Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie

Transcriptie

1 Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie G. Groeseneken Programma direkteur 2 µm Outline Wat is Nanowetenschappen en Nanotechnologie? Wat is het? Voorbeelden Toepassingen Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie Structuur en instroom Overzicht vakkenclusters Master thesis Industriele stage Erasmus Mundus Master Nanoscience and Nanotechnology Wat is het? Structuur Kandidaatstelling Perspectieven

2 The Vision or the dream? 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. Wat is Nanowetenschappen en Nanotechnologie? Nanowetenschappen = studie van fenomenen en manipulatie van materialen op atomaire, moleculaire en macromoleculaire schaal (nanometers), waar de eigenschappen significant verschillen van die op grotere schaal! Nanotechnologie = toepassing van nano-effecten en nanomaterialen, structuren en concepten in (nieuwe) devices, systemen en produkten

3 Nanotechnologie: Nanotechnologie? = Methoden and tools voor de fabricage en/of het gebruik van structuren op de nanometer schaal (1 to 100nm) Influenza virus Atom 100 nanometer (nm) 0.3 nanometer (nm) NANOTECHNOLOGY What is Special at the Nanoscale? 54 atoms Nano nm 24 outside 36 outside Reactivity ~ outside atoms (chemical reactivity) Quantum properties change (optical properties different) Material properties change (strength, conduction, magnetic ) New materials by synthesis (10 22 ) => nanotoxicity research! Chemical decoration possible ( hooks to bio) A NEW FRONTIER TO BE DISCOVERED, ASSESSED AND APPLIED. WILL IMPACT ALL INDUSTRIES

4 Wat is Nanowetenschappen en Nanotechnologie Nanowetenschappen = wetenschap van de kleine afmetingen (nm) Quantumfysica Scheikunde en biochemie Biologie en biofysica Materiaalwetenschappen Elektronica Nanotechnologie = toepassingen van de kleine afmetingen (nm) Device en materiaalfysica IC-Procestechnologie Ontwerpmethodologie voor nanoelektronica Nieuwe devices en sensoren Bio-nanosystemen Nanowetenschappen en nanotechnologie Key = multidisciplinariteit grensvlak van verschillende wetenschappelijke disciplines

5 Nanofabrication Approaches: top-down vs bottom-up Machined Top-down nanofabrication Implementation of various techniques to remove, add or redistribute atoms or molecules in a bulk material to create a final structure. Assembled Bottom-up nanofabrication Atomic and molecular scale directed self-assembly to create larger scale structures with engineered properties. Van micro- tot nanoelektronica TRENDS IN IC MATERIALS Materials? High-k dielectrics Metal gates PZT, SBT Low-k dielectrics Top-down scaling Lithografie Nieuwe materialen Al Si,SiO 2 Poly-Si Si 3 N 4 TiSi 2 CoSi 2 TaSi 2 MoSi 2 WSi 2 W Cu, TiN

6 Single electron memory transistor YANO et al., IEEE ED-41, 1628 (1994) Source: Hitachi Nanowetenschappen Nanotechnologie Microelectronica Scheikunde Biologie Atomaire manipulatie Top-down Bottom-up Moleculaire elektronica Organische elektronica Bioelektronica NanoMEMS Nanotechnologie Top-down vs. bottom-up approach

7 Spintronica Semiconductor devices: Lading=drager van informatie Nieuwe devices Nieuwe functionaliteit Nieuwe toepassingen Magnetische materialen: Spin is drager van informatie Semiconductor-based spintronics Spin in non-magnetic semiconductors Injection: Spin LED and detection: SpinFET (Ferro)magnetic semiconductors "more than Moore" "no more Moore" Metal-based spintronics Magnetic (bio-)sensors MRAM Spin torque oscillators Magnetophotonics Carbon Nanotubes, buckyballs, nanodraden Carbon Nanotubes CNT transistoren Buckyballs First CNT transistor 2 µm Nanowires G D S R. Martel et al. Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 2447.

