NANO54 Course Overview - Fgamedia by malj

VIEWS: 18 PAGES: 48

									NANO54 Course
  Overview
     NANO54
  Foothill College
         Overview

•   Nanofabrication
•   Nanostructures
•   Industry solutions
•   Key technology
•   PNPA rubric => integrated 
    approach to nanomaterials 
    engineering (capstone)
   Nanofabrication

• Fabrication facilities
• Industry applications
• A path to nanostructures and 
  nanomaterials
• Top down fabrication
• Bottom up fabrication
             Topics
•   Thin films
•   Surface treatments
•   Silicon processing
•   Powder metallurgy
•   Nanochemistry
•   Nanocarbon
•   Modeling and simulations
      Nanostructures

• Nanocarbon      • Polymers
• Thin Films      • Composites
• Silicon         • Metals and 
  structures        alloys
• Quantum dots    • Glasses
• Nanoparticles   • Ceramics
    Industry Solutions

•   Semiconductors / electronics
•   Magnetic storage
•   Biomedical devices
•   Advanced materials
•   Clean energy technology
     Key Approaches

• Thin film deposition
• Plasma treatments
• Nanochemistry (molecular 
  engineering and structures)
• Sintering (alloys/ceramics)
• Nanoparticles (solutions)
• Gas furnace (nanocarbon)
          PNPA Rubric
• PNPA => integrated approach to 
  nanomaterials engineering
• Processing
• Nanostructures
• Properties
• Applications
         PNPA Rubric




PNPA – A Rubric for Training Technicians in Nanomaterials Engineering
                                    PNPA Rubric
                                                                Properties (P)




                                                                     Structure property relationships =>
                                                =>




                                                                                                                     <=
                                            ips




                                                                                                                      Pr
                                           sh




                                                                                                                         op
                                          ion




                                                                                                                          er
                                                                                                                             tie
                                      lat




                                                                                                                              sd
                                    re




                                                                                                                               ete
                                  rty
                                 pe




                                                                                                                                   rm
                               ro




                                                                                                                                   ina
                           np




                                                                                                                                      tio
                        tio




                                                                                                                                        n
                       ica
                       br
                   Fa




                                                                                                           <= N
                                                       ips =>       (N)                                        ano
                                                   nsh                                                            stru
                                             l atio                                                                   ctur
                                    per
                                        ty r
                                            e                   Nanostructure                                              e el
                                                                                                                               ucid
                                                                                                                                    atio
                             n   pro                                                                                                    n
                         tio
                    rica
                 Fab
                                                     <= Process tools / QA/QC monitoring
Processing (P)                                                                                                                              Characterization


    PLOs – Program Learning Outcomes – Integrated Materials Engineering Process
              Thin Films
•   Optical coatings
•   Semiconductor
•   Magnetic media
•   Self Assembled Monolayers
•   Polymer (spin cast)
•   Surface modified
            Sputtering Process




                                                                             Google Knol


http://www.pvd-coatings.co.uk/theory/how-are-pvd-coatings-deposited/theory-pvd-coatings-magnetron-sputtering/
Sputtering equipment
Our system MB-EVAP is an 
integrated solution in MBRAUN 
gloveboxes, which allows the work 
under controlled atmospheres 
(Nitrogen or Argon) without 
disturbing the process chain. The 
MB-EVAP itself consists of two 
main parts…the vacuum chamber, 
which is available in two different 
shapes and the evaporator itself 
with a broad range of sources for 
evaporating material. 

The vacuum chambers are 
available as cylindrical shape with 
integrated lifting mechanism. 
Through a base plate sources + 
additional thin film equipment is 
integrated in the box; the vacuum 
chamber lifts to the top and allows 
a complete work under controlled 
atmospheres. 



          http://www.mbraunusa.com/mbraun-glovebox-products.htm
Sputtering equipment
For advanced applications, there 
are vacuum chambers in 
rectangular shape available. A front 
door allows the work inside the 
glovebox, a backside door can be 
used as "service door" for cleaning 
the system or adjustments while 
the inner door is closed. This 
system allows a maximum flexibility 
and a broad variety of customized 
solutions, e.g. a heat- and cool able 
substrate rotation table, DC sputter 
sources (non reactive), etc.

