Universitetet i Oslo MENA3000. Oppsummering. Skrevet av: Ingrid Marie Bergh Bakke & Sindre Rannem Bilden

Like dokumenter
UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Kondenserte fasers fysikk Modul 4

Løsningsforslag til øving 13

Løsningsforslag til ukeoppgave 15

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 8. desember 2006 kl 09:00 13:00

CMOS billedsensorer ENERGIBÅND. Orienteringsstoff AO 03V 2.1

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk august 2004

Mandag Ledere: Metaller. Atomenes ytterste elektron(er) er fri til å bevege seg gjennom lederen. Eksempler: Cu, Al, Ag etc.

Løsningsforslag til eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Tirsdag 9. desember 2003

Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid:

Tirsdag 15. april. et stykke materie er bygd opp av atomer, dvs av atomære magnetiske dipoler med magnetisk dipolmoment j = 1...n. m j. m

Kondenserte fasers fysikk Modul 2

EKSAMEN I EMNE SIF 4042 OPTIKK VK Fakultet for naturvitenskap og teknologi

Krystaller, symmetri og krystallvekst. Krystallografi: Geometrisk beskrivelse av krystaller, deres egenskaper og indre oppbygning.

Basis dokument. 1 Solcelle teori. Jon Skarpeteig. 23. oktober 2009

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 3. juni 2009 kl

Spenningskilder - batterier

FYS 2150.ØVELSE 13 MAGNETISKE FENOMENER

EKSAMEN I FAG SIF4062 FASTSTOFFYSIKK VK Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Tirsdag 8. mai 2001 Tid: Sensur faller 29.

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 5. desember 2005 kl

Meir om halvleiarar. Halvleiarteknologi

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 5 Kapittel 5 - Overganger

FY juni 2015 Side 1 av 6

EKSAMEN I EMNE SIK5005 MATERIALTEKNOLOGI 2 MANDAG 5. MAI, LØSNINGSFORSLAG -

LØSNINGSFORSLAG TIL KONTINUASJONSEKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

KONTINUASJONSEKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME Onsdag 17. august 2005 kl

Anta at de fasene i det binære fasediagrammet under i Figur 1 har så lite fast oppløselighet at de kan representeres med linjer i fasediagrammet.

Energiband i krystallar. Halvleiarar (intrinsikke og ekstrinsikke) Litt om halvleiarteknologi

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 1. Et krystall er bygd opp av aggregat av atomer ordnet etter et regelmessig tredimensjonalt mønster.

ELEKTRISK STRØM 2.1 ELEKTRISK STRØM ATOMER

Eksamen i fag FY8104 Symmetri i fysikken Fredag 7. desember 2007 Tid:

Energibånd i faste stoffer. Et prosjekt i emnet FY1303 elektrisitet og magnetisme, skrevet av Tord Hompland og Sigbjørn Vindenes Egge.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN. EMNE: FYS 119 FAGLÆRER: Margrethe Wold. Klasser: FYS 119 Dato: 09. mai 2017 Eksamenstid: Antall sider (ink.

Tirsdag r r

Løsningsforslag til EKSAMEN

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 17/8 2017

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

ØVELSE 4: FUNKSJONELLE EGENSKAPER: LADNINGSTRANSPORT OG OPTISKE EGENSKAPER. Øvelse 4a-c: Ledningsevne i ulike typer ledere

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

Mandag dq dt. I = Q t + + x (tverrsnitt av leder) Med n = N/ V ladningsbærere pr volumenhet, med midlere driftshastighet v og ladning q:

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 1. Et krystall er bygd opp av aggregat av atomer ordnet etter et regelmessig tredimensjonalt mønster.

Solceller. Josefine Helene Selj

Innhold. Innledning 13

KJ1042 Øving 12: Elektrolyttløsninger

Onsdag og fredag

Fasit eksamen Fys1000 vår 2009

1 d 3 p. dpp 2 e β Z = Z N 1 = U = N 6 1 kt = 3NkT.

