The growth influence on optical properties of GaAsSb/GaAs ...piosit/eka/wyklad_II_1.pdf ·...

Podstawy fizyki

wykład 1

D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 5, PWN, Warszawa 2003. H. D. Young, R. A. Freedman, Sear’s & Zemansky’s University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, 2000. K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna Wydawnicza Scripta, 2005.

Dr Piotr Sitarek

Katedra Fizyki Doświadczalnej,

Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

Moja strona domowa:

www.if.pwr.edu.pl/~piosit

informacje do wykładu:

Dydaktyka/Elektronika II Miejsce konsultacji: pokój 37/4, budynek A-1

Użyteczne informacje

Plan kursu

1. Dualizm falowo-korpuskularny. Fale materii.

2. Elementy mechaniki kwantowej (studnia potencjału,

skaningowy mikroskop tunelowy, mikroskop sił

atomowych).

3. Budowa atomu. Układ okresowy pierwiastków.

Promieniowanie Roentgena.

4. Podstawy teorii pasmowej ciał stałych. Własności

elektryczne ciał stałych. Wybrane nowoczesne

przyrządy półprzewodnikowe (ogniwo słoneczne,

fotodioda, laser półprzewodnikowy).

5. Fizyka jądrowa (budowa jądra atomowego, procesy

rozpadów jądrowych).

Materiał do samodzielnego opanowania

1. Statystyki kwantowe: Fermiego-Diraca i Bose-

Einsteina. Lasery.

2. Wiązania międzycząsteczkowe i w ciele stałym.

Struktura krystaliczna ciał stałych.

3. Nowoczesne struktury niskowymiarowe.

4. Atomy wieloelektronowe.

5. Procesy powstawania pierwiastków.

Literatura

D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Podstawy Fizyki, tomy 4 i 5, Wydawnictwa

Naukowe PWN, Warszawa 2003.

K. Sierański, P. Sitarek, K. Jezierski, Repetytorium. Wzory i prawa z

objaśnieniami, Oficyna Wydawnicza Scripta, 2002.

K. Sierański, J. Szatkowski, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 3, Oficyna

Wydawnicza Scripta, 2008.

P.A. Tipler, R.A. Llewellyn, Fizyka Współczesna, PWN 2012

H. D. Young, R. A. Freedman, Sear’s & Zemansky’s University Physics with

Modern Physics, Addison-Wesley Publishing Company, 2000.

Witryna dydaktyczna fizyki http://www.if.pwr.edu.pl

- zawiera materiały dydaktyczne

Kwantyzacja

- Idea, że cała materia jest zbudowana z malutkich cząstek (atomów)

pojawiła się ok. roku 450 p.n.e. w spekulacjach Demokryta.

- Pomysł wrócił dopiero w XVII wieku – różne stany skupienia starano się

opisać korzystając z modelu małych niezniszczalnych kuleczek

poruszających się w różnych kierunkach.

- Dopiero Avogadro w 1811 r. zapostulował, że w jednostkowej objętości

dowolnego gazu w tej samej temperaturze znajduje się tyle samo

cząsteczek – umożliwiło to ilościowe wyjaśnienie wielu własności

związanych z objętością materii – model cząsteczkowej budowy materii

stał się akceptowanym.

- Materia nie jest ciągła. W skali atomowej ma strukturę dyskretną –

skwantowaną.

- Okazuje się, że kwantową naturę mają także: ładunek elektryczny,

energia światła i energia oscylacji układu mechanicznego.

Kwantyzacja ładunku

Pomiary ładunku e

- opierając się na pracach M. Faradaya z pierwszej połowy IX wieku, w

1874 r. G.I. Stoney doszedł do wniosku, że ładunek elementarny e jest

rzędu 10-20 C,

- w międzyczasie P. Zeeman, badając rozszczepienie linii widmowych w

polu magnetycznym oszacował stosunek e/m na 1,6 1011 C/kg,

- w 1897 r. Thomson zmierzył stosunek e/m dla promieni katodowych w

dwóch różnych eksperymentach,

Rok 1897, ta określa (umownie) początek naszego rozumienia budowy atomu.


Pomiary ładunku e – doświadczenie J.J. Thomsona

- drugi z nich (zwany doświadczeniem Thomsona) polegał na dobraniu

natężenia wzajemnie prostopadłych pól magnetycznego i elektrycznego

w taki sposób, aby tor cząstki nie uległ odchyleniu (np. siłę Lorentza

należy zrównoważyć siłą elektryczną),

- została otrzymana wartość 1,7 1011 C/kg, wyznaczona jedynie za

pomocą woltomierza, amperomierza i linijki,

- dla różnych metali Thomson uzyskał takie same wartości e/m – cząstki

te (nazwane korpuskułami lub elektronami) o ujemnym ładunku

elementarnym e wchodzą w skład wszystkich metali (atomów),

Schemat lampy, której Thomson używał do wyznaczenia stosunku e/m.


Pomiary ładunku elektrycznego – doświadczenie Millikana

- w 1909 r. Millikan rozpoczął serię eksperymentów, które pokazały, że

mierzony ładunek jest wielokrotnością ładunku elementarnego e,

- określił, że e = 1,601 10-19 C

- obecnie przyjmuje się e = 1,6021765 10-19 C

rozpylacz

teleskop

- kropelki oleju w rozpylaczu ładują się przechodząc przez dyszę,

- wpadają od góry do urządzenia, - opadanie pod wpływem pola

elektrycznego i wznoszenie pod wpływem pola elektrycznego można obserwować za pomocą mikroskopu,

- pomiar czasu wznoszenia (opadania) pozwala wyznaczyć ładunek obserwowanej kropelki,

- ładunek można zmieniać, oświetlając kropelki promieniowaniem X

Dualizm korpuskularno – falowy


Ciało doskonale czarne Jest to ciało całkowicie pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne padające na jego powierzchnię. Dla ciała doskonale czarnego spektralna zdolność absorpcyjna jest równa jedności dla każdej długości absorbowanej fali. Substancją o spektralnej zdolności absorpcyjnej bliskiej jedności jest np. sadza.


Spektralna zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego

przykład


Wyznacz moc jaką emituje Słońce (jako ciało doskonale czarne)

𝑷 = 𝑹𝑺 = 𝑨(𝑻)𝝈𝑺𝑻𝟒

S

1.2 ∙ 1034 J/rok

r

S = 4 p r 2


Wprowadzenie pojęcia najmniejszych porcji energii – kwantów energii,

doprowadziło do tego, że naukowcy zaczęli inaczej spoglądać na

otaczający ich świat (głównie mikroskopowy), co stoi doprowadziło do

powstania nowej dziedziny fizyki

fizyki kwantowej (mechaniki kwantowej)

Fizyka kwantowa choć głównie zajmuje się mikroświatem, to odpowiada

także na wiele pytań dotyczących świata makro czy kosmologii.

Jest wiele wielkości, które istnieją tylko w pewnych minimalnych porcjach

(zwanych kwantami) lub jako wielokrotności tych porcji. Mówimy, że

wielkości te są skwantowane.


- Widma emisyjne pierwiastków

H

Na

He

Ne

Hg

przykład


Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Uh nie zależy od natężenia światła!

przykład



Potencjał hamujący zależy od częstotliwości, ale

maksymalny prąd zależy tylko od intensywności.

Takie same intensywności

Częstości światła v3 > v2 > v1

Uh3 > Uh2 > Uh1



𝝀𝟎 =𝒄

𝝂𝟎

Nie dla wszystkich fal zjawisko występuje!


Równanie Einsteina


Praca wyjścia

Na

Li

Al.

Pb

Zn

Cu

Ag

Fe

Pt


W 1916 A. Einstein zapostulował, że foton ma pęd

W 1923 A. Compton potwierdził, że foton może przekazywać pęd i energię.


Efekt Comptona


Efekt Comptona

f


Doświadczenie C.J.Davissona i L.G.Germera

przykład


Doświadczenie C.J. Davissona i L.G. Germera


Doświadczenie z jedną szczeliną

obraz dyfrakcyjny elektronów


Doświadczenie z dwiema szczelinami

100 elektronów 3000 elektronów

70000 elektronów


- elektronowi o masie i prędkości

odpowiada fala o długości

- a piłce bejsbolowej poruszającej się z prędkością


Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Pewnych wielkości fizycznych nie można zmierzyć równocześnie z dowolną dokładnością. Iloczyn

niepewności pomiaru dwóch takich wielkości jest niemniejszy od stałej Plancka dzielonej przez 2p.

𝜟𝒑𝒙 ∙ 𝜟𝒙 ≥𝒉

𝟒𝝅

𝜟𝑬 ∙ 𝜟𝒕 ≥𝒉

𝟒𝝅


Zasada nieoznaczoności Heisenberga - określić dokładność wyznaczenia prędkości elektronu

poruszającego się z prędkością 1000 m/s przy zastosowaniu światła o długości 550nm

- określić dokładność wyznaczenia pędu piłki bejsbolowej o masie 45g i prędkości 60m/s przy zastosowaniu światła o długości 550nm


Zasada nieoznaczoności Heisenberga

dozwolone

niemożliwe

Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)


- pierwszy obraz otrzymał Max Knoll w 1935,

- badania nad podstawami fizycznymi i oddziaływaniem wiązki z

próbką prowadził Manfred von Ardenne w 1937 (patent na SEM),

- SEM zbudował Sir Charles Oatley i jego student Gary Stewart

(przedstawiono go do sprzedaży w 1965 przez Cambridge Scientific

Instrument Company).


Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) - Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie

jest obrazem rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem wirtualnym skonstruowanym na bazie sygnałów emitowanych przez próbkę.

- Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii obszaru na powierzchni próbki.

- Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają zróżnicowanie próbki w poszczególnych punktach.

- Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które są przetwarzane na serię wartości liczbowych - tworzony jest obraz cyfrowy.


Schemat SEM


Przykłady

SEM - kontakty ze złota (jasne pola) naniesione na heterostrukturę GaInAs/InP.

Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM)

Transmisyjny Mikroskop Elektronowy

(Transmission Electron Microscopy – TEM)

- 1925 - Louis de Broglie – teoretyczne założenia, że elektron może

mieć własności falowe o długości dużo mniejszej niż światło

widzialne

- 1932 - Knoll i Ruska (NP 1986) – wynaleźli soczewki elektronowe

- 1936 - pierwszy działający (jeszcze niezbyt dobrze) aparat

- 1939 - Siemens i Halske (Niemcy) – pierwszy komercyjny TEM


- TEM – mikroskopia, w której wiązka elektronów jest przepuszczana przez bardzo cienką próbkę oddziaływując z nią.

- Obraz jest formowany z elektronów, które przeszły przez próbkę, wzmacniany i ogniskowany a następnie detektowany, aktualnie, poprzez kamerę CCD.

-


- elektrony są generowane termicznie np. z W lub LaB6 lub poprzez emisję polową

- elektrony są przyspieszane do energii rzędu 100 to 300 keV i ogniskowany przy użyciu elektrostatycznych i elektromagnetycznych soczewek

- transmitowana wiązka przenosi informacje o gęstości elektronów, fazie i periodyczności użytych do formowania obrazu


Tryb dyfrakcyjny (ED) lel = 0.0025nm dla 200 kV Prawo Bragg’a daje nam zależność pomiędzy odległością pomiędzy płaszczyznami d a kątem ugięcia q:

𝑛𝜆 = 2𝑑𝑠𝑖𝑛Θ Kąty rozpraszania są bardzo małe ( 0< q <1°).


TEM ED otrzymany z cienkiej folii Al-Li-Cu


Tryb dyfrakcyjny (ED) / tryb obrazowy


Tryby obrazowe - Jasnego pola (Bright Field): apertura jest umieszczona w tylnej

płaszczyźnie ogniskowej obiektywu – kontrast masy, kontrast dyfrakcyjny

- Ciemnego pola (Dark Field): wiązka pierwotna jest blokowana poprzez aperturę podczas gdy wiązka dyfrakcyjna przechodzi przez obiektyw – defekty powierzchniowe, kontrast dyfrakcyjny


Nanodrut GaAs (WZ)/GaAsSb(ZB)/ GaAs (ZB)


Przykłady


TEM – transmisyjny mikroskop elektronowy

STEM

MoS2

- zielone – Mo - żółte – S

0.5 nm


TEM – transmisyjny mikroskop elektronowy

Pewne konsekwencje teorii kwantowej

Na każdym opakowaniu (np. puszki z fasolą) powinno być napisane (zdaniem zawsze dobrze poinformowanych prawników):

Ostrzeżenie: przed oglądaniem, dotykaniem czy przechowywaniem produktu!

Produkt emituje promieniowanie.

Produkt składa się przynajmniej z 99,999% pustej przestrzeni.

Wewnątrz znajdują się cząstki, które poruszają się z szybkością większą niż milion km/h.

Każdy kilogram produktu zawiera energię odpowiadającą energii wyzwolonej przez około sto bomb atomowych

(standardowa głowica bojowa ma zdolność niszczenia odpowiadającą 0,2 mega tony TNT – 1 mega tona TNT odpowiada energii zmagazynowanej w 47 g materii)

Christoph Schiller „MOTION MOUNTAIN – The Adventure of Physics” - Edition available as free pdf with fi�lms at www.motionmountain.net

Pewne konsekwencje teorii kwantowej, cd.

Ostrzeżenie: przed oglądaniem, dotykaniem czy przechowywaniem produktu!

W przypadku zetknięcia z antymaterią grozi katastrofalna eksplozja.

Produkt przyciąga, z siłą zwiększającą się w miarę zmniejszania odległości, inne obiekty, włączając to dzieci nabywcy.

Niemożliwe jest aby produkt pozostawiony w jednym miejscu pozostał tam zawsze.

Produkt może się rozpaść w ciągu następnych 1035 lat.

Produkt zagina przestrzeń i czas w swoim sąsiedztwie.

Produkt może zniknąć z obecnej lokalizacji i pojawić się w dowolnym innym miejscu (choćby w garażu sąsiada).

Składniki produktu są dokładnie takie same jak innych produktów we Wrzechświecie, włączając w to np. … zgniłą rybę.

Dziękuję za uwagę!

The growth influence on optical properties of GaAsSb/GaAs ...piosit/eka/wyklad_II_1.pdf ·...

Documents

Transcript of The growth influence on optical properties of GaAsSb/GaAs ...piosit/eka/wyklad_II_1.pdf ·...