8 Nano-Building Blocks Diameter : 1 nm Nanotubes 100* steel strength Electronics, medicine H TiO 2 Storage 2 Membranes Anti-Adhesive Filters Sun Screen (BASF) Nano Particles Nanowires Transistors, batteries, catalysts Crystal structures of carbon diamond graphite graphene carbon nanotube buckyballs How to produce graphene? - Micromechanical cleavage (Geim group, Manchester, 2004) - Exfoliation of intercalated graphite - Si sublimation from SiC substrate (Walt de Heer group, Georgia Tech, 2004)

9 3 1 nm Graphene-based electronics? Room temperature ballistic transistor - high mobility even for T=300K and high density - v F ~ 10 6 m/s: large - low resistance contacts without Schotkky barrier switching times < s Logic applications - problem: minimal conductivity: σ σ min = 4e 2 /h ~ 1/6kΩ when n 0 - solution: bilayer graphene graphene ribbons: E(eV) ~ αhv F /2d ~ 1/d(nm) : (d ~ 10 nm needed for T=300K operation) BUT: high anisotropic etching is needed (zigzag armchair edges) Alternative route: graphene as a conductive sheet Challenges - graphene is stable up to nm size nm-size structuring - SET (single-electron-transistor) circuity? - SET: based on Coulomb blockade but now with resistive barriers - high-quality wafers for industrial applications (recent progress on epitaxial growth) - control of individual features in graphene reproducibility Graphene wire W=200nm Au contacts SEM SiO 2 /Si substrate Convergence on the Nano-Scale BIOTECH nm µm cm 4 0 µ m Fromherz transistor x10 9 NANOELECTRONICS

10 3 1 nm ICT interfaces Bio at Nano-Scale action potential neurotransmitter Neuron Chip electrical chemical ICT Interpretation-control-transmission IMEC-VIB IMEC-HUJI 2003 K.U.Leuven Alzheimer Parkinson Brain Research Neuroprobes Convergence on the Nano-Scale BIOTECH nm NANOTECH µm Nano Particles cm transistor x10 9 NANOELECTRONICS

11 Nanotechnology promising for health applications Lab-on-a-Chip (IMEC Prostate Cancer Detection) Silicon Chip Bio-Sensor Micro Fluidics The PAMELA instrument. Source: IMEC EU PAMELA PROJECT

12 Applications "Nanotechnology is an area which has highly promising prospects for turning fundamental research into successful innovations. Not only to boost the competitiveness of our industry but also to create new products that will make positive changes in the lives of our citizens, be it in medicine, environment, electronics or any other field." (European Commissioner for Science & Research, Janez Potočnik) Possible application area Smart materials Sensors Nanoscale biostructures Energy capture and storage Health Environmental Nanoelectronics

13 Will Impact all existing industries Nanotechnology related goods and services by Aerospace Other Chemicals Materials Pharmaceuticals Electronics NSF Estimate: 1.1 Trillion $ Source: NSF/In Realis Prototype of a Carbon Nanotube Colour Screen Source : Samsung Corporation

14 The IBM millipede : AFM tips for data storage 21 st Century ICT: The Post-PC era 15 more years of Moore and More than Moore Before we reach quantum limits WWW Broadband Wireless Personal Assistant More Moore Smart Sensors and Actuators Polymer Electronics More Than Moore On the way to Dissapearing ICT

15 Thin Flexible Photovoltaic Cells Tiny solar cells can be printed onto flexible, very thin light-retaining materials. Until recently, photovoltaic cells were derived from silicon semiconductor technology. Recent research into improving the efficiency of PV cells has gone into polymer materials. Plastic semiconductors are highly flexible but inefficient, converting less than 6% of the energy landing on them.. Currently, researchers use nanocrystals made of lead sulfide, which can be tuned to absorb wavelenghts from the red to the deep infrared. Combined with polymer sensitive to green and blue light, nanocrystals can convert red and infrared light to energy the polymer can turn into electrical current. Source : Koparka, Nanosys Nanotechnology Applications in Automotive Industry

