45
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

2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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

Page 2: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 1

������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������

What is nanoscience and nanotechnology?

Very broad area of science and

technology having many branches.

This lecture

Page 3: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

��������������� �������

��� �������

����������!�����������

"�������������������������������#���

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

Page 4: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 3

������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������

What is nanoscience and nanotechnology?

Very broad area of science and

technology having many branches.

This talk

Page 5: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 4

$����������%

� ����� �� �� ��

&����'&( ) �'�&( * ��

Page 6: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 5

+���������������������������������������

������ ��������������������������

������������#���������������������������������������

� ����� �� �����

,-�

��������

"����

,��������������

� ��.����

/�������

�������

�������� ��#����

Page 7: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 6

Page 8: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

�����������

����� ������������� ����������������

�����������������������������0+������������������������

7Introduction to Nanophysics

Page 9: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 8

���������� ���������������������������������������������������������������������������� �-����������

1����������� ������������������������������������������������������������������

2��������������������� ����������� ��������

2��������33����44���������������������������-������������������������������������������������������������� 5�����6���� ���������� ��������

Page 10: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

/�������������������������������

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��������������������� ����������� ��������

Page 11: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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

Page 12: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 11

+�����������������������������

: 2�� �����������������������57;<�6

: =�����������������������������

: =�����������

: ���� ������� �����������������

: /������������� ���������������� ��������������������������

: ��������

: ;����������������������������������������������������> ;���������?�����������������

: ,�������� > �����������������������

���������������@�������

Page 13: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 12

Examples

Page 14: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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

Page 15: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 14

More about formation of 2D electron gas

Bending of the energy bands at the interface

Formation of 2D conduction channel

Page 16: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 15

��������� “most two-dimensional” system imaginable

���������������������������������� ������������������������������������������������������������� ������������������������������������������

������������

���������������������������������������������

�������������������������������������������������

�������������� ��������������!��������������������

"�����������#$ �����������������������

���������������������������������������

�����������������%��������������

Page 17: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 16

,���������������9E���������������������D�F��������������������������������������������

�������������"����G������

HD���������������������9

2���������A�-����A������7(&(

"��������

G������������������

Page 18: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 17

=�������$��������A����/�������

,��� ���������������

/�����������������

/���������������A������������

I���D ���J�������������������

Page 19: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 18

=�������;���

H�������?�����������

K������ "������������> ����������������

/�����������D���9

1�����L���

Page 20: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 19

����

;��<�������

"��������������������

M������������������

/���

"�

������������������������9

/�����������D���

,���� �������������������5,<26

Page 21: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 20

,�� ��������� ?��������������������������������I������������J��

2������������������������������������������������������������������

!������#���0 �� � ,�������

Page 22: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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:

Page 23: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 22

������

+�<

.��������

<�H =��������������

/��������-����

,2+

1����������������������������������������������

G��� A�-��7(&(

Page 24: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 23

<����������������������� �����0: ,���� ������������������� ���N�7(����� ,�O�5���������������������������6

: A������������������ 5����������6

: M������������������������?����� ���������������������������

2������������������������������������� ����������������

,�������> �����������������

Page 25: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 24

������������������������������%

1����������������������������������������������������������������

!����������������������#�����������������������������������

=+0�A��������������%

7

=����������������������

&

7

Page 26: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 25

=����-�����������������������������������9

�����������������������������> ����� �������� �� ��������

Page 27: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 26

�������������

: ��������������������?����������������> =����������������> M�������������� ������������������������������������������������ �����������������

> M�������������> M��������������������������������������������

: ���� ��������������������������?���������������?������������������������

"�����������������������������������������������

���������������������������������������������9

Page 28: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

<�����������

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

Page 29: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

=�������+����������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

Page 30: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

���� ������������������������

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

Page 31: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 30

1�������������������������������������������������������������

<�������������������������������������������������

���� ������� ��������

<��������I��������J +��������������� /���������������

/���������������

Page 32: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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

Page 33: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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.

Page 34: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 33

+������������������������

/�������������� > ������������������������

=������������� > ���������������������������������������������.����������0

2����������������������������-��?����-���� >?��������������������������

Page 35: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 34

"����������������������> ������������������������

,������������������/�������������������������������������������������������/

����������� ����� �����������������

1�������������������������������������������������������������������������������������

2��������������������������������������������������������������������

Page 36: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 35

����������������������������������

Page 37: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 36

����������������������������������?�������������������������������

2������������������������������������������������������������������������������������������

"����������������������������������?����-���� ����������7�7P� �����������������������������7(�G�

2���������������������������������������"�������������������2���������������������D�������������������������������

2���������������?����������������Q(���������������������������������������������������������������"������������������������������&8(�������������B(�����������������������������

Page 38: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 37

2���?�������E��������������,����D�� ���E��������������

,����D�� ���E�����������������������?�������E����������$�����D�������������������������������������������E��������������5M�� ����M���������������6�����������������������������������������������������������������������������������������������������?�����������2��������������������������������������������������&((��G�

2���E����������������?����-�� ����������P7�7�

/�������

E��������

Page 39: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 38

A��������������

2�������������������������������������������������&�������5������������������������������6�������������������������������������������������������������������������������������������D������� "������� �����������������2�����������������������������������������������������������������������������������

"������������������

Page 40: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 39

,���� ����������������������?�����������

2����������������������������������������������������������������������������������K1 ��������������� 1��K1 ��������������������������������2������������������D��������������������������������������������������������������������������������������������������������������2���������������������������������������������������������D��������������������������������������������.�����������

2����������������������������������������������������� �������������������������������������������������������2�������������������������������������1��������������������������������������?�������������������������������������������������������������2��������������������������#��������������������������������=������=7�

Page 41: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 40

A������������������������������������������� ����������!���

: ������������������������������������������ /���������������������������������������������������������

�������������������: ,�����������������������������������: <������������������ +���������������������������������������������-����: +��������������� 2�� ���������������������� =����������������?�������������������� <����������������������� ,���� ����������������������� =����������� +����������������������������������������: ��������������������������5�������6 ,��������������������������������������������������������?�������

�����������

H�������

http://folk.uio.no/yurig/Nanotechnology/MEF5010.html

Page 42: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

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 ����������������

<�������������������

Page 43: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

Introduction to Nanophysics 42

Conclusion

�������������������������&������������'���������� �����������������������������

Page 44: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

1��&8B8�/�������������������������������S����11��D�����A�������������������������������������������������������"�������!�������

E�����������������#������������������������������������������������������������������������A������������������������������������"�����

1��,����������A����������������������������#���������������

/�����������������������D����������������"����&8)7���������������������������0�.��������K��G�����/�����������=�����1����������������������������������������

2����������������������������������������������������$������������������������������������������������

Page 45: 2234-7 Meeting of Modern Science and School Physics ...indico.ictp.it/event/a10137/session/2/contribution/1/material/0/0.pdf · ˆ ! ˙ ˝ "ˆ # Introduction to Nanophysics 2 Meeting

44��������� ���� ����� ��

������������������������������������������������������������

1�������������������������������������������������������������������������������������