Projektowanie nowych funkcjonalnych materialow –teoria i praktyka

WYKŁAD VII
A. Elektronika XXw. (klasyczne półprzewodniki – tranzystory i diody).
Materiały domieszkowane. Łagodna a dramatyczna zmiana
właściwości materiału w funkcji domieszkowania. Polimery
przewodzące, brązy nieorganiczne, nadprzewodniki.
B. Baterie słoneczne i materiały do foto- i termoemisji elektronów.
Domieszkowanie przez wstrzyknięcie ładunku. Afera Schöna.
C. Właściwości magnetyczne materii. Diamagnetyki (w tym
nadprzewodniki), paramagnetyki, ferromagnetyki, antyferromagnetyki
i ferrimagnetyki. Materiały twarde i miękkie, nisko- i
wysokotemperaturowe. Magnetooporność i magnetostrykcja.
D. Składowanie energii w polu magnetycznym. Przetworniki mechano-,
magneto- i termoelektryczne, oraz elektromechaniczne i
magnetomechaniczne. Piezoelektryki i termopary. Generacja fal
dźwiękowych.
EF
isolator
semicond.
metal
supercond.
Domieszkowanie półprzewodników
e– doping
Ge:Sb
Ge:Se
h+ doping
Ge:Ga
Ge:Zn
Domieszkowanie półprzewodników, c.d.
e– doping
h+ doping
Ge1–As
Ge1–Ga
Ga3+{As3–1–}
{Ga3+1– }As3–
Ti{O1– } vel Ti1+O
{Ti1–}O vel TiO1+
Mieszana wartościowość
Mixed–valence or … intermediate valence?
PtO = PtIIO ale ‘AgO’ = AgI[AgIIIO2]
Insulator to metal transition
Materiały domieszkowane. Łagodna a dramatyczna zmiana
właściwości materiału w funkcji domieszkowania.
LaNi1–xMnxO3
Półprzewodnik  Metal
Półprzewodnik  Nadprzewodnik
Brak symetrii w domieszkowaniu elektron/dziura
h+ = Cu2+:(Cu3+)
e– = Cu2+:(Cu1+)
Klasyczne półprzewodniki (Nagroda Nobla
Polimery przewodzące
Brązy nieorganiczne
Nadprzewodniki
Si:(P,As,Sb)
1956 & 2000)
2000
1987
Domieszkowanie przez wstrzyknięcie ładunku. Afera Schöna.
J. H. Schön
domieszkowanie fizyczne (wstrzyknięcie netto
ładunku do materii) vs chemiczne (zmiana
pierwiastka, zmiana położenia jąder atomowych)
Baterie słoneczne.
n-p junction  wafer  solar battery  solar panel (stack)
Moc podawana
dla warunków
pełnego
oświetlenia na
planecie ZIEMI
Si, $ 23 0.6 Watt
(2004) commercial
Wydajność
konwersji
energii:
14 %
Solar Output & Charging
Time (in full sunlight)
3V 200mA
2-3 hours
6V 100mA
4-6 hours
9V 50mA
10-12 hours
12V 50mA
10-12 hours
22%
GaAs > $ 100,000 6 kWatt
(2004) NASA
Strata jakosci = –1 do 2% rocznie
Smaller band gap:
– more effective absorption of
whole solar EM spectrum
but
– lower voltage generated
Balancing the effect gives
optimum band gap of 1.4 eV
Si (single crystal,
polycrystalline, amorphous)
GaAs
CuInSe2
CdTe
…
multi–band gap stacks
Właściwości magnetyczne materii.
Diamagnetyki. WYPYCHANE Z OBSZARU SILNIEJSZEGO POLA
-
Klasyczne (precesja Larmora): brak niesparowanych elektronów lub
niemobline wolne pary elektronowe (np. SiO2 lub :SbCl3), χ < 0
-
nadprzewodniki: brak niesparowanych elektronów, mobilne singletowe
(bozonowe) pary elektronowe (np. Hg poniżej 4 K), χ << 0
Paramagnetyki. WCIĄGANE W OBSZAR SILNIEJSZEGO POLA
-
wolny elektron (Langevin): związki z jednym niesparowanym elektronem w
dużym rozcieńczeniu (np. Cu2+· (d9) w CuSO4 powyżej 0.03 K), χ > 0
-
van Vleck (niezależny od T): silne mieszanie stanu podstawowego i
wzbudzonego, łatwość wzbudzenia elektronów (np. CuI2ZrIVCl6 vs CuII2ZrII
powyżej 50 K, χ = + constans
-
Pauli (niezależny od T): zwykłe metale, mobilne niesparowane elektrony (np.
