= a (a c-c )x(3) 1/2. Grafit i nanorurki węglowe Grafen sieć rombowa (heksagonalna) z bazą dwuatomową. Metody wytwarzania

Podobne dokumenty
= a (a c-c )x(3) 1/2. Grafit i nanorurki węglowe Grafen sieć rombowa (heksagonalna) z bazą dwuatomową

C h można przedstawić w bazie wektorów bazowych grafenu (*) (**) Nanorurki węglowe (jednościenne)

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

np. dla elektronów w kryształach; V(x+d) = V(x), d - okres periodyczności = wielkość komórki elementarnej kryształu

1. Elementy (abstrakcyjnej) teorii grup

S 2, C 2h,D 2h,D 3d,D 4h, D 6h, O h

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

Krystalochemia białek 2016/2017

Atomy wieloelektronowe

Wykład 5: Cząsteczki dwuatomowe

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Elementy teorii powierzchni metali

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Stany skupienia materii

Fizyka Ciała Stałego

Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład 5. Komórka elementarna. Sieci Bravais go

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Orbitale typu σ i typu π

Podstawy chemii obliczeniowej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej. Mateusz Goryca

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Układ regularny. Układ regularny. Możliwe elementy symetrii: Możliwe elementy symetrii: 3 osie 3- krotne. m płaszczyzny przekątne.

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

ELEMENTY I OPERACJE SYMETRII Symbol Element symetrii Operacja symetrii

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Modele kp wprowadzenie

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

2 1 3 c c1. e 1, e 2,..., e n A= e 1 e 2...e n [ ] M. Przybycień Matematyczne Metody Fizyki I

WYKŁAD 3 CZĄSTECZKI WIELOATOMOWE ZWIĄZKI WĘGLA

Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

1 Struktura pasmowa grafenu

Grafika komputerowa Wykład 8 Modelowanie obiektów graficznych cz. II

Wykład Budowa atomu 3

Inżynieria Biomedyczna. Wykład XII

Elementy teorii powierzchni metali

Sieć przestrzenna. c r. b r. a r. komórka elementarna. r r

TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

Nanostruktury i nanotechnologie

Zastosowanie teorii grup. Grupy symetrii w fizyce i chemii.

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Grupy przestrzenne i ich symbolika

STRUKTURA KRYSTALICZNA

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

E e l kt k r t o r n o ow o a w a s t s r t u r kt k u t ra r a at a o t m o u

3. Cząsteczki i wiązania

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Wykład II Sieć krystaliczna

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Symetria w fizyce materii

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Modele kp Studnia kwantowa

Fizyka atomowa r. akad. 2012/2013

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

Zestaw 2. Definicje i oznaczenia. inne grupy V 4 grupa czwórkowa Kleina D n grupa dihedralna S n grupa symetryczna A n grupa alternująca.

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Spis treści. Metoda VSEPR. Reguły określania struktury cząsteczek. Ustalanie struktury przestrzennej

Grafen i jego własności

Zasady obsadzania poziomów

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

1 Przestrzeń liniowa. α 1 x α k x k = 0

Struktura energetyczna ciał stałych. Fizyka II, lato

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Wykład 1. Symetria Budowy Kryształów

Struktura elektronowa czasteczek. przybliżenie Borna-Oppenheimera. równania Schrödingera dla elektronów przy ustalonym po lożeniu jader

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY. = λ c (*) problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej

Arkusze zadań do ćwiczeń z podstaw fizyki ciała stałego Marek Izdebski

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

3. Operacje symetrii, macierze operacji symetrii. Grupy punktowe. Przypisywanie grupy punktowej dla zadanych obiektów

Opracowanie: mgr inż. Antoni Konitz, dr hab inż. Jarosław Chojnacki Politechnika Gdańska, Gdańsk 2007, 2016

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

jednoznacznie wyznaczają wymiary wszystkich reprezentacji grup punktowych, a związki ortogonalności jednoznacznie wyznaczają ich charaktery

Metody symulacji w nanotechnologii

Wstęp. Krystalografia geometryczna

3. Cząsteczki i wiązania

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

Wstęp do Modelu Standardowego

Rozwiązanie: Zadanie 2

S T R U K T U R Y J E D N O W Y M I A R O W E. W Ł A S N O Ś C I. P R Z Y K Ł A D Y. JOANNA MIECZKOWSKA FIZYKA STOSOWANA

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Monika Musia l

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia. Monika Musia l

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

struktura atomowa 9 grudnia 2016 struktura atomowa

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

ROZDZIAŁ I. Symetria budowy kryształów

Transkrypt:

Grafit i nanorurki węglowe Grafen sieć rombowa (heksagonalna) z bazą dwuatomową a 1 = a (a c-c )x(3) 1/ ( 3 a, ), ( 3 a a a = a, ) wektory bazowe sieci odwrotnej definiuje się inaczej niż w 3D musi zachodzić tylko (a i,b j )= πδ ij grupą symetrii jest: C 3v + odbicia w płaszczyźnie X lub Y, grupa jest symorficzna (O w środku komórki sześciokątnej) Metody wytwarzania 010 nagroda Nobla Novoselov, Geim, 004, 005 wytwarzanie i zbadanie grafenu (metodą scotchową ) rozmiary jednowarstwowych płatków -mikrometry K.S. Novoselov, et al., PNAS 10, 10451, K.S. Novoselov, A.K. Geim, et al., Science 306, 666,

J.C. Meyer, A.K. Geim,, K.S. Novoselov, Nature 446, 60, 007 epitaksjalny wzrost przez odparowywanie krzemu z SiC, w wysokiej temperaturze; P.Sutter, Nature Materials 8, 171, 009, na warstwie Sic zostaje C -grafen jedno lub wielo warstwowy; rozmiary > 1 mm Polski patent dr. W. Strupiński - ITME rozpoznawanie optyczne rozcinanie nanorurek węglowych Właściwości grafenu 1. teoria

C: konfiguracja elektronowa - 1s s p s, px, py - hybrydyzacja sp - wiązanie w płaszczyźnie, orbitale wiążące σ (rys. [różowe]) orbitale atomowe p z - prostopadłe do płaszczyzny grafenu tworzą orbitale molekularne π, π* - decydują o własnościach grafenu; energetycznie ponad 1.eV powyżej σ metoda cisanego wiązania atomy w kom. element., 1 orbital p z na atomie => zagadnienie własne macierzy hamiltonianu w bazie tych orbitali ma wymiar x; tylko dwa różne elementy macierzowe element macierzowy hamiltonianu pomiędzy orbitalami p z na sąsiednich atomach oznaczmy jako t element węzłowy oznaczymy jako ε ( H E ) ϕ = S ϕ (B) H = t f ε * ( k) t f ( k), ε S = s f 1 * ( k) s f ( k) 1 k = ( k x, k y ), s całka nakrywania pomiędzy sąsied. orbitalami f ( k) = e ik a / x 3 + e ik a /( x 3) cos( k y a / )

rozwiązując zagadnienie własne (B) dostajemy E ± t w( k) ( k) = 1± s w( k) ± ε w ( k) = f ( k) zaniedbując s, ( s=0 ) i kładąc ε = 0 (tylko na diagonalii = skalowanie energii) [ ] 1+ 4cos( 3k a / ) cos( k a / ) 4cos ( k / ) 1/ E( k) = ± t a x y + y jedno pasmo wynikające z orbitali π walencyjne (dolne) drugie pasmo z π * - pasmo przewodnictwa grafen semimetal tzw. punkt Diraca (PD) blisko PD zależność dyspersyjna E(k) jest LINIOWA!

daje się opisać równaniem Diraca opisującym tzw. bezmasowe fermiony v F σ ψ ( r ) = Eψ ( r ) gdzie v F wynikająca z nachylenia pasm wynosi 10 6 m/s (!) tylko 300 razy mniej od c stąd wielkie nadzieje na szybką nanoelektronikę grafenową (w krzemie jest prawie 100 x mniejsza) W rzeczywistości prędkość jest mniejsza gdyż: - grafem występuje na podłożach (słabe wiązanie) - nawet jeśli zawieszony to ulega fałdowaniu, - często występuje w wielu warstwach (wiązania między warstwami słabe van der Waals) Wszystkie efekty prowadzą do małej przerwy energetycznej i zakrzywienia kasm w okolicy PD Np. nanorurki (jednościenne) zwinięte paski arkusza grafenu (węzły sieciowe Bravais i węzły podsieci)

Jednoznacznie definiuje się przez zadanie wektora chiralnego = wektora obwodu C h, C h można przedstawić w bazie wektorów bazowych grafemu (*) = na + m (n,m), 0 =< m =<n C h 1 a Średnica d t = L/π, L= C h = sqrt(c h. C h )=a.sqrt(n +m +nm) T wektor translacji (**) T = t + 1a1 ta Jest to wektor translacji nanorurki (1D) Z faktu, że T.C h =0, t 1 i t - nie mogą mieć wspólnego podzielnika, [jest to najkrótszy wektor o własności (**) ] wynika, że t 1 =(m+n)/dr, t =-(n+m)/dr, dr najw.wsp.podz. (m+n) i (n+m) nanorurki fotelowe (armchair) (n,n) komórka elementarna

