BME VIK - Nanotudomány

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 óra	42
Félévközi készülés órákra	20
Felkészülés zárthelyire	20
Házi feladat elkészítése	0
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	28
Vizsgafelkészülés	40
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Dr. Bonyár Attila, egyetemi docens, ETT

IMSc tematika és módszer -

IMSc pontozás -

Egyéb megjegyzések -