Nascholing Module Quantumwereld

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Nascholing Module Quantumwereld"

Mirthe Marleen de Smet
10 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Nascholing Module Quantumwereld 20 maart 2012; 16:00-20:00 Peter Christianen

2 Programma Verdieping van de tijdsonafhankelijke Schrödingervergelijking Tijdsonafhankelijke Schrödingervergelijking 6.6 blz. 61 Deeltje in een oneindige potentiaalput 4.1 blz. 34 Deeltje in een eindige potentiaalput Fig. 3.7 blz. 25 voorbeeld: halfgeleider nanokristal (versimpeld) Fig.4.9 blz. 37 Tunnelbarrière 3.2 blz. 25 voorbeeld: Scanning Tunneling Microscopy Fig.3.2 blz. 23 Harmonische Oscillator Waterstofatoom 4.2 blz. 38 Complexe atomen: periodiek systeem 4.3 blz. 41 Gekoppelde Kwantumputstructuren: de limiet naar vaste stoffen 2 gekoppelde quantumputten het H 2 + molecuul N gekoppelde quantumputten Energiebanden en energiekloven blz. 45 Metalen, isolatoren en halfgeleiders blz. 45 Nanostructuren (Voorbeelden uit hedendaags onderzoek) Halfgeleider nanostructuren Diodelasers Opg. 35 blz. 48 Colloidale halfgeleider nanokristallen Grafeen Quantum Information technologie 6.2 blz. 60

2 blz. 38 Complexe atomen: periodiek systeem 4.3 blz.

3 Scanning Tunneling Microscopie (STM)

4 Scanning Tunneling Microscopie (STM) Bron: Wikipedia

5 STMs in alle soorten en maten Kamer temperatuur STM UHV STM Vloeistof STM NanoLab Nijmegen

6 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 nm - Au (111) - Ag (111) - Grafiet (HOPG)

current path of tip Substrate with molecules Geschikte

7 Xenon op Nikkel (110)

8 Atoom resolutie op Si(111) Si(111) 7x7 U gap =1.99 V I t = 2.0 na 20 nm x 20 nm

9 Ijzer op koper (111) IBM

10 Vloeibare kristallen Octylcyanobiphenyl (8CB) CN Grafiet 5 x 5 nm 20 x 20 nm, V bias = -0.9 V, i set = 10 pa NanoLab Nijmegen

11 Vloeistof STM STM tip Oplossing met moleculen grafiet oppervlak NanoLab Nijmegen

12 7 Å Porfyrine moleculen Edge-on orientation O 30 Å O O O N NZn N N O NZn N N N O O O O O O O N Zn N N N N N Zn O N N O O O O O O O NZn N N N O O N NZnN N O O V = -220 mv i = 1 pa NanoLab Nijmegen

13 Halfgeleider nanostructuren

14 Halfgeleider nanostructuren AlGaAs GaAs AlGaAs Bulk halfgeleider 3D Geleidings band Dunne laag - Kwantum put 2D Valentie band E g E g

15 Voorbeeld: Bandstructuur van Halfgeleiders GaAs: directe energiekloof Sterke emissie met Karakteristieke tijd : 1-10 ns Si: indirect energiekloof Zeer zwakke emissie (1-10 ms)

16 Eigenschappen zijn variabel Al x Ga 1-x As Al x Ga 1-x As InP

17 Maakbare Eigenschappen (Al)GaAs ZnTe GaAs AlGaAs Geleidings band CdTe InAs GaAs ZnTe GaAs AlGaAs Al x Ga 1-x As electronen E g Valentie band gaten

18 Halfgeleider nanostructuren AlGaAs GaAs AlGaAs Bulk halfgeleider 3D Geleidings band Dunne laag - Kwantum put 2D Belangrijk voor optische toepassingen: LEDs, lasers (CD,DVD, pointers) Kleur is te veranderen door: materiaalkeuze laagdiktes foton Valentie band

optische toepassingen: LEDs, lasers (CD,DVD, pointers) Kleur is

19 Energiekloof (ev) Bandgap Engineering Roosterconstante (Angstrom)

20 Laag voor Laag Groeien van Nanostructuren

21 Diode Lasers

22 Lasers voor CD, DVD, Blue Ray, pointers

23 Halfgeleider nanostructuren Bulk halfgeleider 3D Dunne laag - Kwantum put 2D Kwantum draad 1D

24 Groei van nanodraden

26 Nanodraad Transistor

27 Halfgeleider nanostructuren AlGaAs GaAs AlGaAs Bulk halfgeleider 3D Geleidings band electronen Dunne laag - Kwantum put 2D Valentie band gaten Kwantum draad 1D Kwantum doos 0D Quantum Dots Nanocrystals Artificial atoms

