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

Podobne dokumenty
Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą. Powierzchnia jak ją zdefiniować?

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

Podstawy fizyki wykład 2

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

Wykład Budowa atomu 2

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Mechanika klasyczna zasada zachowania energii. W obszarze I cząstka biegnie z prędkością v I, Cząstka przechodzi z obszaru I do II.

Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków

Mikroskopie skaningowe

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

gęstością prawdopodobieństwa

Studnie i bariery. Fizyka II, lato

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Stara i nowa teoria kwantowa

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

Nanostruktury i nanotechnologie

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

Skaningowy mikroskop tunelowy STM

Mikroskop tunelowy skaningowy Scaning tuneling microscopy (STM)

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Wykład 21: Studnie i bariery

Wykład 9 Podstawy teorii kwantów fale materii, dualizm falowo-korpuskularny, funkcja falowa, równanie Schrödingera, stacjonarne równanie

Wykład 21: Studnie i bariery cz.2.

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

EMISJA POLOWA. przechwytywania obrazów wideo FAST Capture i kartą video AVMaster Video v.2.5. FAST Multimedia (wewnątrz komputera);

V. RÓWNANIA MECHANIKI KWANTOWEJ

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Studnie i bariery. Nieskończona studnia potencjału

Doświadczenie Younga Thomas Young. Dyfrakcja światła na dwóch szczelinach Światło zachowuje się jak fala - interferencja

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

Atom wodoru. Model klasyczny: nieruchome jądro +p i poruszający się wokół niego elektron e w odległości r; energia potencjalna elektronu:

Oglądanie świata w nanoskali mikroskop STM

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Wykład Budowa atomu 3

Kwantowa natura promieniowania

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

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

Numeryczne rozwiązanie równania Schrodingera

Teoria pasmowa ciał stałych

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

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Wstęp do astrofizyki I

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Światło fala, czy strumień cząstek?

Mikroskopie skaningowe

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Ruch ładunków w polu magnetycznym


Studnia skończona. Heterostruktury półprzewodnikowe studnie kwantowe (cd) Heterostruktury mogą mieć różne masy efektywne w różnych obszarach:

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

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

PROJEKT STUDENCKIEGO SKANINGOWEGO MIKROSKOPU TUNELOWEGO

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Stanisław Bednarek ZFTiK WFiIS AGH. Indukton, czyli. Soliton elektronowy w nanostrukturach półprzewodnikowych.

Temat: Przykłady zjawisk kwantowych.

Ekspansja plazmy i wpływ atmosfery reaktywnej na osadzanie cienkich warstw hydroksyapatytu. Marcin Jedyński

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

Elektryczne własności ciał stałych

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

h λ= mv h - stała Plancka (4.14x10-15 ev s)

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Czym jest prąd elektryczny

Wstęp do Modelu Standardowego

w jednowymiarowym pudle potencja lu

Wykład 21: Studnie i bariery

Rozładowanie promieniowaniem nadfioletowym elektroskopu naładowanego ujemnie, do którego przymocowana jest płytka cynkowa

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

falowa natura materii

Wykład FIZYKA II. 12. Mechanika kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

VII. CZĄSTKI I FALE VII.1. POSTULAT DE BROGLIE'A (1924) De Broglie wysunął postulat fal materii tzn. małym cząstkom przypisał fale.

Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Urządzenia półprzewodnikowe

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

Efekt fotoelektryczny

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Spektroskopia elektronów Augera. AES Auger Electron Spectroscopy

The role of band structure in electron transfer kinetics at low dimensional carbons

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Transkrypt:

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

Efekt tunelowy Efekt kwantowy, którym tłumaczy się przenikanie elektronu w sposób niezgodny z zasadami elektrotechniki przez barierę potencjału elektrycznego φ (x) x

Wykorzystanie efektu tunelowego dla mikroskopii sposoby mikroskopii - mikroskop polowo-elektronowy (emisja zimna elektronów z ostrza) - mikroskop polowo-jonowy (jonizacja atomów gazu przez atomy próbki) - mikroskop skaningowy (prąd tunelowania między ostrzem a próbką)

Milowe kroki dla efektów polowych - 1897 R. W. Wood: doświadczenie z zimną emisją (polowa) elektronów z metalu - 198 J. R. Oppenheimer - teoria mechaniki kwantowej jonizacji wodoru w polu elektrycznym poprzez efekt tunelowy - 198 R. H. Fowler, L. Nordheim teoria (F-N) kwantowa emisji elektronów z metalu - 1938 E. W. Muller wynajduje mikroskop polowo-elektronowy (FEM) - 1941 E. W. Muller wynajduje desorpcję polową - 1951 E.W. Muller wynajduje mikroskop polowo-jonowy (FIM) (prototyp w 1955) - 198 G. Binnig, H. Rohrer prototyp: skaningowy mikroskop tunelowy (STM) - 1986 nagroda Nobla za STM dla twórców STM (1/ nagrody)

