Powierzchnie cienkie warstwy nanostruktury. Józef Korecki, C1, II p., pok. 207

Podobne dokumenty
Elementy teorii powierzchni metali

Elementy teorii powierzchni metali

Termodynamika materiałów

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

Diagramy fazowe graficzna reprezentacja warunków równowagi

Właściwości kryształów

Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle

Nanofizyka co wiemy, a czego jeszcze szukamy?

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

FIZYKA POWIERZCHNI I NANOSTRUKTURY. Wykład odbędzie się w II semstrze 2005/2006

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Dyslokacje w kryształach. ach. Keshra Sangwal Zakład Fizyki Stosowanej, Instytut Fizyki Politechnika Lubelska

Dyslokacje w kryształach. ach. Keshra Sangwal, Politechnika Lubelska. Literatura

Materiały Reaktorowe. Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych c.d.

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

Nanostruktury i nanotechnologie

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Zadania treningowe na kolokwium

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

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Czym się różni ciecz od ciała stałego?

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

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

Szkła. Forma i odlewy ze szkła kwarcowego wykonane w starożytnym Egipcie (około roku 2500 p.n.e.)

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Nadprzewodnictwo w nanostrukturach metalicznych Paweł Wójcik Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, AGH

Obraz statyczny układu

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Właściwości defektów punktowych w stopach Fe-Cr-Ni z pierwszych zasad

STRUKTURA IDEALNYCH KRYSZTAŁÓW

Podstawy chemii obliczeniowej

Fizyka, technologia oraz modelowanie wzrostu kryształów

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

Efekty strukturalne przemian fazowych

Podstawy termodynamiki

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Równowaga. równowaga metastabilna (niepełna) równowaga niestabilna (nietrwała) równowaga stabilna (pełna) brak równowagi rozpraszanie energii

Elementy teorii powierzchni metali

Fizyka Ciała Stałego

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

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Dyfrakcja na kryształach. Dyfrakcja na kryształach

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Inżynieria materiałowa: wykorzystywanie praw termodynamiki a czasem... walka z termodynamiką

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

Nowa odmiana tlenku żelaza: obliczenia ab initio i pomiary synchrotronowe

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Światło fala, czy strumień cząstek?

Wykład 12 V = 4 km/s E 0 =.08 e V e = = 1 Å

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

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

Wielki rozkład kanoniczny

dr Rafał Szukiewicz WROCŁAWSKIE CENTRUM BADAŃ EIT+ WYDZIAŁ FIZYKI I ASTRONOMI UWr

Klasyfikacja przemian fazowych

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

STRUKTURA KRYSTALICZNA

Krystalizacja. Zarodkowanie

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Studnia kwantowa. Optyka nanostruktur. Studnia kwantowa. Gęstość stanów. Sebastian Maćkowski

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

Oddziaływanie grafenu z metalami

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

ogromna liczba małych cząsteczek, doskonale elastycznych, poruszających się we wszystkich kierunkach, tory prostoliniowe, kierunek ruchu zmienia się

Fizyka 3.3. prof.dr hab. Ewa Popko p.231a

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

Termodynamika (1) Bogdan Walkowiak. Zakład Biofizyki Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Łódzka. poniedziałek, 23 października 2017

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

III. METODY OTRZYMYWANIA MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Janusz Adamowski

Transport jonów: kryształy jonowe

Krystalografia. Typowe struktury pierwiastków i związków chemicznych

DEFEKTY STRUKTURY KRYSTALICZNEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Zasady termodynamiki

Stany skupienia materii

Fizyka silnie skorelowanych elektronów na przykładzie międzymetalicznych związków ceru

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej. Mateusz Goryca

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Temat 27. Termodynamiczne modele blokowe wzrostu kryształów

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Elementy teorii powierzchni metali

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Wzrost fazy krystalicznej

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS. (Surface Enhanced Raman Spectroscopy)

Wykład 8 i 9. Hipoteza ergodyczna, rozkład mikrokanoniczny, wzór Boltzmanna

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Własności optyczne półprzewodników

