báo cáo thu hoạch nhập môn kỹ thuật vi điện tử và công nghệ nano

1993, Hiroshi Amano & Isamu Akaski chế tạo nuôi thành công đơntinh thể GaN để chế tạo LED phát quang ánh sáng xanh da trời có hiệu suất cao Noble prize-2014.2008, LED bắt đầu được sử dụn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG VẬT LIỆU

KHOA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ VÀ LINH KIỆN

*****

BÁO CÁO THU HOẠCH

NHẬP MÔN KỸ THUẬT VI ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ NANO

Sinh viên: Vũ Đăng Dương MSSV: 20237817 Lớp: MS2-02 Nhóm: 6

Giảng viên: Phạm Hùng Vượng

Hà Nội tháng 1 năm 2024

Mục lục

I. Lý thuyết nhập môn kỹ thuật vi điện tử và công nghệ nano

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật vi điện tử……….2

1.2 Điốt và phát quang……… 2

1.3 Vật liệu từ và siêu dẫn……….5

1.4 Hệ thống cơ điện tử(MEMS)……… 7

1.5 Công nghệ phòng sạch……….7

II. Trồng răng thông minh 1 Giới thiệu và cấu tạo………9

2 Kết quả và nguyên lý……… 13

III. Kết quả NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

1

BÁO CÁO THU HOẠCH

IV. Lý thuyết nhập môn kỹ thuật vi điện tử và công nghệ nano 1.1 Giới thiệu về kỹ thuật vi điện tử

-Kỹ thuật vi điện tử là một lĩnh vực chuyên biệt dành riêng cho việc thiết kế và phát triển vi mạch.Sự khác biệt chính giữa kỹ thuật Vi điện

tử và Điện tử là nó chỉ xử lý các bộ phận ở quy mô nhỏ hơn nhiều -Công nghệ nano là lĩnh vực nghiên cứu trong đó đối tượng phải có

ít nhất một chiều tính bằng nanomet (<100 nm).Trong khi Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều tính bằng nanomet (<100 nm).Như vậy, Công nghệ nano là việc chế tạo các vật liệu nano này ở dạng phù hợp cho ứng dụng mong muốn như:

+ Tạo ra sự khác biệt về Cơ-Lý-Hóa

+Tạo ra sự khác biệt của sản phẩm ứng dụng

+Tạo ra sự thay đổi trong công nghệ

+Tiết kiệm năng lượng và vật tư

-Chế tạo Wafer silicon

+Nguyên liệu thô- Cốm silicon tinh khiết từ cát -> Nung và kéo tinh thể

->Phôi pha lê Si->Cắt thành tấm Si bằng cưa kim cương ->Sản phẩm cuối cùng sau khi đánh bóng được làm sạch sẽ và kiểm tra

-Quy trình chế tạo IC:

+Chế tạo wafer silicon-> Thiết kế vi mạch(IC design) -> Chế tạo vi mạch(IC fabrication) -> Sản phẩm vi mạch(IC products)

1.2 Điốt phát quang và ứng dụng

-Lịch sử phát triển của LED:

1927, Oleg Losev người đầu tiên chế tạo ra LED.

1952, Giáo sư Kurt Lechovec là người đầu tiên giải thích nguyên lý

hoạt động của LED

1958, Rubin Braunstein và Egon Loebner đã chế tạo được LED phát

ánh sáng xanh lá cây

1962, Nick Holonyak đã chế tạo được LED phát ánh sáng đỏ.

1964, IBM là công ty máy tính sử dụng LED trên máy tính.

1968, HP sử dụng LED trong máy tính tay.

1971, Jacques Pankove & Edward Miller phát minh ra LED phát ánh

sáng xanh da trời

2

1972, M George Crawford phát minh ra LED phát ánh sáng màu

vàng

1986, Walden C Rhines & Herbert Maruska tại đại học Stafford

LED phát ánh sáng xanh da trời, tiền thân của LED ngày nay

1993, Hiroshi Amano & Isamu Akaski chế tạo nuôi thành công đơn

tinh thể GaN để chế tạo LED phát quang ánh sáng xanh da trời cóhiệu suất cao (Noble prize-2014)

2008, LED bắt đầu được sử dụng để chiếu sáng trong dân dụng.