Løsningsforslag FY6019 Moderne fysikk kl fredag 12. juni 2015

Fys2210 Halvlederkomponenter

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

Fysikk og teknologi Elektronikk FYS ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R I og P = U I

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

Fysikkolympiaden Norsk finale 2018 Løsningsforslag

EKSAMEN TFY4155 ELEKTROMAGNETISME FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Tirsdag 31. mai 2005 kl

DIFFUSJON I METALLER. DIFFUSJON - bevegelse av atomer. - størkning. foregår hurtigere i gass og smelte p.g.a. mindre effektiv atompakking

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME I Mandag 17. desember 2007 kl K. Rottmann: Matematisk formelsamling (eller tilsvarende).

UNIVERSITETET I OSLO

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 2. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 3

Forelesningsnotater om spinn, FYS2140 (Erstatter kap. 4.4 i Griffiths) Susanne Viefers

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

FYS1120 Elektromagnetisme, Ukesoppgavesett 1

Lysdetektorer. Kvantedetektor. Termisk detektor. Absorbsjon av fotoner: Kvanterespons Termisk respons. UV MIR Fotoeffekt (Einstein, Nobelpris 1921)

Kjemiske bindinger. Som holder stoffene sammen

FY2045 Kvantefysikk Løsningsforslag Eksamen 2. juni 2008

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Fasit for besvarelse til eksamen i A-112 høst 2001

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

1.1. Tegn opp et to-dimmensjonalt mønster av tettest mulige pakkede kuler. Identifiser den todimensjonale

Fys2210 Halvlederkomponenter. Forelesning 6 Kapittel 5 - Overganger

Formelsamling. ξ(r, t) = ξ 0 sin(k r ωt + φ) 2 ξ(x, t) = 1 2 ξ(x, t) t 2. 2 ξ. x ξ. z 2. y ξ. v = ω k. v g = dω dk

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 2

EKSAMENSOPPGAVE. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

KJM2600-Laboratorieoppgave 2

A. positiv x-retning B. negativ z-retning C. positiv y-retning D. negativ y-retning E. krafta er null

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 16/8 2013

Eten % 1.2%

Fys2210 Halvlederkomponenter. Kapittel 1

Formelsamling Bølgefysikk Desember 2006

FYS1120 Elektromagnetisme ukesoppgavesett 7

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Fasit til norsk finale

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN FYS119 VÅR 2017

Kapittel 7 Atomstruktur og periodisitet Repetisjon 1 ( )

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

Forelesning nr.8 IN 1080 Elektroniske systemer. Dioder og felteffekt-transistorer

DIFFUSJON I METALLER. DIFFUSJON - bevegelse av atomer. - størkning. foregår hurtigere i gass og smelte p.g.a. mindre effektiv atompakking

Midtsemesterprøve fredag 10. mars kl

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

Universitetet i Oslo MNA3000 Oppsummering Skrevet av: 31. mai 2015

Del I nhetscellen og strukturer Punktgrupper Rotasjonsakse: r = 2, 3, 4,.. Speilplan: m Inversjon: r Normalt på: / ksempel 3/m - Trefoldig rotasjon med inversjon normalt på speilplan. Stereografisk projeksjon Stereografisk projeksjon er en måte å visualisere punktgrupper på, hvor relaterte symboler plasseres i en projeksjonssirkel: Rotasjonsakse: 2 3 4 6 Speilplan: Tykk strek: Inversjon: 2 3 4 6 ksempel 3/m Romgrupper Krystallsystemer Vinklene i krystallsystemene ligger normalt på sine respektive akser. α a β b γ c 1