28 Halfgeleider Quantum Dots GaAs AlGaAs ZnTe d p s InAs GaAs CdTe Geleidings band s p d Valentie band d 20 nm h 5 nm

29 Capacitance (pf) Epitaxiale QDs Quantum dots GaAs/AlAs SL GaAs tunnel barriere h 5 nm s 2 3 p 4 B = 0 T T = 4.2 K 5 6 d 20 nm 0.0 p Bias voltage

30 Fotoluminescentie experiment laser excitatie d p s s p d Geleidings band PL Valentie band Intensiteit Kleur Polarisatie Dynamica

31 Photoluminescence (arb. units) Optisch spectrum QDs s p B = 0 T T = 4.2 K d p s d s p d Energy (ev)

32 Energy (ev) Zeeman spectrum d p s s Electronen Lijkt op het Zeeman-effect in atomen p Gaten d Magnetic Field (T) Quantum Dots Nanocrystals Artificial atoms

33 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 foton entangled fotonen time Toepassingen in: quantum cryptografie quantum optica lage ruis Yuan et al., Science 295, 102 (2002) Stevenson et al., Nature 439, 179 (2006)

34 Enkele Foton Emitter GaAs foton Michler et al., Science 290, 2282 (2000)

35 Halfgeleider Nanokristallen

36 Colloidale Nanokristallen 5 nm

37 Colloidale Nanokristallen Emissie

38 Emissie Spectrum Nanokristallen colloidale CdSe quantum dots Size matters

PL Intensity (arb. units) Verschillende Materialen 1.0 PbS PbSe CdSe CdTe 0.8 2.

39 PL Intensity (arb. units) Verschillende Materialen 1.0 PbS PbSe CdSe CdTe R = Photon energy (ev)

40 Toepassingen LEDs, Lasers, Zonnecellen

41 Biolabeling & Bio-Imaging Toepassingen Multicolor immunofluorescence imaging with Qdot secondary antibody conjugates.

42 Grafeen

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

43 3D Koolstof Materialen 2D 0D Fullerenen Grafiet (semimetal) Curl, Kroto, Smalley 1985 Nobelprijs 1996 Diamant (isolator) Grafeen (zero-gap halfgeleider) Geim, Novoselov 2004 Nobel prijs D Carbon Nanotubes Multi-wall 1991 Single-wall 1993

44 Nobelprijs Natuurkunde 2010 Andre Geim & Kostya Novoselov Nobelprijs Natuurkunde 2010 "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"

45 Conventionele Materialen E Elektronenenergie: E 2 k 2m 2 * 2 p 2m * 1 2 * 2 m v k parabolische dispersie voor deeltjes kinetische energie stijgt 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 3 1 0 10 6 a 2 m/s n -

46 Grafeen: relativistische electronen Halfgeleider zonder energiekloof lineaire dispersie (relativistische deeltjes ) E (k) = ± c ħ k c a 2 m/s n - dotering E F E F E F p - dotering elektronen in grafeen bewegen met constante snelheid c ( lichtsnelheid ) net zoals elektrisch geladen fotonen (lichtdeeltjes)

47 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 (10 6 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 m 2 /g) Compleet impermeabel (zelfs voor He) en toch transparant (97.7%)

, Science 323, 610 (2009) MEMS Microelectromechanische systemen - massa sensor - accellerometer DNA sensor, Lu et al.

48 Flexibele touchscreens Enkele toepassingen Waterstof opslag Chemische sensoren (CH) n - Transparant en dun - goed geleidend - eerste producten in 2012 TEM grids grafeen (sp 2 ) grafaan (sp 3 ) Elias et al., Science 323, 610 (2009) MEMS Microelectromechanische systemen - massa sensor - accellerometer DNA sensor, Lu et al. APL 97, (2010) 100+ GHz transistor -Commercieel beschikbaar - Werk in uitvoering IBM (155 GHz, 40 nm) UCLA Samsung (300 GHz) 500 GHz in 2013?

Vergelijkbare documenten

Samenvatting. Samenvatting

Samenvatting. Samenvatting Samenvatting Een 'quantum dot' is een kristallijne strucuur waarvan de afmetingen in drie dimensies zijn beperkt, zodat de golffuncties van de elektronen opgesloten zijn in dit volume. De typische afmetingen