Available sources are:
• Thermal resistance sources with 2 
kVA (10V / 200 A)
• Organic sources (temperature 
controlled, 50°C to 600°C)
• Sputter sources (DC, non 
reactive)
• Electron beam source


           http://www.mbraunusa.com/images/MBEvaporatorModule.jpg
 Combination Deposition
 and Analysis Chamber
Deposition chambers can be combined 
with analysis chambers to perform 
insitu analysis.  Thin film deposition 
including Molecular Beam Epitaxy 
(MBE) is one such type of process, 
and can also include DC magnetron 
sputtering, Chemical Vapor Deposition 
(CVD) and Metal Organic (MO) CVD. 
Analytical instruments included on the 
instruments include X-Ray Photo 
Electron Spectroscopy (XPS), (quartz) 
microgravimetric tools. 
Samples are transferred through the 
system  using cross probes, driven by 
electrical motors or transferred  
manually. These systems allow 
materials to be deposited and 
analyzed without exposure to the 
atmosphere, which would cause 
oxidation and other diffusion 
processes.                                http://uhv.cheme.cmu.edu/
        Nanocarbon
• Diamond
• Fullerenes
• Carbon nanotubes (CNT) 
  multiwalled (MNT)
• Diamond Like Carbon 
  (DLC)
• Graphene 
• Nanospheres
                Researchers Apply Nanodiamond Nanoreinforced Polymer 
                Composite Coatings by High-Velocity Oxy-Fuel Combustion Spraying

                 TEM image of nanoonion structure s with a diameter of about 5nm. 
                 Show the presence of nanodiamond, amorphous carbon, and an ‘onion-
                 like’ layering of graphitic flakes. These smaller structures may be related 
                 to larger nanospheres produced by CVD and thermal decomposition.  

http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2009/12/drexel-researchers-apply-nanodiamond.html
  Low Temperature
  Dehydrohalogenation
  Reaction Process Produces
  Nanodiamonds, Fullerenes,
  Graphene and Carbon
  Nanotubes at Low Cost
  Jong-Hoon Kim (Daejeon, KR) has 
  developed a new preparation method that 
  can economically mass-produce 
  nanocarbon in various forms such as 
  nanodiamond, fullerene, nanographite, 
  carbon onion, carbon nanotube, and 
  carbon nanofiber at low temperatures.  
  Kim's process does not require high energy 
  as in an arc discharge process or other 
  high temperature heating schemes or 
  explosive means for preparing 
  nanocarbon.  Kim’s method, detailed in 
  U.S. Patent Application  20100119815, 
   comprises the steps of: preparing a 
  reaction solution by directly using a 
  compound of 1:1 atomic number ratio of 
  hydrogen and halogen among chemical 
  compounds of carbon, hydrogen, and 
  halogen or by inputting and dissolving them 
  into solvent; inputting a base into the 
  reaction solution; and performing a reaction 
  by raising temperature. The reaction 
  temperature is 300 degrees C or lower.




http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2010/05/low-temperature-dehydrohalogenation.html
   Nanocarbon Structures
   Nanocarbon structures include  
   common allotropes of  carbon from 
   sp2 and sp3 bonding. Graphite, 
   graphene, fullerenes, carbon 
   nanotubes (single and multiwall) and 
   more recently nanospheres. The novel 
   structure described in this work  
   comprises a mixture of sp3 and sp2 
   hybridized carbon, thought to  be a 
   nucleus (seed)  of sp3 diamond 
   wrapped with fullerene structures 
   (corannulene) also  described as 
   ‘graphitic flakes’ thought to be the 
   building blocks of nanospheres. There 
   are multiple routes to nanocarbon 
   synthesis, including carbon furnaces,  
   Chemical Vapor Deposition (CVD), and 
   thermal decomposition . In each of 
   these processes,  intermediate  carbon 
   structures interact, fuse, etc. to form 
   more complex nanostructures.


