Nobel 2010 Wykład 28.10.2010 Tadeusz Hilczer

Nobel ‘10 GRAFEN Tadeusz Hilczer

Konstantin Nowosiołow Nobel ‘10 Andriej Gejm Konstantin Nowosiołow Tadeusz Hilczer

Alfred Nobel Alfred Bernhard Nobel (1833-1896) przemysłowiec i naukowiec szwedzki, wynalazca dynamitu fundator nagrody Tadeusz Hilczer

Od roku 1901 corocznie przyznawane są Nagrody Nobla przez Nagroda Nobla Od roku 1901 corocznie przyznawane są Nagrody Nobla przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk za: "najważniejsze odkrycie lub wynalazek w dziedzinie fizyki", "najważniejsze odkrycie lub postęp w dziedzinie chemii", Instytut Karolinska za "najważniejsze odkrycie w dziedzinie fizjologii lub medycyny", Akademię Szwedzką za "wybitną pracę na rzecz idealistycznych tendencji” (literacka) Norweski Komitet Noblowski za "najlepszą pracę na rzecz braterstwa między narodami, likwidacji lub redukcji stałych armii oraz za udział i promocję stowarzyszeń pokojowych". (pokojowa) Tadeusz Hilczer

Nagroda im. Nobla Od roku 1968 corocznie przyznawane są Nagrody im. Alfreda Nobla przez Bank Szwecji w dziedzinie ekonomii W roku 1968 zadecydowano, że nie będzie się zwiększać liczby dziedzin, w których są przyznawane nagrody. Tadeusz Hilczer

Jean Henri Dunant – założyciel Czerwonego Krzyża Nagroda Nobla 1901 - Pierwsza uroczystość wręczenia Nagrody Nobla w Królewskiej Akademii Muzycznej w Sztokholmie Jean Henri Dunant – założyciel Czerwonego Krzyża Frederic Passy - działania arbitrażowe dla załagodzenia konfliktów międzynarodowych Od roku 1902 nagrody Nobla formalnie przyznaje król Szwecji Każdy z laureatów otrzymuje złoty medal, dyplom honorowy oraz znaczną kwotę pieniężną Obecnie cała nagroda ok. 10 milionów koron szwedzkich Tadeusz Hilczer

1915 r. (w dziedzinie fizyki) William Lawrence BRAGG -miał 25 lat Nagroda Nobla Najmłodszy noblista 1915 r. (w dziedzinie fizyki) William Lawrence BRAGG -miał 25 lat Najstarszy noblista 2007 r. (w dziedzinie ekonomii) Leonid HURWICZ (obywatelstwo USA, urodzony w polskiej rodzinie w Moskwie, wychowany w Warszawie, absolwent UW) - miał 90 lat Tadeusz Hilczer

Pierwsza Nagroda Nobla z dziedziny fizyki 1901 Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) fizyk niemiecki Tadeusz Hilczer

Andriej Konstantinowicz Gejm Tadeusz Hilczer

Andriej Konstantinowicz Gejm Андрей Константинович Гейм urodzony 21 października 1958 w Soczi fizyk rosyjski pochodzenia niemieckiego obywatelstwo rosyjskie i holenderskie wynalazł materiał „gecko tape” laureat Nagrody Antynobel 2000 za eksperyment z lewitacją diamagnetyczną (latająca żaba) laureat Nagrody Nobla 2010 za odkrycie i zbadanie własności grafenu (z K.S.Nowosiołowym) Tadeusz Hilczer

Andriej Konstantinowicz Gejm latająca żaba Tadeusz Hilczer

Andriej Konstantinowicz Gejm 1976-1982 – studia z ogólnej fizyki stosowanej w Moskiewskim Instytucie Fizyko-Technicznym 1987 - kandydat nauk matematyczno-fizycznych - Instytut Fizyki Ciała Stałego , Czernogołowka 1987-1989 - pracownik naukowy – Instytut Technologii Mikroelektronicznej, Czernogołowka 1990-1994 - postdoc – Uniwersytet w Nottingham, Bath, Kopenhadze 1994-2000 - profesor Uniwersytetu w Nijmengen 2001-2007 - profesor Uniwersytetu w Manchester 2002 – dyrektor Centrum Materiałów Innowacyjnych i Nanotechnologii 2007 – Langworthy profesor Uniwersytetu w Manchester Tadeusz Hilczer