-Sự khác nhau giữa Điốt và LED

Là một linh kiện bán dẫn cho

dòng điện đi theo một chiều LED là một loại điốt (phát quang)Năng lượng của điện tử trong vật

liệu chuyển hóa dưới dạng nhiệt

Năng lượng của điện tử chuyểnhóa thành ánh sáng

Điốt chuyển dòng xoay chiều

-Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED:

-Vật liệu chế tạo LED:

3

+Vật liệu bán dẫn vô cơ

+Vật liệu bán dẫn vô cơ pha tạp

+Vật liệu hữu cơ(OLED)

-Cường độ thấp -Dễ dàng tàn nhiệt -Mỏng và nhẹ -Độ bền vật liệu không cao

-Ứng dụng của LED

+Ưu điểm:

Hiệu suất Cao hơn nguồn sáng truyền thống

Màu sắc Có thể phát ánh sáng có màu sắc theo mong muốn Kích thước Kích thước nhỏ (< 2 mm2)

Thời gian hồi đáp Bật sáng gần như ngay tức thì (< 1 ms)

Điều khiển Dễ dàng điều khiển độ sáng, tối

Thời gian sống 35,000 đến > 50,000 giờ

Nhiệt Tỏa nhiệt ít, không có bức xạ hông ngoại

+Nhược điểm:

Quản lý nhiệt độ Phức tạp và tiêu tốn nhiều chi phí

Điện áp Yêu cầu thế và dòng phù hợp, dòng một chiềuKích thước Kích thước nhỏ (< 2 mm )2

Phân bố ánh sáng Phân bố dạng lambertion >< dạng cầu

Cường độ ánh sáng Ảnh hưởng tới mắt nếu chiếu hoặc nhìn trực

tiếp vảo LED

Ô nhiễm ánh sáng Ô nhiễm ánh sáng xanh da trời nếu sử dụng

+Hợp kim:NdFeB, MnBi, Fe-Co, Alnico

+Oxit: Hexaferrite (SrFe12O19)

Spinel ferrite (CoFe2O4)

- Vật liệu từ tính cho ứng dụng cảm biến

VD

CẢM BIẾN KHÍ

5

+ Thiết bị điện tử spin

Fe, Co, Fe-Co, Bán kim loại

- Vật liệu từ tính để chuyển đổi năng lượng

+ Máy phát điện rung: Hợp kim

Fe-Ga, Terfenol-D

+ Sạc không dây:

Các tinh thể nano gốc Fe, NP ferrite Zin

- Vật liệu siêu dẫn dùng cho thiết bị và truyền tải điện

+ Đường truyền siêu dẫn: YBCO (>93K)

+ Hiệu ứng bay lên:

Tàu MagLev siêu dẫn ở Nhật Bản

+ Hệ thống phân phối thuốc nhắm mục tiêu từ tính

Sử dụng nam châm siêu dẫn:SmBaCuO và YBaCuO số lượng lớn

- Chế tạo vật liệu

+ Hạt nano và dây điện (Tổng hợp hóa học)

6

+ Thiết bị (Phòng sạch sẽ)

+ Phim mỏng (phun vãi)

+ Hợp kim số lượng lớn (Hồ quang tan chảy)

- Thiết bị chuẩn bị mẫu

+ Hệ thống lò nung

+ Máy ép

+ Máy khuấy quy mô lớn

1.4 Hệ thống cơ điện tử (MEMS)

- MEMS (Micro-electromechanical sytems): là một hệ thống vi cơ điện

tử được tích hợp từ các thành phàn cơ khí, cảm biến, bộ chấp hành và các mạch điện tử cùng nằm chung trên một lớp nền silicon thông qua công nghệ vi chế tạo