.. ta jest (3,3), 4n atomów w u.c. tzn. 6 grafenowych u.c. nanorurki zygzakowate (zig-zag) (n,0) komórka elementarna nanorurki chiralne, n m Wektor symetrii R R do najbliższego węzła sieciowego Wektor R oznacza operację symetrii: - obrót wokół osi nanorurki o kąt ψ=π/n, N ilość komórek grafemu w kom.el. nanorurki N - ilość atomów w kom.elementarnej nanorurki

- translacja o wektor τ τ - nie jest wektorem sieciowym grafenu ani wektorem nt wielokrotne wykonanie R (zaczynając od jednego atomu w komórce elementarnej nanorurki, wygeneruje wszystkie atomy sieciowe w tej komórce) np.: (3,3) oczywiście NR = C h + MT, i można pokazać, że M=np-mq, gdzie p i q to współrzędne R w układzie (a 1, a ) kolejne operacje: (ψ τ), (ψ τ), (ψ τ) 3,, (ψ τ) N = E, tworzą cykliczną grupę abelową oznaczaną C N.... N - ilość komórek grafenu w komórce element. nanorurki... z def. N C T h = a1 a = ( m + n d R + nm) nanorurki fotelowe i zygzakowate mają:

- oś n-krotną C n, - n osi -krotnych (albo przecinających wiązanie C-C, albo środek sześcianu) to razem daje D n, - poza tym mają środek inwersji Ich punktową grupą symetrii jest D n x C i ale rezultat tego iloczynu zależy od parzystości n i ostatecznie G = D nh - n=j G = D nd - n=j+1 przypomnienie: w grupie D nd nie istnieje samodzielnie element σ h a tylko iloczyny u σ h dodane do elementów D n nanorurki chiralne Jeśli n,m - nie mają wspólnego podzielnika to jedynymi operacjami i symetrii są operacje śrubowe (ψ τ) czyli grupa abelowa C N, Jeśi n,m mają wspólny podzielnik d to nanorurka jest niezmiennicza przy obrotach o C d, i ostateczną grupą symetrii jest C N = C d x C N/d

Sieć odwrotna i IBZ Dla jednowymiarowego układu jakim jest CN, IBZ też musi być jednowymiarowa, ale formalnie mamy periodyczność także w kier. C h (raczej periodyczne warunki brzegowe) formalnie dwa wektory sieci odwrotnej K 1 i K podobnie jak dla grafenu mamy komórkę elementarna zdefiniowaną przez a 1 i a i odpowiadające wektory sieci odwrotnej b 1 i b, to dla komórki zdefiniowanej przez wektory C h i T mamy dwa wektory sieci odwrotnej K 1 i K : K 1 - związany z periodycznością w C h K - związany z periodycznością w T musi zatem zachodzić C h. K 1 = π, C h. K = 0, T. K 1 = 0, T. K = π Pamiętając o (*) i (**) dostaniemy K 1 = 1/N (-t b 1 + t 1 b ), K = 1/N (mb 1 - nb ) IBZ nanorurki zaznaczone jest odcinkiem W-W / NK 1 jest wektorem sieci odwrotnej grafenu => wektory k różniące się o NK 1 są równoważne

ale μk 1 (dla μ = 0, 1,, N-1 ) daje N dyskretnych wektorów k (falowych) odpowiadających kwantyzacji ze względu na periodyczne warunki brzegowe w C h ; dyskretyzacja każdego D pasma grafemu na N jednowymiarowych pasm nanorurki. Struktura pasmowa przykładowych nanorurek nanorurka (n,m) - gdy n-m=3l => metaliczna w przeciwnym razie półprzewodnikowa (przerwa energetyczna) wielkość przerwy zależy od średnicy (od n i m) Obrazy STM wielościenna

single wall (obrazy STM) mult-iwall (wielościenna) - model złącza nanorurek Złącza powstają przez wprowadzenie defetów 5, 7, niekiedy 8

Złacze dwóch nanorurek metalicznych może być nieprzewodzące! Przewodność układu złaczowego (1,0)/(6,6), L.Chico, et.al., PRB 54, 600 (1996) Inne rodzaje złącz Zastosowania (obecne I przyszłe)