Nascholing Module Quantumwereld

Nascholing Module Quantumwereld

20 maart 2012; 16:00-20:00 Peter Christianen ([email protected])

Programma • Verdieping van de tijdsonafhankelijke Schrödingervergelijking Tijdsonafhankelijke Schrödingervergelijking  Deeltje in een oneindige potentiaalput  Deeltje in een eindige potentiaalput voorbeeld: halfgeleider nanokristal (versimpeld)  Tunnelbarrière voorbeeld: Scanning Tunneling Microscopy  Harmonische Oscillator Waterstofatoom  Complexe atomen: periodiek systeem

§6.6 §4.1 Fig. 3.7 Fig.4.9 §3.2 Fig.3.2

blz. blz. blz. blz. blz. blz.

61 34 25 37 25 23

§4.2 §4.3

blz. 38 blz. 41

• Gekoppelde Kwantumputstructuren: de limiet naar vaste stoffen 2 gekoppelde quantumputten  het H2+ molecuul  N gekoppelde quantumputten  Energiebanden en energiekloven  Metalen, isolatoren en halfgeleiders

blz. 45 blz. 45

• Nanostructuren (Voorbeelden uit hedendaags onderzoek)  Halfgeleider nanostructuren  Diodelasers  Colloidale halfgeleider nanokristallen  Grafeen  Quantum Information technologie

Opg. 35 blz. 48

§6.2

blz. 60

Science in High Magnetic Fields

Scanning Tunneling Microscopie (STM)


Scanning Tunneling Microscopie (STM)

Bron: Wikipedia


STMs in alle soorten en maten

Kamer temperatuur STM

UHV STM Vloeistof STM NanoLab Nijmegen Science in High Magnetic Fields

STM in de praktijk: enkele moleculen Vlak en geleidend substraat

Constante stroom principe STM tip

tunneling current

path of tip Substrate with molecules

Geschikte substraten: vlak & geleidend

5 – 500 nm

- Au (111) - Ag (111) - Grafiet (HOPG) Science in High Magnetic Fields

Xenon op Nikkel (110)


Atoom resolutie op Si(111)

Si(111) 7x7 Ugap =1.99 V It= 2.0 nA 20 nm x 20 nm Science in High Magnetic Fields

Ijzer op koper (111)

IBM


Vloeibare kristallen Octylcyanobiphenyl (8CB)

CN

Grafiet

5 x 5 nm

20 x 20 nm, Vbias = -0.9 V, iset = 10 pA NanoLab Nijmegen Science in High Magnetic Fields

Vloeistof STM

STM tip

Oplossing met moleculen

grafiet oppervlak

NanoLab Nijmegen Science in High Magnetic Fields

Porfyrine moleculen 7Å

„Edge-on‟ orientation O

O

30 Å

N N Zn N N

O

O

O O

N NZn N N

O O

O

N N Zn N N

O

O O O

O

N NZn N N

O

O O

N N Zn N N

O O O

N N Zn N N

O

O O

O

V = -220 mV i = 1 pA NanoLab Nijmegen Science in High Magnetic Fields

Halfgeleider nanostructuren


Halfgeleider nanostructuren AlGaAs

Bulk halfgeleider 3D

Dunne laag Kwantum put 2D

GaAs

AlGaAs

Geleidings band

Eg

Eg

Valentie band


Voorbeeld: Bandstructuur van Halfgeleiders

GaAs: directe energiekloof Sterke emissie met Karakteristieke tijd : 1-10 ns www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/

Si: indirect energiekloof Zeer zwakke emissie (1-10 ms)


Eigenschappen zijn variabel AlxGa1-xAs

AlxGa1-xAs

InP

www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/ Science in High Magnetic Fields

Maakbare Eigenschappen (Al)GaAs CdTe InAs GaAs

ZnTe GaAs AlGaAs

ZnTe GaAs AlGaAs

Geleidings band

AlxGa1-xAs

electronen

Eg Valentie band

gaten



GaAs

AlGaAs


Dunne laag Kwantum put 2D

Geleidings band

foton Valentie band

Belangrijk voor optische toepassingen: • LEDs, lasers (CD,DVD, pointers) •Kleur is te veranderen door: • materiaalkeuze • laagdiktes


Energiekloof (eV)

Bandgap Engineering

Roosterconstante (Angstrom) Science in High Magnetic Fields

Laag voor Laag Groeien van Nanostructuren


Diode Lasers


Lasers voor CD, DVD, Blue Ray, pointers


Halfgeleider nanostructuren Bulk halfgeleider 3D

Dunne laag Kwantum put 2D Kwantum draad 1D


Groei van nanodraden



Nanodraad Transistor




GaAs

AlGaAs

Geleidings band electronen

Dunne laag Kwantum put 2D Kwantum draad 1D Kwantum doos 0D

gaten

Valentie band

Quantum Dots – Nanocrystals “Artificial atoms”