Andriej Konstantinowicz Gejm Tadeusz Hilczer

Andriej Konstantinowicz Gejm Tadeusz Hilczer

Konstantin Siergiejewicz Nowosiołow Tadeusz Hilczer

Konstantin Siergiejewicz Nowosiołow Константин Сергеевич Новосёлов Urodzony 23 sierpnia 1974 w Niżnym Tagile fizyk rosyjski obywatelstwo rosyjskie i angielskie laureat Nagrody Nobla 2010 za odkrycie i zbadanie własności grafenu (z A.K.Geimem) Tadeusz Hilczer

Konstantin Siergiejewicz Nowosiołow 1990 i 1991 - uczestnik wszechzwiązkowych olimpiad: fizycznej i matematycznej. 1991-1997 - studia w Moskiewskim Instytucie Fizyko-Technicznym na wydziale elektroniki fizycznej i kwantowej na kierunku mikroelektroniki 1997-1999 – doktorant w Instytucie Technologii Mikroelektronicznej w Czernogołowce 1999 -2001–asystent prof. Geima - Uniwersytet w Nijmengen 2001 – pracownik naukowy - Uniwersytet w Manchester 2004 – doktorat (promotor A.Geim) Prowadzi badania w dziedzinie fizyki mezoskopowej oraz nanotechnologii Tadeusz Hilczer

Węgiel – podstawowe własności Węgiel (carboneum) pierwiastek chemiczny symbol C liczba atomowa 6. grupa 14 okresowego układu trzy naturalnie występujące izotopy 12C oraz 13C - trwałe 14C - promieniotwórczy – czas połowicznego zaniku ok. 5700 lat. niemetal średni ciężar atomowy: 12.011 amu. jeden z niewielu pierwiastków znanych w starożytności nazwę polską zaproponował Filip Walter (1842) Tadeusz Hilczer

Węgiel – podstawowe własności Konfiguracja elektronów: 1s22s22p2 Cztery elektrony walencyjne 2s i 2p mają formę orbitali hybrydowych S. Thompson and J. Staley. Orbitals and Molecular Representation, Orbitals.pdf. Tadeusz Hilczer

Węgiel – podstawowe własności Wszystkie formy występowania węgla są bardzo trwałe, żeby przereagować nawet z tlenem wymagają wysokiej temperatury Największe ilości węgla nieorganicznego występują w skałach wapiennych, dolomitów i dwutlenku wegla organicznego w paliwach kopalnych Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie inne pierwiastki chemiczne. znanych jest ponad 10 milionów Teoretycznych kilkadziesiąt razy więcej Węgiel jest czwartym pierwiastkiem z najczęściej występujących we Wszechświecie (H, He, O, C, …) Jest we wszystkich organizmach żywych Tadeusz Hilczer

Węgiel – podstawowe własności Węgiel ma najwyższą temperaturę topnienia i sublimacji ze wszystkich pierwiastków. Przy ciśnieniu atmosferycznym nie występuje topnienie Punkt potrójny występuje przy 10 Mpa sublimuje powyżej 4000K Cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i gwiazdy Tadeusz Hilczer

Węgiel – podstawowe własności Odmiany alotropowe węgla- najbardziej znane Grafit Diament Są w warunkach normalnych ciałem stałym Właściwości fizyczne zależą od odmiany. przeźroczysty Jeden z najtwardszych materiałów na ziem bardzo zły przewodnik elektryczny najwyższe przewodnictwo cieplne ze wszystkich znanych materiałów nieprzezroczysty i czarny bardzo miękki dobry przewodnik elektryczny Tadeusz Hilczer

Grafit sieć grafitu Tadeusz Hilczer

Grafit grafit Tadeusz Hilczer

Diament diament Tadeusz Hilczer

Fuleren fuleren Tadeusz Hilczer

wiązanie s Wiązania s i p wiązanie p Tadeusz Hilczer McMurray and Fay. Chemistry 4th ed., Prentice-Hall, 2004. Tadeusz Hilczer

Zdelokalizowane elektrony „Nośniki” przewodnictwa elektrycznego Benzen Wiązanie p Zdelokalizowane elektrony „Nośniki” przewodnictwa elektrycznego McMurray and Fay. Chemistry 4th ed., Prentice-Hall, 2004. Tadeusz Hilczer

Zdelokalizowane elektrony „Nośniki” przewodnictwa elektrycznego Benzen Wiązanie p Zdelokalizowane elektrony „Nośniki” przewodnictwa elektrycznego McMurray and Fay. Chemistry 4th ed., Prentice-Hall, 2004. Tadeusz Hilczer

