Pokroky ve fyzice pevných látek Zdeněk Bochníček Semináře z fyziky pro střední školy 2004/2005.

Prezentace na téma: "Pokroky ve fyzice pevných látek Zdeněk Bochníček Semináře z fyziky pro střední školy 2004/2005."— Transkript prezentace:

1 Pokroky ve fyzice pevných látek Zdeněk Bochníček Semináře z fyziky pro střední školy 2004/2005

2 Lidé tohoto XXIX. století, aniž si to uvědomují, žijí stále jako v pohádce. Jsou přesyceni zázraky a tak zůstávají chladní tváří v tvář těm, které jim každodenně přináší pokrok. Všechno se jim zdá přirozené. Podivné na tom všem je to, že tyto překvapivé transformace spočívají na principech, které byly naprosto známy už našim předkům, kteří je, však možno říci, nedokázali využít ve svůj prospěch! Teplo, pára, elektřina jsou přece tak staré jako člověk!... naše moderní města s ulicemi širokými sto metrů, s domy vysokými tři sta metrů, se stálou teplotou, s nebem brázděným tisícovkami aerocarů a aeroomnibusů!...jak by si (lidé) vážili dnešních visutých vlaků a zvláště pneumatických tubusů položených napříč oceány, v nichž jsou dopravováni rychlostí 1500 km v hodině!

3 1985 PC AT 64 kB RAM 20 MB HDD 10 MHz procesor 70 × průměrný měsíční plat 2005 PC 512 MB RAM 120 GB HDD 3 GHz procesor 1 × průměrný měsíční plat

4 http://www.jetpress.org/volume1/moravec.htm

5 Pevná látka – soubor velmi vysokého počtu atomů těsně vedle sebe elektrony v izolovaném atomu

6 dva atomy blízko sebe velmi mnoho atomů blízko sebe

7 pásová struktura pevných látek

8 vnitřní struktura pásu vedení elektrického proudu v pásu

9

10 kov čistý polovodič n typ elektrony ve vodivostním pásu p typ „díry“ ve valenčním pásu

11 pásová struktura křemíku

12 LED diody podmínka emise hodně elektronů nahoře hodně místa (děr) dole PN přechod elektrony díry Light Emitting Diode

13 Na čem závisí barva LED? Bílá LED??

14 Bílá LED = = modrá (UV) LED + luminofor = trojice RGB diod ( velkoplošné displeje ) světelná účinnost W žárovky: 1 – 20 lm/W světelná účinnost bílé LED: 5 – 15.... lm/W Výhody? Velmi dlouhá životnost ≈ 100 000 hodin (dříve koroze kontaktů apod.) Dobrá účinnost pro malé intenzity nebo

15

16 MOS struktura – tranzistor řízený polem Co omezuje rychlost součástky? Jak rychle se vyklidí oblast báze (kanálu) Metal Oxide Semiconductor

17 Dvě cesty, jak rychlost zvýšit: 1) zmenšit rozměry 2) zvětšit „rychlost“ (pohyblivost) nositelů náboje také může růst složitost struktury

18 zmenšování rozměrů

19 7nm × 7nm http://www.princeton.edu/~chouweb/newproject/research/SEM/SiSET.html

20 Jak zvětšit „pohyblivost“? automobilu silnější motor lehčí konstrukce lepší silnice elektronu silnější pole větší náboj (?) menší hmotnost (?) „čistší“ krystalová mřížka

21 pohyblivost elektronu je dána jeho okolím volný elektron elektron v pevné látce GaAs zvětšení pohyblivosti nositelů náboje

22 Okolí mění “hmotnost” elektronu – efektivní hmotnost jen způsob popisu příklad z klasické mechaniky: konstantní hmotnost – měnící se okolí (síly ) konstantní okolí – měnící se hmotnost

23 Jiné materiály materiálelektronydíry Si1 300500 GaAs8 800400 InAs33 000460 InSb77 000750 Pohyblivost v cm 2 V -1 s - 1

24 multivrstvy (kvantové jámy) kvantové drátykvantové tečky Jiné struktury http://www.nano.gov/html/res/fy04-pdf/fy04%20-%20small%20parts/NNI_FY04_K_mode2_part1.pdf

25 Struktura HBT Heterogeneous Bipolar Transistor http://www.gaasmantech.org/digest/1999/PDF/11.pdf http://research.ntou.edu.tw/r2/

26 Struktura HEMT (tranzistor řízený polem) f ≈ 600 GHz světlo urazí 0,5mm! nejrychlejší tranzistor High Electron Mobility Transistor http://unix12.fzu.cz/~vyborny/hemt1.htm http://www.cobra.tue.nl/images/hemt.html

27 Krystalické modifikace uhlíku diamant grafit (tuha)

28 Fullereny (1985) C 60

29 Uhlíkové nanotrubičky http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html http://www.ipt.arc.nasa.gov/Graphics/arl_talk.ppt http://web.mit.edu/mrschapter/www/Activities/IAP/IAP03_One_D/jan09_talk_2_apantano.pdf

30

31 Nanotrubičky : kov i polovodič (podle způsobu stočení) extrémně vysoký modul pružnosti (1000 GPa, ocel – 200GPa, diamant – 1100GPa) poměr pevnost/hmotnost 500 × větší než ocel (A. C. Clarke, Rajské fontány) lepší vodič než Cu, mezní proud 10 10 Acm -2, (1000 × více než Cu) vysoká tepelná vodivost 3000Wm -1 K -1 (stříbro 420Wm -1 K -1 )

32 tranzistor typu MOS vodivý spoj Aplikace http://www.physics.umd.edu/condmat/mfuhrer/publications/ JPCMReview.pdf

33 nanomotor – zlatá destička zavěšená na nanotrubičce

34 nanostroje http://ej.iop.org/links/q97/Igwei3HhtPtKBahrYls7xA/na7301.pdf

35 molekulární kolo hexa butyl dekacyklen průměr 1,75 nm http://www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/gimzewski/id2.htm

36 Epizoda Nový druh http://www.theouterlimits.com/noflash/episode.html