-Vật liệu chế tạo: Silicon, polyme, kim loại, gốm sứ

-Vật liệu: Silicon, polyme, kim loại, gốm sứ

sẽ giúp hạn chế tối đa việc nhiễm khuẩn hoặc nhiễm chéo của sản phẩm

trong quá trình nghiên cứu, sản xuất đảm bảo vô trùng Hiện nay, phòng

sạch đang ngày càng phổ biến và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

như công nghiệp dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm, công nghệ sinhhọc… các ngành yêu cầu về việc kiểm soát mức độ bụi và các thànhphần trong không khí

7

(Phòng sạch tại ĐH Bách Khoa Hà Nội)

-Tiêu chuẩn phòng sạch là một trong những yêu cầu cần đáp ứng

đối với bất kỳ phòng sạch nào Để được đánh giá là phòng sạch, cầnđảm bảo thông số về các yếu tố sau:

+Phòng sạch ngoài nhiệt độ và áp suất được điều chỉnh như các phòng điều hòa thông thường thì còn cần yêu cầu khắt khe hơn về áp suất, độ sạch và nhiễm chéo

+Do không khí di chuyển từ nơi có áp suất cao về nơi có áp suất thấp nên việc kiểm soát áp suất giúp ngăn ngừa không cho không khí, bụi, sinh vật… từ khu vực khác sang khu vực phòng sạch

+Độ sạch của phòng được quyết định bởi số lần trao đổi gió và phin lọc

Số lần trao đổi gió càng lớn thì nồng độ hạt bụi càng giảm, giảm chất ô nhiễm sinh ra trong phòng Do đó với mỗi cấp độ sạch khác nhau thì số lần trao đổi gió và phin lọc cũng khác nhau

8

+Đối với phòng sạch, nhiễm chéo là tiêu chí khá phức tạp và khó kiểm soát bởi nó có thể do rất nhiều nguyên nhân gây ra cả từ bên trong và bên ngoài Việc đặt ra tiêu chuẩn về nhiễm chéo giúp hạn chế tối đa các tạp chất, thành phần lạ xuất hiện sẽ phá hủy hoặc làm giảm chất lượng sản phẩm.

V. Trồng răng thông minh

1 Giới thiệu và cấu tạo

1.1 Giới thiệu

-Bệnh quanh implant là tình trạng viêm ảnh hưởng đến các mô mềm vàcứng xung quanh trụ implant Tuy nhiên, các phương pháp phòng ngừahiện tại là chưa đủ do hoạt tính sinh học trên implant nha khoa còn hạnchế và sự tuân thủ của bệnh nhân kém Gần đây, liệu pháp điều biếnsinh học bằng quang học (PBM) có thể phục hồi và tái tạo mô mềmquanh implant đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong nha khoa Trongbài báo này, một hệ thống cấy ghép nha khoa hỗ trợ chuyển động bằngmiệng liền mạch của con người (được gọi là Cấy ghép Nha khoa Thôngminh hoặc SDI) được trình bày như một phương thức trị liệu PBM cấpcứu SDI cho phép phân phối ánh sáng tại chỗ, được kích hoạt bằngcách thu năng lượng từ chuyển động miệng năng động của con người(nhai và đánh răng) thông qua mão răng áp điện được thiết kế, mộtmạch liên quan và điốt phát sáng vi mô (đèn LED) SDI cũng cung cấp

đủ độ bền cơ học theo tiêu chuẩn lâm sàng Sử dụng tế bào sừng nướunguyên phát ở người (HGK) làm sinh vật chủ mẫu và Pseudomonasaeruginosa lipopolysacarit (LPS) làm chất kích thích viêm mô hình, liệupháp PBM qua trung gian SDI hiệu quả đã được chứng minh Một loạicấy ghép nha khoa mới có thể là nền tảng trị liệu PBM cấp cứu để ngănngừa bệnh quanh implant mà không phụ thuộc vào bệnh nhân, đảm bảocấy ghép nha khoa lâu dài

