BMETE11MF36

Tantárgy adatok
Tárgy címe: Nanotechnológia és anyagtudomány
Neptun kód: BMETE11MF36
Felelős oktató: Dr. Csonka Szabolcs
Felelős tanszék: Fizika Tanszék
Képzés: MSc fizikus
Tantárgy adatlapja: BMETE11MF36
Követelmények, Információk

Aktuális információk

A tárgy a nanotechnológia és anyagtudomány terén a legfotosabb trendeket, gyártástechnológiákat és anyagvizsgálati módszereket ismerteti korszerű kutatási és fejlesztési eredmények példáin keresztül.

 
Oktatók: Dr. Csonka Szabolcs egyetemi docens (BME Fizika Tanszék), Dr. Bordács Sándor (BME Fizika Tanszék), Dr. Kiss Gábor egyetemi docens (BME Atomfizika Tanszék)
Követelmény: 3/0/0/v/4
Nyelv: magyar/angol
Félévközi számonkérések: -        
A félév végi osztályzat kialakítása szóbeli vizsga alapján történik. 
Konzultációk: egyéni egyeztetés alapján
Az előadások időpontja és helye: szerda 9:30-12:00, K. épület  350 terem
 

Topics 2017

  1. Objects at nanoscale. Characteristic length scales in electronics
  2. Examples from bio-nanotechnology: virus, structure of cell wall, DNA origami, Phage display technique, electrodes from viruses, gecho tape
  3. Nanotechnology in chemistry: nanochatalysis, artifical photosynthesis, photochatalic decomposition of hydrocarbon, batteries, supercapacitors.
  4. Nanotechnology in solar cells (Schockley–Queisser limit, multijunction cells, carrier multiplication, dye cells).
  5. Scanning tunneling microscopy. Feedback loop, piezo crystal, constant current/height mode, isolation of mechanical noises, tunnel current, resolution, STS, ITS, manipulation of atoms.
  6. Atomic force microscopy 1. Basics of mechanics, different operational modes, surface forces, instabilities of cantilever, force- displacement curve, limitation of resolution.
  7. Atomic force microscopy 2. Operation modes: static/dynamic, contact/non-contact. Friction force microscopy, DFM's operational principle.  Force dependence of frequency shift, atomic resolution. Tapping mode principle.
  8. Kelvin probe microscopy,  Magnetic force microscopy: feed backing challenges, magnetic force induced by stray field. Magnetic resonance force microscopy.
  9. Scanning electron microscopy.  Parts of SEM, operational principle, resolution. Electron sources, optics, magnetic lenses, depth of field, detectors: SE, BSE, EDS, EBD.
  10. Transmission electron microscopy. Parts of TEM, operational principle, resolution.  Different operational modes (BF, DF, diffraction). High resolution TEM. Electron holography.  Electron energy loss spectroscopy, Lorentz TEM.  Near field optical microscope, operational principle. Resolution (NSOM).
  11.  Molecular vibrations; infrared and Raman active excitations; dielectric function, absorption and reflectivity for vibrational excitations; phonons in solids (longitudinal and transversal modes)
  12. Instrumentation of optical spectroscopy; schematics of a grating spectrometer, a Fourier-transform infrared spectrometer and a Raman spectrometer
  13. Optical excitations in hydrogen-like atoms; X-ray spectroscopy; Ti:sapphire lasers; spectroscopy on a single molecule
  14. Optical response of metals (Drude model); interband excitations in semiconductors, insulators; excitons 
  15. New directions of electronics (spintronics, quantumelectronics, molecular electronics, memristors)
  16. Basics of silicon technology, Moore's law, planar and 3D tri-gate MOS transistors, lithography (optical,  e-beam, soft)
  17. MEMS systems, bulk and surface micromechanics, thin film deposition techniques, etching techniques (wet, dry, Bosch), examples from micromechanics (console, gyroscope, channels). NEMS examples. Microfluidic systems, low  Reynold number and consequences.
  18. SIMS and SNMS methods.  Principles, surface sensitivity, accessible information, limitation in quantitative results.
  19. XPS and AES methods.  Principles, surface sensitivity, accessible information, comparison.

Lecutre Notes 2017

Lecture 0:   Richard P. Feynman: There’s plenty of room at the bottom (1959)

                       Előadás későbbi ismétlése (1984) Video


 

 

Tételsor 2016

  1. Objektumok a nanoskálán, Méretskálák az elektronikában

  2. Bionanotechnológiai példák: vírusok, sejtfal szerkezet, DNA origami, Phage display technika, elektróda vírusokból, gecko szalag,

  3. Nanotechnológia példák a kémiából: Nanokatalizátorok, mesterséges fotoszintézis, fotokatalitikus szénhidrogén bontás.  Akkumulátorok, szuperkapacitások.