16 Nanotechnology Applications in Aircraft Industry Nanotechnology in future everyday life

17 Potential Applications in Nanotechnology Meer informatie over nanotechnologie ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/nano_brochure_en.pdf

18 Outline Wat is Nanowetenschappen en Nanotechnologie? Wat is het? Voorbeelden Toepassingen Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie Structuur en instroom Overzicht vakkenclusters Master thesis Industriele stage Erasmus Mundus Master Nanoscience and Nanotechnology Wat is het? Structuur Kandidaatstelling Perspectieven Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie Nieuwe Master met cursussen uit drie verschillende faculteiten Wetenschappen: departementen Fysica en Scheikunde Ingenieurswetenschappen: departementen Elektrotechniek en Materiaalkunde Bio-ingenieurswetenschappen 3 Masters: Engelstalig traject, Nederlandstalig traject, Erasmus Mundus Academiejaar officiele start van interfacultaire Master Instroom mogelijk vanuit de drie faculteiten Diploma Master in de Nanowetenschappen en Nanotechnologie

19 Nanowetenschappen Nanotechnologie Toepassingen: nieuwe componenten en sensoren elektronische- en opto-elektronische systemen microgolftechniek micro-mechanische systemen en bio systemen zonnecellen biomedische toepassingen (e.g. drug delivery) Vaardigheden: materiaalkeuze opbouw en ontwerp van structuren procesbeheersing manufacturing aspecten: betrouwbaarheid en yield fundamentele wetenschappen Studenten: interesse voor basiswetenschap en technologie interesse voor nieuwe toepassingen in elektronica interesse in multidisciplinair kennisveld Kernmerken Multidisciplinair: op grensvlak van verschillende wetenschappelijke disciplines Sterke band met recente vernieuwingen en wetenschappelijk onderzoek op gebied van nanotechnologie (o.m. via IMEC) Toekomstgericht: grote verwachtingen voor nanotechnologie op brede waaier van toepassingsgebieden Grote ruimte voor keuzevakken uit een groot aantal disciplines Ook ethische en sociale aspecten van nanotechnologie komen aan bod

20 Instroomschema Hoofd-nevenrichting combinaties Hoofd / neven bwk Bouwkunde (BWK) gmb cws elt wtk mtk cht tv bb X Geo-mijnbouw - (GMB) X X X Computerwetenschappen (CWS) X X X X Elektrotechniek (ELT) X X X X X Werktuigkunde (WTK) X X X X X X X Materiaalkunde (MTK) X X X X X X Chemische technologie (CHT) X X X X Instroom is mogelijk van 19 verschillende Bachelor combinaties Sommige combinaties vereisen volgen van aantal schakelvakken (voorzien binnen de Master) Andere combinaties zijn mogelijk mits extra stp buiten de Maser! Structuur van de Master: 120 stp! Totaal 120 stp voor 2 jaar Aanpassingsopleiding 15 stp AVO (Algemeen Vormende Opleiding) 12 stp Kernopleiding 33 stp Materiaalfysica en technologie voor nano-elektronica 6 stp Chemie op nanometerschaal 6 stp Technologie van geintegreerde systemen 6 stp Nanogestructureerde bio-macromoleculen 6 stp Microsystemen en sensoren 3 stp Gevanceerde nano-elektronica componenten 3 stp Capita Selecta van de Nanowetenschappen en Nanotechnologie: 3 stp Burgerlijk Ingenieur Specifieke opleiding 15 stp Cluster 1 of Cluster 2 Verbredende opleiding 15 stp Keuzevakken uit Clusters 3-7 (of 9 stp + Ind. Stage) Master thesis 30 stp 3 Afstudeerrichtingen 60 stp Bio-ingenieur Specifieke opleiding 15 stp Cluster 4 Verbredende opleiding 15 stp Keuzevakken uit Clusters 1-3, 5-7 (of 9 stp + Ind. Stage) Master thesis 30 stp Natuurwetenschappen Specifieke opleiding 15 stp Cluster 5 of Cluster 6 Verbredende opleiding 15 stp Keuzevakken uit Clusters 1-4, 7 (of 9 stp + Ind. Stage) Master thesis 30 stp

