WYKŁAD VII Elektronika XXw. (klasyczne półprzewodniki – tranzystory i diody). Materiały domieszkowane. Łagodna a dramatyczna zmiana właściwości materiału w funkcji domieszkowania. Polimery przewodzące, brązy nieorganiczne, nadprzewodniki. Baterie słoneczne i materiały do foto- i termoemisji elektronów. Domieszkowanie przez wstrzyknięcie ładunku. Afera Schöna. Właściwości magnetyczne materii. Diamagnetyki (w tym nadprzewodniki), paramagnetyki, ferromagnetyki, antyferromagnetyki i ferrimagnetyki. Materiały twarde i miękkie, nisko- i wysokotemperaturowe. Magnetooporność i magnetostrykcja. 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 Ge1–As Ga3+{As3–1–} Ti{O1– } vel Ti1+O h+ doping Ge1–Ga {Ga3+1– }As3– {Ti1–}O vel TiO1+ Mieszana wartościowość Mixed–valence or … intermediate valence? PtO = PtIIO ale ‘AgO’ = AgI[AgIIIO2] Insulator to metal transition

Materiały domieszkowane 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 1956 & 2000) Polimery przewodzące 2000 Brązy nieorganiczne Nadprzewodniki 1987 Si:(P,As,Sb)

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)

GaAs > $ 100,000 6 kWatt (2004) NASA Moc podawana dla warunków pełnego oświetlenia na planecie ZIEMI Wydajność konwersji energii: 14 % 22% Si, $ 23 0.6 Watt (2004) commercial 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 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

antiferro para van Vleck ferro Pauli dia nadprzew χ TNeel TCurie T T dia Tkryt nadprzew

Materiały magnetyczne: twarde i miękkie, nisko- i wysokotemperaturowe. B TC – temperatura Curie HC – pole koercji BS – indukcja nasycenia BP – indukcja szczątkowa max – maksymalna względna przenikalność magnetyczna (BH)max – energia zmagazynowana w polu magnetycznym obecnym w materiale, na jednostkę objętości HC H BP BS * Fe62.5Nd15B5.5Co16Al1 TC /oC BS /T BP /T HC /kA m–1 (BH)max /kJ m–3  max /1000 Fe 770 2.16 0.0001 180 Co 1331 1.80 0.95 Ho –253 3.20 Fe3O4 585 0.60 Fe2Co 970 2.52 0.98 19 7.4 0.012 Co5Sm 750 0.87 760 fnbca* 300 1.32 880 324 FeCo49V2 940 2.40 0.17 4.5 NiFe16Mo5 400 0.79 0.16 1000 Fe4B (szkło) 374 1.60 3.2 320

Składowanie energii w polu magnetycznym /SMES = Superconducting Magnet Energy Storage/ Układ wysokowydajnego magazynowania, główne straty energii są związane z koniecznością chłodzenia cewki nadprzewodzącej Ni/Ti, < 5 K Obecnie w USA na liniach przesyłowych ultrawysokiego napięcia, dla stabilizacji mocy w okresie jej wahań

Magnetooporniki. – zasada Pauliego warstwa magnetyczna diamagnetyczny separator warstwa magnetyczna mała oporność ‘FM’ duża oporność ‘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.)

MnIII/MnIV. 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 Magneto- oporność T T+T

Przetworniki magnetomechaniczne i elektromechaniczne. magnetostrykcja elektrostrykcja Spin–crossover compounds. Słabe pole ligandów, HS Silne pole ligandów, LS