Bravaisgitter Romgruppenotasjon nhetscelle-type (P, I, F, K) Glideplan x = a, b, c, n, d er speiling og 1/2 translasjon langs en a, b, c) eller flere (n, d) akser. Kubisk og tetragonal: n = (a+b)/2, (a+c)/2, (b+c)/2, (a+b+c)/2 d = (a±b)/4, (a±c)/4, (b±c)/4, (a±b±c)/4 Skruakse n m : Rotasjon n med translasjon m/n I tillegg kommer notasjon fra punktgrupper. Konvertering til punktgruppe nhetcelle-type strykes (men huskes på) Translasjon strykes. a, b, c, n, d skrives som m. ksempel I6 3 Romsentrert heksagonal med seksfoldig rotasjon med 1/2 rotasjon. F 2/mb Flatesentrert, tofoldig rotasjon normalt på speil og glideplan med 1/2 translasjon langs b-aksen. ksempel I6 3 6 F 2/mb 2/mm 2

Del II Fasediagrammer Liquidus er linjen som markerer laveste temperatur med kun væske (rødt). Solidus er linjen som markerer høyeste temperatur med fast stoff (grønt). Gibb s faseregel P + F = C + 2 P er faser, F er grad av frihet og C er komponenter. Vanligvis neglisjeres trykket og vi får Gibb s kondenserte faseregel. Gibb s kondenserte faseregel P + F = C + 1 Krav til fast oppløselighet Maks 15 20% forskjell i ioneradius. Må ha liknende ladning. Foretrekke like omgivelser. Ha samme struktur. Invariante reaksjoner Om grad av frihet F er lik null, har vi en invariant reaksjon. (Se etter rette linjer (blå) og (lilla)) Én-fase områder I fasediagrammer vil værtikale linjer (lilla) representere én-faser. Horisontale linjer (blå) vil ende i én-faser og ha en én-fase normalt på seg. utektisk (-oid) (L α + β) Peritektisk (-oid) (L + α β) Kongurent smelte (L α) Fast oppløselighet t areale som er i kontakt med en invariant reaskjon (blå linje) i ett punkt er en én-fase, siden det er et areale vil det ha fast oppløselighet. Faseskifte (α α) Monotektisk (L L + α) Monotektisk (L L + α) 3

Del III Diffusjon Diffusjon er viktig for herding av stål (Karbon diffunderer inn i jern), koking av pasta, og PMmembraner. Diffusjon øker med økt temperatur. Makroskopisk Netto fluks drevet av en konsentrasjonsgradient. Fick s første lov J = D C Fick s andre lov t = D 2 C (Hvor er i én dimensjon) Mikroskopisk Tilfeldige hopp grunnet gittervibrasjoner. Diffusivitet Diffusiviteten beskriver hvor sannsynlig, hvor ofte, og hvor langt noe diffunderer. Totalt gir dette en diffusjonsfart. Diffusjonskoeffisienten ( ) D = gνa 2 exp a k B T g Den geometriske faktoren, som beskriver antall ledige plasser et generellt atom kan hoppe til. Ofte 1/CN ν Vibrasjonsfrekvensen, beskriver hvor ofte et atom forsøker å hoppe til en ny posisjon. a Gitterkonstanten, den gjennomsnitlige lengden på et hopp. a Aktiveringsenergi, den potensialbarrieren atomet må over for å gjennomføre et hopp. Kan ofte deles inn i i/v + 1 2 H f. Der i/v er energibarieren for å hoppe til interstitsiell- eller vakansplass, og H f er dannelsesentalpien for defekter. Arrheniuslikningen Diffusjonskonstanen opp mot temperatur kan skrives ved hjelp av Arrheniuslikningen og blir: D = D 0 exp( a k B T ) Hvor D 0 = gνa 2. ( ) Plotting av ln D = a 1 k B T + ln D 0 gir aktiveringsenergien over k B som stigningstall. Drift Ionisk ledningsevne I et påsatt elektrisk felt vil diffusivitetslikningen kunne beskrive konduktiviteten: ( σ = σ 0 exp ) a k B T Der σ 0 = gνa 2 c(ze) 2 k B T, hvor faktorene c er konstentrasjonen av ladningsbærere og Ze er ladningen til bærerene. Trappepotensiale I nærværet av et elektrisk felt vil det ikke være likegyldig hvilken retning atomet forsøker å hoppe. Denne effekten kan sees på som at potensialbarrieren øker med Ze av 2 i én retning og minker like mye i den motsatte retningen. Nernst-instein likningen D σ = k BT σ c(ze) 2 4

