanan optik duyarlılık k artışı 300 improvement Nanokristallerin içerisinde bulundukları polimere göre silisyum optik duyarlılığında nanokristallerle elde edilen yüzlerce kat artış wavelength(nm) transmission(%) transmission of polymer transmission of nanocrystals in polymer wavelength(nm) E. Mutlugun, I. M. Soganci, and H. V. Demir, Nanocrystal hybridized scintillators for enhanced detection and imaging on Si platforms in UV, Optics Express 15(3), 1129 (2007).

26 CdSe/ZnS nanokristal sintilatörleri ile optik duyarlılık k artışı responsivity (A/W) improvement(%) wavelength(nm) w avelength(nm) Kırmızı eğri: Nanokristal melezleştirmesi sonrası kırmızı nanokristal sintilatörün optik duyarlılığı Mavi eğri: Silisyum fotoalgılayıcının nanokristal melezleştirmesi öncesi optik duyarlılığı Đçşekil: Silisyum algılayıcı duyarlılığındaki artış Teorik hesabı etkileyen faktörler - Nanokristallerin kuvantum verimliliği - Nanokristallerin soğurma katsayıları - Fotoışıma ve soğurma örtüşme integrali - Morötesinde polimerin soğurması

27 CCD platform üzerinde morötesi algılama lama Geniş morötesi aydınlatma ile Morötesi optik spot ile Üzeri boş CCD Nanokristal sintilatörlü CCD

28 Sonuçlar Morötesi nanokristal sintilatörlerinin kavram ispatı (proof-ofconcept) gösterimi 8 Morötesinde fotoalgılama için ilk kez gösterilen nanokristal sintilatörleri Silisyum detektörlerin optik duyarlılının önemli ölçüde artırılması Morötesi görüntüleme için silisyum tabanına melezleştirilmiş CCD gösterimi

29 Nanokristaller ile ayarlanabilir beyaz ışık üretimi Sedat Nizamoğlu, Emre Sarı, Tuncay Özel, Hilmi Volkan Demir 8 EURYI Avrupalı Genç Bilim Đnsanı Ödülü S. Nizamoglu, T. Ozel, E. Sari, and H. V. Demir, White light generation using CdSe/ZnS nanocrystals hyridized on blue LEDs, Nanotechnology 18, (2007)

30 Nanokristaller ile Beyaz IşıI şık Üretimi Fosfor 8 Sabit ışıma tayfı Nanokristaller 8 Ayarlanabilir ışıma tayfı PL for nanocrystals prepeared by capillary effect 1,0 0,8 bluenc greennc yellownc rednc 0,6 a.u 0,4 0,2 0, wavelength(nm) Önerimiz: Nanokristal kombinasyonları kullanarak ayarlanabilir beyaz ışık üretimi

31 NANOTECHNOLGY dergisinde kapak

32 Deneysel Başarı Dünyada ilk kez Ayarlanabilir renk özellikleri ile 8 CdSe/ZnS nanokristallerin çoklu (üçlü, dörtlü) kombinasyonu kullanılarak beyaz ışık elde edilmesinin ilk gösterimi 8 Hibrid Nanokristal Beyaz Epitaksiyel tasarım 8 Epitaksiyel büyütme 8 Fabrikasyon 8 NC melezleştirme 8 Karakterizasyon 8 S. Nizamoglu, T. Ozel, E. Sari, and H. V. Demir, White light generation with CdSe/ZnS core-shell nanocrystals and InGaN/GaN LEDs, IEEE Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2006), Perth, Australia (6-7 December 2006). 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi

33 Görünür r LEDler Yeşil Mavi Mor E. Sarı, S. Nizamoglu, T. Ozel, H. V. Demir, A. Inal, E. Ulker, E. Ozbay, Y. Dikme and M. Heuken, InGaN/GaN based LEDs with electroluminescence in violet, blue, and green tuned by epitaxial growth temperature, Proceedings of IEEE Lasers and Electro-Optics Society 2006 Annual Meeting (LEOS 2006), pp. MC 3, Montreal, QC, Canada, 29 October 2 November 2006.