- Cấy ghép implant là phương pháp phục hồi răng duy nhất có thể bảo tồn và kích thích sự phát triển xương tự nhiên Phục hồi chức năng răng miệng bằng cấy ghép nha khoa cũng giúp phục hồi chức năng răng miệng và hình dạng khuôn mặt của bệnh nhân Mặc dù cấy ghép nha khoa đã trở thành một thành phần đáng tin cậy và thường xuyên trong thực hành nha khoa hàng ngày, nhưng vẫn xảy ra thất bại , dẫn đến cảm giác khó chịu, các cuộc phẫu thuật đau đớn và tốn kém cũng như nguy

9

cơ suy giảm sức khỏe răng miệng nói chung Đặc biệt, những người hút thuốc và bệnh nhân có tiền sử viêm nha chu mãn tính hoặc tiểu đường sẽ

dễ bị tổn thương sớm hơn thất bại Thất bại trong cấy ghép nha khoa chủ yếu là do tính nhạy cảm của cấy ghép và bề mặt phục

hình được hỗ trợ bởi cấy ghép đối với sự xâm nhập của vi khuẩn (mảng bám răng) và tình trạng viêm mô nướu (nướu) sau đó (bệnh quanh cấy ghép) (Hình 1a) Trong tình trạng răng miệng khỏe mạnh, các mô nha chu bảo vệ môi trường xung quanh răng cấy ghép chống lại sự xâm nhậpcủa vi khuẩn Tuy nhiên, bề mặt xung quanh implant (biểu mô nối hoặc

mô liền kề với trụ implant) đã được chứng minh là kém hiệu quả hơn răng tự nhiên trong việc chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn Sự liên kếtsợi nướu bất thường và giảm nguồn cung cấp mạch máu ở mặt tiếp xúc làm cho mô quanh implant dễ bị tổn thương hơn trước bệnh lý quanh implant sau đó, dẫn đến mất implant nghiêm trọng Ngoài ra, các vật liệu nha khoa hiện tại có hoạt tính sinh học hạn chế để ngăn ngừa bệnh quanh implant và phương pháp điều trị hiện tại, chẳng hạn như kiểm soát mảng bám hoặc dụng cụ cơ học thông thường, là không đủ do sự tuân thủ của bệnh nhân kém Đã có nhiều nỗ lực nhằm ngăn ngừa hiệu quả bệnh quanh implant bằng cách kết hợp các phân tử kháng khuẩn trong thân răng phục hồi để giảm hoạt động của vi khuẩn Tuy nhiên, sự mất dần dần thụ động của các yếu tố hoạt tính sinh học từ bề mặt vào môi trường xung quanh đã hạn chế việc áp dụng nó vào phòng khám Do

đó, cần phải có một cách tiếp cận chủ động có thể phục hồi và tái tạo mômềm quanh vật chủ cấy ghép một cách hiệu quả chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn Trong số nhiều liệu pháp tái tạo mô, điều chế sinh học bằng ảnh (PBM)

1.2 Cấu tạo

a) liệu pháp điều chế quang học cấp cứu được kích hoạt bởi SDI duy trì sức khỏe răng miệng tổng thể, trong khi cấy ghép nha khoa thông thường không có chức năng điều trị có thể gây ra các bệnh

răng miệng nghiêm trọngGhi chú:-Smart Dental implant:trồng răng thông minh -Per ImplantDiseases:viêm quanh vùng cấy ghép -Dental resin: nhựa nhakhoa

10

-BTNPs: hạt nano cảm ứng

-Micro LED/w circuitry: đèn cảm ứng

-Mix mode dental crown composite: chế độ trộn mão răngtổng hợp

-Peri implant mucositits: viêm niêm mạc quanh vùng cấyghép

- Peri implant mucositits: viêm quanh vùng cấy ghép

b) Sơ đồ lắp ráp SDI dựa trên thiết kế cấy ghép nha khoa được giữ bằng vít, bao gồm :

c) mão răng composite hai pha, thiết bị điện tử liên quan và đèn LEDsiêu nhỏ

Ghi chú: -securing screw:vít cố định

-implant abutment: trụ cấy ghép -Piezoelectricdental crown: mão răng áp điện -Dental crown byBTNPs:

-Trenches for dental resin

d,e) Ảnh SEM của vật liệu nha khoa được thiết kế: quá trình thiêu kết tạo ra vật liệu áp điện khối (tỷ lệ là 30 µm cho cả hai) Khoảng cách làm việc SEM lần lượt là 9,64 µm đối với (d) và 9,77 µm đối với (e) Độ phóng đại là 2500× cho (d) và 5000× cho (e) Chiều cao × chiều rộng của trường là 82,9 × 55,3 µm với độ phân giải (1536 × 1024 pixel2)

11

f) Đặc tính Raman của BTNP cho thấy vật liệu nha khoa được thiết kế thực sự có tính áp điện: đỉnh nhọn ở 306 cm1 là dấu hiệu đặc trưng của mạng tứ giác, tức là áp điện.

Ở đây, chúng tôi trình bày một hệ thống cấy ghép nha khoa thôngminh (gọi là SDI) để điều trị PBM cấp cứu tại chỗ, tăng cường khả năngmiễn dịch của tế bào nướu chống lại các bệnh tiềm ẩn quanh implant màkhông phụ thuộc vào bệnh nhân (Hình 1a) Hệ thống SDI của chúng tôi

về cơ bản là một đối trọng của cấy ghép nha khoa thông thường hiện cónhưng cho phép thu năng lượng và phân phối ánh sáng bằng cách sử dụng áp điện giữa độ mờ và độ trong suốt của SDI để hòa hợp với răng hiện có

Một thành phần quan trọng khác của SDI là mạch quản lí năng lượng cho phép thu năng lượng(hình 1h) Chúng tôi đã thiết kế hai mạch khác nhau để hoạt động liên tục sóng (CW) và sóng xung (PW) vì các dạng sóng này có thể cho phép hiệu quả PBM duy nhất Đối với CW, chúng tôi

12

đã sử dụng một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng tổn hao thấp và tụ điện lưu trữ (ví dụ: siêu tụ điện) chuyển đổi năng lượng điện AC thành DC đầu rađiện PW được tạo ra bằng cách sử dụng một diode Schot-tky và một tụ điện Một mạch thu nhỏ đã được chế tạo và được đặt giữa mão răng và trụ cầu (xem Vật liệu và Phương pháp thiết kế và chế tạo thiết bị điện tử) Ghi chú rằng phần dưới của mão răng được thiết kế để có khoảng trống cho mạch, cũng cho phép kết nối đáng kể với vi mô Đèn LED được đặt xung quanh các góc của mão răng.

từ chuyển động miệng năng động của con người, chẳng hạn như nhai hoặc đánh răng Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng bari titanate các hạt nano (BTNP) được sử dụng làm vật liệu áp điện, là một hạt nanosắt điện không chì và thích hợp cho y sinh ứng dụng.Vương miện được cấu tạo từ vật liệu tổng hợp hai pha (Hình 1c): sự phân tán của các hạt nano áp điện (0–3 tổng hợp; tức là BTNP 0 chiều được nhúng trong 3 chiều ma trận) và các thuộc tính vật liệu nha khoa truyền thống (1–3 composite; tức là trụ nhựa nha khoa 1 chiều được nhúng trong 3 chiều Hỗn hợp dựa trên BTNP) Chúng tôi chọn hỗn hợp hai pha bởi vì hỗn hợp 0–1 cung cấp các hạt nano áp điện chịu ảnh hưởng trực tiếp hơn với

cơ chế sinh học miệng để có hiệu quả thu hoạch năng lượng, và hỗn hợp 1–3 theo phương pháp truyền thống vật liệu nha khoa cung cấp đủ độ bền cơ học dưới ứng suất cơ học do những chuyển động bằng miệng này(Hình 1c) Ngoài ra, Chúng tôi còn tạo ra mão răng áp điện bằng cách thực hiện kỹ thuật in 3D ép đùn cho phép tùy chỉnh Sản xuất một thiết

