PROYECTO FINAL. Tutorial para publicar en SlideShare.pptx
3er conversatorio ciclo A2011 Nanoelectronica
1. La (nano) electrónica del futuro:
Moléculas, nanotubos, grafeno, ADN, puntos cuátnicos y
otra nanofauna.
uliocesar2112@hotmail.com
Dr. Pedro A. Serena
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
&
Colaborador Área Nanotecnología
Ministerio de Ciencia e Innovación de España
E-mail: pedro.serena@icmm.csic.es
10. La naturaleza es un LEGO donde las piezas a
ensamblar son átomos. Las reglas que permiten
enlazarse unos a otros, no son sencillas, pero
son conocidas…se trata de la Mecánica
Cuántica. Si conocemos los tipos de piezas y las
reglas de este “juego”…¿Por qué no construir
cosas por nosotros mismos?
11. ¿Qué entendemos por
Nanociencia y Nanotecnología?
Cuando se desee trabajar a escala nanométrica nos
vamos a enfrentar con la posibilidad de observar,
entender (NANOCIENCIA), fabricar, manipular y
ensamblar (NANOTECNOLOGÍA) de forma adecuada
pequeñas unidades funcionales: átomos, moléculas,
proteínas, cadenas de ADN, nanopartículas -
metálicas, semiconductoras, cerámicas, polimérias -,
virus, membranas celulares, puntos cuánticos, etc).
El término “Nanotecnología” fue acuñado en 1974 por el
Ingeniero Prof. Norio Taniguchi (Universidad de Tokio)
dentro del contexto de la futura fabricación de
componentes electrónicos con gran precisión.
12. Agua Aminoácido Virus Bacteria Célula Un punto Balón
.
10-1 1 10 102 103 104 105 106 107 108
Nanometros
Alcanotiol Fullereno ADN Nanotubo Nanopartícula
13. UNA DE LAS CLAVES DE LA NANOTECNOLOGÍA: SU
CARÁCTER MULTIDISCIPLINAR
Moléculas
FISICA
Nanoestructuras
Nanopartículas
QUÍMICA Sistemas porosos
Polímeross
BIOLOGIA Proteínas,
Biomoléculas, NANOTECNOLOGIA
Bioestructuras
INGENIERIA
Dispositivos
Sensores
MODELIZACION
Superfícies
Supercomputación
14. El salto hacia la Nanotecnología:
Una posibilidad fascinante.
Richard P. Feynman (Premio Nobel en 1965)
There's Plenty of Room at the Bottom
29 de diciembre de 1959
(Publicada en 1960, Caltech Science and Technology)
“The principles of Physics, as far as I can see, 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”.
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
16. DE PASEO POR EL NANOMUNDO
Diindenoperileno (DIP) y
Cu-Ftalocianinas sobre oro.
Glóbulos rojos expuestos a
filometilina (un antibiótico)
Superficie de Niquel (110)
17. AFM: EL MICROSCOPIO DE FUERZAS ATÓMICAS
Observación de los enlaces atómicos de pentaceno C22H14
18. DOS CAMINOS HACIA LO “NANO”…
NANOTECNOLOGIA
0,1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 mm 10 mm 100 mm 1 mm
NANOESTRUCTURAS
“BOTTOM-UP” • Nanopartículas
“TOP-DOWN”
• Síntesis química • Nanotubos
• Litografía óptica
• Autoensamblado • Nanohilos
• Nanolitografía
• Autoorganización • Puntos cuánticos
electrónica
• Deposición • Capas delgadas
• Molienda
• Multicapas
• Desgaste (FIB)
• Nanocomposites
• Dendrímeros
• Nanoporosos
• Zeolitas
22. LA CONSECUENCIA DEL CARÁCTER
MULTIDISCIPLINAR…
SECTORES MÚLTIPLES DE APLICACIÓN.
FISICA ELECTRÓNICA
QUÍMICA SALUD
BIOLOGIA ENERGÍA
INGENIERIA NANOTECNOLOGIA
TRANSPORTE
MODELIZACION ALIMENTACIÓN
MEDIOAMBIENTE
CONSTRUCCIÓN
23. PASITO A PASITO
Control sobre la fabricación de
nanopartículas, de nanomateriales.
La industria basada en la
aproximación “top-down” sigue
predominando.
Las tecnologías “bottom-up” conviven
con las tecnologías “top-down”. Las
nanopartículas dejan paso a sistemas
nanométricos de mayor complejidad.
Predominio de las técnicas “bottom-
up” en la industria. Los nanosistemas
se convierten en complejos
nanodispositivos.
