zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Bài giảng Vật liệu cấu trúc Nano - Nguyễn Anh Tuấn

Chia sẻ: Luong My | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Báo xấu

421
lượt xem 151
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật liệu cấu trúc Nano - Nguyễn Anh Tuấn, có kết cấu nội dung gồm 5 chương: Chương 1 Giới thiệu về điện tử học Nano-dòng điện ở thang Nano, chương 2 Vật liệu bán dẫn cấu trúc Nano, chương 3 Vật liệu quang tử, quang điện từ Nano & Nano Plasmonics, chương 4 Vật liệu từ cấu trúc Nano và Spintronics, chương 5 Các vật liệu Nano khác và các vấn đề liên quan. Mời các bạn cùng tham khảo và nắm nội dung kiến thức cụ thể.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu cấu trúc Nano - Nguyễn Anh Tuấn

TRƯ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (HUT) INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE VI N V T LI U C U TRÚC NANO NANOSTRUCTURED MATERIALS Nguy n Anh Tu n HANOI - 2014
CHƯƠNG 1 GI I THI U V I NT H C NANO: DÒNG I N THANG NANO AN INTRODUCTION TO NANOELECTRONICS & CURRENT AT THE NANOSCALE NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
PH N N I DUNG CHÍNH CH.1- GI I THI U V ĐI N T H C NANO (nanoelectronics) – DÒNG ĐI N THANG NANO CH.2- V T LI U BÁN D N C U TRÚC NANO CH.3- V T LI U QUANG T , QUANG ĐI N T NANO & NANO- PLASMONICS CH.4- V T LI U T C U TRÚC NANO & SPINTRONICS CH.5- CÁC V T LI U NANO KHÁC & NH NG V N Đ LIÊN QUAN NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
N I DUNG MÔN H C GI I THI U CHUNG M c ích môn h c, C u trúc & ph m vi môn h c, Sách GK và tài li u tham kh o T NG QUAN (Nguy n Anh Tu n) 1. Tóm lư c l ch s v KH&CN nano 2. Phân lo i, gi i thi u chung v cách th c ti p c n nghiên c u các v t li u nano 3. Nh ng c trưng, tính ch t chung ph thu c kích thư c 4. M t s v n chung v công ngh ch t o v t li u nano 5. Các công c cho khoa h c nano (ch t o, thao tác, l p ráp và phân tích các c u trúc nano) 6. ng d ng c a công ngh nano - Các s n ph m t công ngh nano 7. Nh ng thách th c và cơ h i i v i KH & CN nano. CHƯƠNG 1: GI I THI U V I NT NANO (nanoelectronics) – DÒNG I N THANG NANO (Nguy n Anh Tu n) 1.1. Dòng i n vĩ mô 1.2. Dòng i n lư ng t 1.3. S v n chuy n mesoscopic 1.4. Dòng xuyên ng m lư ng t 1.5. Di trú i n t (electromigration) 1.6. Dòng ơn i n t và i n t h c phân t (molecular electronics) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
N I DUNG MÔN H C CHƯƠNG 2: V T LI U BÁN D N C U TRÚC NANO (Nguy n Văn Quy) 2.1. Gi i thi u v linh ki n bán d n có c u trúc nano 2.2. H t nanô bán d n: Tính ch t, t ng h p và ng d ng 2.3. Dây nanô bán d n: Tính ch t, t ng h p và ng d ng 2.4. C u trúc nanô “3D” d ng màng m ng 2.5. Các phương pháp v t lý ch t o c u trúc nanô 2.6. Các ch m lư ng t bán d n 2.7. Nano silic 2.8. Các c u trúc nano ZnS và ZnO CHƯƠNG 3: QUANG T , QUANG I N T NANO & NANO-PLASMONICS (Nguy n Anh Tu n) 3.1. M u 3.2. Quang t - nanophotonics 3.3. Quang i n t nano 3.4. Quang t nano 3.5. Nanoplasmonics & Spinplasmonics 3.6. M t s ng d ng tiêu bi u NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
