Нанотехнологияға кіріспе: наномасштабтағы кванттық эффектілер

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

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

Паули принципы:

Бір энергетикалық деңгейде екіден артық электронның болуы мүмкін емес

Бір атом екіншеге жақындағанда, деңгейлер екіге бөлшектенеді

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.

Потенциалдық тосқауылдың классикалық жағдайының мысалы - шариктің ауыр күші өрісінде қозғалуы

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

Әртүрлі тыйым салынатын аумағы бар 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 мен оларды алу технологиялары

Атом құрылысының квантмеханикалық теориясы және кванттық сандар

Атомның кванттық-механикалық моделі, кванттық сандары және периодтық жүйедегі s, p, d элементтері

Атомның кванттық-механикалық моделі және квант сандары

Кванттық механикадағы физикалық шамалардың операторлары: сызықтылық пен эрмиттілік

Кванттық механика: эксперименттер, фотондық табиғат пен теориялық негіздер

Фотоэффект: кванттық теория, заңдар және есептер (сабақ жоспары)

Кванттық ротатор: сфералық меншікті функциялар, энергетикалық деңгейлер және сұрыптау ережелері

Фотоэффекттің кванттық теориясы және есептерін шешу (практикалық сабақ)

Жарықтың кванттық қасиеттері: Планк формуласы және Боте мен Вавилов тәжірибелері