http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2009/12/drexel-researchers-apply-nanodiamond.html
                             http://www.nabond.com/default.htm
Nanobond Carbon Structures
                             http://www.nabond.com/default.htm
    Biological Methods

•   DNA Templating
•   Directed Self Assembly
•   Liposomes
•   Viral self assembly
•   Protein hybrids
    Surface Treatments

•   Plasma modification
•   Passivation / electropolishing
•   Conversion coatings
•   Chemical modification
•   Surface functionalization
Chemical Vapor Deposition

• CVD
• PE-CVD
• MO-CVD
• Plasma Polymerized 
  Polymers
• Parylene C
Chemical Vapor Synthesis of
 Nanocrystalline Powders




   http://www.uni-due.de/ivg/nano/synthesis_nppt.shtml
  Molecular Beam Epitaxy
• MBE is a method of laying down layers of 
  materials with atomic thicknesses on to 
  substrates. This is done by creating a 'molecular 
  beam' of a material which impinges on to the 
  substrate. The resulting 'superlattices' have a 
  number of technologically important uses 
  including Quantum well lasers for semiconducting 
  systems, and Giant Magneto-Resistance (GMR)  
  for metallic systems. 
• http://www.uksaf.org/tech/mbe.html
Silicon Lithography

 •   Moore’s Law
 •   Patterning
 •   Design rule generations
 •   Lithography
 •   Semiconductor processing
  LELE Process




http://spie.org/x35993.xml?ArticleID=x35993
  LELE Process




http://spie.org/x35993.xml?ArticleID=x35993
Moore’s Law Implications

The exponential increase in 
transistors if the direct result of 
the geometric advances in 
lithography, where feature size 
is reduced by a factor of two 
every two years, leading to a 
fourfold increase in the number 
of transistors every two years. 
This trend has been observed 
continually through 2007. 




                                       http://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law
Hard disk storage and cost
per unit of information.
Projections from 1980-2015
“A similar law (sometimes 
called Kryder's Law) has held for hard
disk storage cost per unit of 
information.[28] The rate of 
progression in disk storage over the 
past decades has actually sped up 
more than once, corresponding to the 
utilization of error correcting codes, 
the magnetoresistive effect and 
the giant magnetoresistive effect. The 
current rate of increase in hard
drive capacity is roughly similar to the 
rate of increase in transistor count. 
Recent trends show that this rate has 
been maintained into 2007.[23] “
There are implications to the 
progression of disk drive performance, 
including fabrication /processing of 
magnetic domains , processing of 
slider/head magnetic transducers, and       http://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law
development  of thin films / lubricants.
        Nanochemistry
• Dendrimers (arborols and cascade
  molecules)
• OLED – Organic Light Emitting Diode
• DSPV – Dye Sensitized Photo Voltaic
• Quantum dots - (CdSe)
                Dendrimers
                             • Dendrimers
                                –   Branching
                                –   Stepwise growth
                                –   Globular nature
                                –   Functionalization
                             • Engineer like a protein
                                – Surface energy / shape
                             • Can be grafted to C60 
                               buckyballs / modified
                             • Controlling a process
http://www.dendritech.com/
                  Molecular Modeling of Dendrimers for Nanoscale Applications