Grafen – z wywiadu A.Geima „Wyobraźcie sobie kartkę papieru ale milion razy cieńszą. Jest to grubość grafenu. Wyobraźcie sobie materiał trwardszy od diamentu. To jest twardość grafenu (w płaszczyźnie). Wyobraźcie sobie materiał bardziej przewodzący niż miedź. Jest to przewodnictwo grafenu. Wyobraźcie sobie urządzenie badające te same własności fizyczne jak urządzenie, które mają naukowcy w CERN, ale takie małe, że zmieści się na twoim biurku. Grafen pozwoli to zrealizować.” Tadeusz Hilczer

jedna z alotropowych form węgla Grafen jedna z alotropowych form węgla zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla tworzących połączone pierścienie sześcioczłonowe Atomy węgla tworzą płaską, praktycznie dwuwymiarową sieć, której struktura przypomina plaster miodu. Długość wiązań węgiel-węgiel wynosi ok. 0,142 nm ostatni element szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych Tadeusz Hilczer

Grafen – struktura plastra miodu Tadeusz Hilczer http://www.ewels.info/img/science/graphite © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials

Grafen – struktura plastra miodu A atom B atom Grafen ma 2 atomy w komórce Tadeusz Hilczer http://www.ewels.info/img/science/graphite © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials

Grafen – struktura plastra miodu A atom B atom ARMCHAIR ZIGZAG Tadeusz Hilczer http://www.ewels.info/img/science/graphite © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials

obraz grafenu w elektronowym mikroskopie transmisyjnym Tadeusz Hilczer

Grafen Tadeusz Hilczer

Grafen – podstawowe własności Bardzo dobry przewodnik ciepła około 5000 W/mK srebro: 429 W/mK Bardzo mały opór elektryczny Bardzo wysoka ruchliwość elektronów 200 000 cm²/Vs (w temperaturze pokojowej przy założeniu jedynie rozpraszania na fononach) Krzem: 1500 cm²/Vs, Arsenek galu 8500 cm²/Vs Olbrzymia prędkość przepływu elektronów (1/300) c możliwość badania efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku Tadeusz Hilczer

Grafen – podstawowe własności Prawie przeźroczysty Pochłania 2,3 % światła Nie przepuszcza nawet atomów helu Bardzo mocny 100 razy więcej niż stał Elastyczny Daje się rozciągać o 20 %. Tadeusz Hilczer

Grafen – widoki na przyszłość Może w wielu zastosowaniach zastąpić krzem W MIT zbudowano eksperymentalny mnożnik częstotliwości, który podwoił dwukrotnie częstość sygnału prawdopodobieństwo osiągnięcia częstości do 100 GHz Przeźroczystość i duże przewodnictwo można wykorzystać do wyświetlaczy dotykowych, źródeł światła i innych. Można zbudować czujniki, które mogą rejestrować pojedyncze cząsteczki Jako dodatek do tworzyw sztucznych zmienia ich własności Przewodzą prąd elektryczny Są bardziej odporne na ciepło Są bardziej wytrzymałe mechanicznie Tadeusz Hilczer

Grafen – podstawowe własności Nie można otrzymać w stanie wolnym jest nietrwały i łatwo tworzy struktury trójwymiarowe (np. fulereny czy nanorurki) Otrzymuje się metodami mikromechanicznymi. wyizolować można struktury o grubości od jednej do kilku warstw osadzonych na nośniku Na początku roku 2009 uczeni koreańscy z Uniwersytetu Sungkyunkwan donieśli o opracowaniu metody pozwalającej na produkcję fragmentów o powierzchni do 1 cm² Tadeusz Hilczer

Grafen grafen fuleren nanorurka grafit Tadeusz Hilczer Andre K. Geim and K.S. Novoselov, “The rise of graphene.” cond-mat/0702595

Formy grafitowe wymiar konfiguracja wiązanie 3D (grafit) sp2 s, p, van der Waals 2D (grafen) sp2 s, p (Geim, Nowosiołow, 2004) 1D (nanorurka) sp2 (zmodyfikowana) s(więcej), p(mniej) (Iijima, 1991) 0D (fuleren) sp2 (zmodyfikowana) s(więcej), p(mniej) (Kroto, 1997) Tadeusz Hilczer

Tranzystor na bazie grafitu Fotografia pierwszego tranzystora Halla na bazie cienkiej błony z grafitu 50 mm Tadeusz Hilczer

Tranzystor na bazie grafenu Fotografia z mikroskopu elektronowego tranzystora Halla na bazie z grafenu Szerokość kanału 1 mm Tadeusz Hilczer

