Fizyka 2 wykład 13 Janusz Andrzejewski
Scaledlugości Janusz Andrzejewski 2
Scaledługości Simple molecules <1nm DNA proteins nm red blood cell ~5 µm (SEM) diatom 30 µm bacteria 1 µm nm µm m 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 SOI transistor width 0.12µm semiconductor nanocrystal (CdSe) 5nm Nanometer memory element (Lieber) 10 12 bits/cm 2 (1Tbit/cm 2 ) Circuit design Copper wiring width 0.2µm IBM PowerPC750 TM Microprocessor 7.56mm 8.799mm 6.35 10 6 transistors Janusz Andrzejewski 3
Dlaczego fizyka ciała stałego jest ważna? Piasek (głównie SiO 2 ) Krzem Płytka krzemowa Procesor Janusz Andrzejewski 4
Postęp Pierwszy tranzystor 1947 Tranzystor Intela 2009 Janusz Andrzejewski 5
Rodzaje substancji Ciało stałe - atomy są ułożone obok siebie tworząc sztywną strukturę. Tworzą one uporządkowaną strukturę, o zasięgu lokalnym lub globalnym Ciecz atomy ułożone są obok siebie ale nie tworzą sztywnej struktury. Gas atomy ułożone są luźno wypełniają całą dostępną przestrzeń Janusz Andrzejewski 6
Struktura ciał stałych - krystaliczne, o uporządkowanym ułożeniu atomów lub molekuł tworzącym regularny wzór zwany siecią krystaliczną, - polikrystaliczne, zbudowane z bardzo wielu malutkich kryształków. Janusz Andrzejewski 7
Struktura ciał stałych - amorficzne, wykazujące brak uporządkowania w dalekim zakresie, ale lokalnie Wykazują pewien stopień uporządkowania. Nie tworzą struktur periodycznych (powtarzających się) Ograniczmy się do ciał krystalicznych! Janusz Andrzejewski 8
Struktura krystaliczna ciał stałych Janusz Andrzejewski 9
Struktura ciała stałego Ciała stałe możemy sklasyfikować zgodnie z trzema podstawowymi właściwościami elektrycznymi: Opór elektryczny właściwy w T = 300 K: [ρ]=[ω*m] Temperaturowy współczynnik oporu: α = (1/ρ)(dρ/dT) [α] =[K -1 ] Koncentracja nośników ładunku: [n] = [m -3 ] Janusz Andrzejewski 10
Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy jonowe Takie kryształy składają się z trójwymiarowego naprzemiennego ułożenia dodatnich i ujemnych jonów. W kryształach jonowych nie ma swobodnych elektronów, które mogłyby przenosić ładunek lub energię, więc kryształy jonowe są złymi przewodnikami elektryczności i ciepła. Janusz Andrzejewski 11
Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy atomowe(kowalencyjne) Składają się z atomów połączonych ze sobą parami wspólnych elektronów walencyjnych. Przykładem mogą być kryształy składające się z atomów z IV grupy układu okresowego, takich jak C, Si Ge. Janusz Andrzejewski 12
Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy metaliczne Elektrony w kryształach metalicznych poruszają się w całym krysztale, są więc wspólne dla wszystkich jonów. Kryształy metaliczne są dobrymi przewodnikami elektryczności i ciepła. Janusz Andrzejewski 13
Rodzaje kryształów (ze względu na typy wiązań) Kryształy cząsteczkowe(molekularne) Składają się ze stabilnych cząsteczek, które zachowują wiele swoich cech indywidualnych, nawet przy zbliżaniu ich do siebie. Siły wiążące cząsteczki to słabe siły van der Waalsa, takie jakie istnieją pomiędzy neutralnymi cząsteczkami w fazie gazowej (dla gazów rzeczywistych). Te kryształy są podatne na odkształcenia oraz ze względu na brak elektronów swobodnych są bardzo złymi przewodnikami ciepła i elektryczności. Janusz Andrzejewski 14
Defekty sieci krystalicznej Janusz Andrzejewski 15
Domieszki (defekty punktowe) Janusz Andrzejewski 16
Defekty liniowe (dyslokacje) Janusz Andrzejewski 17
