Нанотехнологияға кіріспе. Нанотехнологиялардағы кванттық эффектілер

Презентация қосу

Нанотехнологияға кіріспе

1 лекция
Нанотехнологиялардағы кванттық
эффектілер
Технология - techne (өнер, шеберлік)+logos (ғылым)

Технология дегеніміз – бұл өнім шығару процесінде
материалды өңдеу, жасау, оның қалпын, қасиеттерін,
формасын өзгертуге арналған құралдар мен әдістерінің
жиынтығы
Оптикалық құралсыз көзге көрінетін объектілер макроскопиялық (macro –
үлкен) деп аталады.
Макроскопиялық денелер көптеген атомдардан құрылады, мысалы тас балта
немесе авиалайнер. Кесені, балтаны, орындықты және тағысын тағылар
жасау технологиялары – бұл макроскопиялық дүниенің технологиялары.

Микроскопиялық объектілер (micro – кішкентай) деп 1-100 мкм мөлшерлі
объектілер аталады.
1 мкм=10–6 м=0,0001 см. Биологиялық клетка, қанның эритроциты және т.т. –
бұл микродүниенің объектілері. Электрондық микросхемаларды алу, генді
модификациялау – бұл микродүниенің технологияларының мысалдары.

Нанометрлік объектілер (nannos – карлик, торбық) деп 1-100 нм мөлшерлі
объектілер аталады.
1 нанометр=1 нм=10–9 м. Төмендегі суретте әртүрлі табиғи және жасанды
объектілер көрсетілген. Атомдар мен молекулардың мөлшерлері – 0,1-1 нм.
Мұндай деңгейде физика, химия, биология ғылымдары арасындағы шектері
жойылады.

Нанотехнологиялар дегеніміз – бұл нанометрлік мөлшерлері бар
материалдарды, құрылғыларды және жүйелерді жасау және қолдану.
Нанотехнологиялар атомдық және молекулалық мөлшерлі объектілермен
жұмыс істеуге мүмкіндік береді.
Бірінші ғылыми-техникалық (индустриалдық, энергетикалық)
революция
1769 ж. Д.Уаттың бу қозғалтқышына негізгі патентін алуы

Екінші (ақпараттық) ғылыми-техникалық революция
XX ғасырдың 60 ж.ж. микроэлектрониканың дамуы

Үшінші ғылыми-техникалық революция
Нанотехнологиялардың дамуы
1900 ж. 14 желтоқсан
Неміс физиктер қоғамының отырысы
Макс Планк: жарықтың энергиясы квант (лат. quant - қанша) түрінде
шығарылады

Кванттың энергиясы оның жиілігіне пропорционал:
E=h =ħ ,
мұнда ħ=h/2π – Планк тұрақтысы h 6.62 10 34 Дж с

Жарық ағынның энергиясы: E=nh ,

мұнда n=1,2,3,… - бүтін сандар

Энергияның квантталуы – бұл энергияның тек қана белгілі дискретті
мәндерге ие болуы

1927 ж.
К.Д.Дэвиссон, Дж.Томсон никель монокристалында электрондардың
дифракция құбылысын байқаған
1924 ж. Луи де Броиль

m массасы және v жылдамдығы бар бөлшектің еркін қозғалысын
ұзындығы бар бөлшек қозғалатын бағытта таралатын монохроматты
толқын түрінде алуға болады
h

mv
Паули принципы:
Бір атом екіншеге
Бір энергетикалық деңгейде
жақындағанда, деңгейлер
екіден артық электронның
екіге бөлшектенеді
болуы мүмкін емес
Монокристалл құрылғанда, атомдардың саны 1018 кем
болмайды, ал деңгей аралық қашықтық шамамен 10-18 эВ –қа
тең, сонда деңгейлер бір-бірінен ажыратылмайтындай болады.
Валентті аумақ дегеніміз – бұл валентті
электрондардан құрылған энергетикалық аумақ.
Валентті аумақтан жоғары орналасқан аумақ –
өткізгіштік аумағы деп аталады.
Диэлектриктерде валентті аумақ электрондармен
толтырылған, ал өткізгіштік аумағы бос болады

Металдарда өткізгіштік аумағының бөлігі толтырылған,
ал валентті аумақ – толығымен.
Eg1 және Eg2 тыйым салынған аумақтары бар
жартылай өткізгіштердің қос түрін қолданып,
потенциалдық тосқауылды немесе кванттық
шұңқырды алуға болады.

Өткізгіштік
аумағы

Валенттік
аумақ

а) тосқауыл б) кванттық шұңқыр
Потенциалдық тосқауылдың классикалық жағдайының мысалы –
шариктің ауыр күші өрісінде қозғалуы

Потенциалдық тосқауылдан бөлшектің
өтуі:
а) тосқауылдан классикалық бөлшектің
өтуі, б) потенциалдық тосқауыл,
в) электронның толқыны

Суреттегі таушықты потенциалдық тосқауыл ретінде алуға болады, себебі
шариктің көтерілу h биіктігі өскенде, оның потенциалдық энергиясы артады,
ал кинетикалық энергиясы – азаяды.
Потенциалдық тосқауылдың биіктігі деп бөлшектің таушық төбесіндегі
потенциалдық U=mgh энергиясы аталады
Ek>U болғанда, бөлшек таушықтың екінші жағына домалап кетеді
EkӘртүрлі тыйым салынатын аумағы бар жартылайөткізгіштерден құрылған
потенциалдық тосқауылдан сол жақтан орналасқан электрондар тосқауылды
өтуге жеткіліксіз энергияға ие болады.
Екінші жартылайөткізгішке электрондардың өтуіне тыйым салынады. Бірақта,
тосқауыл бірнеше атомдық қабаттардан құрылатын болса, электрондардың бір
бөлігі тосқауылдан өтуі мүмкін. Мұндай эффект туннельдеу құбылысы деп
аталады.
Неғұрлым тосқауылдың геометриялық өлшемдері және тосқауыл U биіктігі
мен бөлшектің кинетикалық Ek энергиясының айырымы аз болса, соғұрлым
электронның тосқауылдан өту мүмкінділігі көп болады.

Туннельдік эффект:
егер кванттық бөлшек потенциалдық U тосқауылдың бергі жағында
орналасатын болса, онда бөлшектің толық энергиясы тосқауылдан төмен болған
жағдайда да оның тосқауылдың арғы бетіне өту мүмкінділігі болады.

Туннельдеу, бөлшектің толқындық қасиеттері және энергия деңгейлерінің
квантталуы – осылардың барлығы кванттық табиғатқа жатады

Ұқсас жұмыстар

Нанотехнологияға кіріспе. Наноматериалдар және оларды алу технологиялары

КВАНТ САНДАРЫ

Нанотехнологияның дамуы өсуге әсер етедіөңдеу өндірісіндегі жұмыс орындарының саны

Физикалық шамалардың операторлары

Экогенетикалық ауруларға себеп болатын факторлар және туындайтын аурулар

Кванттық физика тарихы және тарихи деректерді физика пәнін оқытуда қолдану әдістемесін оқыту

Зарядталған бөлшектердің үдеткіші

Атомның кванты - механикалық моделі

Кванттық ротатор

Слайд құру және безендіру

Пәндер