Model pasmowy pasmo przewodnictwa C (pasmo puste) pasmo wzbronione (przerwa energetyczna) G V pasmo walencyjne (pasmo zapełnione) Tadeusz Hilczer

Model pasmowy grafenu Tadeusz Hilczer

Dla elektronu i kryształów regularnych Masa efektywna Energia E(k) cząstki (quasicząstki) w paśmie przewodnictwa jest funkcją quasi-pędu Dla elektronu i kryształów regularnych me – masa efektywna Pomijając czynnik stały energia jest analogiczna do zależności energii ruchu swobodnego cząstki o masie me od jej pędu Tadeusz Hilczer

Typ zależności świadczy o liniowym prawie dyspersji Grafen Zależność elektronowej i dziurowej masy „efektywnej” od stężenia nośników Typ zależności świadczy o liniowym prawie dyspersji Tadeusz Hilczer

Ambipolarny efekt pola elektrycznego Grafen Ambipolarny efekt pola elektrycznego Tadeusz Hilczer

Klasyczny efekt Halla Efekt Halla Napięcie Halla Edwin H. Hall, 1879 występowanie różnicy potencjałów w przewodniku przez który płynie prąd elektryczny, gdy znajduje się on w poprzecznym do płynącego prądu polu magnetycznym. wywołane działaniem siły Lorentza na ładunki poruszające się w polu magnetycznym. Tadeusz Hilczer

Klasyczny efekt Halla na każdy elektron poruszający się w przewodniku umieszczonym w polu magnetycznym działa siła Lorentza ładunki nie będą rozłożone równomiernie. Wytworzy się różnica potencjałów - napięcie Halla:  B - natężenie pola elektromagnetycznego (indukcja); UH - napięcie Halla; VD - prędkość unoszenia; d - grubość przewodnika Tadeusz Hilczer

prędkości elektronów w ciele stałym mają pewien rozkład opisany przez Klasyczny efekt Halla przy wyprowadzaniu wzoru na napięcie Halla założono, że wszystkie elektrony mają tę samą prędkość . prędkości elektronów w ciele stałym mają pewien rozkład opisany przez statystykę Fermi-Diraca w przewodniku w półprzewodniku można przybliżyć ten rozkład rozkładem Maxwella część elektronów ma prędkość większą, a część mniejszą od średniej. na szybsze elektrony większy wpływ ma siła Lorentza, na wolniejsze większy wpływ ma siła Coulomba. szybsze i wolniejsze elektrony są odchylane ku przeciwnym końcom ciała w kierunku poprzecznym do kierunku prądu. Elektrony szybsze powodują wzrost temperatury powstaje gradient temperatury i dyfuzja elektronów efekt Ettinghausena Tadeusz Hilczer

Kwantowy efekt Halla Kwantowy efekt Halla podstawy jak klasyczny efekt Halla Występuje w niższych temperaturach w wyższych polach magnetycznych. Obniżanie temperatury i zwiększanie pola magnetycznego pozwala zaobserwować: oscylacje kwantowe - efekt Szubnikowa - de Haasa całkowity kwantowy efekt Halla ułamkowy kwantowy efekt Halla Całkowity kwantowy efekt Halla stosowany jest do wyznaczania jednostki oporu elektrycznego w SI jednostka klitzing Tadeusz Hilczer

Całkowity kwantowy efekt Halla Klaus von Klitzing, Nagroda Nobla 1985 r. warunkami koniecznymi do zaobserwowania jest: bardzo niska temperatura (<4,2 K) silne pole magnetyczne (do kilku tesli) można zaobserwować na zależności oporu Halla od indukcji pola magnetycznego opór Halla - potencjał Halla podzielony przez prąd sterujący płynący wzdłuż próbki próbka musi mieć specjalną strukturę Swoboda elektronów przewodnictwa tylko w dwóch wymiarach – dwuwymiarowy gaz elektronowy opór elektryczny ma określone dyskretne wartości, jak inne skwantowane wielkości fizyczne (ładunek elektryczny, pęd, energia elektronów w atomach pierwiastków chemicznych. Tadeusz Hilczer

Kwantowy efekt Halla w grafenie Podłużny magnetoopór i przewodnictwo Hala w zależności od napięcia na szczelinie Połówkowe kwantowanie potwierdza, że kwazicząstki w grafenie są bezmasowymi fononami Diraca Tadeusz Hilczer

Profesor Stanisław Loria (1883-1958) W latach 1951-1958 kierownik Zakładu Fizyki Doświadczalnej II Uniwersytetu im.A.Mickiewicza w Poznaniu Tadeusz Hilczer

Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer