Wykład 21: Studnie i bariery cz.2.

Podobne dokumenty
Wykład 21: Studnie i bariery

Wykład 21: Studnie i bariery

Studnie i bariery. Fizyka II, lato

Studnie i bariery. Nieskończona studnia potencjału

SPM Scanning Probe Microscopy Mikroskopia skanującej sondy STM Scanning Tunneling Microscopy Skaningowa mikroskopia tunelowa AFM Atomic Force

Podstawy fizyki wykład 2

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii Łódź, ul.

Skaningowy mikroskop tunelowy STM

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

Oglądanie świata w nanoskali mikroskop STM

Własności jąder w stanie podstawowym

Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Podstawowe własności jąder atomowych

Zamiast przewodnika z miedzi o bardzo dużych rozmiarach możemy zastosowad niewielki nadprzewodnik niobowo-tytanowy

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

O manipulacji w nanoskali

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

J14. Pomiar zasięgu, rozrzutu zasięgu i zdolności hamującej cząstek alfa w powietrzu PRZYGOTOWANIE

Rodzaje mikroskopów ze skanującą sondą (SPM, Scanning Probe Microscopy)

Mikroskopie skaningowe

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Szkolny konkurs chemiczny Grupa B. Czas pracy 80 minut

Menu. Badające rozproszenie światła,

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

I ,11-1, 1, C, , 1, C

Wykład Budowa atomu 2

Energetyka w Środowisku Naturalnym

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Reakcje rozpadu jądra atomowego

I. Wstęp teoretyczny. Ćwiczenie: Mikroskopia sił atomowych (AFM) Prowadzący: Michał Sarna 1.

Nagrody Nobla z dziedziny fizyki ciała. Natalia Marczak Fizyka Stosowana, semestr VII

Czym jest prąd elektryczny

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

Mikroskop tunelowy skaningowy Scaning tuneling microscopy (STM)

W2. Struktura jądra atomowego

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

Promieniowanie jonizujące

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Elektryczne własności ciał stałych

Zadanie 3. (2 pkt) Uzupełnij zapis, podając liczbę masową i atomową produktu przemiany oraz jego symbol chemiczny. Th... + α

Rozpady promieniotwórcze

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

Badanie charakterystyki diody

Zadanie 2. (1 pkt) Jądro izotopu U zawiera A. 235 neutronów. B. 327 nukleonów. C. 143 neutrony. D. 92 nukleony

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

Oddziaływanie cząstek z materią

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Mikroskopia polowa. Efekt tunelowy Historia odkryć Uwagi o tunelowaniu Zastosowane rozwiązania. Bolesław AUGUSTYNIAK

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

Podstawy fizyki wykład 8

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Atomowa budowa materii

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Promieniowanie jonizujące

r. akad. 2012/2013 wykład III-IV Mechanika kwantowa Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Mechanika kwantowa

C5: BADANIE POCHŁANIANIA PROMIENIOWANIA α i β W POWIETRZU oraz w ABSORBERACH

Reakcje jądrowe dr inż. Romuald Kędzierski

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Rozpad gamma. Przez konwersję wewnętrzną (emisję wirtualnego kwantu gamma, który przekazuje swą energię elektronom z powłoki atomowej)

Elementy teorii powierzchni metali

Mikroskopia skaningowa tunelowa i siłowa

Doświadczenie Rutherforda. Budowa jądra atomowego.

Podstawy Fizyki Jądrowej

Diody półprzewodnikowe cz II

Elektron i proton jako cząstki przyspieszane

LIII MIĘDZYSZKOLNY TURNIEJ FIZYCZNY dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych w roku szkolnym 2010/2011 TEST

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Wykład Ładunki elektryczne

Spis treści. Trwałość jądra atomowego. Okres połowicznego rozpadu

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Wykłady z Geochemii Ogólnej

Światło fala, czy strumień cząstek?

Promieniowanie jonizujące

Nazwy pierwiastków: A +Fe 2(SO 4) 3. Wzory związków: A B D. Równania reakcji:

Pracownia Jądrowa. dr Urszula Majewska. Spektrometria scyntylacyjna promieniowania γ.

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

1 k. AFM: tryb bezkontaktowy

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Transkrypt:

Wykład 21: Studnie i bariery cz.2. Dr inż. Zbigniew Szklarski Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok.321 szkla@agh.edu.pl http://layer.uci.agh.edu.pl/z.szklarski/ 1

Przykłady tunelowania: rozpad alfa, synteza jądrowa, skanningowy mikroskop tunelowy (scanning tunneling microscope STM) Tunelowanie przez bariery ma wiele zastosowań (zwłaszcza w elektronice), np. dioda tunelowa, w której prąd elektronowy jest kontrolowany przez wysokość bariery. Najwcześniejsze zastosowania tunelowania (lata 20-te XX w.) pojawiły się w fizyce jądrowej: rozpad alfa (George Gamow, Ronald Gurney, Edward U. Condon) i synteza jądrowa. W 1958 roku japoński fizyk pracujący w Stanach Zjednoczonych, Leo Esaki, zaobserwował je w silnie domieszkowanym złączu półprzewodnikowym typu p-n.efekt ten wykorzystany został w działaniu diody tunelowej, pozwalającej w tym czasie konstruować oscylatory i wiele innych szeroko stosowanych układów elektronicznych. Fizyka II dla Elektroniki, lato 2012 2 2

W 1960r amerykański fizyk norweskiego pochodzenia, Ivar Giaever, zademonstrował tunelowanie elektronów między dwoma paskami metalicznymi rozdzielonymi cienką przekładką izolatora. Jako barierę tunelową wykorzystał w tym eksperymencie warstewkę tlenku aluminium o grubości około 2 nm. Doświadcznie to potwierdziło teorie nadprzewodnictwa W 1965 roku ten sam eksperymentator zaobserwował efekt Josephsona polegający na tunelowaniu par elektronów między dwoma nadprzewodzącymi elektrodami W 1973 nagrodę Nobla w fizyce otrzymali Leo Esaki (za tunelowanie w półprzewodnikach), Ivar Giaever (za tunelowanie w nadprzewodnikach) i Brian Josephson (złącze Josephsona, szybkie urządzenie przełączające działające w oparciu o kwantowe tunelowanie) 3

W połowie stycznia 1979 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer przedstawili pierwszy patent odsłaniający tajemnicę skaningowego mikroskopu tunelowego. W 1982 roku opublikowano pierwsze wyniki pomiarów pokazujących ułożenie atomów na powierzchni CaIrSn4, Au i Si(111). W 1986 nagrodę Nobla otrzymali Gerd Binning i Heinrich Rohrer za skanningowy mikroskop tunelowy STM 4

Rozpad alfa Niestabilne jądro atomowe ulega przemianie w inne jądro z emisją 4 cząstki (jądro helu He ) 2 A-ciężar atomowy A Z A 4 Z 2 Z+ Z 4 2 He Przykład: 222 Ra Rn + 4, 87MeV 226 88 86 + Bariera kulombowska dla cząstek alfa w jądrach o dużych liczbach masowych wynosi ok. 30 MeV. Z punktu widzenia klasycznego bariera ta nie może być więc pokonana przez cząstkę o energii kilku MeV. Fizyka II dla Elektroniki, lato 2012 5 5

Wysokość bariery potencjału kulombowskiego dla cząstki naładowanej w jądrze zależy od ładunku jądra Z, promienia studni potencjału R n oraz ładunku cząstki. Prawdopodobieństwo emisji cząstki alfa w wyniku zajścia efektu tunelowego zależne jest także od energii przemiany Q α - im większa jest energia emitowanej cząstki alfa tym mniejsza jest szerokość bariery potencjału i tym bardziej prawdopodobny jest rozpad. Q α określona jest przez różnicę mas jądra macierzystego i produktów rozpadu. Sumaryczna energia wiązania produktów rozpadu musi być większa niż energia wiązania jądra macierzystego 6

Sukcesem zastosowania teorii tunelowania do wyjaśnienia rozpadu alfa było wyznaczenie po raz pierwszy promienia R jądra R 1.5A 1/ 3 fm Ten wynik pozwolił na wyjaśnienie dlaczego objętość jądra: V = 4 R 3 jest wprost proporcjonalna do jego masy atomowej A, 4 ( 1/ 3) 3 V 1,5 A V ~ A 3 tak, że gęstość jądra jest praktycznie stała. Ten rezultat pokazał również jak małe jest jądro atomowe. 3 Fizyka II dla Elektroniki, lato 2012 7 7

