Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással
    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Nanotudomány

    A tantárgy angol neve: Nanoscience

    Adatlap utolsó módosítása: 2023. január 18.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar

    Villamosmérnöki szak

    MSc képzés

    Választható természettudományos ismeretek
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIETMA14   3/1/0/v 5  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Bonyár Attila,
    4. A tantárgy előadója

    Dr. Bonyár Attila, egyetemi docens, ETT 

    Dr. Sántha Hunor, egyetemi docens, ETT 

    Reichardt András, mesteroktató, HVT

    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

    Fizika 1-2, Elektronikai anyagtudomány, Elektronikai technológia, Mikroelektronika

    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM
    (TárgyEredmény( "BMEVIETMA07", "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIETMA07", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

    Ajánlott:
    -
    7. A tantárgy célkitűzése

    A nanotudomány elsődleges célja jelenségek tanulmányozása szerves és szervetlen rendszerekben, amelyek néhány száztól néhány millió atomból állhatnak (0,2...100 nm-es tartományba tartoznak). A tárgy három fő tematikai részre különíthető. Az első rész elméletileg tekinti át a nanotartományba eső rendszerek fizikáját, a skálázással kapcsolatos kérdéseket, a vonatkozó alapvető kvantummechanikai és szilárdtest fizikai jelenségeket. A második rész a nanoanyagok fizikai tulajdonságaival, előállítási technológiájukkal és fő alkalmazási területeivel foglalkozik, beleértve szerves és szervetlen rendszereket is. A harmadik rész célja a nanometrológia bevezetése, a nano méretskálán alkalmazható mikroszkópos és spektroszkópiás eljárások megismertetése.

    8. A tantárgy részletes tematikája

    Az előadások tematikája:

    1. Bevezetés, a nanotudomány elhelyezése, fontosabb eddigi eredményei. A nanotudomány által használt fogalmak definiálása. A nano mint mérettartomány különlegességei. Az anyagok felépítése bottom-up megközelítésben.

    2. A fizikai tulajdonságok megváltozása a nano-méretskálán. A geometriai skálázás hatásai. A top-down tervezés skálázási problémái. Makroszkopikus fizikai jellemzők (mechanikai, elektromos, optikai, termikus, mágneses), ezek mikroszkopikus értelmezése (újdonságok a nanovilágban).

    3. Bevezető a kvantummechanikáról, kvantummechanikai problémák és megoldásuk: A kvantummechanika alapelveinek áttekintése, egyszerű problémák esetében a megoldás menete és eredménye.

    4. Szilárdtestfizikai alapok: Hogyan jutunk el a szilárdtestfizika villamosmérnöki szempontból lényeges modelljeihez és a kapott eredmények értelmezéséhez.

    5. Félvezetők elmélete Áramvezetés jelensége a félvezetőkön belül. A különböző jellegű félvezetők közötti különbségek és a makroszkópikus egyenletek előállítása. 

    6. Nanoszerkezetek, nanoanyagok előállítási módszerei 1: gőzfázisú módszerek. Fizikai és kémiai gőzfázisú rétegleválasztás, valamint kondenzáció és ezek speciális változatai (pl. PVD, CVD, CCVD, ALD, GPC, CVC). Lézeres abláció, kriogénolvasztás, permethőbontás.

    7. Nanoszerkezetek, nanoanyagok előállítási módszerei 2: folyadékfázisú módszerek. Nanorészecskék előállítása szol-gél eljárással. Alak- és méretkontrollált kémiai redukció. Felületkémia, önszerveződő rétegek, bevonatok. Elektrokémiai és árammentes rétegleválasztás. 

    8. Nanoszerkezetek, nanoanyagok előállítási módszerei 3: nanolitográfia 1. A projekciós és direktírásos litográfiák alapelvei, a felbontóképesség korlátjai. Optikai (UV) litográfia, röntgen-litográfia, elektronsugaras és ionsugaras eljárások. 

    9. Nanoszerkezetek, nanoanyagok előállítási módszerei 4: nanolitográfia 2. Haladó litográfiás eljárások. Nanoimprint litográfia és replikáció. Lézerinterferencia litográfia. Litográfia pásztázó tűszondás mikroszkópokkal (STM, AFM). Nanodiszpenzálás. 

    10. Szén allotróp módosulatai: fullerének, nanocsövek, grafén. Kristálytani leírás, fizikai tulajdonságok, főbb előállítási technológiák. Megvalósult és potenciális alkalmazási területek a nanoelektronika, szenzorika, kijelzők, kompozit anyagok stb. terén.

    11. Nanoanyagok vizsgálati lehetőségei, a nanometrológiai eljárások áttekintése. A mikroszkópos eljárások alapjai, a felbontóképesség korlátjai az egyes eljárásoknál. A pásztázó tűszondás mikroszkópok működése (STM, AFM).