2000 2010 2020 2030 2040 2050
AÑO
24. LAS APLICACIONES DE LO “NANO”
NANOBIOTECNOLOGÍA /
NANOMATERIALES NANOELECTRÓNICA
NANOMEDICINA
Liberación de Ingeniería de Defensa Computación Almacenamie
Cosmética
fármacos tejidos Aeronaútica Cuántica nto de datos
Síntesis de Bienes de Impresión /
Biomimetismo Espintrónica Fotónica
fármacos consumo Empaquetado
Dispositivos
Agentes para Nanohilos y
Diagnosis Catalizadores Energía de un solo
imagen Nnaotubos
electrón
Paneles
Implantes Construcción Automoción Pantallas
Solares
Dispositivos Electrónica
SENSORES Y ACTUADORES Polución Automóviles
médicos de consumo
INSTRUMENTACION Y Dimensión Análisis Medidas de Control de
METROLOGÍA crítica Químico espesor calidad
25. SECTORES DE APLICACIÓN DE LA
NANOELECTRÓNICA
Computación
Cuántica Almacenamiento
Fotónica
de datos
Dispositivos de
Implantes
Nanohilos y un solo electrón
Nnaotubos Paneles Solares
Espintrónica
Dispositivos Pantallas
Automóviles
Polución médicos
Electrónica de
consumo
Dimensión Análisis
crítica Químico Medidas de Control de
espesor calidad
Diagnosis
26. LEY DE MOORE: CADA 18 MESES DOBLAMOS
LA CAPACIDAD DE INTEGRACIÓN
1968: Invención de la
técnica MBE (Molecular
Beam Epitaxy) (A.Y. Cho y
J. Arthur).
1959: Se desarrolla el
circuito integrado en
Texas Instruments (J.S.
1948: Brattain, Kilby, PN 2000).
Bardeen, Schockley 2009:
descubren el efecto Años 1960: Xeon Nehalem W5580
transistor (PN 1956) aparecen los 751.000.000 transistores
transistores en 263 mm² (4 cores)
individuales. 3.2 GHz, 130 W
50 GigaFLOPS
27. Tecnología usada en procesadores Intel (nm)
100000
10000
Más densidad y
1000
más frecuencia…
más disipación…
100
10
1971 1974 1979 1985 1993 1997 2000 2002 2006 2006
AÑO
28.
29. La ley de Moore (1965): aproximadamente cada 18 meses
se dobla la capacidad de integración.
•1997: Pentium II (7.5 millones de •2007: Intel lanza al mercado Itanium 2
transistores) que contiene 410 millones de
transistores con un tamaño
•1997: 250 nm de ancho de línea
promedio de 45 nm, en un chip de 3
•2000: Se usan líneas de 180 nm cm2.
•2002: Se usan elementos de 130 nm de
tamaño
•2004: Intel Prescott con tecnología de
90nm (55 millones de transistores en el
chip).
•2005: IBM, Sony y Toshiba presentan
el procesador Cell 65nm (234 millones
de transistores en 221 milímetros
cuadrados, multinúcleo, y 256 Gflops).
•2006: Litografía EUV (Extreme
Ultraviolet Lithography). INFINEON
(Alemania) anuncia la fabricación de
chips de telefonía móvil de 65 nm.
•2006: SAMSUNG anuncia la
fabricación de memoria Flash NAND de
32 Gbytes de 40 nm (36000 fotos o 40
películas).
• 2006: Intel anuncia memorias Flash de
tecnología de 50 nm.
30. El futuro de los circuitos integrados basados en silicio,
según la Semiconductor Industry Association (SIA,
EEUU).
“MORE MOORE”:
Las previsiones de SIA (2016):
- Memorias de 128 Gbytes,
- Procesadores de 3000-4000 millones de
transistores
- 9 nm de longitud de canal
- velocidades de reloj de 25-30 GHz.
32. GMR: A. Fert y P. Grünberg en
1982 (PN 2007).
Evolución de la densidad superficial de almacenamiento en discos duros de IBM (“The
future of magnetic data storage technology”, D. A. Thompson and J. S. Best. IBM. J. Res.
Dev. 44, 311 (1999)).
33. La ley de Moore (1965): el camino hacia la nada.
El uso de semiconductores para elaborar circuitos integrados tiene sus
propias limitaciones físicas. La densidad típica de portadores en
semiconductores es de 1015 a 1019 portadores/cm3. Típicamente
10x10x10=1000 nm3 de material semiconductor dopado contienen entre
0,001 (¡!) y 10 electrones: EMPIEZAN LOS PROBLEMAS PARA LA
CONDUCCIÓN ELECTRÓNICA (SIN ELECTRONES... NO HAY
ELECTRÓNICA).