N I DUNG MÔN H C CHƯƠNG 4: V T LI U T C U TRÚC NANO & SPINTRONICS(Nguy n Anh Tu n) 4.1. Tính ch t t thang nano 4.2. V t li u t kh i có c u trúc nano Các c u trúc 4.3. H t t nano, dot t và các chùm nano t 4.4. Dây t và ng t nano nano t 4.5. Màng m ng t c u trúc nano 4.6. Phân t và nguyên t t cô l p 4.7. Các k thu t hi n i quan sát và phân tích các c trưng c u trúc t nano 4.8. Spintronics CHƯƠNG 5: CÁC V T LI U NANO KHÁC VÀ NH NG V N LIÊN QUAN 5.1. Các v t li u nano carbon (…) 5.2. Các v t li u nano ch c năng c bi t khác (…) 5.3. Hoá h c nano (…) 5.4. Các c u trúc nano trong t nhiên (Nguy n Anh Tu n) 5.5. i n t h c phân t , nguyên t và thông tin lư ng t (Nguy n Anh Tu n) 5.6. Tình tr ng phát tri n và tương lai c a công ngh nano (Nguy n Anh Tu n) 5.7. V n c h i và an toàn trong công ngh nano (Nguy n Anh Tu n) 5.8. Nh ng v n o c xã h i liên quan t i KH&CN nano (Nguy n Anh Tu n) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
CÁC V N TI P C N N NANOELECTRONICS 1. Cơ ch c a dòng i n vĩ mô 2. Cơ ch c a dòng i n lư ng t 3. Cơ ch c a s v n chuy n mesoscopic 4. Cơ ch c a dòng xuyên ng m lư ng t 5. Cơ ch c a s di trú i n t (electromigration) 6. Cơ ch c a dòng ơn i n t và i n t h c phân t (molecular electronics) CÁC TÀI LI U THAM KH O CHÍNH CHO PH N N I DUNG NÀY [1] David K. Ferry and S. M. Goodnick, TRANSPORT IN NANOSTRUCTURES, Cambridge University Press 1997 (M c cao, v t lý lư ng t ch t r n) [2] Colm Durkan, CURRENT AT THE NANOSCALE – An Introduction to Nanoelectronics, Imperial College Press 2007 (M c trung bình, v t lý ch t r n i cương) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1.1 - Dòng đi n vĩ mô Gi i thi u khái quát nh ng nét chính trong ti n trình nh n th c và x lý đ i v i v t d n đi n và s d n đi n vĩ mô: 1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Khi chưa phát hi n ra e- ⇒ quan sát v t d n (môi trư ng) như m t t ng th , t m vĩ mô, mô t các hi n tư ng liên quan n v n chuy n i n tích – các hi n tư ng d n i n và nhi t – ch y u d a trên các mô hình có tính hình th c lu n, coi môi trư ng là liên t c, m i dòng ch y là liên t c – các phương trình liên t c. → Các Phương trình Maxwell: 1 ∂Η 4π 1 ∂E ∂ρ ∇ ⋅ Ε = 0; ∇ ⋅ Η = 0; ∇ × Ε = − ;∇ × H = j+ ⇒ divj + =0 c ∂t c c ∂t ∂t → Mô hình d n i n và nhi t c a Drude d a trên lý thuy t NG H C CH T KHÍ c a khí lý tư ng: coi v t d n là m t H CH T KHÍ I N T , trong ó các i n t d n ( i n tích âm) “lang thang” t do trong KL, còn các lõi ion dương “tĩnh t i” các nút m ng tinh th . → Các phân t khí lý tư ng tuân theo phân b Maxwell-Boltzmann. - d n theo mô hình Rude: ne 2τ σ= m NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1.1 - Dòng đi n vĩ mô 2) Lý thuy t lư ng t : Lý thuy t Sommerfeld - coi đi n t là t do Sau khi phát hi n ra e- - tính ch t lư ng t ư c ưa vào (cơ h c lư ng t ) ⇒ quan sát v t d n v n như m t t ng th , t m vĩ mô, và LIÊN T C, nhưng mô t các hi n tư ng d n liên quan n s v n chuy n c a các h t lư ng t có tính ch t XÁC SU T ⇒ s d ng dòng ch y lư ng t liên t c – các phương trình lư ng t liên t c, và TÍNH B O TOÀN XÁC