Del IV Dielektriske egenskaper Dielelektrisitet Dielektriske materialer er polariserbare, dette innebærer at de ikke kan utligne et påsatt elektrisk felt ved å fordele elektronene utover materialet. Med andre ord er alle dielektriske materialer også isolatorer. Isolator Piezoelektrisitet Piezoelektriske materialer vil få et dipolmoment ved materialstress, dette kommer av mangelen på sentrosymmetri som ellers ville utlignet ethvert diplomoment med en symmetrisk motpart. Isolator Ingen sentrosymmetri Pyroelektrisitet Pyroelektriske materialer har et permanent dipolmoment, derav en unik polar akse. Ved termiske vibrasjoner vil denne polare aksen strekker/roters og det gjennomsnittlige dipolmomentet endrer seg. Ved svært høy temperatur vil den gjennomsnittlige polariseringen gå mot null og vi ser en piezoelektrisk oppførsel. Isolator Ingen sentrosymmetri Unik polar akse Ferroelektrisitet Ferroelektriske materialer har en unik polar akse som er stabil i mer enn én retning. Dette gjør at dipolmomentet kan skifte i et påsatt felt men forblir etter feltet er borte. Ferroelektriske materialer kan karakteriseres som myke/harde ved å se på deres hysteresekurve. Isolator Ingen sentrosymmetri Unik polar akse Reversibelt dipolmoment Polariserbarhet t materiale har flere elementer som kan polariseres, hvor lett det er å polarisere har en sammenheng med ladning og masse. Dipol + Ion + lektron α tot Ion + lektron lektron 10 10 10 14 10 18 Hz lektrisk dipolmoment Dipolmoment er definert som ladnindsforskyvning, og skrives p = q d, den totale polariseringen til en enhetcelle blir da α = p n V der n er antall dipolmoment p i enhetscellem med volum V. 5

Del V Magnetisme Magnetisering Magnetiseringen M i et påsatt magnetisk felt H er gitt ved M = χh hvor χ er materialets susceptibilitet. Magnetisk dipolmoment Det magnetiske dipolmomentet til et elektron (Bohr magneton) er gitt ved µ B = eh 4πm e = e 2m e. Atomets magnetisering blir gitt som en kombinasjon av netto angulærmoment L = l 1 + l 2 +.. og netto spinn S = s 1 + s 2 +.., som skrives J = L + S m tot = g J µ B J(J + 1) Hvor faktoren g J = J(J+1) L(L+1)+S(S+1) S(S+1) dukker opp i kombinasjon av L og S og beskriver friheten til elektronene. For atomer med delvis fylte d-orbitaler vil g J = 2 og m tot kan skrives hvor n er antall uparrede elektroner. m tot = µ B n(n + 2) Magnetiske egenskaper Diamagnetisme Alle materialer utviser diamagnetisme, som er en svak frastøtning av magnetiske felt og er temperatur uavhengig. Paragnetisme Paramagnetiske materialer har et indusert dipolmoment i et påsatt felt men null dipolmoment i fravær av et ytre magnetisk felt. Magnetiseringen av materialet følger Curies lov: χ = C T der C er curie-konstanten. Atomer med netto spinn Ferromagnetisme Ferromagnetiske materialer har en struktur der dipolmomentene legger seg parallellt frem til den termiske energien utligner dette ved Curie-temperaturen T c. Disse følger derfor Curie-Weiss lov χ = C T θ der θ > 0. Netto spinn Paralelle dipoler Double exchange Anti-ferromagnetisme Anti-ferromagnetiske materialer har en struktur der dipolmomentene legger anti-parallellt frem til den termiske energien utligner dette ved Néel-temperaturen T n. Disse følger og Curie-Weiss lov χ = C T θ med θ < 0. Netto spinn Anti-paralelle dipoler Superexchange Ferrimagnetisme Ferrimagnetisme er en kombinasjon av ferro- og anti-ferromagnetisme, hvor det største bidraget til dipolmomentet kommer fra den anti-ferromagnetiske komponenten. 6

