8-10 Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss

Transkript

1 Upplägg och planering för NanoIntro 15; Lars Samuelson Måndag 31/8: Presentationer av deltagarna 8-10 Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss Torsdag 3/9: Viktiga grunder: energistruktur, atomer-molekyler-kristaller Sal F Metaller-halvledare-isolatorer. Bandgap hos halvledare (& isolatorer) Måndag 7/9: Nanofysik: kvantfysik & unika fenomen på nanoskalan 8-10 Sal F Partikel-våg dualitet, konstgjorda atomer, tunnlingsfenomen Torsdag 10/9: Materialvetenskap/teknik syntes på nanoskalan, funktionella material Sal F Epitaxi, nanomaterial, sveptunnel- och atomkraftmikroskop mm mm Måndag 28/9: Nanoelektronik och -optik, Nano-energi 8-10 Sal F Transistorer, lysdioder, solceller mm Onsdag 2/10: Sal H421 Övning & Frågestund Efter en mjuk introduktion or repetition av grundläggande begrepp, bekanta från gymnasiet (för de flesta), diskuterade vi kring tavlan hur en partikel kan bindas i en potential, t.ex. en grop/brunn eller i en attraktiv Coulomb-potential. Vi diskuterade bl.a. hur energin för en partikel (t.ex. en boll eller ett äpple) kan skrivas som summan av dess rörelseenergi och dess potentiella energi. För äpplet diskuterade vi kring: Etot = Ekin + Epot = (mv )/2 + mgh där m=massan, v=hastigheten, g=tyngaccelerationen (9.81m/s 2) och h=höjden 2 Vi gick sedan vidare och talade kring hur en laddad partikel, t.ex. en negativt laddad elektron (q), attraheras till en positivt laddad partikel, som en proton (Q), via en attraktiv potential: Epot = q Q /4πε r 0-12 där ε x 10 (F/m) är dielektricitetskonstanten 0 och r=avståndet mellan elektronen och protonen.

2 en riktig atom och en arti Väteatom Väteatomen 13,6 ev elektronens ljus tillåtna energinivåer proton proton Jämförelse mellan en riktig atom och en artifi Väteatom Väteatomen K 13,6 ev elektronens ljus tillåtna energinivåer proton proton

3 Väteatomen De 6 första atomerna, med 1-6 protoner & elektroner

4 Från en väteatom till en H -molekyl 2 Antibindande molekylorbital Bindande molekylorbital Från en atom till en molekyl till en nanokristall

5 Vissa kristaller är isolatorer (diamant), andra halvledare (kisel), medan andra är metaller (aluminium) Halvledares kristallstrukturer Diamantstruktur (för C, Si och Ge) Zinkblende- struktur (för t.ex. GaAs)

6 Dopning av halvledare > n-typ och p-typ Undoped N- doped P- doped III IV V

7 Upplägg och planering för NanoIntro 15; Lars Samuelson Måndag 31/8: Presentationer av deltagarna 8-10 Sal F Generellt om kursen/utbildningen. Exempel på nanofenomen runt oss Torsdag 3/9: Viktiga grunder: energistruktur, atomer-molekyler-kristaller Sal F Metaller-halvledare-isolatorer. Bandgap hos halvledare (& isolatorer) Måndag 7/9: Nanofysik: kvantfysik & unika fenomen på nanoskalan 8-10 Sal F Partikel-våg dualitet, konstgjorda atomer, tunnlingsfenomen Torsdag 10/9: Materialvetenskap/teknik syntes på nanoskalan, funktionella material Sal F Epitaxi, nanomaterial, sveptunnel- och atomkraftmikroskop mm mm Måndag 28/9: Nanoelektronik och -optik, Nano-energi 8-10 Sal F Transistorer, lysdioder, solceller mm Onsdag 2/10: Sal H421 Övning & Frågestund Grunder från klassisk fysik och dess kvantfysikaliska motsvarigheter Partikel - våg - dualitet: elektroner kan ses antingen som en partikel eller som en våg Vågfunktioner: elektronen beskrives med en matematisk funktion vars betydelse vi skall försöka förstå (intuitivt) Vi skall se hur matematiska operatorer, som deriveringar med avseende på x, y, z resp. m.a.p. t (tiden) ger viktig information, och skall försöka få en känsla för Schrödinger-ekvationen. Heisenbergs obestämdhetsrelation: säger att vi inte samtidigt med godtycklig noggrannhet kan bestämma elektronens position, x och dess impuls, p. På samma sätt gäller att vi inte kan bestämma med hög noggrannhet elektronens energi, E och tiden, t.

8 Några grunder för kvantfysiken:

9

10

11 Grunder från klassisk fysik och dess kvantfysikaliska motsvarigheter Heisenbergs obestämdhetsrelation: säger att vi inte samtidigt med godtycklig noggrannhet kan bestämma elektronens position, x och dess impuls, p. På samma sätt gäller att vi inte kan bestämma med hög noggrannhet elektronens energi, E och tiden, t. x p ~ h E t ~ h Den första relationen säger att om vi bestämmer läget för en elektron extremt noggrannt så kan vi inte få veta dess impuls, eller rörelsemängd, godtyckligt noggrannt. Den andra relationen säger att ett mycket kortlivat tillstånd får en dåligt definierad energi, vilket bl.a. får till följd att ljus som emitteras från ett mycket kortlivat atomärt tillstånd blir breddat eller suddigt, vilket kallas för den naturliga linjebredden. Werner Heisenberg postulated that the Uncertainty Principle would require that