El cambio de filosofía de
trabajo/fabricación de los
nuevos dispositivos
electrónicos se hará en
el ámbito de la
Nanotecnología.
34.
35. La ley de Moore (1965): algunos aspectos económicos.
Se necesita una mayor inversión en I+D y en equipamiento de fábricas
para aumentar la miniaturización. Recuperar esa mayor inversión en el
mismo tiempo, fabricando productos con precio de venta constante o
más barato, implica un crecimiento de ventas del orden del 40-60%.
(Fuente: http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/makeindex.html)
36. La Nanotecnología: un paso necesario
La carrera de la integración ha hecho necesario el
desarrollo de técnicas de diseño, modelización, fabricación,
caracterización y control de calidad más precisas… Pero
¿dónde está el límite? 30 nm, 20 nm, 10 nm, …
Obviamente si seguimos en la carrera hacia menores
escalas, tarde o temprano nos encontraremos con
entidades de tamaño minúsculo: nanopartículas,
moléculas, átomos...
Entonces será obligado trabajar con unidades funcionales
de unos pocos nanómetros, integrarlos, fabricar
dispositivos de forma MASIVA. Pero.. ¿es esto posible?
Esta necesidad es el núcleo central de la concepción más
apasionante de la Nanotecnología.
38. + PEQUEÑO = + EFECTOS CUÁNTICOS
Efectos de tamaño de origen cuántico: Cuando el
tamaño del material se hace muy pequeño de forma que
las funciones de onda “sienten” las paredes, se empiezan
a modificar sus propiedades. Sistemas aislantes dejan de
serlo, cambios oscilatorios de la función de trabajo,
desarrollo de propiedades ópticas y magnéticas nuevas.
≠
≠
≠
40. La agitada vida de los electrones
E
Red periódica con vibraciones (fonones)
Colisión inelástica con fonón
Propagación “cuántica”
l: recorrido libre medio inelástico
Longitud de coherencia de fase: similar a l.
σ= ne2τ/m con l=vFτ
41. + PEQUEÑO = + EFECTOS BALÍSTICOS
σ= ne2τ/m Recorrido Libre Medio en Au
l=vFτ
Re cor r ido Libr e M e dio
500,0
400,0
A temperatura ambiente
(nm ) 300,0 (300K) un electrón en el
El caso del oro en oro tiene recorridos libres
200,0 medios de más de 35 nm
el rango
1-900 K 100,0
0,0
0 200 400 600 800 1000
Temperatura (K)
42. ¿Qué sucede con el transporte a través de
un sistema de dimensiones nanométricas?
Transporte balístico.
¿Qué sucede si el cilindro central se llega a hacer tan
pequeño que sus dimensiones estén por debajo del
recorrido libre medio? a)
l
a2
L2 b)
Ocurre que en ese caso la probabilidad de colisión con la
red en movimiento se hace muy pequeña y el electrón
pasa por la constricción de forma BALÍSTICA. Es decir,
EL CONCEPTO DE RESISTIVIDAD MACROSCÓPICA
NO TIENE SENTIDO:
¡LA LEY DE OHM NO FUNCIONA!
43. + PEQUEÑO = + EFECTOS CUÁNTICOS
L >> linelastico
L L L
L y
1
0,95
1 ( L + y )(3L − y )
0,9
0,85
R = ρ 2 L +
0,8
0,75
Serie1
0,7
S 4L
0,65
0,6
0
0,07
0,14
0,21
0,28
0,35
0,42
0,49
0,56
0,63
0,7
C1
0,77
0,84
0,91
0,98
44. + PEQUEÑO = + EFECTOS CUÁNTICOS
L L linelastico L
L y
1,2
1
0,8
R ∝ sin (4π x / λF )
2 0,6
0,4
0,2
0
0
0,08
0,16
0,24
0,32
0,4
0,48
0,56
0,64
0,72
0,8
0,88
0,96
45. R1 R2
Rt=R1+R2
Ley de Ohm
L >> RLM
Rt
Comportamiento
Cuántico
L > RLM
Desplazamiento de R2
46. Conductividad cuántica:
El modelo de Büttiker- Landauer
(la alternativa cuántica a la ley de Ohm)
• Utiliza el concepto de scattering: los electrones que
pasan la constricción encuentran obstáculos o
barreras cuánticas => Hay una cierta probabilidad de
reflexión (R) y/o de transmisión (T).