  4. Nanotechnológia a napelemekben (Schockley–Queisser limit, multijunction cellák, carrier multiplication, festék cellák)

  5. Pásztázó alagút mikroszkóp. Visszacsatoló áramkör, piezokristályok, konstans áram/konstans magasság mód, mechanikai zajok szigetelése, alagút áram, felbontás, STS, ITS, atomok manipulációja.

  6. Atomerő mikroszkóp 1. Mechanikai alapok, érzékelés módja, felületi erők, laprugó instabilitások, erő-elmozdulás karakterisztika, felbontási korlátok.

  7. Atomerő mikroszkóp 2. Működési módok: statikus/dinamikus, kontakt/nem-kontakt mód. Súrlódási erő mikroszkópia, DFM működési elve. Frekvencia eltolás erőfüggése, atomi felbontás. Tapping mód működési elve.

  8. Kelvin szondás mikroszkóp. Mágneses erő mikroszkóp. Szabályozási kihívások, szórt tér okozta mágneses erő. Mágneses rezonancia erő mikroszkópia.

  9. Pásztázó elektron mikroszkóp. SEM részegységei, működési elve, felbontása. Elektron források, elektron optika mágneses lencsékkel, SEM mélység élessége. Detektorok: SE, BSE, EDS, EBD.

  10. Transzmissziós elektron mikroszkóp. TEM részegységei, működési elve, felbontása. Kép készítési módok. (BF, DF diffrakció). Nagy felbontású TEM. Elektron holográfia. Electron energy loss spectroscopy, Lorentz TEM.  Közeltér mikroszkóp működési elve, felbontása (NSOM).

  11.  Molekulák vibrációs gerjesztései; infravörös- és Raman-aktív gerjesztések; infravörös vibrációs rezgéseknél a dielektromos állandó spektruma, az abszorpciós és reflexiós együttható; transzverzális és longitudinális rezgések

  12. Rezgési módusok és szimmetria kapcsolata molekulákban és kristályokban

  13. Fémes elektronok optikai válasza, dielektromos állandó spektruma és reflexiós együttható a Drude modellben; plazma él, az infravörös és Raman spektroszkópia metodikája,

  14. Hidrogénszerű atom optikai átmenetei; kiválasztási szabályok; félvezetők optikai tulajdonságai; sáv-sáv gerjesztések; exciton gerjesztések

  15. Röntgen spoktroszkópia

  16. Szilícium technológia alapjai, Moore-törvény, planár és 3D tri-gate MOS tranzisztor, litográfia (optikai, e-beam, soft)

  17. MEMS rendszerek, tömbi és felületi mikromechanika, rétegleválasztási technikák, marások (nedves, száraz, Bosch), mikromechanikai példák (konzol, giroszkóp, csatornák). Példa NEMS rendszerekre. Microfluidikai rendszerek, alacsony Reynold-szám következményei.

  18. SIMS és SNMS módszerek.  Működési elvük, felületérzékenységük, a felületről nyerhető információk, kvantitatív mérések korlátai.

  19. XPS és AES módszerek. Működési elv, felületi érzékenység, kinyerhető információk a felületről, összehasonlításuk.

 

ELőADÁSOK 2016

0. Előadás:   Richard P. Feynman: There’s plenty of room at the bottom (1959)

                       Előadás későbbi ismétlése (1984) Video

1-3. Előadás:Bevezetés a Nanotechnológiába

4-5. Előadás: SP Microscopy (STM, AFM, MFM, MRFM)

6. Előadás: Elektron mikroszkópia

7-9. Előadás: Optikai spektroszkópia

10. Előadás: Röntgen spektroszkópia

11. Előadás: Szilícium technológiáktól a MEMS-ig

12. Előadás: Felületvizsgálati módszerek

 

Ajánlott irodalom

Nano blokk:

Douglas Natelson: Nanostructures and Nanotechnology (FI könyvtár)

Stuart Lindsay: Introduction to Nanoscience (FI könyvtár)

Springer Handbook of Nanotechnology

Rainer Waser (Ed.): Nanoelectronics and Information Technology

Optika blokk:

Atkins: Molecular quantum mechanics

Struve: Fundamentals of molecular spectroscopy

Tinkham: Group theory and quantum mechanics (FI könyvtár)

Dressel: Electrodynamics of solids (FI könyvtár)

Sólyom: A modern szilárdtest-fizika alapjai I. 13. fejezet (FI könyvtár)

Kamarás: Bevezetés a modern optikába V. 11. fejezet

Felületanalitika blokk:

S. Hofmann: Auger- and X-Ray Photoelectron Spectroscopy in Materials Science, Springer, 2012

John C. Vickerman, Ian Gilmore, Surface Analysis: The Principal Techniques, Wiley, 2011

D. Briggs, J.T. Grant: Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy, IMPublications, 2003

J.C. Vickerman, D. Briggs: ToF-SIMS: Surface Analysis by Mass Spectrometry, IMPublications, 2001

D. Briggs, M.P. Seah: Practical Surface Analysis, Wiley, 1990