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

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!

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

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

dva atomy blízko sebe velmi mnoho atomů blízko sebe

pásová struktura pevných látek

vnitřní struktura pásu vedení elektrického proudu v pásu

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

pásová struktura křemíku

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

Na čem závisí barva LED? Bílá LED??

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

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

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

zmenšování rozměrů

7nm × 7nm

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

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

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

Jiné materiály materiálelektronydíry Si GaAs InAs InSb Pohyblivost v cm 2 V -1 s - 1

multivrstvy (kvantové jámy) kvantové drátykvantové tečky Jiné struktury

Struktura HBT Heterogeneous Bipolar Transistor

Struktura HEMT (tranzistor řízený polem) f ≈ 600 GHz světlo urazí 0,5mm! nejrychlejší tranzistor High Electron Mobility Transistor

Krystalické modifikace uhlíku diamant grafit (tuha)

Fullereny (1985) C 60

Uhlíkové nanotrubičky

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 Acm -2, (1000 × více než Cu) vysoká tepelná vodivost 3000Wm -1 K -1 (stříbro 420Wm -1 K -1 )

tranzistor typu MOS vodivý spoj Aplikace JPCMReview.pdf

nanomotor – zlatá destička zavěšená na nanotrubičce

nanostroje

molekulární kolo hexa butyl dekacyklen průměr 1,75 nm

Epizoda Nový druh