Del VI lektrisk ledningsevne c v k = 0 g k DOS Båndteori I en krystall vil energienetilstandene (orbital-energiene) forskyves svakt avhengig av den romlige retningen. Disse energiene vil summeres opp til et kontinuerlig bånd med varierende tilstandstetthet (DOS). k er bølgevektoren som peker rundt i enhetscellen. lektronene sees på ( som) frie men med en effektiv masse m e. lektronmassen 1 2 k 2 defineres ved toppunkt i v (negativ) og bunnpunkt i c (postitiv). Hull i v er mangelen på negativ masse (positiv). Ferminivå og fermienergi Ferminivået ligger ved det punktet hvor sannsynligheten for å finne et hull eller et elektron er lik en halv. p(e) = p(h) = 0.5 Fermienergi er definert som ferminivået ved 0K, for en n-dopet halvleder vil fermienergien ligge mellom dopingnivået og ledningsbåndet. For en p-dopet vil det ligge mellom dopingnivået og valensbåndet. ttersom temperaturen øker vil ferminivået bevege seg mot det intrinsiske ferminivået. F Fn F d a Fi F Fp Intrinsisk n-dopet p-dopet Fermi nivå ved temperatur T [K] p-n overgang I en p-n overgang vil energinivåene forskyves relativt til hverandre så fermienergien F ligger konstant. a F d a d F F n-dopet p-dopet Foroverstrøm Ved en påsatt spenning fra p til n vil n øke i energi (sett fra et elektron) og p vil falle i energi. lektronene bevege seg fra ledningsbåndet i n ned til akseptorbåndet i p og det går en strøm. p-n-junction Bakoverstrøm Ved en påsatt spenning fra p til n vil n-lederen falle i energi og p-lederen øke, det vil ikke gå strøm med mindre den påsatte spenningen blir så høy at elektronene eksiteres fra vn til cp. Strømmen som går i en p-n overgang kan beskrives ved Shockley likningen: I = I 0 [exp ( ev k B T ) 1 ] 7

Del VII Optiske egenskaper Refraksjonsindeks n Refleksjonsindeksen sier noe om lyshastigheten i mediet, n = c v siden λν = v blir n = c λν = λ 0 λ. Hvor λ 0 er bølgelengden i vakuum. I overgang gjelder n 1 n 2 = λ 2 λ 1. n 1 n 2 λ 0 λ 1 Snells lov n 1 sin(α 1 ) = n 2 sin(α 2 ) α 1 n 1 n 2 Total refleksjon α 2 må være 90 eller mer, dette gir en kritisk vinkel sin(α 1 ) = n 2 n 1. α 1 α 2 n1 n 2 α 2 Spredning og absorbsjon Rayleigh scattering Rayleigh scattering sprer lys med høy energi mer enn lys med lav energi. s = 2π5 3 Lyskilder d 6 λ 4 ( n 2 ) 2 1 n 2 + 2 Absorbsjon fra gittervibrasjoner Lys med lav energi vil absorberes og reemmiteres som tenkte fononer som energiendringen i gittervibrasjonen. Absorbsjon fra urenheter Urenheter gir skarpt lokaliserte absorbsjonstiopper som skiller seg fra annen spredning /absorbsjon. LD n LD består av en pn overgang, hvor det skjer en spontan emmisjon av fotoner ved forward bias (forover strøm). Halvlederen behøver direkte båndgap. Hvitt LD blir laget ved å legge sammen tre LD med komplementære farger, eller å bruke UV- LD som reflekteres på et RGB-fosforlag. LASR Laser bygger på prinsippet om stimulert emmisjon av fotoner. Prinsippet fungerer best på et system med populasjonsinversjon. Lasere kan lages med flere steg, hvor den mest effektive er en firesteg-laser som vist under. 4 3 λ inn λ ut 1 0 8