Cs0), χ = + constans
Ferromagnetyki: silna komunikacja centrów magnetycznych, równoległe ułożenie
spinów (np. Fe0 (d6) < 770 oC), χ >> 0
Antyferromagnetyki: silna komunikacja centrów magnetycznych, antyrównoległe
ułożenie identycznych spinów (np. HS Co2+··· (d7) CoO < 55 oC), χ złożona
Ferrimagnetyki: silna komunikacja centrów magnetycznych, antyrównoległe
ułożenie różnych spinów (np. HS Fe3+····· (d5) @ Fe2+···· (d6) Fe3O4 < 585 oC),
χ > 0, złożona
χ
TNeel
TCurie
antiferro
0
para
van Vleck
Pauli
dia T
kryt
nadprzew
ferro
T
Materiały magnetyczne: twarde i miękkie,
nisko- i wysokotemperaturowe.
TC – temperatura Curie
HC – pole koercji
B
max – maksymalna względna
przenikalność magnetyczna
HC
(BH)max – energia zmagazynowana
BS – indukcja nasycenia
w polu magnetycznym obecnym w
BP – indukcja szczątkowa materiale, na jednostkę objętości
H
BP
BS
* Fe62.5Nd15B5.5Co16Al1
HC /kA m–1
TC /oC
BS /T
Fe
Co
Ho
Fe3O4
Fe2Co
Co5Sm
fnbca*
FeCo49V2
770
1331
–253
585
970
750
300
940
2.16
1.80
3.20
0.60
2.52
2.40
19
760
880
0.17
NiFe16Mo5
Fe4B (szkło)
400
374
0.79
1.60
0.16
3.2
BP /T
(BH)max
/kJ m–3
0.0001
0.95
0.98
0.87
1.32
 max /1000
180
7.4
180
324
0.012
4.5
1000
320
Składowanie energii w polu magnetycznym
/SMES = Superconducting Magnet Energy Storage/
Układ wysokowydajnego
magazynowania, główne straty
energii są związane z koniecznością
chłodzenia cewki nadprzewodzącej
Obecnie w USA na liniach przesyłowych ultrawysokiego
Ni/Ti, < 5 K
napięcia, dla stabilizacji mocy w okresie jej wahań
Magnetooporniki.
warstwa magnetyczna
diamagnetyczny separator
warstwa magnetyczna
mała oporność
duża oporność
‘FM’
‘AFM’
– zasada Pauliego
– analogia optyczna z dwiema
płytkami polaryzacyjnymi
(elektron to fala materii…)
– b. duza czulosc na pole
magnetyczne
– twarde dyski wysokiej
gestosci
– glowica magnetyczna
odtwarzacza tasmowego
– kompasy samolotowe
– czytniki kard magnetycznych
– czujniki pradu i pola (ABS,
odcinacze bezpieczenstwa,
mierniki natezenia pradu etc.)
1988: GIANT magnetoresistance (GMR)
Baibich et al. (Paris) & Binasch et al.(Jülich)
Thousandfold Change in Resistivity in
Magnetoresistive La1–xCaxMnO3 Films
S. Jin, T.H. Tiefel, M. McCormack, R.A.
Fastnacht, R. Ramesh and L.H. Chen
Science 264 (1994) 413
MnIII/MnIV.
4 e–
3 e–
(La1–xCax)MnO3  (Ba1–xKx)BiO3  CaTiO3
magnetoresistance, superconductivity, ferroelectricity
ABX3 perovskite…
Przetworniki mechano-, magneto- i termoelektryczne.
U /V
–
H2O
+
–
+
–
+
–
C6H5NO2
H2O
+
+NR4Cl
termopary
Piezoelektryki
U /V
U /V
Magnetooporność
T
T+T
Przetworniki magnetomechaniczne i elektromechaniczne.
magnetostrykcja
elektrostrykcja
Spin–crossover compounds.
Słabe pole ligandów, HS
Silne pole ligandów, LS