34 Mavi optik modülat latörler Silikon tabanlı mikroelektroniğin 8 Çalışma hızı Çözüm: Elektriksel bağlantıların RC kısıtlaması nedeniyle sınırlı 8 Optik saat sinyali Şu anda, yalnızca kızılötesi (IR) için çipboyutunda optoelektronik aygıtlar bulunuyor 8 Ancak, kızılçtesinde silikon fotoalgılayıcılar sorun yaşıyor Hız kıstlaması (<1 GHz) 8 Bu nedenle, III-V photoalgılayıcıların silikon üzerinde hibrid entegrasyonu gerekiyor CMOS-sonrası fabrikasyon: sorunlu Source: Intel Bizim önerimiz: 8 Mavi optik saat sinyalinin üretimi Silikon fotoalgılayıcıların yüksek hızlarla çalıştığı (>10GHz) - Mavi kuvantum modülatörleri ile Silikon CMOS a doğrudan optik saat enjeksiyonu için 8 Đlk çip boyutunda çözüm

35 Morötesi ve görünürg kuvantum elektro trosoğurma modulatörü Emre Sarı, Tuncay Özel, Sedat Nizamoğlu, Hilmi Volkan Demir Đşlev: 8 Morötesi ve görünür ışıkta kuvantum etkisine dayalı elektrosoğurma Yenilik: Optik modülasyon ve veri kodlaması 8 Değişen yüksek polarizasyon alanlarından kaynaklanan kuvantum zigzag yapıları Uygulamalar: 8 Morötesinde görme çizgisi (lineof-sight) olmayan iletişim 8 Mavi renkte CMOSa doğrudan optik saat enjeksiyonu Ters kuvantum sınırlı Stark etkisi 8 EU Marie Curie Ödülü increasing reverse bias voltage E. Sari, S. Nizamoglu, T. Ozel, and H. V. Demir, Blue quantum electroabsorption modulators based on reversed quantum confined Stark effect with blue shift, Applied Physics Letters, 90, (2007).

36 Mavi renkte elektro-so soğurma Dünya rekoru: En güçlü mavi elektro-soğrulma E. Sari, S. Nizamoglu, T. Ozel, and H. V. Demir, Blue InGaN/GaN-based quantum electroabsorption modulators, IEEE Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2006), Perth, Australia (6-7 December 2006).

37 Moleküler ler nanokristaller Đ. Murat Soğancı, Evren Mutlugün, Đ. Özge Huyal, Hilmi Volkan Demir Avrupa Birliği Nanofotonik için Phoremost Mükemmellik Ağı Nanokristal gömülü aygıtlar lideri: Hilmi Volkan Demir Üyeler: Bilkent, UHamburg, TUDresden, UniDo, IMAPh, IoffeSP, LENS, ICMM (A) Cd 17 S 4 (SCH 2 CH 2 OH)26 (Gaponik, UHamburg ve TUDresden) (B) Optik soğurma: çözelti içerisinde (doğru çizgi) ve ince film içerisinde (kesikli çizgi) (C) SEM görüntüsü

38 Fotokatalitik metaloksit nanoparçac acıklar Sümeyra Tek, Evren Mutlugün, Đ. Murat Soğancı, Đ. Özge Huyal, Dilek Yücel, Gülsen Çeliker, H.Volkan Demir transmission of acrylic (6nm) TiO2 nanoparticles contaminated with methylene before and after activation %acrylic (6nm) sample transmission(%) %acrylic (6 nm) contaminated w ith methylene %acrylic (6nm) contaminated w ith methylene after 6 hours activation %acrylic (6nm) contaminated w ith methylene after 16 hours activation [1] Ortak patent başvurusu. wavelength(nm) [2] Size effect in optical activation of TiO 2 nanoparticles in photocatalytic process, IEEE LEOS [3] Optical efficiency and NO x reduction properties of photocatalytic Ti0 2 nanoparticles activated in UV, PRA Nano Hyrid Coating [4] Optically highly efficient photocatalytic nanoparticles, submitted. Endüstriyel partner DYO ile işbirliği

39 Ve Nanoteknolojinin modern insan yaşamını buhar makinasından ve bilgisayarlardan çok daha fazla etkileyeceği beklenmektedir. Ülkelerin gelişmişlik seviyelerini belirleyecek olan nanoteknoloji ülkeler arası teknolojik bir yarışa dönüşmüştür. Nanoteknoloji geleceğin teknolojisi ve iş alanları arasındadır.

40 Grubumuz Source: EvidentTech Demir Bilkent Universitesi 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi

41 Evren Mutlugün Fizik Bölümü Nanoteknoloji Araştırma Merkezi Bilkent Üniversitesi, Ankara 31/10/2007 Evren Mutlugün & Hilmi Volkan Demir Bilkent Üniversitesi