SU T: Ví d phương trình Schrodinger là m t d ng c th c a p/t liên t c không ∂P (r , t ) divj + = 0 ph thu c th i gian mô t xác su t i n t trong không gian (hàm sóng ψ(r)): ∂t - i n t t do tuân theo phân b Fermi-Dirac. - Các thông s Fermi: kF, vF, EF, TF & hàm phân b F-D tính toán và nghiên c u các tính ch t d n i n và nhi t. 3) Dòng đi n trong ch t r n: Mô hình đi n t G Nt do & C u trúc d i Khi xét n các lõi ion dương t i các nút m ng tinh th tu n hoàn, hình thành nên trư ng th tu n hoàn trong ó các e- không còn t do hoàn toàn, mà “b kìm gi ”, b h n ch s chuy n ng t do – I N T G N T DO ⇒ tính ch t g n gi ng v i ch t l ng ⇒ CH T L NG FERMI – vì ch t l ng i n t này tuân theo phân b Fermi-Dirac. - V t d n v n ư c xét như m t t ng th , t m vĩ mô, và LIÊN T C, nhưng mô t s d n i n liên quan n s v n chuy n trong TRƯ NG TH TU N HOÀN ⇒ Hàm Bloch & toán t t nh ti n – các phương trình lư ng t liên t c và xác su t (hàm sóng) có d ng tu n hoàn . Ví d phương trình Schrodinger: Hamiltonian có d ng tu n hoàn (TR là toán t t nh ti n): ⇒ Năng lư ng ch phân b liên t c trong mi n k ∈ ± G (b tán s c) & gián o n t i ± G → C u trúc d i. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1.1 - Dòng đi n vĩ mô 4) C u trúc vùng & Kh i lư ng hi u d ng - Dư i tác d ng c a trư ng th tu n hoàn ⇒ các d i năng lư ng b gián o n t i các biên vùng Brillouin (vecto m ng ngh ch G) ⇒ T o thành các VÙNG NĂNG LƯ NG. - Dư i tác d ng c a trư ng ngoài ( i n trư ng, t trư ng) ⇒ i n t (m) v a tăng t c (∆v) → vecto sóng gia tăng (∆k) ng th i v a ch u tác d ng c a trư ng tinh th ⇒ s gia tăng xung lư ng ( ∆k) tương ng v i m* ≠ m. ⇒ i n t trong trư ng tinh th chuy n ng dư i tác d ng c a trư ng ngoài v i m t kh i lư ng hi u d ng m* : Nghĩa là m* là oc am c gia t c c a xung lư ng i n t theo bi n thiên năng lư ng do trư ng ngoài gây nên. Và sai l ch so v i kh i lư ng c a i n t t do: m 2h 2 * ≈ 1+ m ma 2 ∆ E (a là kho ng cách gi a các nguyên t /h ng s m ng) - E càng nh (b r ng vùng năng lư ng càng nh ), m* càng l n. 5) Ngu n g c c a đi n tr - Tán x b i phonon – các chu n h t bi u di n dao ng m ng tinh th . - Tán x b i sai h ng m ng – các nút khuy t/ch tr ng, l ch/méo m ng, ... Làm bi n d ng trư ng - Tán x b i t p ch t/nguyên t l tinh th (tu n hoàn) - Tán x b m t & h n ch kích thư c NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude - Hành vi v n chuy n thang vĩ mô c a các v t d n r t khác nhau, dòng đi n thông thư ng, đư c hi u r t đơn gi n qua mô hình Drude - đi n hình cho các KL. - Khi các v t d n gi m kích thư c xu ng đ n thang nano, nhi u hi u ng tinh t ch đư c hi u theo cơ ch c a cơ h c lư ng t . - Gi a hai ch đ vĩ mô và nano là hành vi v n chuy n mesoscopic (trung mô). - Đ nh lu t Ohm cho dòng đi n thang vĩ mô: • Quan sát th c nghi m c a Georg Ohm vào năm 1820 đã cho th y “ nhi t đ không đ i, dòng ch y qua m t v t d n t l thu n v i đ chênh l ch đi n th (đi n áp) đ t gi a hai đ u c a v t: I = σ(V1 – V2) = U/R, ho c: U = IR”, trong đó σ = 1/R là h s t l g i là đ d n, ph thu c b n ch t và đ c trưng cho v t d n, còn R, ngh ch đ o c a đ d n, đư c g i là đi n tr . • Đi n tr ph thu c vào hình h c c a v t d n và m t h ng s v t li u mô t b n ch t c a v t d n - đi n tr su t ρ, theo h th c: R = ρl/A, trong đó l và A tương ng là chi u dài và thi t di n c a v t d n. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude V n đ đ t ra đ i v i dòng đi n đ th c hi n vi c hi u ch nh thang nano khi có đóng góp c a cơ h c lư ng t : - Dòng đi n là gì? - T i sao và dòng đi n ph thu c vào đi n áp như th nào ? - Cái gì là tiêu bi u cho đi n tr /đi n tr su t c a các v t d n? - nh hư ng c a s thay đ i nhi t đ lên dòng đi n là như th nào? Nh ng gi thi t d n đ n mô hình Drude: - Các đi n t không tương tác v i m i đi n t khác, ho c v i m ng tinh th . + Gi thi t này th a mãn v i ph n l n các kim lo i (vì đó th nguyên t và tương tác đi n t b ch n hi u qu do m t đ đi n t cao c a KL) → khí đi n t t do. + Đ i v i bán d n hoàn toàn khác: c u trúc d i v i khe năng lư ng. - Các đi n t có th có v n t c b t kỳ, do đó có th có năng lư ng b t kỳ. + Gi thi t này là không th v i quan ni m lư ng t : năng lư ng có các giá tr xác đ nh và gián đo n. - T t c các đi n t có trong v t d n đ u đóng góp vào s d n đi n. + Th c t ch có m t s đi n t các l p v đi n t tham gia: d i s, d,… - Khí đi n t ch y theo phân b th ng kê Maxwell – Boltzmann (ki u khí lý tư ng). + Th c t các đi n t tuân theo phân b Fermi – Dirac (đ/t có tương tác). - 2014 NguyenAnhTuan-ITIMS
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Ph l c: Các phân b th ng kê - Vì các đ/t là các h t Fermion (h t cơ b n nh , có s lư ng t spin l th p phân) → Dòng ch y không tuân theo phân b th ng kê Maxwell - Boltzmann, mà theo phân b th ng kê Fermi-Dirac. M c T t c các có cùng e- Các s p x p theo nguyên lý e- năng hư ng spin u có th có lo i tr c a Pauli: các /t có lư ng cùng m t m c năng lư ng cùng hư ng spin không th có cùng m t m c năng lư ng NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Ph l c: Các phân b th ng kê - Phân b Maxwell - Boltzmann Đ i tư ng: Các ch t khí lý tư ng → phân t Phân b chu n Phân b s h t Phân b năng lư ng D ng phân b c a m t h t theo quy lu t Maxwell - Boltzmann ph thu c vào nhi t NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Ph l c: Các phân b th ng kê - Phân b Fermi-Dirac Đ i tư ng: Các h t có spin bán nguyên (fermions) → đi n t → tuân theo nguyên lý lo i tr Pauli S phân b c a i nt d n trong bán d n tuân theo hàm phân b Fermi-Dirac khi nhi t T tăng d n. Hàm phân b Fermi-Dirac D ng thay i c a hàm phân b Fermi-Dirac v iT>0K theo nhi t T tăng d n. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Ph l c: Các phân b th ng kê - Phân b Bose-Einstein Đ i tư ng: Các h t có spin nguyên (bosons) → photons, nguyên t , h t nhân nguyên t → không tuân theo nguyên lý lo i tr Pauli S các h t bosons theo phân b Bose-Einstein khi gi m nhi t . NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Ph l c: Tương quan gi a 3 phân b Bose-Einstein Maxwell-Boltzmann Fermi-Dirac E −µ Suy bi n năng lư ng: Các h t các tr ng thái lư ng t khác η 1 (high degeneracy). nhau nhưng có cùng m t m c năng lư