ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΕΛΛΑ ΚΕΝΝΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ

Transcript

1 ΣΤΕΛΛΑ ΚΕΝΝΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ 1

2 Ιδιότητες εξαρτώμενες από το μέγεθος Στην νανοκλίμακα, οι ιδιότητες εξαρτώνται δραματικά από το μέγεθος Για παράδειγμα, ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΥΛΙΚΩΝ (1) Θερμικές ιδιότητες θερμοκρασία τήξης (2) Μηχανικές ιδιότητες πρόσφηση (3) Οπτικές ιδιότητες απορρόφηση και σκέδαση φωτός (4) Ηλεκτρικές ιδιότητες ρεύμα σήραγγος (5) Μαγνητικές ιδιότητες υπερπαραμαγνητικό φαινόμενο Οι νέες ιδιότητες προσφέρουν νέες εφαρμογές! 2

3 Ηλεκτρικές Ιδιότητες Πως ένα υλικό ανταποκρίνεται στην εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου Ηλεκτρική αγωγή, μηχανισμός με e Δομή ηλεκτρονιακής ενεργειακής ζώνης των υλικών Μέταλλα, ημιαγωγοί, μονωτές Ημιαγωγοί, ηλεκτρονικές διατάξεις 3

4 Ενεργειακά επίπεδα σε απομονωμένο άτομο 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 Διάγραμμα ενέργειας ηλεκτρονίων σαν συνάρτηση της απόστασης μεταξύ των ατόμων 9

10 Δομή ζώνης στερεού Ζώνη σθένους:γεμάτη -Υψηλότερες κατειλημμένες ενεργειακές καταστάσεις Ζώνη αγωγιμότητας: κενή-χαμηλότερες μη κατειλημμένες καταστάσεις 10

11 11

12 Δομή Ενεργειακής ζώνης στα στερεά Μέταλλα: Τα e πηγαίνουν σε υψηλές ενεργειακές καταστάσεις λόγω θερμικής ενέργειας Τα e μπορούν να μεταβούν σε γειτονικές ενεργειακές καταστάσεις λογω θερμικών διεγέρσεων 12

13 Ενεργειακές καταστάσεις σε ημιαγωγούς και μονωτές Μονωτές: Υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις μη επιτρεπτές λόγω χάσματος Ημιαγωγοί:Οι ενεργειακές καταστάσεις χωρίζονται με μικρότερο χάσμα 13

14 Αγωγιμότητα με όρους μοντέλων ζωνών και ατομικών δεσμών Μέταλλα Μέταλλα Νέφος ηλεκτρονίων 14

15 Στους ημιαγωγούς και μονωτές χρειάζεται ηλ.πεδίο ή φωτόνια για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια πάνω από το χάσμα Μονωτές: Ισχυροί ομοιοπολικοί δεσμοί, ιοντικοί Ημιαγωγοί: ασθενείς ομοιοπολικοί δεσμοί 15

16 Φαινόμενο κβάντωσης λόγω μεγέθους 16

17 Ζώνες Ενέργειας 17

18 Στα νανοκρυσταλλικά σωματίδια οι φυσικοχημικές ιδιότητες αλλάζουν σταδιακά Από τα στερεά αλλάζει σε μοριακή συμπεριφορά καθώς μικραίνει το μέγεθός τους. Αυτό συμβαίνει γιατί 1. Υπάρχει μεγάλος αριθμός ατόμων στην επιφάνεια σε σχέση με το εσωτερικό με διαφορετικές ιδιότητες. 2. Ηλεκτρονικό φαινόμενο στα μέταλλα και τους ημιαγωγούς. Αλλάζει η δομή της ζώνης σθένους καθώς αυξάνεται το μέγεθος του σωματιδίου Μοριακό τροχιακό σε μη εντοπισμένες καταστάσεις ζώνης Στα μέταλλα η συνεχής ζώνη αγωγιμότητας και σθένους μετατρέπεται σε διάκριτα επίπεδα ηλεκτρονίων, η απόσταση αυτών αυξάνει καθώς μικραίνει το μέγεθος των σωματιδίων Μεταλλικά σωματίδια ατόμων με διάμετρο 1-2nm συμπεριφέρονται σαν ημιαγωγοί. Στους ημιαγωγούς αυξάνεται το ενεργειακό χάσμα, clusters 1nm -10nm. Εάν το μέγεθος των σωματιδίων είναι μικρότερο από το μήκος κύματος De Broglie οι φορείς μελετώνται κβαντικά σαν «σωματίδια σε κουτί» 18

19 Επίδραση του μεγέθους: Ενεργειακά επίπεδα και Πυκνότητα καταστάσεων Ημιαγωγός Bulk Νανο Ατομο Σωματίδιο 3d 2d 1d 0d CB LUMO Ενεργει- E F ακό χασμα VB HOMO DOS Energy Η μεταβολή του ενεργειακού χάσματος λόγω μεγέθους καθορίζει τα Διακριτά Ενεργειακά επίπεδα 19

20 Επίδραση του μεγέθους: Μεταβαλλόμενο ενεργειακό χάσμα Si = 1.14 ev GaAs =1.5 ev 20

21 Κβαντικά φαινόμενα Όλη η συμπεριφορά των υλικών αλλάζει στην νανοκλίμακα. Για τις Ο-D νανοδομές δεν υπάρχει ελευθερία κίνησης των ηλεκτρονίων. Στις 1-D νανοδομές υπάρχει ελευθερία κίνησης των ηλεκτρονίων κατά μήκος του άξονα του νανοσύρματος/ράβδου/σωλήνα. Στις 2-D νανοδομές υπάρχει ελευθερία κίνησης των ηλεκτρονίων μόνο στο επίπεδο της πλάκας αλλά δεν μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας κατά μήκος του πάχους. 21

22 Συμπεριφορά των e στην νανοκλίμακα Κβάντωση Ενέργειας d ~ μήκος κύματος Fermi του e σ ένα μέταλο (l F ) ή της διαμέτρου του εξιτονίου σε ένα ημιαγωγό Κβάντωση φορτίου Ενέργεια φόρτισης (E c ) >> Θερμική ενέργεια (kt) Βαλλιστικό d<μέση ελέυθερη διαδρομή(l) Περίπτωση ελέύθερου ηλεκτρονίου (3D κουτί): Y = exp(ikr) όπου k =2pn/L; E= ħ 2 k 2 /2m N = 2x (4pk F3 /3)/(2p/L) 3 = Vk F3 /3p 2 Συγκέντρωση ηλεκτρονίων N = N/V E F = (ħ 2 /2m) k F 2 = (ħ 2 /2m) (3p 2 N) 2/3 ; k F = (3p 2 N) 1/3 l F = 2p/k F = 2p (3p 2 N) -1/3 22

23 Ενέργειες σταθερά Planck, L πλάτος του φρέατος δυναμικού, n x, n y, n z, κβαντικοί αριθμοί Όσο μικρότερες οι διαστάσεις της νανοδομής, τόσο μεγαλύτερη η απόσταση μεταξύ των ενεργειών, δίνοντας διακριτές καταστάσεις. 23

24 Ηλεκτρονική διάταξη με νανοσωλήνα 24