21 Clusters Cluster 1 Device implementatie Cluster 2 Electronica 1 Cluster 3 Electronica 2 Cluster 4 Biologische systemen Cluster 5 Natuurwetenschappen 1 Cluster 6 Natuurwetenschappen 2 Cluster 7 Materialen Ingenieurs Bio-ingenieurs Wetenschappen Nederlandstalige en Engelstalige Master Nederlandstalig traject met een Nederlandstalig diploma - bevat een deel Engelstalige vakken - meeste kernvakken zijn enkel in het Engels beschikbaar Engelstalig traject met een Engelstalig diploma - vooral Engelstalige vakken - minder aanbod van Engelstalige AVO s Erasmus Mundus Master (zie later) - uitsluitend Engelstalige vakken - studenten studeren een jaar aan andere universiteit - studenten krijgen twee diploma s

22 Aanpassingsopleiding (15 stp) Basisvakken die nodig zijn om de kernvakken te kunnen volgen, aanvulling op bachelor Semiconductor devices 3 stp Heremans/Groeseneken Elektronische basisschakelingen 3 stp Sansen Structure, synthesis and cellular 3 stp function of macromolecules Vanderleyden Semiconductor Physics 3 stp Maes Quantum physics 3 stp F. Denef Atoomtheorie, chemische periodiciteit 3 stp en chemische binding Creemers Aanpassingsopleiding Elektronische basisschakelingen Halfgeleider componenten Cellular functions Halfgeleider macromolecules fysica Atoom theorie Kwantum fysica Totaal Major ELT ELT-cws X X X 9STP ELT-mtk X X 6STP ELT-wtk X X X X 12STP ELT-bb X X X 9STP ELT-tv X X X 9STP Major MTK MTK-cht X X X X X 15STP MTK-elt X X X 9STP MTK-gmb X X X X X 15STP MTK-wtk X X X X X 15STP MTK-bb X X X X X 15STP MTK-tv X X X X X 15STP Major CHT CHT-mtk X X X X X 15STP CHT-wtk X X X X X 15STP CHT-bb X X X X X 15STP CHT-tv X X X X X 15STP Minor ELT (en niet major MTK, CHT) CWS-elt X X X X X 15STP WTK-elt X X X X X 15STP minor mtk (en niet major ELT, CHT) WTK-mtk X X X X X 15STP minor cht (en niet major ELT, MTK) WTK-cht X X X X X 15STP

23 Kernopleiding (33 stp) Alle studenten volgen alle kernvakken Material physics and technology 6 stp for nanoelectronics Maex/Houssa Advanced nanoelectronic components 3 stp Van Rossum Technology of integrated systems 6 stp Mertens/Declerck Microsystems and Sensors 3 stp Puers Chemistry at the nanometer scale 6 stp De Feyter Nanostructured bio-macromolecules 6 stp Engelborghs Lectures on Nanoscience and 3 stp nanotechn Maes Algemeen Vormende Opleiding (12 stp) Een totaal van 12 stp te kiezen uit ruim aanbod van algemeen vormende vakken Initiatie tot ondernemen Engels in technische bedrijfsomgeving Frans in technische bedrijfsomgeving Recht van Intellectuele eigendom Bouwrecht ICT-recht Economische aspecten van de energie Plichtenleer van de ingenieur Projectmanagement Psychologische en sociale aspecten van de bedrijfsleiding Expressievaardigheid in de technische bedrijfsomgeving

24 Cluster 1: Device implementatie (15 stp) Cluster 1 kan worden gekozen als een van de specifieke clusters voor de afstudeerrichting Burgerlijk Ingenieur (indien gekozen zijn alle vakken verplicht, zoniet zijnhet keuzevakken) RF aspecten van geintegreerde 3 stp componenten en schakelingen Schreurs Modellen en technologie voor 3 stp elektronische en opto-elektronische systemen Heremans Betrouwbaarheid en yield van 3 stp geintegreeerde elektronische componenten Groeseneken Fysische materiaalkarakterisatietechnieken 3 stp voor elektronische componenten Vandervorst P&O voor micro- en nano-electronica 3 stp Van Hoof Cluster 2: Electronica 1 (15 stp) Cluster 2 kan worden gekozen als een van de specifieke clusters voor de afstudeerrichting Burgerlijk Ingenieur (indien gekozen zijn alle vakken verplicht, zoniet zijn het keuzevakken) Transistormodellen voor elektronische schakelingen Sansen Ontwerp van digitale geintegreerde schakelingen Dehaene Computerarchitecturen Lauwereins 6 stp 6 stp 3 stp