Bardzo ważnym defektem strukturalnym jest powierzchnia kryształu, na której urywa się periodyczna struktura sieci krystalicznej. Powierzchnia kryształu jest narażona na oddziaływanie otoczenia; na jej powierzchni gromadzi się (zostają zaabsorbowane) znaczne ilości obcych atomów. Defekty sieci krystalicznej, a szczególnie obce atomy, w zasadniczy sposób wpływają na właściwości fizyczne, zwłaszcza elektryczne i optyczne ciał stałych. Współczesne sposoby oczyszczania nie pozwalają na uzyskanie substancji zawierających mniej niż 10 9 % domieszek, tzn. około 10 17 atomów domieszkowych w 1 m 3. Najbardziej czułe na obce domieszki są półprzewodniki, w których wprowadzenie nawet bardzo małych ilości pewnych pierwiastków (np. 1 atom na miliard atomów własnych) może spowodować wzrost przewodności elektrycznej o kilka rzędów wielkości. Janusz Andrzejewski 18
Elektrony w ciałach stałych powstawanie pasm jako punkt wyjścia przyjmujemy funkcje falowe i zdegenerowane poziomy energetyczne pojedynczych atomów w wyniku zbliżania atomów następuje rozszczepienie poziomów w pasma i ewentualne przekrywanie (zlewanie) szerokość pasma zależy od przekrywania odpowiednich funkcji falowych głęboko leżące poziomy są nieznacznie poszerzone i zachowują swój atomowy charakter Janusz Andrzejewski 19
Zapełnianie pasm przez elektrony Pod względem charakteru zapełnienia pasm przez elektrony możemy podzielić wszystkie ciała na trzy grupy: izolatory i półprzewodniki -niższe pasma całkowicie zapełnione, wyższe poczynając od pewnego, całkowicie puste metale proste -nad całkowicie zapełnionymi pasmami istnieje pasmo zapełnione częściowo metale z pasmami nakładającymi się -najwyższe całkowicie zapełnione pasmo, zachodzi na położone nad nim najniższe pasmo puste, wtedy oba zapełniają się częściowo Janusz Andrzejewski 20
Metale Przewodnictwo elektryczne metali Janusz Andrzejewski 21
Nadprzewodnictwo Odkryte w 1911r. przez KammmerlinghOnnes apodczas badania opór elektrycznego rtęci w niskich temperaturach. Poniżej temperatury krytycznej 4,2 K opór elektryczny spada do zera. Zerowy opór oznacza, że elektrony płyną przez nadprzewodnik bez strat energii -prąd wzbudzony w nadprzewodzącym pierścieniu płynie przez wiele lat bez dodatkowego zasilania. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe materiały ceramiczne, które stają się nadprzewodnikami w stosunkowo wysokich temperaturach (rzędu 125 K). Janusz Andrzejewski 22
Nadprzewodnictwo Zjawisko Meissnera Jeżeli nadprzewodnik ochłodzony do temperatury niższej od temperatury T k zostanie umieszczony w polu magnetycznym, to linie indukcji magnetycznej nie przenikają przezeń, ale go omijają. Janusz Andrzejewski 23
Półprzewodniki -samoistne Janusz Andrzejewski 24
Półprzewodniki typu n Janusz Andrzejewski 25
Półprzewodniki typu p Janusz Andrzejewski 26
Półprzewodniki Zależność koncentracji elektronów i dziur od temperatury w półprzewodniku Janusz Andrzejewski 27
Półprzewodniki Janusz Andrzejewski 28
Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe Janusz Andrzejewski 29
Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe Janusz Andrzejewski 30
Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe 10 nm InAs/InP Janusz Andrzejewski 31
Niskowymiarowe struktury półprzewodnikowe InAs/GaAs In 0.6 Ga 0.4 As/GaAs Janusz Andrzejewski 32
Kwantowy efekt Halla Janusz Andrzejewski 33
Kwantowy efekt Halla Janusz Andrzejewski 34
Całkowity i ułamkowy Janusz Andrzejewski 35
Grafen Janusz Andrzejewski 36
Grafen Samochłodzące się tranzystory Dla grafenu: K 5000 W/mK (!) Miedź: 400 W/mK Diament: 2000 W/mK Nanorurki: 3500 W/mK Janusz Andrzejewski 37
Nanorurki węglowe 0.8 nm Janusz Andrzejewski 38