Fizyka nurkowania, NURKOWANIE, teoria nurkowania
Fizyka nurkowania, teoria nurkowania
Fizyka budowli dla architektów, ARCHITEKTURA (czytelnia)
Fizyka sukcesu. Naukowe metody osiągania osobistego i finansowego szczęścia, OnePress
Fiz-pol-III-2014, Fizyka polimerów
Fiz-pol-IV-2014, Fizyka polimerów
Fiz-pol-VII-2014, Fizyka polimerów
Fiz-pol-VIII-2014, Fizyka polimerów
Fiz-pol-IX-2014, Fizyka polimerów
Filtrowanie, Analiza sygnałów
Fizyka Struktur Niskowymiarowych, Fizyka struktur niskowymiarowych
[ Pobierz całość w formacie PDF ]//-->Fizyka struktur niskowymiarowychWykład – dwie godziny tygodniowoĆwiczenia– dwie godziny tygodniowoProwadzący – prof. zw., dr hab. Mykola SerheievWykład 1.Kwantowanie rozmiarowe. Błony, druty i kropki kwantowe. Warunki dla obserwacjiefektów ograniczenia kwantowego. Dwuwymiarowe struktury z gazem elektronowym: struktura MIS;heterostruktury; delta-warstwy. Metody wytwarzania drutów i kropek kwantowych.Wykład 2.Widmo energetyczne cząstek w studnie potencjalnej Cząstka w studnie potencjalnej. Ruchcząstki nad studnią potencjalną. Studnia trójkątna.Wykład 3.Przejście cząstek przez bariery potencjale. Rozpraszanie cząstki na potencjale w postacischodku. Bariera potencjalna o skończonej szerokości. Efekt tunelowy. Efekty interferencyjne przy przejściucząstek nad barierą. Struktura zawierająca dwie studni kwantowe.Wykład 4.Przejście cząstek przez struktury kwantowe, zawierające kilku barier. Przejście cząstekprzez strukturę zawierającej dwie bariery potencjalne. Tunelowanie rezonansowe. Transport wertykalny.Rezonansowa dioda tunelowa. Charakterystyka prądowo-napięciowa rezonansowej diody tunelowej.Wykład 5.Supersieci. Wytwarzanie heterostruktur i supersieci za pomocą techniki MBE. Klasyfikacjasupersieci. Widmo energetyczne supersieci. Minipasma. Charakterystyka prądowo-napięciowa supersieci.Oscylacje Zeenera-Blocha. Częstość Wanniera-Starka. Superatomy.Wykład 6.Gęstość stanów elektronowych w niskowymiarowych strukturach. Funkcja gęstości stanówukładów trójwymiarowych. Funkcja gęstości stanów układów dwuwymiarowych. Funkcje gęstości stanówukładów jedno- i zerowymiarowych. Funkcja gęstości stanów supersieci. Koncentracja elektronów w układachniskowymiarowych.Wykład 7.Fonony w supersieciach. Drgania łańcucha jednowymiarowego. Drgania akustyczne ioptyczne. Drgania jednowymiarowej supersieci. Zwinięcie gałęzi akustycznych fononów i lokalizacja fononów.Wykład 8.Zjawiska transportu w strukturach niskowymiarowych.Średniadroga swobodnegoprzebiegu przy rozpraszaniu sprężystym.Średniadroga swobodnego przebiegu przy rozpraszaniuniesprężystym. Długość koherencji fazowej. Czas relaksacji i ruchliwość. Transport balistyczny. Skwantowaneprzewodnictwo. Wzór Łandauera. Efekty interferencji kwantowej. Lokalizacja stanów kwantowych.Wykład 9.Interferencyjne efekty kwantowe. Efekt Aharonova – Bohma. Blokada kulombowska.Wykład 10.Własności optyczne struktur niskowymiarowych. Prawdopodobieństwo przejścia.Przejścia optyczne między podpasmami. Przejść proste i skośne. Międzypasmowe przejścia optyczne. Ekscytonyw nanostrukturach. Efekt Franza-Kieldysza.Wykład 11.Oscylacje kwantowe w polu magnetycznym. Poziomy Landaua. Gęstość stanówelektronowych w polu magnetycznym. Stopień zwyrodnienia poziomów Landaua. Oscylacje Shubnikova - deHaasa. Efekt de Haasa - van Alfena.Wykład 12.Kwantowe zjawisko Halla. Całkowity kwantowy efekt Halla. Ułamkowy kwantowy efektHalla. Ciecz Laghlina i teoria złożonego fermionu (anyonu).Wykład 13.Mezoskopowe urządzenia. Zastosowanie niskowymiarowych struktur w nanoelektronice.Lasery na podstawie kwantowych studni i kwantowych kropek. Optyczne modulatory. Odbiornikiświetlnenapodstawie