Dendrimers and hyperbranched polymers represent a 
novel class of structurally controlled macromolecules 
derived from a branches-upon-branches structural motif. 
Dendrimers are well defined, highly branched 
macromolecules that radiate from a central core and are 
synthesized through a stepwise, repetitive reaction 
sequence that guarantees complete shells for each 
generation, leading to polymers that are monodisperse. 
The synthetic procedures developed for dendrimer 
preparation permit nearly complete control over the 
critical molecular design parameters, such as size, shape, 
surface/interior chemistry, flexibility, and topology. 
Synthetic techniques proved effective include the Starburst 
divergent strategy, the convergent growth strategy, and 
the self-assembly strategy. These methods have proved 
effective in generating macromolecules with a unique 
combination of properties. Recent results suggest that 
dendritic polymers, a new class of macromolecules 
developed over the last decade may provide the key to 
developing reliable and economical fabrication and 
manufacturing of functional nanoscale materials that 
would have unique properties (electronic, optical, opto-
electronic, magnetic, chemical, or biological) that could be 
the basis of new nanoscale technology and devices. In this 
paper, we describe some of the dendrimers obtained from 
each route and study their energetic and structural 
properties using CCBB to build the structures and 
Molecular dynamics and minimization to anneal these 
molecular level representations. 
   MEMS Fabrication

• Silicon processing
  – Lithography
  – Patterning
  – Etching
• Fabless ICs
• Polymer MEMS fabrication
• BioMEMS applications
  MEMS Fabrication
MEMS fabrication is an extremely 
exciting endeavor due to the 
customized nature of process 
technologies and the diversity of 
processing capabilities. MEMS 
fabrication uses many of the same 
techniques that are used in the 
integrated circuit domain such as 
oxidation, diffusion, ion implantation, 
LPCVD, sputtering, etc., and combines 
these capabilities with highly specialized 
micromachining processes. 
Key steps comprise:
• Bulk Micromachining
• Surface Micromachining
• Wafer Bonding
• Deep Reactive Ion Etching of Glass
• LIGA
• Hot Embossing
• XeF2 Dry Phase Etching
• Electro-Discharge Micromachining
•Laser Micromachining
•Focused Ion Beam Micromachining              http://www.memx.com/images/ratchet.jpg


                          http://www.memsnet.org/mems/fabrication.html
SNF MBE Deposition
Stanford
Nanofabrication
Facility (SNF)
A clean room suit, cleanroom suit, 
or bunny suit,[1] is an overall garment 
worn in a clean room. One common 
type is an all-in-one coverall worn 
by semiconductor and nanotechnolog
y line production workers, technicians, 
and process / equipment engineers, 
as well as people in similar roles 
creating sterile products for 
the medical device industry. The suit 
covers the wearer to prevent skin and 
hair being shed into a clean room 
environment. The suit may be in one 
piece or consist of several separate 
garments worn tightly together. The 
suit incorporates both boots and hood. 
It must also incorporate a properly 
fitted bouffant cap or mob cap.


                     http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom_suit
Fabless
Semiconductor
Company

A fabless (fabrication-
less) semiconductor 
company specializes in the design and 
sale of hardware devices 
and semiconductor chips while outsour
cing the fabrication or "fab" of the 
devices to a specialized manufacturer 
called a semiconductor foundry. 
Foundries are typically located in 
countries with lower cost of labor, so 
fabless companies can benefit from 
lower capital costs while concentrating 
their research and 
development resources on the end 
market. The credit for pioneering the 
fabless concept is given to Bernie 
Vonderschmitt of Xilinx and Gordon A. 
Campbell of Chips and Technologies. 
The first fabless semiconductor 
company, the Western Design Center, 
was founded in 1978. (Wikipedia)

                                           http://spectrum.ieee.org/
        Assignments

• Weekly writing assignments
  – Topical review
• Midterm research project
  – Process / fabrication technology
• Final project (integrating PNPA)
  – Description of a complete process for 
    developing a nanostructured material
                Summary
•   Nanofabrication
•   Processing technology
•   Optimizing structure => properties
•   Optimizing process => structure
•   Modeling, simulation, fabrication, and 
    characterization (PNPA rubric)
              References
•   Foresight Institute
•   Intel
•   SEMATECH
•   UK Surface Analysis Group
•   PVD Coatings
•   Stanford Nanofabrication Facility
•   MEMSnet
•   IBM (NY/CA)

								
To top