25 Cluster 3: Electronica 2 (15 stp) Cluster 3 kan enkel worden gekozen als verbredende opleiding (alle vakken zijn keuzevakken) Analoge bouwblokken voor signaalverwerking Gielen Computergesteund analoog IC-ontwerp Gielen Ontwerp van analoge geintegreerde schakelingen Steyaert 6 stp 3 stp 6 stp Cluster 4: Biologische systemen (15 stp) Cluster 4 kan worden gekozen als een van de specifieke clusters voor de afstudeerrichting Bioingenieur (indien gekozen zijn alle vakken verplicht Bio-response measurements and process control D. Berckmans Sensor technology and bioelectronics J. Lammertyn Systeem-fysiologie G. Bultynck Fysicochemistry of biological systems Y. Engelborghs 3 stp 3 stp 3 stp 6 stp

26 Cluster 5: Natuurwetenschappen 1 (15 stp) Cluster 5 kan worden gekozen als een van de specifieke clusters voor de afstudeerrichting Natuurwetenschappen (indien gekozen zijn alle vakken verplicht Photophysics and photochemistry of 3 stp molecular materials Van der Auweraer Projectwork Nanoscience 3 stp A. Stesmans Mesoscopic Physics 3 stp Moschalkov Physical chemistry of polymers 3 stp Nies Electrochemical methods of 3 stp Inorganic Chemistry NN Cluster 6: Natuurwetenschappen 2 (15 stp) Cluster 6 kan worden gekozen als een van de specifieke clusters voor de afstudeerrichting Natuurwetenschappen (indien gekozen zijn alle vakken verplicht Electronic structure of molecular materials 3 stp Chibotaru Computational methods in solid state physics 3 stp Cottenier/Chibotaru Scanning probe microscopy 3 stp Van Haesendonck Nanostructure determination via electromagnetic radiation Van Meervelt/Goderis 3 stp Magnetic resonance 3 stp Stesmans

27 Cluster 7: Materialen (15 stp) Cluster 7 kan enkel worden gekozen als verbredende opleiding (alle vakken zijn keuzevakken) Advanced ceramic processing and case studies 3 stp Vleugels Oppervlakte technologie 3 stp Celis Functional properties 3 stp Van der Biest Hoogdisperse materialen: chemie en synthese 3 stp Martens Materials characterization techniques 3 stp Froyen Multiscale transport phenomena in biosystems 3 stp B. Nicolai Master proef master thesis project is bedoeld om de student in contact te brengen met een multidisciplinaire onderzoeksomgeving student zal een relevant onderzoeksproject worden toegewezen Master thesis gebeurt in nauwe samenwerking met doctoraatsstudenten, postdocs en professoren. Onderzoeksproject wordt afgesloten met een publieke presentatie van de Master Thesis.

28 Industriele stage Studenten kunnen 6 stp van de verbredende opleiding vervangen door een industriele stage 9 overblijvende studiepunten als keuzevakken uit de verschillende clusters Industriele stage loopt tijdens zomermaanden na eerste Masterjaar Meer informatie

29 Outline Wat is Nanowetenschappen en Nanotechnologie? Wat is het? Voorbeelden Toepassingen Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie Structuur en instroom Overzicht vakkenclusters Master thesis Industriele stage Erasmus Mundus Master Nanoscience and Nanotechnology Wat is het? Structuur Kandidaatstelling Perspectieven Erasmus Mundus Master Samenwerking tussen 4 Europese topuniversiteiten TUDelft/Leiden, Chalmers University, TUDresden, KULeuven