Transkrypt:

Powierzchnie cienkie warstwy nanostruktury Józef Korecki, C1, II p., pok. 207 korecki@uci.agh.edu.pl http://korek.uci.agh.edu.pl/priv/jk.htm

Obiekty niskowymiarowe Powierzchnia Cienkie warstwy Wielowarstwy Druty, kropki

złamana symetria translacyjna duża gęstość defektów niewysycone wiązania: duża aktywność chemiczna Cechy powierzchni n r Modyfikacja właściwości elektronowych Niejednorodność strukturalna - rekonstrukcja, relaksacja Niejednorodność chemiczna - segregacja, dyfuzja

Nanocząstki Obraz nanocząsteczki anatazu (TiO 2 ) otrzymany wysokorozdzielczym mikroskopem elektronowym 1 nm III II N 1nm 3 1µm 3 1mm 3 N bulk 1 2.7*10 10 2.7*10 19 N surf 26 5.4*10 7 5.4*10 13 S N S 0.96 2*10-3 2*10-6 + N bulk N II 12 3.6*10 4 3.6*10 7 N I 8 8 8 atom objętościowy I atomy powierzchniowe

Efekty powierzchniowe Sferyczne nanokryształki At. powierzchniowe/at. objętościowe [%] Rozmiar / nm Atomy objętościowe Atomy powierzchniowe

Efekty rozmiarowe: Kwantowanie zjawisk zależne od wielkości układu E = 2 3h 8mL 2 L 7 nm, E 25 mev L

Historia fizyki powierzchni i nanostruktur i nanotechnologii 1833 - M. Faraday - podstawy katalizy 1874 - K. F. Brown - efekty rozmiarowe w oporze (mezoskopowe) 1877 - W Gibbs - termodynamika fazy powierzchniowej 1906 - I. Langmuir - warstwy monomolekularne 1921 - A. Einstein - zjawisko fotoelektryczne 1927 - C. Davisson, L. H. Germer - dyfrakcja elektronów na sieci krystalicznej 1930-1940 Rozwój teorii I. Tamm W. Shockley - stany powierzchniowe E.T Goodwin J.E. Lennard-Jones - teoria adsorpcji J. Bardeen - teoria metalicznej powierzchni N.F. Mott W. Schottky B. Dawidow - teoria złącza prostującego 1949 - J. Bardeen, W.H. Brattain - tranzystor

Historia fizyki powierzchni i nanostruktur i nanotechnologii Lata 60-te, 70-te Rozwój technologii ultra wysokiej próżni Rozwój spektroskopii elektronowej Nowoczesna fizyka powierzchni (idealnej) dobrze zdefiniowanej czystej Weryfikacja teorii Współcześnie: Fizyka powierzchni Fizyka nanostruktur Nanotechnologia Nanotechnologia 1905 - Einstein - cząsteczka cukru ma średnicę 1 nm 1959 - Feynman - wizjonerski wykład o miniaturyzacji 1985 STM

y y 1 V 1 V 2 Termodynamika na granicy faz wielkość ekstensywna Y (np. masa lub liczba cząstek) dy Y= y 1 V 1 + y 2 V 2 y = dv y 2 z s z Powierzchnia umieszczona w z s Y= y 1 V 1 + y 2 V 2 + y s A, y s przyczynek powierzchniowy (interfejsowy) "powierzchniowa nadwyżka" ("surface excess ) y s może być dodatnie lub ujemne. Wybór z s determinuje y s. Jednoznaczność daje pojęcie " płaszczyzny podziału Gibbsa" zdefiniowanej tak by całkowitą liczbę cząstek w układzie N tot można było wyrazić jako: N tot = n 1 V 1 + n 2 V 2, n s = 0.

Energia swobodna F(S,V,N): F=U-TS= -pv + µn + γa, F s = γa, (N s =0) γ -gęstość energii powierzchniowej energia potrzebna na rozłupanie jednostkowej powierzchni g naprężenie (tensor) jest to siła działająca stycznie do powierzchni wzdłuż krawędzi kryształu (na jednostkę długości). A = Na df s a jest powierzchnią przypadającą na powierzchniowy atom Dla idealnie plastycznego ośrodka (ciecz): df s = γ a dn = γ da g = γ Dla idealnie elastycznego i izotropowego ośrodka: dγ = N( γ da + a dγ ) = ( γ + a ) N dγ da g = ( γ + a ) da da

Oszacowanie γ zerowe przybliżenie: z definicji, która wiąże γ z pracą rozłupania kryształu. Zgodnie z tą definicją określona liczba wiązań musi zostać zerwana dla atomu powierzchniowego w określonej konfiguracji i dlatego: γ (1/2) E B (1 - Z S /Z)N S E B - energią wiązania na jeden atom w krysztale Z i Z S - liczba najbliższych sąsiadów odpowiednio w objętości i na powierzchni N S -gęstość powierzchniowa atomów. Przyjmując: E B =3eV (1 - Z S /Z) = 0.3 N S = 10 15 cm -2 otrzymujemy γ 1000erg/cm 2.

Energia powierzchniowa w fazie ciekłej

n r 0 płaszczyzna nisko-wskaźnikowa n r 0 płaszczyzna wysoko-wskaźnikowa= tarasy płaszczyzny nisko-wskaźnikowej + stopnie n r n r 0 n r płaszczyzna nisko-wskaźnikowa n r 1 n r 1

Konstrukcja Wulff a

Równowagowy kształt kryształu fcc

Pełne warstwy kolejnych sąsiadów 1 warstwa Rozmiar Liczba (nm) atomów 0.9 Atomy powierzchniowe (%) 2 warstwy 1.4 3 warstwy 1.9 4 warstwy 2.4 5 warstw 2.9 7 warstw 3.9 Nanoscale Materials in Chemistry, Ed. K.J. Klabunde, Wiley, 2001

13-sto atomowy klaster Au fcc? hcp? Ikosaedr dwudziestościan foremny

Można obserwować klastery Au o dokładnie wyselekcjonowanej masie, uwięzione w chmurze gazowej Rowland Institute at Harvard, Cambridge, Massachusetts

Obraz dyfrakcyjny X. Xing et al., Phys. Rev. 74, 165423 2006

Równowagowy kształt powierzchni kryształu jeśli γ + γ > 0, płaszczyzna jest stabilna jeśli γ + γ < 0, płaszczyzna nie jest stabilna

Powierzchnia Au

Tworzenie fasetek (facetting) γ 0 na wysoko-wskaźnikowej powierzchni korzystniejsze jest utworzenie licznych, niewielkich tarasów ze stopniami w górę i w dół γ + < S γ S γ S 1 1 2 2 0 0

Cu(110) Au(111)

Powierzchniowe przejście fazowe porządek-nieporządek (roughening transition) Dla powierzchni: T<T R T>T R F=U - TS Konkurencja pomiędzy: szorstkością (dużą energia, duża entropia) gładkością (mała energia, mała entropia)

Au 1000 o C NaCl 710 o C Pb 300 o C

Solid-on-Solid h i h j H = J h i h j 2 Stan podstawowy (T=0) - brak stopni Konfiguracja dla T= 0 - minimalizacja F F=U - TS Faworyzuje gładką powierzchnię Faworyzuje nieporządek

F=U - TS Chropowatość powierzchni określa całkowita długość linii stopni (poziomic) z=-1 z = 0 z = 1 a z = 0 z = 1 z = 2 Linia stopni o długości L daje energię: U = Linia stopni o długości L może zostać utworzona na F = J L a Tk B ln Z L a = J L a L a ( J k B T ln Z) Z L a sposobów T r k B J ln Z S = kb ln Z = temperatura krytyczna L a Dla T<T r F ma min dla L=0 ; dla T>T r F ma min dla L jak największego