    12. Elektronsugaras mikroszkópos eljárások áttekintése. A pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópia (SEM és TEM) alapjai, lehetőségei és korlátjai. Anyag elektron kölcsönhatás, származtatott jelek, detektortípusok és képalkotási módok. 

    13. Az anyagösszetétel vizsgálat lehetőségei a nano-méretskálán. Spektroszkópiai módszerek (SEM-EDS, XRF, XPS, AES, Raman-spektroszkópia, SERS, FT-IR) alapjai, az egyes eljárások előnyei, hátrányai.

    A gyakorlatok tematikája:

    1. Transzportegyenlet megoldása, számítógépes modellezéséről: A transzportfolyamatok megoldásának különböző modelljei, megoldásuk számítógépes környezetben.

    2. Szerves nanoszerkezetek, biomolekulák nano tulajdonságai 1: Részecske mérettartományok, 3 + 1 kvantumkölcsönhatás; Az anyag(ok) és a tér „természete” applikációs szempontokból; Diffúzió & ütközések; Poláros-apoláros molekulák; Elektronegativitás; Redukálás-oxidálás; Elektrokémiai potenciál; Víz és savi disszociáció; pH; Kémiai szerkezeti képletek szabályai; Kötéstávolság.

    3. Szerves nanoszerkezetek, biomolekulák nano tulajdonságai 2: A C tetraéder; Szigma és pi molekulapálya; Enantioméria; Főbb szerves funkciós csoportok; Szerves anyagok 4 csoportja; Amfifil molekulák; DNS szerkezet és bioreceptorszőnyeg példa; Fehérjék 4 szerkezeti szintje; A peptidkötés; Fehérje bioreceptorszőnyeg példa; A sejt életfolyamatai; Ki- és bekapcsolható gének; Poliriboszóma.

    4. Fémes nanoszerkezetek optikai tulajdonságai. Nanoplazmonika, felületi és lokalizált plazmon rezonancia (SPR, LSPR) és alkalmazásai. Bevezetés a bioérzékelőkbe, plazmonikus elvű bioérzékelők fejlesztésének aktuális kérdései K+F projektek példáin keresztül.

    5. Nanoanyagok és nanoszerkezetek alkalmazása az elektronikában, illetve elektronikai szereléstechnológiában. Nanopackaging példák. Nano-vezetékezés (interconnections), nano-forraszok és ragasztók. Additív gyártástechnológiák nanoanyagokkal. 

    6. Haladó pásztázó tűszondás mikroszkópos eljárások. Erőtér mikroszkópiák (elektrosztatikus, mágneses, Kelvin, stb.). Mechanikai tulajdonságok mérése a nano-méretskálán. Optikai közeltér-mikroszkópia. AFM-képek értelmezése és feldolgozása példákon keresztül.

    7. Laborlátogatás. A BME-ETT nanometrológiai infrastruktúrájának megismerése. AFM, SEM, XRF, FT-IR demonstrációs mérések. A bioérzékelők és mikrofluidika labor kompetenciának megismerése. 3D-nyomtatás, mikrofluidika és bioérzékelős demonstrációk.

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) A tantárgyat előadások és tantermi gyakorlatok formájában tartjuk.
    10. Követelmények

    A szorgalmi időszakban:

    A félév során 1 db nagyzárthelyit íratunk, az aláírás megszerzéséhez ennek legalább elégséges szintű (50%) teljesítése szükséges.

    A vizsgaidőszakban:

    A tárgyból írásbeli vizsgát tartunk, amelybe a ZH 30%-kal beszámít az év végi jegybe.

     

     

    11. Pótlási lehetőségek

    A nagyzárthelyi a pótlási időszakban egy alkalommal pótolható, pót-pót-ZH alapból nincs.

    12. Konzultációs lehetőségek

    A félév során az oktatók folyamatos személyes vagy írásos (e-mail) konzultációra is lehetőséget adnak. Zárthelyik és vizsganapok előtt dedikált konzultációs alkalom igény szerint szervezhető. 

    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

    Tanszéki fejlesztésű e-learning anyagok, amelyek a teljes tananyagot lefedik. 

    Mojzes I. Molnár L.M.: Nanotechnológia. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2007. 

    Konczos Géza: Bevezetés a nanoszerkezetű anyagok világába 

    Bhushan, Bharat: Handbook of Nanotechnology (Spinger) 

    Bharat Bhushan: Handbook of Micro/Nano Tribology (CRC) 

    http://www.nanotechnology.hu/

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra42
    Félévközi készülés órákra20
    Felkészülés zárthelyire20
    Házi feladat elkészítése0
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása28
    Vizsgafelkészülés40
    Összesen150
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Dr. Bonyár Attila, egyetemi docens, ETT

    IMSc tematika és módszer -
    IMSc pontozás -
    Egyéb megjegyzések -