Nanorészecskék fizikája, kvantumkémiai effektusok

Az előadások a következő témára: "Nanorészecskék fizikája, kvantumkémiai effektusok"— Előadás másolata:

1 Nanorészecskék fizikája, kvantumkémiai effektusok
redukált dimenziók esetén Altenberg katedrális üveg ablaka üvegben oldott arany részecskék A néhány nm nagyságú Au részecskék felületi plazmon-gerjesztése okozza ezt a spektrális tulajdonságot. Az optikai tulajdonságok méretfüggőek (redukált dimenziók, kvantummechanika). Már a Nyugatrómai Birodalomban is nanotechnológiát használtak (bár semmit sem tudtak a plazmonokról).

2 Csillám felületen hordozott Ag nanorészecskék optikai viselkedése a hordozó felületével párhuzamos és arra merőleges plazmonok gerjesztésével értelmezhető. Szűk méreteloszlás plazmon: az elektronok (elektron felhő) kollektív rezgése az atomtörzsek (mint pozitíven töltött részecskék) felett A felhasadás oka az, hogy a részecske nem gömb alakú, vagyis a részecske magassága más mint az átmérője.

3 Néhány nevezetes nanorészecske, ahol mind az elektron-szerkezet, mind a geometria különleges tulajdonságokat mutat Au6 Si7 Al13 e- C60 fullerén Ötfogású bi-biramis szerkezet, 1.5 eV széles tilltott sávot mutat. Ikosaéder, ötfogású szimmetria, mágneses tulajdonságot mutat, ellentétben a tömbi aluminiummal. Alapállapotban egy elektron többletet tar-talmaz, szerkezetileg a benzol gyűtűre emlé-keztet, s nem a tömbi arany fcc szerkezetére.

4 (szokás beszélni elektron „confinement”-ről is
Miért érdekes a redukált dimenziójú (a 3D kiterjedés egy vagy több irányban atomi méretű) objektumok fizikai-kémiája ? (szokás beszélni elektron „confinement”-ről is „bezárt elektron” ) 3 D tömb D vékonyréteg 0D kvantumpötty nanorészecske A méretcsökkentéssel eljutva a 10 nm alatti tartományban a kiterjedt testekre jellemző folytonos sávszerkezet egyre diszkrétebbé válik. Ha az elektronokat síkhullámként kezeljük, akkor a kvantummechanika egyik alapproblémájához jutunk, nevezetesen a dobozba zárt részecske problematikájához. Ennek vizsgálata vezetett a szilárdtestek elektron sávelméletéhez. Amennyiben a az elektron centrális elektromos erőtérbe helyezzük, eljutunk az atomok körüli stabil elektronpályák fogalmához. Ez pedig minden atom és molekula spektroszkópia alapja. A kvantumos szerkezet nemcsak elektronikai és optikai alkalmazásokban fontos, de bizonyos esetekben különleges kémiai tulajdonságokat is eredményezhet.

5 Néhány atomos klaszterek tanulmányozása fotoelektronspektroszkópiával
(a „vizsgálati tárgyak”-at, a nanoklasztereket klaszterforrásokkal állíthatjuk elő) adott anyag, különböző klaszterméret 4s 3d különböző anyag, adott klaszterméret closed shell

6 Hogyan lehet vizsgálni az oxid felületen kötött egyedi fém-nanorészecskék elektronikai tulajdonságait ? a tiltott sáv szélességének változása a részecske méretével Optikai spektroszkópiai módszerek esetén szűk méreteloszlásnak kell lenni ! STS-módszerrel az egyedi klaszterek is vizsgálhatók !

7 Az egyelektron tranzisztor elve és fizikai analógiái
Tranzisztor elv: egy kapu elektródával szabályozzuk az elektron áramlást Egyelektron eszköz esetében egyetlen elektron átjutását szabályozzuk ilyen módon Fizikai analógiát a elektronikában a kondenzátorok fizikája jelenti                                                                          

8 B.E. Kane javasolta egy Nature-ben (1998) megjelent cikkében
Egyelektron eszköz: kvantum számítógép / elve és megvalósítási nanotechnológiája B.E. Kane javasolta egy Nature-ben (1998) megjelent cikkében a technológia elvi lépései Magspin I=1/2, ami a közelében kötött elektronnal zérussá változik, de ez csak alacsony hőmérsékleten megy. A rendszert mágneses térbe helyezve a magspin két jó definiált állapotot ad, amelyet nagyfrekvenciás gerjesztéssel váltogatni lehet. A J elektródákra adott feszültséggel lehet hangolni a szomszédos szegmensek átfedését. Természetes a működéshez egy ugyanilyen de azonos spinbeállású alkatrész is szükséges. a technológia STM-el kontrollált megvalósítása

9 Nanorészecskék, nanostrukturált felületek alkalmazási területei
Napelemek, korroziógátló, kemény és mágneses bevonatok hidrogén tárolók üzemanyag cellák levegőtisztítás energiatárolók vékonyfilmek fotokatalízis nanorészecske nanorészecske nemlineári optikai jelenségek fotoelektromos színjelenségek kemoelektromos jelenségek mikro-nanoelektronika kvantumpötty lézerek egyelektron tranzisztorok monitorok, kijelzők gázszenzorok