30 Erasmus Mundus Master Nieuwe Europese Master over de disciplines van de vier partneruniversiteiten Programma is volledig Engelstalig KU Leuven is de coordinator van de Master Officieel gestart in academiejaar Studenten studeren telkens 1 jaar aan een van de partneruniversiteiten Studenten ontvangen twee diploma s: een van elke universiteit waar werd gestudeerd! KUL-EMM programma is een subset van de KUL Master Aanvragen moeten ingediend worden voor 1 juni EMM Master coordinator: Prof. Guido Groeseneken EMM-Nano curriculum University 1 University 2 Course modules (major/minor) e.c. e.c. Course modules (major) e.c. Master s Thesis Research Project (major) e.c. 2 years = 120 e.c. Major/minor themes: nanoscience nanotechnology biophysics - bionanotechnology

31 EMM-Nano major electives: 1 st year Major themes per university Nanotech Nanoscience Biophysics Bionanotech K.U.Leuven Delft/Leiden TU Dresden Chalmers Electives preparing for for 2 nd nd year year Delft/Leiden Chalmers Dresden 18 e.c. mandatory 6 e.c. Nanotech/ Nanoscience 12 e.c. Nanotech + 12 e.c. Nanoscience 12 e.c. mandatory 12 e.c. Nanoscience/nanotech EMM-Nano courses: 1 e jaar aan KUL Introductory Courses ( ( 12 stp) stp) Semiconductor Physics (3 (3 stp) stp) Semiconductor Devices (3 (3 stp) stp) Macromolecules (3 (3 stp) stp) Quantum Physics (3 (3 stp) stp) Non-technical electives (6 (6 stp) stp) Economics of of information systems Innovation management Total quality management Dutch for for foreigners (obligatory) Core Courses (24 (24 stp) stp) Materials Physics and and Technology for for Nanoelectronics (6 (6 stp) stp) Chemistry at at nanometer schale schale (6 (6 stp) stp) Technology of of Integrated systems (6 (6 stp) stp) Nano-structured bio-macromolecules (6 (6 stp) stp) Courses preparing for for 2 nd nd year year Mandatory (depending on on choice 2 nd nd univ) Electives (total stp) stp)

32 EMM-Nano courses: 2 e jaar aan KUL Mandatory courses Depending on on program of of 1 st st year year And And selected Major/minor Elective courses idem Master thesis (30 (30 stp) stp) idem Toelating en kandidaatstelling Toegelaten zijn Bachelors in Physics en in andere domeinen van wetenschappen en engineering (Chemistry, Biochemistry, Electrical Engineering, Materials Science) Application deadline is 1 Februari voor niet-eea studenten en 1 juni voor EEA studenten. Selectie gebeurt door EMM board op basis van relevante achtergrond, kwaliteit van de student tijdens Bachelors, kennis van het Engels K.U.Leuven online application form kan worden gedownload van de website

33 Meer informatie Outline Wat is Nanowetenschappen en Nanotechnologie? Wat is het? Voorbeelden Toepassingen Master Nanowetenschappen en Nanotechnologie Structuur en instroom Overzicht vakkenclusters Master thesis Industriele stage Erasmus Mundus Master Nanoscience and Nanotechnology Wat is het? Structuur Kandidaatstelling Perspectieven

34 Nanotechnology de volgende technology-wave voor de 21e eeuw? Source : Red Herring, May 2002 Nanotechnology-related Patents ( )

35 Government Nanotechnology R&D Investments ( ) Job perspectieven - Jobs waar multidisciplinariteit een noodzaak is! - Bedrijven die actief zijn op het grensvlak van de verschillende disciplines/wetenschappen Micro en nano-technologie voor de ICT sector Equipment en materialen voor elektronica Nieuwe materialen Voedsel- en milieutechnologie Energie Transport (car, aircraft, space) Micro- en nanochemie Biologische en biomedische sector - Nieuwe bedrijven/spinoffs - Research en ontwikkeling

36 Bedrijven? Future Perspectives?