Nanorészecskék fizikája, kvantumkémiai effektusok

redukált dimenziók esetén

Már a Nyugatrómai Birodalomban is nanotechnológiát használtak

(bár semmit sem tudtak a plazmonokról).

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).

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.

Néhány nevezetes nanorészecske, ahol mind az elektron-szerkezet, mind a geometria különleges tulajdonságokat mutat

C60 fullerén

Au6 Si7 Al13

Alapállapotban egy elektron többletet tar-talmaz, szerkezetileg a benzol gyűtűre emlé-keztet, s nem a tömbi arany fcc szerkezetére.

e-

Ötfogású bi-biramis szerkezet, 1.5 eV széles tilltott sávot mutat.

Ikosaéder, ötfogású szimmetria, mágneses tulajdonságot mutat, ellentétben a tömbi aluminiummal.

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.

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 2D vékonyréteg 0D kvantumpötty nanorészecske

A kvantumos szerkezet nemcsak elektronikai és optikai alkalmazásokban fontos, de bizonyos esetekben különleges kémiai tulajdonságokat is eredményezhet.

Néhány atomos klaszterek tanulmányozása fotoelektronspektroszkópiával(a „vizsgálati tárgyak”-at, a nanoklasztereket klaszterforrásokkal állíthatjuk elő)

3d4s

closed shell

adott anyag, különböző klaszterméret

különböző anyag, adott klaszterméret

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 !

                                                                         

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

Egyelektron eszköz: kvantum számítógép / elve és megvalósítási nanotechnológiája B.E. Kane javasolta egy Nature-ben (1998) megjelent

cikkében

a technológia elvi lépései

a technológia STM-el kontrollált megvalósítása

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.

Nanorészecskék, nanostrukturált felületek alkalmazási területei

nanorészecske

vékonyfilmekenergiatárolók

fotokatalízis

nemlineári optikai jelenségekkemoelektromos

jelenségek

fotoelektromos

színjelenségek

gázszenzorok

levegőtisztítás

mikro-nanoelektronika

kvantumpötty lézerek

egyelektron tranzisztorokmonitorok,

kijelzők

Napelemek,

korroziógátló, kemény és mágneses bevonatok

hidrogén tárolók

üzemanyag cellák

nanorészecske