Halfgeleider Quantum Dots GaAs AlGaAs ZnTe d

InAs GaAs CdTe

Geleidings band

p s s p d

Valentie band

h  5 nm d  20 nm


Epitaxiale QDs Quantum dots GaAs/AlAs SL GaAs tunnel barriere

h  5 nm d  20 nm

Capacitance (pF)

0.6

0.4

0.2

1

2

B=0T T = 4.2 K

3

4 5 6

p

s

p 0.0 -1500

-1000

-500

0

Bias voltage


Fotoluminescentie experiment

d

Geleidings band

p

laser excitatie

s s p d

PL

Intensiteit Kleur Polarisatie Dynamica

Valentie band


Photoluminescence (arb. units)

Optisch spectrum QDs s

p

B=0T T = 4.2 K

d p s s p d

d 1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

Energy (eV)


Zeeman spectrum 0.15

d p

Energy (eV)

0.10

Electronen Lijkt op het Zeeman-effect in atomen

s

0.05

0.00

s

Gaten

p

-0.02

Quantum Dots – Nanocrystals

d -0.04 0

5

10

15

20

25

30

“Artificial atoms”

Magnetic Field (T) Science in High Magnetic Fields

Bronnen voor enkele fotonen enkele QD die 1 & slechts 1 photon uitzend op vaste tijden • electrische injectie • efficient • gewenste kleur • gewenste polarisatie • kamer temperatuur • entangled fotonen Yuan et al., Science 295, 102 (2002) Stevenson et al., Nature 439, 179 (2006)

entangled fotonen

foton

time

Toepassingen in: • quantum cryptografie • quantum optica • lage ruis Science in High Magnetic Fields

Enkele Foton Emitter GaAs

foton

Michler et al., Science 290, 2282 (2000) Science in High Magnetic Fields

Halfgeleider Nanokristallen


Colloidale Nanokristallen

5 nm


Colloidale Nanokristallen Emissie


Emissie Spectrum Nanokristallen

colloidale CdSe quantum dots

“Size matters” Science in High Magnetic Fields

Verschillende Materialen PL Intensity (arb. units)

1.0

PbS

PbSe

CdSe

CdTe

2.0

1.7

0.8 2.0

R = 3.7

0.6 0.4 0.2 0.0 0.8 0.9 1.0

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

Photon energy (eV)


Toepassingen LEDs, Lasers, …

Zonnecellen


Toepassingen Biolabeling & Bio-Imaging

Multicolor immunofluorescence imaging with Qdot® secondary antibody conjugates.


Grafeen


Koolstof Materialen 3D

2D

0D Fullerenen Curl, Kroto, Smalley 1985 Nobelprijs 1996

Grafiet (semimetal)

1D Diamant (isolator)

Grafeen (zero-gap halfgeleider) Geim, Novoselov 2004 Nobel prijs 2010

Carbon Nanotubes Multi-wall 1991 Single-wall 1993


Nobelprijs Natuurkunde 2010

Andre Geim & Kostya Novoselov

Nobelprijs Natuurkunde 2010 "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"


Conventionele Materialen E

Elektronenenergie:

 2k 2 p2 1 * 2 E   mv * * 2m 2m 2 • parabolische dispersie voor deeltjes • kinetische energie stijgt

k

kwadratisch met snelheid • Kan worden beschreven met behulp van de niet-relativistische (kwantum-)mechanica


Grafeen: relativistische electronen Halfgeleider zonder energiekloof lineaire dispersie (relativistische deeltjes )

E (k) = ± c ħ |k|

c

n -dotering

3 1a0  106 m/s 2

EF

EF E

F

p -dotering • elektronen in grafeen bewegen met constante snelheid c (“lichtsnelheid ”) • net zoals elektrisch geladen fotonen (lichtdeeltjes)


Grafeen: toepassingen ? • Koolstof laagje met de dikte van 1 atoom • Eerste echt 2D crystal • Unieke eigenschappen

 Hoogste intrinsieke mobiliteit (100  m (Si))  Record thermische geleidbaarheid  Hoogste stroomdichtheid (106  j(Cu) op kamertemperatuur  Dunste materiaal dat je je kunt voorstellen  Sterkste materiaal  Stijfste bekende material (stijver dan diamant)  Ontzettend rekbaar kristal (20%)  Grootste oppervlak (2700 m2/g)  Compleet impermeabel (zelfs voor He) – en toch transparant (97.7%)


Enkele toepassingen Flexibele touchscreens

- Transparant en dun - goed geleidend - eerste producten in 2012 TEM grids

Waterstof opslag

(CH)n

grafeen (sp2) grafaan (sp3) Elias et al., Science 323, 610 (2009)

Chemische sensoren

DNA sensor , Lu et al. APL 97, 083107 (2010) 100+ GHz transistor

MEMS

Microelectromechanische systemen - massa sensor - accellerometer

-Commercieel beschikbaar -www.firstnano.com

Werk in uitvoering

IBM (155 GHz, 40 nm) UCLA – Samsung (300 GHz) 500 GHz in 2013 ? Science in High Magnetic Fields

Nascholing Module Quantumwereld

Recommend Documents