Elektron uwięziony w metalu http://users.uj.edu.pl/~ufpostaw/wyklad/wyklad4_files/frame.htm Uproszczony model pasmowy metalu (bariera o wysokości ϕ) Próżnia ϕ praca wyjścia z metalu E F poziom Fermiego Metal

Wnikanie do bariery wg. m. kwantowej Obszar A) Obszar B) Na zewnątrz x < 0 H= -(h /m) (d /dx ) Wewnątrz x 0 H= -(h /m) (d /dx )+V dla x < 0 A) Szukamy rozwiązań w postaci: ikx ikx ψ (x) = A e + B e k = (me / h ) dla x 0 B) ψ(x) = C e ' ik x + D e ' ik x k ' = m( E V ) / h Elektron uwięziony w metalu Wewnątrz bariery k jest urojone k =iχ χ x χ x ψ(x) = C e + D e więc D=0 Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wewnątrz bariery (obszar B) P = ψ(x) = C e χ x χ = 1/ ( m(v E) / h ) = (mϕ / h ) 1/ ϕ - praca wyjścia z metalu Funkcja falowa elektronu nie kończy się na powierzchni metalu, lecz wnika do próżni. Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w próżni ~ exp(-χ x)

Bariera dla metalu w polu elektrycznym E Tłumaczy zimną emisję elektronu z metalu W miarę oddalania się od powierzchni metalu elektron będzie odczuwał następujący potencjał V(z) V(z)=V metal +V obraz +V pole E -Ez V pole = - E z V obraz = -1/(4πε o ) e/(z) ϕ 0 efektywna wysokość bariery (można ją znaleźć z warunku V(z 0 )) E F położenie poziomu Fermiego Prawdopodobieństwo przejścia przez barierę liczone w metodzie WKB (Wigner, Kramers, Brillouin) P ~ exp [ ] 3/ m 1/ / h ( V(z) E) z c 0 1/ dz E energia kinetyczna cząstki o masie m V(z) energia potencjalna elektronu z c szerokość bariery

Przejście przez barierę inne podejście H = ( h / m)(d / dx ) na zewnątrz bariery H = ( h / m)(d / dx ) + V wewnątrz bariery V= (ϕ 1 + ϕ )/ Dla x 0 ψ(x) = A e ikx + B e ikx D=0 bo brak ruchu w kierunku x o obszarze C A C B Dla x a Dla 0 x a ψ ( x) = C e ψ ( x) = E e ikx ik ' x + De + Fe ikx ik x, gdzie F=0 by ψ k' = m(e V) / h Warunki brzegowe: k' = iχ χ = m(v E) / h ψ (x) i dψ/dx muszą być ciągłe w x=0 i w x=a Ostatecznie otrzymujemy, że współczynnik przejścia C A = 1 + 1 ( χ a) Vsinh 4E (V E)

Prawdopodobieństwo tunelowania C 1 P = = A Vsinh 1 + 4E (V E) ( χ a) Prawdopodobieństwo tunelowania P dla χ a >> 1 P e χ a χ = m ϕ / h

Bariera z polem elektrycznym - inaczej http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/msfield.htm For a slowly varying potential the amplitude of the wave function at x = L canberelated to the wave function at x = 0 : From this - the tunneling probability, Q, can be calculated for a triangular barrier for which V(x)-E = q φ B (1- x/l ) the tunneling probability then becomes: where the electric field equals Ε = φ B /L. The tunneling current is obtained from the product of the carrier charge, velocity and density. The velocity equals the Richardson velocity, the velocity with which on average the carriers approach the barrier while the carrier density equals the density of available electrons multiplied with the tunneling probability, yielding: The tunneling current therefore depends exponentially on the barrier height to the 3/ power and also exponetially on electric field intensity

Równanie Fowlera- Nordheima Dokładną gęstość prądu tunelowania j można wyliczyć z zależności j = 1.54x10-6 E /ϕ f (y) exp [-6.83x10 7 ϕ 3/ f(y)/ E], gdzie f(y) jest stabelaryzowaną funkcją bezwymiarowego parametru y y= e 3/ E 1/ / ϕ Powyższe równanie można zapisać w postaci I = a U exp(-b ϕ 3/ /cu) Gdzie a,b,c są stałymi, I prądem emisji, a U przyłożonym napięciem.

Wnioski dla konstruktora aparatu do pomiaru efektu tunelowego Aby zwiększyć natężenie prądu tunelowania (intensywność procesu) należy (dla danej bariery potencjału) zwiększyć maksymalnie natężenie pola elektrycznego E Jak uzyskać duże E?

Jak uzyskać duże E? E ~ q/r dla r R 0 R 0 i r 0 E Szukamy elektrod o ostrych końcach

Pomysły na 3 mikroskopy tunelowe Zasada działania FEM i FIM Mikroskop z emisją z próbki w formie ostrza albo elektronów (1 -polowy elektronowy FEM) lub jonów ( - polowy jonowy FIM) Mikroskop z prądem tunelowym między ruchomą sondą (ostrzem) a atomami próbki (3 skaningowy STM)