• A su vez hay que tener en cuenta la aparición de
subbandas debido al confinamiento electrónico en la
dirección transversal al nanocontacto.
2
I 1 2e
G= = =
V R h
∑Tν (E
ν
F ) = G0 ∑Tν (EF )
ν
2
2e
G0 =
h
50. LO “NANO” ES DIFERENTE:
NANOTUBOS DE CARBONO
1991 Nanotubos (Ijima @NEC)
Nanotubo (7,0): aislante
1989 C60 (Smalley, Curl y Kroto)
Página WEB del Prof. Smalley
http://cnst.rice.edu/
Nanotubo (4,4): metálico
51. Y AHORA…¡LLEGA EL GRAFENO!
Andre Geim y Konstantin Novoselov, Premio Nobel de Física
en 2010 por el descubrimiento del grafeno en 2004.
52. Y AHORA…¡LLEGA EL GRAFENO!
"intrinsic rippling of monolayer graphene"
Mr. Torge Mashoff. RWTH Aachen University (Germany)
3-dimensional STM image aquired at 4.9 K. The graphene monolayer has been
prepared by exfoliation technique on a silicon-dioxide substrate.
53. Y AHORA…¡LLEGA EL GRAFENO!
Los electrones del grafeno se pueden mover a una velocidad
sólo cuatrocientas veces inferior a la velocidad de la luz. El
grafeno es un semiconductor que puede operar a escala
nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que
ningún otro semiconductor ofrece. La principal ventaja de cara
al futuro del grafeno (macromolécula de carbono) frente al
silicio se trata de su mayor conductividad eléctrica, hasta 100
veces mayor.
62. Un sueño: hacia el máximo almacenamiento masivo.
A finales de los años 1990, el Presidente de EE.UU. Bill
Clinton lanza la NNI (Nanotechnology National Innitiative)
dotando de grandes recursos económicos a diversas agencias
federales de investigación para potenciar la I+D en
Nanotecnología. Entre muchos objetivos (impactantes y
publicitarios) se mencionaba explícitamente llegar a disponer
(a medio plazo) de sistemas de almacenamiento de datos
que permitiesen albergar todo el contenido de los libros
de la Biblioteca Nacional de EE.UU. en un dispositivo del
tamaño de un ¡terrón de azúcar!
1014 bits es una cifra en la que los sistemas de
almacenamiento comenzarán a adquirir una complejidad
de manejo similar a la de los cerebros de especies
superiores.
63. Un camino hacia el almacenamiento masivo
1 nm 2 nm • Este sistema almacenaría 0.1
billones (1012) de bits por cm2
1 nm 1 0 • Un DVD almacena 4,7 GB
en 92 cm2 => 408 Mbit/cm2
• Un “CD -nano” de igual
2 nm
superficie equivaldría a 245
DVDs ó 1770 CDs.
1 1 • Esa información equivale a
500.000 libros....En la Biblioteca
Nacional de España se han
depositado 1.500.000 de libros
desde 1958 (3 “CD-nano”!!!!)
Wu et al. Adv. Mat. 17 Nov. 2003
(p-Nitrobenzonitirilo) 1.1 nm / 2 nm
65. ALGÚN INCONVENIENTE…
Un “atomoticono”
(IMDEA-NANOCIENCIA
Madrid)
Cada punto negro se
corresponde con una
molécula de CO
Varias horas para ensamblar 9 moléculas...
¿Cuánto tardaríamos en ensamblar 1000 ó 1.000.000? ¿Es
este el camino hacia la nanofabricación?
66. ¿HACIA LA FABRICACIÓN EN MASA?
AUTOENSAMBLADO MOLECULAR
"(nano-) blossoms in the
dark"
Dr. Dimas Garcia de
Oteyza.
Max Planck Institute for
Metals Research
(Germany).
Codeposition of
diindenoperylene (DIP)
and copper-
phthalocyanines (CuPc) on
a gold single crystal
67. LO NANO ES DIFERENTE: LUZ Y TAMAÑO
Nanopartículas de CdSe Nanopartículas de oro
68. PUNTOS CUÁNTICOS
"Quantum Forest"
Mr Thorsten Dziomba.
Physikalisch-Technische
Bundesanstalt (Germany)
GeSi quantum dots on Si,
average diameter approx.