ng. Hàm phân b i v i các h 2D c a các h t MB, BE và FD. (a) M c suy bi n th p (η = 0.5); (b) M c suy bi n cao (η = 5). NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Tr l i v i các câu h i đã nêu v dòng đi n: Dòng đi n là gì? - Đi n áp đ t lên v t d n → t o ra đi n trư ng E đ nh x trong v t d n. - E sinh ra l c tác d ng lên các đi n t (e = - 1.6×10-19 C) v i cư ng đ F = eE. - K t q a: đi n t b gia t c, chuy n đ ng d c theo, nhưng ngư c chi u v i chi u đư ng s c c a đi n trư ng E. - Dòng đi n là dòng ch y c a các h t t i đi n tích bên trong v t d n. - Cư ng đ dòng đi n là là lư ng đi n tích (Coulombs) đi qua m t đi m trong v t d n trong m t đơn v th i gian (s): dòng 1 A tương ng v i 3.25×1018 đi n t đi qua m t đi m trong 1 s. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude Mô hình Drude: T i sao và dòng đi n ph thu c vào đi n áp như th nào ? - Th c t các đi n t không b gia t c m t cách liên t c không gi i h n khi ch y qua v t d n, mà b trôi d c theo đư ng s c đi n v i v n t c h u h n – g i là v n t c trôi (~ 106 m/s) – liên t c b t n hao xung lư ng do va ch m v i các t p ch t, các sai h ng m ng, dao đ ng m ng (tán x phonons) bên trong v t d n. - Kho ng cách và th i gian trung bình gi a các l n va ch m tương ng g i là quãng đư ng t do trung bình, λ, và th i gian t do trung bình, τ, c a các đi n t . Các giá tr tiêu bi u: v i các kim lo i Troom, λ ~ 10-50 nm; τ ~ 10-4 s. - L c tác d ng lên đi n t F (= eE ) = m.a (m = kh i lư ng đi n t , a = gia t c) → v n t c trung bình c a đi n t ν (= a.τ ) trư c khi va ch m s là: ν = eEτ/m. - V i n đi n t trong m t đơn v th tích → m t đ dòng J = nev = ne2τE/m. - V cơ b n, h th c này di n t m nh đ chính c a đ nh lu t Ohm: m t đ dòng t l v i đi n trư ng, J ~ E, mà E = U/l (l là kho ng cách gi a hai đi m đ t đi n th ) - H s t l chính là đ d n σ : J = σE, do đó σ = ne2τ/m → Drude’s model - Đi n tr su t ρ = 1/σ = m/ne2τ. - Th i gian h i ph c: τ = m/ne2ρ = (0.22/ρµ).(rs/a0)3 × 10-14 sec, trong đó ρµ là đi n tr su t tính theo đơn v µ .cm, rs = [3/(4πn]1/3 là bán kính c a m t hình c u b ng th tích cho m i đi n t ; a0 (bán kính Bohr) = ħ2/me2 = 0.529 × 10-8 cm (0.529 Å). NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014
1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude nh hư ng c a nhi t đ lên dòng đi n là như th nào? - Theo mô hình Drude σ = ne2τ/m hay ρ = m/ne2τ, khi tăng T, các nguyên t trong v t d n chuy n đ ng m nh m hơn → làm gi m τ và λ → gi m đ d n, tăng đi n tr . - Vi c tăng dòng qua v t d n cũng làm tăng s va ch m gi a các đi n t và v i th c th bên trong v t d n → làm gi m τ và λ, và làm T tăng lên (làm nóng v t d n). - Chính nhi t làm nóng v t d n mà gây nên s tăng đi n tr su t đã làm cho đư ng đ c trưng dòng-đi n áp tr nên không tuy n tính: I nh lu t Ohm Current (A) Mô hình Drude U = RI E = ρJ = m/ne2τ (× l) Voltage (V) U - Đ nh lu t Ohm đư c rút ra hoàn toàn chưa xét đ n b n ch t lư ng t c a v t li u. - Đ hi u sâu hơn v tính d n đi n, c n xét đ n mô hình đi n t t do c a v t d n. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.