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 1 mm/1000 = 1 m 1 m/1000 = 1 nm Diameter = 10,000 km = 10,000,000 m = 10 7 m Delen door 1 miljard 10 7 /10 9 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
31nm 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 TiO 2 Deeltjes Zonnecreme C-Nanobuisje Atoom 20 nm 1nm Si Nanodraden Grafeen Nanoporie 100 nm 0.3 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! 8 Page 4
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 10 Page 5
Wat maakt Nano-deeltjes zo bijzonder? 54 atomen Nano nm 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 TiO 2 for self cleaning windows TiO 2 photocatalysis + oxidation Hydrophilic surface Organic dirt is broken down Rain washes away the dirt https://www.pilkington.com/en-gb/uk/householders/types-of-glass/self-cleaning-glass 19 Page 9
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 (sp 3 ) and Graphite (sp 2 ) 0D 1D 2D 3D Fullerenes (C 60 ) Carbon Nanotubes Graphene 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 SWCNT carpet SW-CNT G/D 10 L CNT =2.6μm 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 Moederbord Verpakte CPU Chip (dual core) 50cm 30cm 5cm 1.5cm Grootte- orde 27 Page 13
Nanoelectronica is de meest succesvolle en wijd verspreide nanotechnologie Chip (dual core) Verschillende Circuits (6T-SRAM) Transistor (820 miljoen in Intel Quad Core) Gate oxide HfO 2 1.5cm 0.6um 100nm 1nm Grootte- orde haardikte Ebola virus H 2 0 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 V th V d = constant Control gate Voltage als V g > V th drain stroom vloeit (switch is gesloten) als V g < V th geen stroom kan vloeien (switch is open) 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) 10.800 3.500.000.000 ~ 310.000 Number of cores 1 8 8 Gate length (nm) 10.000 22 ~ 1/450 Area (mm 2 ) 12 356 ~ 22 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*10 6 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 2cm 2 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 37 Page 18
More Moore Microelectronia industrie is geevolueerd tot de meest succesvolle nanotechnologie (nanoelectronica) met hoog volume produktie MOSFET gate length ( m) Nanotechnology Transistors per processor chip 38 Major fabrication steps in a planar IC technology UV light oxygen Silicon dioxide Silicon substrate Oxidation (Field oxide) photoresist Photoresist Coating Mask-Wafer Alignment and Exposure Mask exposed photoresist Exposed Photoresist oxide Photoresist Develop Ionized CF 4 gas photoresist oxide Ionized oxygen gas oxide oxygen gate oxide Dopant gas Silane gas polysilicon Ionized CCl 4 gas oxide Oxide Photoresist Oxidation Polysilicon Polysilicon Etch Strip (Gate oxide) Deposition Mask and Etch CF 4 or C 3 F 8 or CHF 3 O 3 CF 4 +O 2 or CL 2 Scanning ion beam silicon nitride Contact holes Metal contacts ox S G D Ion Implantation G S D Active Regions top nitride G S D Nitride Deposition S G D Contact Etch drain G S D Metal Deposition and Etch Copied from Advanced Micro Devices 39 Page 19
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! Nanoelektronica Micro (nano) elektromechanische systemen Magneto-elektronica Polymeer elektronica SIF Opto-elektronica Nano-elektronica Biosensoren Moleculaire nano-technologie 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
31nm Nano-Bio visie : Bio en ICT ontmoeten elkaar op nanoschaal BIOTECH nm NANOTECH transistor Courtesy H. Deman m Targeted Drug Delivery Nano Particles Biosensoren, Lab on chip x10 9 NANOELECTRONICS cm 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 45 Page 22
Neuron hersencellen en nanoelectronica SRAM 47 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 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. 55 Page 26
Nanopore DNA sequencer Oxford university 56 Nanomotoring and nanorobots Ben Feringa Universiteit Groningen Nobelprijs Chemie 2016! 57 Page 27
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