Synteza jądrowa Synteza jądrowa ma ważne zastosowania w produkcji czystej energii jądrowej. Reakcja pokazuje syntezę dwóch jąder deuteru, w wyniku której tworzy się jądro trytu i neutron oraz wydziela się duża ilość energii. 2 H+ 2 H 3 H + n + 6.410 13 J deuteron triton neutron energy released Odpychanie kulombowskie pomiędzy deuteronami nie pozwala na zajście takiej reakcji. Jest to możliwe jedynie dzięki tunelowaniu przez barierę potencjału. Jednakże, konieczna jest wysoka temperatura rzędu 10 4 K aby utrzymać odpowiednią szybkość reakcji. Fizyka II dla Elektroniki, lato 2012 8 8

Scanning tunneling microscope STM Trzy kwarcowe beleczki są sterują ruchem przewodzącego ostrza (tip) po powierzchni. Zasada działania Podaje się na ostrze słaby potencjał dodatni. Gdy odległość pomiędzy ostrzem i metaliczną powierzchnią jest mała, ma miejsce tunelowanie. Ilość elektronów, które przepływają pomiędzy powierzchnią a ostrzem w jednostce czasu (prąd elektryczny) jest bardzo silnie zależna od odległości ostrze-powierzchnia. Kwarcowe beleczki tworzą uchwyt piezoelektryczny o właściwościach sprężystych zależnych od przyłożonego pola elektrycznego. Prąd tunelowy jest mierzony i utrzymywany na takim poziomie aby odległość pomiędzy ostrzem i powierzchnią była stała. Tworzy się obraz powierzchni. Fizyka II dla Elektroniki, lato 2012 9 9

Praktyczna realizacja idei mikroskopu tunelowego Ostrze i próbkę zbliżamy na odległość około 1 nm. Następnie przykładamy różnicę potencjałów U rzędu 1-3 V Przemieszczając teraz ostrze ponad badaną powierzchnią, system rejestruje zmiany prądu tunelowego w funkcji odległości ostrze-próbka 10

Tryb stałej wysokości W trybie stałej wysokości ostrze przemieszcza się w płaszczyźnie poziomej, na stałej wysokości. Prąd tunelowy zmienia się wraz z topografia badanej próbki i lokalnych własności elektronowych. Prąd tunelowy zmierzony w każdym punkcie nad powierzchnia próbki tworzy zbiór danych na podstawie których powstaje topograficzny obraz badanego materiału 11

Tryb stałego prądu W trybie stałego prądu wykorzystuje się tu ujemne sprzężenie zwrotne zapewniające stała wartość prądu tunelowego. Uzyskuje się to poprzez dopasowanie położenia skanera nad każdym punktem pomiarowym, np. kiedy system wykryje wzrost prądu tunelowego to zmienia napięcie doprowadzane do piezoelektrycznego skanera tak by zwiększyć jego odległość i przywrócić ustaloną wartość prądu. W tym przypadku to pionowe przemieszczenia skanera dostarczają danych do tworzenia obrazu. 12

Rozdzielczość obrazu zależy od rozmiarów ostrza. Poprzez podwyższanie temperatury lub zastosowanie silnego pola elektrycznego można wyciągać atomy wolframu warstwa po warstwie tak aby pozostał pojedynczy atom rozmiarów rzędu 0.1 nm. Najmniejszy człowiek świata. Postać zbudowana z cząsteczek tlenku węgla osadzonych na powierzchni platyny Innym ważnym zastosowaniem STM jest nanotechnologia. Ostrze może podnosić pojedyncze atomy z powierzchni metalicznej i tworzyć nowe struktury w nano-skali (np. powstawanie sztucznych molekuł) Fizyka II dla Elektroniki, lato 2012 13 13

Przykłady obrazów STM Obraz powierzchni krzemu o wymiarach 50x50 nm. 14

Obraz (236nm x 192 nm) nici DNA poddanych liofilizacji i pokrytych przewodzącą warstwą Pt-Ir-C. Nanokwiaty (9nm x 9nm) z siarczanu kobaltu na monokrysztale złota (111) 15