70 nm, typical height
approx. 15 nm
69. Impresión de circuitos sobre elementos transparentes y flexibles
Lentillas electrónicas que
funcionan como una pantalla
(25/01/08)
Un equipo de la Universidad de
Washington están desarrollando
en la actualidad unas lentillas
en las que van integrados
circuitos electrónicos y leds que
nos muestran una pantalla con
la información o datos que se
desee, transmitidos desde otros
equipos (de nuestro teléfono
móvil, webcam, automóvil, etc).
71. ¿El futuro está en la Nanoelectrónica?
• ESPINTRÓNICA
• ORDENADORES FOTÓNICOS
• BIOCOMPUTACIÓN
• COMPUTACIÓN CUANTÍCA
¿Cúal será el futuro?
72. COVERGENCIA NBIC
NANO BIO
NANOTECNOLOGÍA BIOTECNOLOGÍA
Átomos Genes
NBIC
Bits Neuronas
INFO COGNO
TECNOLOGÍAS DE LA
CIENCIAS COGNITIVAS Y
INFORMACIÓN Y DE LAS
NEUROCIENCIAS
COMUNICACIONES
75. IMPLANTES CON PARTES
NANOMÉTRICAS
Se debe desarrollar una nano-
batería para alimentar posibles
mecanismos introducidos en el
cuerpo humano. Un ejemplo de
implante es un implante de retina,
que se encarga de suplir las
funciones de procesamiento de
imágenes de la retina y transmitir
los resultados al cerebro a través
de un grupo de 50 electrodos.
76. BIOCOMPUTADORAS
2001: Weizmann Institute Israel
Un billón de nanocomputadores en una gota de agua.
Potencia: 10-9 watios
El software, la entrada y la salida están codificados en
moléculas de ADN.
El hardware son dos tipos de enzimas capaces de
manipular ADN: Fok-I y ligasa.
Las moléculas hardware y software operan a
temperatura ambiente sobre moléculas input para crear
nuevas moléculas output, formando un máquina de
computación del tipo autómata finito. Este
nanocomputador se puede programar usando
diferentes moléculas software para hacer sencillas
operaciones.
77. BIOCOMPUTADORAS
Investigadores de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona,
han diseñado y construido redes de computación biológica
distribuida con levaduras modificadas genéticamente que se
pueden combinar de muchas maneras distintas, en las que las
conexiones son moléculas. Cada red básica define una
función lógica y la combinación de las células de levadura y
de sus conexiones permite construir dispositivos sintéticos
cada vez más complejos.
El primer circuito que diseñaron los investigadores fue una
puerta lógica AND (Y) con dos tipos de células que responden
a dos estímulos (el cloruro de sodio y el estradiol) y una
feromona como conexión. La presencia del cloruro de sodio
estimula una célula para que produzca la feromona, que es
recibida por la segunda célula. Además, esta es sensible al
estradiol y cuando recibe los dos estímulos y sólo entonces,
da lugar al producto final deseado, que puede ser una proteína
fluorescente. De forma similar, construyeron una puerta OR
(O) y posteriormente las de otras funciones booleanas,
reutilizando los componentes de las anteriores.
Distributed biological computation with multicellular engineered networks
Sergi Regot et al. Nature,Volume 469, 207–211 (2011)
78. CONCLUSIONES
• Hay mucho por hacer, por descubrir, por
implementar….
• La nanotecnología brinda a la electrónica muchas
apuestas para poder sustituir/complementar al silicio en
2020-2030.
• No se sabe qué tecnología será la que se utilice en
dispositivs: moléculas, CNTs, nanowires, grafeno,
todas a la vez,…
• La elección dependerá no sólo de las propiedades del
nanoobjetos sino de otros criterios: capacidad de
integración, costes, normativas, etc.
• Además puede que existan alternativas sorprendentes
a la electrónica actual basada en sistemas binarios.
79.
80. DE PASEO POR EL NANOMUNDO
SPMAGE07 y 09
http://www.icmm.csic.es/spmage/
81. Unidad Didáctica de
Nanociencia y Nanotecnología
Gago et al.
(http://www.fecyt.es)
¿Qué sabemos de la
nanotecnología?
P.A. Serena
La Catarata-CSIC
(http://www.catarata.org)
Una revolución en miniatura
A. Menéndez
Servicio de Publicaciones de la
Universidad de Valencia
Aplicaciones Industriales de la
Nanotecnología en España en el Horizonte
2020
VV.AA (http://www.opti.es)
82. RED CYTED SOBRE FORMACIÓN Y DIVULGACIÓN EN
NANOTECNOLOGÍA “NANODYF”