kế dành riêng cho bệnh nhân, phù hợp với giải phẫu đặc biệt của bệnh nhân (xem Vật liệu và Phươ ng pháp cho quá trình chế tạo chi tiết) (Hình1d) hiển thị hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) Của huyền phù keo BTNP và (Hình 1e) cho thấy hình thái bề mặt Của mão răng được hợp nhất bằng BTNP được in 3D Sau xử lý Như đã thấy, quá trình hậu

xử lý (tức là thiêu kết) đã biến đổi hiếm khi kết nối các BTNP thành một

13

vật liệu áp điện Số lượng lớn Quang phổ Raman cũng xác nhận tính áp điện (Hình 1f) Đỉnh nhọn ở 306 cm 1 biểu thị dấu hiệu của cấu trúc tứ giác của bari titanat Phân tích phần tử của SDI cũng xác nhận các BTNP còn nguyên vẹn sau khi chế tạo quá trình (Hình S1, Thông tin hỗ trợ) Hình 1g cho thấy một nguyên mẫu của SDI Tính chất quang học của BTNP (màu trắng) cũng thích hợp cho vật liệu nha khoa vì nó mang lại sự cân bằng

2.2 Thu hoạch năng lượng của chuyển động nhai và đánh răng

Hiệu suất thu năng lượng của SDI được đánh giá bằng cách sử dụng các

mô hình chuyển động miệng động của con người như nhai và đánh răng Điện áp được đo khi SDI được kích thích bằng chuyển động nhai bằng máy tác dụng lực, có khả năng mô phỏng các cuộc tấn công đối kháng theo với các thông số được kiểm soát (Hình 2a) Để kiểm tra hiệu quả chuyển đổi từ cơ sang điện, trước tiên SDI đã được thử nghiệm mà không cần mạch điện Hình 2b cho thấy một ví dụ đại diện của điện áp đầu ra từ SDI dưới chuyển động nhai (lực tác dụng là ≈90

N ở tần số 5 Hz) Các đầu ra cho thấy ba chế độ khác nhau: điện áp dương trong quá trình nén, điện áp âm trong quá trình giải nén và theo sau là xu hướng chạy không tải giữa hai hướng khác nhau của lực lượng Khi đầu đo bắt đầu nén SDI, năng lượng điện bắt đầu tăng tỷ lệ thuận với lực tác dụng Khi bắt đầu nén tối đa (tức là tải tối đa), sự giảm áp sau đó tăng theo cực tính của quá trình tạo điện áp khi hướng của lực tác dụng bị đảo ngược, do đó giải thích điện áp âm Khi một người thụt vào quay trở lại vị trí cơ sở và được nâng lên khỏi SDI, đầu

ra điện áp cũng trở về điểm không hoạt động cho đến khi chu kỳ tiếp theo bắt đầu Độ áp điện theo kinh nghiệm được đo là 202 (±10,87) pC

N 1 Các đầu ra điện áp sau đó được quản lý thông qua một cặp diode

và một tụ điện chuyển đổi điện áp đầu ra hình sin thành đầu ra sóng xung (PW), như trong Hình 2c Đèn LED phát ra PW ở chế độ tần số cóthể có lợi hơn đối với liệu pháp PBM (xem Ảnh hưởng của bức xạ LEDqua trung gian SDI lên kết quả HGK) Trong khi tần số được xác định bằng miệng chuyển động, nó cũng có thể được điều chỉnh thành sóng liên tục (CW) bằng cách thực hiện mạch chỉnh lưu với tụ điện lớn (chúng tôi đã sử dụng 47 µF trở lên để bù cho tần số thấp) (Hình S2,Thông tin hỗ trợ) Hình 2d cho thấy kết quả toàn diện về đầu ra điện

áp trung bình của SDI khi nhai thức ăn mềm chuyển động trong khoảng

từ 30 đến 100 N (f = 5 Hz).[28,29] Đầu ra điện áp trung bình được đo

là 0,4 V (±2,6 mV) đến 1,3V (±2,8 mV) là hàm của lực nhai tác dụng

14