MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 9 Fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer - PowerPoint PPT Presentation

mef 1000 materialer og energi kap 9 fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer l.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 9 Fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer PowerPoint Presentation
MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 9 Fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer

play fullscreen
1 / 70
Download Presentation
posy
Views
Download Presentation

MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 9 Fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer

Presentation Transcript

  1. MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 9Fysikalske egenskaper og funksjonelle materialer Optiske Magnetiske Dielektriske Elektriske Andre Termodynamiske Kinetiske Mekaniske Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo truls.norby@kjemi.uio.no MEF 1000 – Materialer og energi Foto: Sensonor/Infineon (http://www.sensonor.com/)

  2. Optiske egenskaper; Lys • Lys er elektromagnetisk stråling • Energi • Farge, frekvens, bølgelengde • Polarisert lys: Elektromagnetisk bølgevektor har dominant retning Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY og W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering MEF 1000 – Materialer og energi

  3. Refleksjon, absorpsjon, transmisjon, brytning • IR + IT + IA = I0 • R + T + A = 1 R = IR/I0 reflektivitet, T = IT/I0 transmittivitet A = IA/I0 absorbtivitet • Brytningsindeks n: n = c/v = r Snell: sinr / sini = vi / vr (= n hvis i = vakuum). Fermat: Lyset tar raskeste vei • Dobbeltbrytning • forskjellig lyshastighet i forskjellige retninger • Dispersjon, aberasjon • Kortbølget lys har høyere n Figur: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering MEF 1000 – Materialer og energi

  4. Emisjon og absorpsjon – elektroniske overganger • Gasser • Atomer • He, Ne, Xe, Ar • Na, K, Ca, Sr, Ba • Enkle molekyler • H2 • Skarpe topper/linjer i spektre Helium Emisjon Klor Absorpsjon Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2FY og M.A. White: Properties of Materials. MEF 1000 – Materialer og energi

  5. Emisjon og absorpsjon – elektroniske overganger, forts. • Større molekyler og kondenserte faser • Tettere energitilstander • Reabsorbsjon og –emisjon • Bredere topper i spektre • Sorte legemer • absorberer alt • emiterer over stort spektrum • Metaller • absorberer alt i løpet av 100 nm • reemiteres med samme bølgelengde • Ioniske stoffer • Stor båndgap: Transparente • Lite båndgap: Fargede • Unntak: ITO Helium Klor Hvitt lys fra fast stoff (sort legeme) ved høy temperatur Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2FY og M.A. White: Properties of Materials. MEF 1000 – Materialer og energi

  6. Emisjon og absorpsjon – skjematisk oppsummering Figur: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2FY MEF 1000 – Materialer og energi

  7. Farge på d-metallioner; oktaedrisk ligandsymmetri • d-elektronene i utgangspunktet samme energi • Ligander påvirker d-orbitalene forskjellig (elektrostatiske krefter) • d-orbitalenes energier splittes, for eksempel t2g og eg • Eksempel: [Cu(H2O)6]2+ • Cu2+ et et 3d9-kation • 9 d-elektroner: 6 i t2g , 3 i eg • 1 ledig plass i eg • Et t2g-elektron kan eksiteres ved absorpsjon av energi fra lys. Komplekset blir blått! MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver & Atkins: Inorganic Chemistry, 3rd ed.

  8. d-metallioner; tetraedrisk ligandsymmetri Eksempel: [Cu(NH3)4]2+ MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver & Atkins: Inorganic Chemistry, 3rd ed.

  9. d-metallioner som forurensninger gir ofte farge • Rent Al2O3 er fargeløst • ”korund” • Cr3+-ioner løst substitusjonelt • Defekt: CrAlx • O2- -ionene er ligander • Cr3+ er et 3d3-ion; farget • rødt, ”rubin” • Ladningsoverføring: Fe2+ + Ti4+ = Fe3+ + Ti3+ • Blå ”safir” MEF 1000 – Materialer og energi

  10. Luminescens • