WYKŁAD VIIA. Elektronika XXw. (klasyczne półprzewodniki – tranzystory i diody).

Materiały domieszkowane. Łagodna a dramatyczna zmiana właściwości materiału w funkcji domieszkowania. Polimery przewodzące, brązy nieorganiczne, nadprzewodniki.

B. Baterie słoneczne i materiały do foto- i termoemisji elektronów. Domieszkowanie przez wstrzyknięcie ładunku. Afera Schöna.

C. Właściwości magnetyczne materii. Diamagnetyki (w tym nadprzewodniki), paramagnetyki, ferromagnetyki, antyferromagnetyki i ferrimagnetyki. Materiały twarde i miękkie, nisko- i wysokotemperaturowe. Magnetooporność i magnetostrykcja.

D. Składowanie energii w polu magnetycznym. Przetworniki mechano-, magneto- i termoelektryczne, oraz elektromechaniczne i magnetomechaniczne. Piezoelektryki i termopary. Generacja fal dźwiękowych.

isolator

EF

semicond. metal supercond.

Domieszkowanie półprzewodników

e– doping

Ge:SbGe:Se

h+ doping

Ge:Ga Ge:Zn

Domieszkowanie półprzewodników, c.d.

e– doping

Ge1–As

Ga3+{As3–1–}

Ti{O1– } vel Ti1+O

h+ doping

Ge1–Ga

{Ga3+1–

}As3–

{Ti1–}O vel TiO1+

Mieszana wartościowość

Mixed–valence or … intermediate valence?

PtO = PtIIO ale ‘AgO’ = AgI[AgIIIO2]

Insulator to metal transition

Materiały domieszkowane. Łagodna a dramatyczna zmiana właściwości materiału w funkcji domieszkowania.

LaNi1–xMnxO3

Półprzewodnik Metal Półprzewodnik Nadprzewodnik

h+ = Cu2+:(Cu3+) e– = Cu2+:(Cu1+)

Brak symetrii w domieszkowaniu elektron/dziura

Klasyczne półprzewodniki (Nagroda Nobla 1956 & 2000) Polimery przewodzące 2000 Brązy nieorganiczneNadprzewodniki 1987

Si:(P,As,Sb)

Domieszkowanie przez wstrzyknięcie ładunku. Afera Schöna.

J. H. Schön

domieszkowanie fizyczne (wstrzyknięcie netto ładunku do materii) vs chemiczne (zmiana pierwiastka, zmiana położenia jąder atomowych)

Baterie słoneczne.

n-p junction wafer solar battery solar panel (stack)

Si, $ 23 0.6 Watt (2004)

commercialSolar Output & Charging Time (in full sunlight) 3V 200mA 2-3 hours 6V 100mA 4-6 hours9V 50mA 10-12 hours 12V 50mA 10-12 hours

GaAs > $ 100,000 6 kWatt (2004) NASA

Moc podawana dla warunków

pełnego oświetlenia na

planecie ZIEMI

Wydajność konwersji energii:

14 %

22%

Strata jakosci = –1 do 2% rocznie

Smaller band gap: – more effective absorption of whole solar EM spectrumbut– lower voltage generated

Balancing the effect gives optimum band gap of 1.4 eV

Si (single crystal, polycrystalline, amorphous)GaAsCuInSe2

CdTe…multi–band gap stacks

Właściwości magnetyczne materii. Diamagnetyki. WYPYCHANE Z OBSZARU SILNIEJSZEGO POLA- Klasyczne (precesja Larmora): brak niesparowanych elektronów lub

niemobline wolne pary elektronowe (np. SiO2 lub :SbCl3), χ < 0

- nadprzewodniki: brak niesparowanych elektronów, mobilne singletowe (bozonowe) pary elektronowe (np. Hg poniżej 4 K), χ << 0

Paramagnetyki. WCIĄGANE W OBSZAR SILNIEJSZEGO POLA- wolny elektron (Langevin): związki z jednym niesparowanym elektronem w

dużym rozcieńczeniu (np. Cu2+· (d9) w CuSO4 powyżej 0.03 K), χ > 0

- van Vleck (niezależny od T): silne mieszanie stanu podstawowego i wzbudzonego, łatwość wzbudzenia elektronów (np. CuI

2ZrIVCl6 vs CuII2ZrII

powyżej 50 K, χ = + constans

- Pauli (niezależny od T): zwykłe metale, mobilne niesparowane elektrony (np. Cs0), χ = + constans

Ferromagnetyki: silna komunikacja centrów magnetycznych, równoległe ułożenie spinów (np. Fe0 (d6) < 770 oC), χ >> 0

Antyferromagnetyki: silna komunikacja centrów magnetycznych, antyrównoległe ułożenie identycznych spinów (np. HS Co2+··· (d7) CoO < 55 oC), χ złożona

Ferrimagnetyki: silna komunikacja centrów magnetycznych, antyrównoległe ułożenie różnych spinów (np. HS Fe3+····· (d5) @ Fe2+···· (d6) Fe3O4 < 585 oC), χ > 0, złożona

χ

0 T

dia

paravan VleckPauli ferro

TCurieTNeel

antiferro

nadprzew

Tkryt

Materiały magnetyczne: twarde i miękkie, nisko- i wysokotemperaturowe.

TC /oC BS /T BP /T HC /kA m–1 (BH)max

/kJ m–3

max /1000

Fe 770 2.16 0.0001 180Co 1331 1.80 0.95Ho –253 3.20

Fe3O4585 0.60

Fe2Co 970 2.52 0.98 19 7.4 0.012Co5Sm 750 0.87 760 180fnbca* 300 1.32 880 324

FeCo49V2940 2.40 0.17 4.5

NiFe16Mo5400 0.79 0.16 1000

Fe4B (szkło) 374 1.60 3.2 320

* Fe62.5Nd15B5.5Co16Al1

H

B

BS

BP

HC

TC – temperatura Curie

HC – pole koercji

BS – indukcja nasycenia

BP – indukcja szczątkowa

max – maksymalna względna przenikalność magnetyczna

(BH)max – energia zmagazynowana w polu magnetycznym obecnym w materiale, na jednostkę objętości

Składowanie energii w polu magnetycznym/SMES = Superconducting Magnet Energy Storage/

Układ wysokowydajnego magazynowania, główne straty energii są związane z koniecznością chłodzenia cewki nadprzewodzącej Ni/Ti, < 5 K Obecnie w USA na liniach przesyłowych ultrawysokiego

napięcia, dla stabilizacji mocy w okresie jej wahań

Magnetooporniki.

warstwa magnetyczna

warstwa magnetyczna

diamagnetyczny separator

mała oporność

‘FM’

duża oporność

‘AFM’

– zasada Pauliego– analogia optyczna z dwiema płytkami polaryzacyjnymi (elektron to fala materii…)

– b. duza czulosc na pole magnetyczne– twarde dyski wysokiej gestosci– glowica magnetyczna odtwarzacza tasmowego

– kompasy samolotowe– czytniki kard magnetycznych– czujniki pradu i pola (ABS, odcinacze bezpieczenstwa, mierniki natezenia pradu etc.)

1988: GIANT magnetoresistance (GMR)Baibich et al. (Paris) & Binasch et al.(Jülich)

MnIII/MnIV.

Thousandfold Change in Resistivity in Magnetoresistive La1–xCaxMnO3 FilmsS. Jin, T.H. Tiefel, M. McCormack, R.A. Fastnacht, R. Ramesh and L.H. ChenScience 264 (1994) 413

4 e– 3 e–

(La1–xCax)MnO3 (Ba1–xKx)BiO3 CaTiO3

magnetoresistance, superconductivity, ferroelectricity

ABX3 perovskite…

Przetworniki mechano-, magneto- i termoelektryczne.

termopary

Piezoelektryki

C6H5NO2 H2OH2O

+NR4Cl

U /V

U /V

+

+

+

+–

–

–

–

T T+T

U /V

Magneto-oporność

Przetworniki magnetomechaniczne i elektromechaniczne.

magnetostrykcja elektrostrykcja

Spin–crossover compounds.

Słabe pole ligandów, HS Silne pole ligandów, LS