Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

Transkript

1 Atom-, Molekül- und Festkörperphysik für LAK, SS 2014 Peter Puschnig basierend auf Unterlagen von Prof. Ulrich Hohenester 1. Vorlesung, Wie groß sind Atome? Atomare Einheiten, Welle / Teilchen Dualismus

2 Atome sind die Bausteine der Materie Moleküle sind aus Atomen aufgebaut ( ~ ) Festkörper sind aus Atomen aufgebaut ( ~ 1023 ) Atomzustände bestimmen Eigenschaften der Materie

3 Inhalt der Vorlesung 1. Wie groß sind Atome? Was sind atomare Einheiten? 2. Wasserstoffspektren, Zeemanneffekt, Spin, Laserkühlen 3. Mehrelektronensysteme, Fermionen & Bosonen, Hartee-Fock, Aufbauprinzip 4. Molekülbindung, Das H2+ Molekülion, Hybridisierung 5. Born-Oppenheimer-Näherung, Molekülrotation, Molekülschwingung 6. Normalkoordinaten, anharmonischer Oszillator, Frank-Condon-Prinzip, Phosphoreszenz 7. Gas / Flüssigkeit / Festkörper, Elementarzelle, Röntgenstruktur, Reziproke Vektoren 8. Von Molekülen zu Festkörpern, Ringmolekül, Dispersion, Energieband 9. Transport, von 1D zu 2D und 3D, Bandstruktur, Fermienergie, Zustandsdichte 10. Halbleiter, Halbleiter-Bauelemente, Diode, Solarzelle, FET, Chipherstellung 11. Para-, Dia- und Ferromagnetismus, Isingmodell, Curie-Temperatur, Festplatte 12. Gitterschwingungen, akustische und optische Phononen, Wärmekapazität 13. Phononenstreuung, elektrischer Widerstand, Widerstandsquantisierung, Supraleitung

4 Können wir Atome sichtbar machen? Binning & Rohrer, Nobel Prize 1986 STM scan einer Graphit-Oberfläche (Quelle: Wikipedia) Raster-Tunnel-Mikroskop engl. Scanning Tunneling Microscope (STM) (Quelle: Wikipedia)

5 Können wir Atome identifizieren? Raster-Kraft-Mikroskop engl. Atomic Force Microscopy (AFM) Quelle: Nature 446, (2007)

6 Können wir einzelne Atome bewegen? Xenon atoms on a Nickel (110) surface Increasing the current creates a bond between the tip and the atom. Carbon Monoxide molecules on a Platinum (111) surface More images can be found here:

7 Können wir Moleküle sehen? Quelle: Leo Gross, Nature Chemistry 3, 273 (2011).

8 STM STM AFM THEORIE EXPERIMENT Können wir Moleküle sehen? Quelle: Leo Gross, Nature Chemistry 3, 273 (2011).

9 Können wir Moleküle sehen? STM STM Winkelaufgelöste Photoemission Molekülorbitale EXPERIMENT THEORIE EXPERIMENT THEORIE Quelle: Puschnig et al., PNAS 111, (2014).

10 Wie groß ist ein Atom?

11 Was ist ein Nanometer? "Nano" kommt aus dem Griechischen und bedeutet Zwerg, was wir in unserer Vorstellung als winzig verbinden. Nano wird daher auch als Abkürzung für ein Milliardstel verwendet. 8 Größenordnungen 8 Größenordnungen Wie groß ist ein Nanometer? 1 Nanometer misst 0, Meter (10-9). Das ist der milliardste Teil eines Meters.

12 Rissbildung: Längenskalen

13 Die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit verdoppelt sich alle Monate Moor'sches Gesetz 500 nm nm 45 nm Tri-gate Field Effect Transistor 2013: Ivy Bridge : Min. feature size = 22 nm!!

14 Top-Down versus Bottom-Up

15 Neuartige Materialien Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre Feldeffekttransistor mit Graphen als aktivem Material Banddispersion in Graphen Carbon nanotube (blue) on gold contacts (from C. Dekker, Delft).

16 Diskutieren Sie : Warum ist Diamant hart und durchsichtig, Graphit weich und schwarz? Warum schmelzen Festkörper? (und warum entstehen sie?) Warum leiten Metalle elektrischen Strom? Wozu werden Halbleiter bei Computern verwendet? Was bestimmt die Schallgeschwindigkeit in Gasen und Festkörpern? Was ist die Wärmekapazität eines Körpers? Was ist Magnetismus?

17 Elektronen + Kerne + QM = Eigenschaft

18 Welle / Teilchen - Dualismus Welleneigenschaften: Teilcheneigenschaften: Frequenz ν Energie E Wellenlänge λ Impuls p Wellenzahl k De'Broglie Beziehung: oder Dispersionsbeziehung: Elektronen Photonen

19 Welle / Teilchen - Dualismus Wave particle duality of C60 molecules: Nature 401, (1999).

20 Atomare Einheiten Natürliche Einheiten im H-Atom Länge Masse Energie... Bohrradius a0... Elektronenmasse m... Hartree E0 E0 ~ 13.6 ev a0 ~ 0.05 nm

21 Elektronenvolt 1eV ~ 1.6 x Joule Welche Energie besitzen Photonen?

22 Atomare Einheiten Länge Masse Energie... Zeiteinheit?... Bohrradius a0... Elektronenmasse m... Hartree E0 Aufgabe: Wie groß ist t0? Wie weit kommt Licht in t0? Feinstrukturkonstante Welche Dimension hat α?

23 Atomare Einheiten

24 Wasserstoffatom in atomaren Einheiten SI - Einheiten Atomare Einheiten