Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
2234-7
Meeting of Modern Science and School Physics: College for School Teachers of Physics in ICTP
Yuri Galperin
27 April - 3 May, 2011
University of Oslo Oslo
Norway
Introduction to nanophysics
Introduction to Nanophysics 1
������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������
What is nanoscience and nanotechnology?
Very broad area of science and
technology having many branches.
This lecture
��������������� �������
��� �������
����������!�����������
"�������������������������������#���
2Introduction to Nanophysics
Meeting of Modern Science and School Physics:College for School Teachers of Physics in ICTP (27 April - 3 May 2011)
Introductory course in Oslo: http://folk.uio.no/yurig/Nanotechnology/MEF5010.html
Introduction to Nanophysics 3
������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������
What is nanoscience and nanotechnology?
Very broad area of science and
technology having many branches.
This talk
Introduction to Nanophysics 4
$����������%
� ����� �� �� ��
&����'&( ) �'�&( * ��
Introduction to Nanophysics 5
+���������������������������������������
������ ��������������������������
������������#���������������������������������������
� ����� �� �����
,-�
��������
"����
,��������������
� ��.����
/�������
�������
�������� ��#����
Introduction to Nanophysics 6
�����������
����� ������������� ����������������
�����������������������������0+������������������������
7Introduction to Nanophysics
Introduction to Nanophysics 8
���������� ���������������������������������������������������������������������������� �-����������
1����������� ������������������������������������������������������������������
2��������������������� ����������� ��������
2��������33����44���������������������������-������������������������������������������������������������� 5�����6���� ���������� ��������
/�������������������������������
Nanometer scale
Atoms Molecules &
Clusters
Electron
mean free
path
Bulk
materials
Length scale
MesoMicro Macro
Modern electronic devices belong to mesoscopic scale
9Introduction to Nanophysics
2��������������������� ����������� ��������
10
CMOS TECHNOLOGY
Intel’s Prescott processor
(released March 2004):
• 150 million transistors
• 90 nm design rules
• 3.4 GHz clock frequency
DRAM chips:
4 Gb chips demonstrated
(~ 109 transistors/cm2)
Intel’s Norwood (Pentium 4 - 130 nm) processor
������������������������������������77�������������������
Introduction to Nanophysics1��7((8������������������������������������9
Introduction to Nanophysics 11
+�����������������������������
: 2�� �����������������������57;<�6
: =�����������������������������
: =�����������
: ���� ������� �����������������
: /������������� ���������������� ��������������������������
: ��������
: ;����������������������������������������������������> ;���������?�����������������
: ,�������� > �����������������������
���������������@�������
Introduction to Nanophysics 12
Examples
2DEG is a generic object for new physics
������A�-���&)BC��&))B��7(((
It serves as a building block for electronic
devices
2�� ����������<������������57;<�6
Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) structures
2DEG is formed at the semiconductor-insulator
interface
Semiconductor heterostructure
2DEG is formed at the interface between two semiconductors
������������������
$��������������D��������������������������
13Introduction to Nanophysics
Introduction to Nanophysics 14
More about formation of 2D electron gas
Bending of the energy bands at the interface
Formation of 2D conduction channel
Introduction to Nanophysics 15
��������� “most two-dimensional” system imaginable
���������������������������������� ������������������������������������������������������������� ������������������������������������������
������������
���������������������������������������������
�������������������������������������������������
�������������� ��������������!��������������������
"�����������#$ �����������������������
���������������������������������������
�����������������%��������������
Introduction to Nanophysics 16
,���������������9E���������������������D�F��������������������������������������������
�������������"����G������
HD���������������������9
2���������A�-����A������7(&(
"��������
G������������������
Introduction to Nanophysics 17
=�������$��������A����/�������
,��� ���������������
/�����������������
/���������������A������������
I���D ���J�������������������
Introduction to Nanophysics 18
=�������;���
H�������?�����������
K������ "������������> ����������������
/�����������D���9
1�����L���
Introduction to Nanophysics 19
����
;��<�������
"��������������������
M������������������
/���
"�
������������������������9
/�����������D���
,���� �������������������5,<26
Introduction to Nanophysics 20
,�� ��������� ?��������������������������������I������������J��
2������������������������������������������������������������������
!������#���0 �� � ,�������
Introduction to Nanophysics 21
SINGLE-ELECTRON SINGLE-MOLECULE TRANSISTORS
J. Park et al. (2002)
Nanophysics 21
see also:- E. S. Soldatov et al. (1996)- H. Park et al. (2000)- N. Zhitenev et al. (2002)- S. Kubatkin et al. (2003)
SET within the “Orthodox” theory:
Introduction to Nanophysics 22
������
+�<
.��������
<�H =��������������
/��������-����
,2+
1����������������������������������������������
G��� A�-��7(&(
Introduction to Nanophysics 23
<����������������������� �����0: ,���� ������������������� ���N�7(����� ,�O�5���������������������������6
: A������������������ 5����������6
: M������������������������?����� ���������������������������
2������������������������������������� ����������������
,�������> �����������������
Introduction to Nanophysics 24
������������������������������%
1����������������������������������������������������������������
!����������������������#�����������������������������������
=+0�A��������������%
7
=����������������������
&
7
Introduction to Nanophysics 25
=����-�����������������������������������9
�����������������������������> ����� �������� �� ��������
Introduction to Nanophysics 26
�������������
: ��������������������?����������������> =����������������> M�������������� ������������������������������������������������ �����������������
> M�������������> M��������������������������������������������
: ���� ��������������������������?���������������?������������������������
"�����������������������������������������������
���������������������������������������������9
<�����������
Two types of experimental evidence which arose in the 1920s suggested an additional property of the electron.