supersiecinipi.Pompa jednoelektronowa. Kwantowo-kropkowe automaty komórkowe. Komputerykwantowe. Zależność własności fizycznych mezomateriałów od rozmiaru próbki.Wykład 14.Spintronika. Gigantyczna magnetorezystancja (GMR). Dwie podstawowe konfiguracjedla obserwacji efektu GMR. Zawory spinowe. Głowica odczytująca. Efekt Kondo a kropki kwantowe.Wykład 15.Elektronika molekularna. Możliwe mechanizmy przekazywania informacji w układachmolekularnych. Organiczne molekuły a elektronika molekularna. Budowa elektroniczna atomów węgla, azotu,tlenu i krzemu. Polimery przewodzące, akumulatory. Przykłady urządzeń elektroniki molekularnej.CharakterystykiI−Vpojedynczych molekuł. Molekularna dioda tunelowa. Tranzystor molekularny.Literatura podstawowa:1.2.K.Sierański. M.Kubisa, J.Szatkowski, J.Misiewicz,Półprzewodniki i struktury półprzewodnikowe,Wrocław, Oficyna Wyd. Polit.Wr., 2002.J.H. Davies,The physics of low-dimensional semiconductors. An introduction,Cambridge UniversityPress, Cambridge (1998).3.4.5.6.7.M.S.Lundstrom, J.Guo,Nanoscale transistor: Device physics, modeling and simulation,SpringerScience+Business Media, Inc., 2006.A.Y.Shyk, L.G.Bakujeva, S.F.Musychyn, S.A.Rykov,The physics of low-dimensional systems,Nauka,Sankt-Petersburg, 2001.L.Jacak, P.Sitko, K.Wieczorek,Anyony i złożone fermiony,Wrocław, Oficyna Wyd. Polit.Wr., 1995.Jan Godlewski,Wstęp do elektroniki molekularnej,Wyd. Polit. Gdańska, 2008.M.Serheiev,Fizyka struktur niskowymiarowych,Wykłady, Instytut Fizyki, USz., 2010.Literatura uzupełniająca:1.B. Dręczewski, A. Herman, P. Wroczyński,Nanotechnologia: stan obecny i perspektywy,Gdańsk,1997.2.Nanotechnologia. Narodziny nowej nauki, czyliświatcząsteczka po cząsteczce,WydawnictwoPrószyński i S-ka , Warszwa, 2001.3. H. Mizuta, T. Tanoue,The physics and applications of resonant tunneling diodes,CambridgeUniversity Press. Cambridge. UK (1995).4. G.S.Plotnikov, V.B.Zajtcev,The physical foundations of molecular electronics,MGU, Moskow, 2000.5. V.P.Dragunov, I.G.Nieizvestnyj, V.A.Gridchin,The foundations of nanoelectronics,Nauka,Novosibirsk, 2000.6. V.N.Neverov, A.N.Titov,Fizyka struktur niskowymiarowych,Ural.GU, Ekaterinburg, 2008.7. Nanotechnologie, pod redakcją K.Kurzydłowskiego, Warszawa, PWN, 2008.8. Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne, pod redakcją K.Kurzydłowskiego,Warszawa, PWN, 2010.9. Z.Kleszczewski,Podstawy fizyczne elektroniki ciała stałego,Gliwice, WPŚ, 2000.10. M.Serheiev,Fizyczne podstawy mikroelektroniki,Wykłady, Instytut Fizyki, Usz., 2010.Wykład 1Kwantowanie rozmiarowePod niskowymiarowymi strukturami b dziemy rozumieü ciała stałe, w których ruchelektronu (albo innych cz stek i kwazicz stek) jest ograniczony chocia by w jednymkierunku. Skutkiem ograniczenia ruchu cz stek jest tak zwanyefekt kwantowaniarozmiarowego.Zilustrujemy ten efekt na prostym przykładzie cienkiej błony.Rozwa my elektron w bardzo cienkiej błonie z metalu albo półprzewodnika ogrubo cilz. W zwykłych warunkach (w temperaturze pokojowych i w przypadku brakuzewn trznych pól elektrycznych) elektron nie mo e wyjüza granicy błony, a to znaczy, edla elektronu błona tworzy studnie potencjaln o szeroko cilzi gł boko ciΦ, która jestrówna prace wyj cia elektronu. Praca wyj cia dla wi kszo ci ciał stałych ma wartoüΦ=4÷5 eV, co jest znacznie wi ksze od energii cieplnej no ników w temperaturzepokojowejkT=0,026 eV. A zatem dla elektronów w błonie w dobrym przybli eniu mo emyuwa aü, e studnia potencjalna ma niesko czon gł bokoü.Rys.1.1. Widmo energetyczne elektronu w cienkiej błonie. Tua≡lzip=składowa p du elektronu w płaszczy nie błony2px+p2-yZgodnie z podstawowymi wynikami mechaniki kwantowej, energia elektronu w takiejstudnie kwantuje si i funkcje falowe oraz poziomy stanów kwantowych okre laj wzoryn(z)=2§z·sin¨n¸,¨l¸lz©z¹(1.1)3!2 2 2En=n.∗22m lz(1.2)Tum∗- masa efektywna elektronu, an=1,2,3,.Ze wzoru (1.2) widaü, e przybli enie niesko czenie gł bokiej studni b dzie słuszneje eli dla najni szych poziomów elektronów b dzie spełniony warunekEn<<Φ. Zuwzgl dnieniem wzoru (1.2), ten warunek oznacza, e szerokoüstudnilzmusi spełniaüwaruneklz>h2 2mΦ∗.(1.3)Je eli przyjmiemy, em∗=0,1⋅m=0.09⋅10−30kgiΦ=5eV =4⋅1,6⋅10−19J, to ze wzoru(1.3) otrzymujemylz>>6,626⋅10−342 2⋅9⋅10−32⋅5⋅1,6⋅10−19=0,87⋅10−9m≈1nm.(1.4)Ten warunek we wszystkich realnych urz dzeniach jest spełniony.Kwantowanie energii ruchu elektronów w błonie dotyczy tylko ruchu w kierunku osiz, czyli w kierunku prostopadłym do cienkiej błony. W płaszczy niexyruch elektronów niema adnych ogranicze i zachodzi tak samo jak w zwykłym masywnym materiale. A zatemcałkowita energia elektronów w cienkiej błonie ma mieszane dyskretnie-ci głe widmo(rys.1.1)E=En+2px+p2y2m∗,(1.5)gdziepxipy- składowe p du elektronu w płaszczy nie błony.Zwróümy uwag , e elektrony, posiadaj ce tak sam energi ruchuEnw kierunkuosiz, mog mieüdowoln energi ruchu w płaszczy niexyod zera do niesko czono ci.Taki zespół (ci gły) stanów dla okre lonej warto ci liczby kwantowejnnosi nazwpodpasma kwantowania rozmiarowego.Załó my,e wszystkie elektrony obsadzajpodpasmo zwi zane z poziomemenergetycznymE1. Wtedy, je eliE2−E1>>kT, to prawdopodobie stwo rozpraszania,zwi zanego z rozproszeniem elektronów na domieszkach albo na drganiach siecikrystalicznej, wskutek czego elektron przejdzie na podpasmoE2jest znikomo małe. To4oznacza, e elektrony mog zmieniaü swój p d przy rozpraszaniu tylko w płaszczy niexy, azatem zachowuj si jako gaz cz stek dwuwymiarowych.Ograniczenie ruchu cz stek w strukturze niskowymiarowej, wskutek czego powstajdyskretne dozwolone stany energetyczny i niezerowa minimalna energia, nazywajograniczeniem kwantowym(quantumconfinement).W ciałach stałych ograniczenie mo ebyü realizowane w trzech wymiarach. Iloükierunków, w których brak ograniczeniakwantowego, wykorzystuje si jako kryterium klasyfikacji niskowymiarowych struktur natrzygrupy:błonykwantowe(dwuwymiarowe-2Dstruktury),drutykwantowe(jednowymiarowe -1Dstruktury) i kropki kwantowe (zerowymiarowe -Dstruktury).Schematycznie one s pokazane na rys.1.2.Rys.1.2. Struktury o ró nej wymiarowo ciBłony kwantowe(quantumfilm)– to s dwuwymiarowe ( 2D) struktury, w którychograniczenie kwantowe istnieje tylko w jednym kierunku – w kierunku prostopadłym dobłony (kierunek wzdłu osizna rys.1.1). Elektrony w takich strukturach mog swobodnieporuszaüsi tylko w płaszczy niexy. Energie tych ładunków okre la wzór (1.5).Druty kwantowe(quantum wires) – to sstruktury jednowymiarowe ( 1D). Wnie jeden, a dwa wymiaryodró nieniu od błon kwantowych, druty kwantowe majnanometrowe, w których kierunkach i działa efekt ograniczenia kwantowego. No nikiładunku mog swobodnie poruszaüsi tylko w jednym kierunku – wzdłu drutu. A zatem,energia no nika ładunku składa z energii kinetycznej ruchu wzdłu kierunku drutu i dwóchczłonów opisuj cych ruch ograniczony w dwóch pozostałych kierunkach22!2 2n12!2 2n2!2kxE=++,22m∗ly2m∗lz22m∗n1,n2=1,2,.(1.6)gdziely,lz- s szeroko ci barier potencjalnych w kierunku osiyiz.Kropki kwantowe(quantumdots)– to s zerowymiarowe ( 0D) struktury, w którychruch no ników ładunku jest ograniczony we wszystkich trzech kierunkach. W ka dym z tychkierunków energia elektronu jest skwantowan , zgodnie ze wzorem (1.2). Poniewa strukturaenergetyczna kropek kwantowych jest podobna do struktury energetycznej atomów, czasami5 [ Pobierz całość w formacie PDF ]