One was the closely spaced splitting of the hydrogen spectral lines, called fine structure.
The other was the Stern-Gerlach experiment which showed in 1922 that a beam of silver atoms directed through an inhomogeneous magnetic field would be forced into two beams.
It was recognized in the early years of quantum mechanics that atomic spectra measured in an external magnetic cannot be predicted with just orbital quantum numbers. A solution to this problem was suggested in early 1925 by George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit, students of Paul Ehrenfest (who rejected the idea), and independently by Ralph Kronig, one of Lame's assistants.
Uhlenbeck, Goudsmit, and Kronig introduced the idea of the self-rotation of the electron, which would naturally give rise to an angular momentum vector in addition to the one associated with orbital motion. 27
=�������+����������1��������A�������0�,�������,�������
In quantum mechanics spin is a fundamental characteristic property of particles. Spin is a type of angular momentum.
When combined with the spin-statistics theorem, the spin of electrons results in the Pauli exclusion principle, which in turn underlies the periodic table of chemical elements.
Electrons are fermions, while
photons, phonons and magnons are
bosons
28Introduction to Nanophysics
���� ������������������������
Scheme for molecular manufacturing
Encapsulated 4 nm Au particles self-assembled into a 2D array supported by a thin film, Anders et al., 1995
������������
29Introduction to Nanophysics
Introduction to Nanophysics 30
1�������������������������������������������������������������
<�������������������������������������������������
���� ������� ��������
<��������I��������J +��������������� /���������������
/���������������
Introduction to Nanophysics 31
“Shuttle” transfer of electrons
A movable cluster “conveys” electron one by one
In some cases electro-mechanic instabilities can take place
“Shuttle” transport has been observed in several concrete systems
Introduction to Nanophysics 32
,���������������������������0��������������
+������������������������������������������������������������
�����������
+����������0�A�����������������������������������������������������������������������������������������������������������
Simulation of increased light
intensity beneath a metal nanoparticle
on a silicon cell
Key players: Centre for Sustainable Energy Systems at the Australian NationalUniversity (ANU) ; Caltech, US; FOM-Institute, AMOLF,the Netherlands.
Introduction to Nanophysics 33
+������������������������
/�������������� > ������������������������
=������������� > ���������������������������������������������.����������0
2����������������������������-��?����-���� >?��������������������������
Introduction to Nanophysics 34
"����������������������> ������������������������
,������������������/�������������������������������������������������������/
����������� ����� �����������������
1�������������������������������������������������������������������������������������
2��������������������������������������������������������������������
Introduction to Nanophysics 35
����������������������������������
Introduction to Nanophysics 36
����������������������������������?�������������������������������
2������������������������������������������������������������������������������������������
"����������������������������������?����-���� ����������7�7P� �����������������������������7(�G�
2���������������������������������������"�������������������2���������������������D�������������������������������
2���������������?����������������Q(���������������������������������������������������������������"������������������������������&8(�������������B(�����������������������������
Introduction to Nanophysics 37
2���?�������E��������������,����D�� ���E��������������
,����D�� ���E�����������������������?�������E����������$�����D�������������������������������������������E��������������5M�� ����M���������������6�����������������������������������������������������������������������������������������������������?�����������2��������������������������������������������������&((��G�
2���E����������������?����-�� ����������P7�7�
/�������
E��������
Introduction to Nanophysics 38
A��������������
2�������������������������������������������������&�������5������������������������������6�������������������������������������������������������������������������������������������D������� "������� �����������������2�����������������������������������������������������������������������������������
"������������������
Introduction to Nanophysics 39
,���� ����������������������?�����������
2����������������������������������������������������������������������������������K1 ��������������� 1��K1 ��������������������������������2������������������D��������������������������������������������������������������������������������������������������������������2���������������������������������������������������������D��������������������������������������������.�����������
2����������������������������������������������������� �������������������������������������������������������2�������������������������������������1��������������������������������������?�������������������������������������������������������������2��������������������������#��������������������������������=������=7�
Introduction to Nanophysics 40
A������������������������������������������� ����������!���
: ������������������������������������������ /���������������������������������������������������������
�������������������: ,�����������������������������������: <������������������ +���������������������������������������������-����: +��������������� 2�� ���������������������� =����������������?�������������������� <����������������������� ,���� ����������������������� =����������� +����������������������������������������: ��������������������������5�������6 ,��������������������������������������������������������?�������
�����������
H�������
http://folk.uio.no/yurig/Nanotechnology/MEF5010.html
Introduction to Nanophysics 41
2��������������������������
&�,������������������������������������������������������ �?���������������5HA<6� ���������������������������������5+!/K;6����������������������� 5+�<6��������������������������
7��H�����������������5�����������������������6 ����������
Q��,���������������-����
<������������������52<+��,<+6
2������������������5,2+6
,������������������������������5,1+,6
R ����������������
<�������������������
Introduction to Nanophysics 42
Conclusion
�������������������������&������������'���������� �����������������������������
1��&8B8�/�������������������������������S����11��D�����A�������������������������������������������������������"�������!�������
E�����������������#������������������������������������������������������������������������A������������������������������������"�����
1��,����������A����������������������������#���������������
/�����������������������D����������������"����&8)7���������������������������0�.��������K��G�����/�����������=�����1����������������������������������������
2����������������������������������������������������$������������������������������������������������
44��������� ���� ����� ��
������������������������������������������������������������
1�������������������������������������������������������������������������������������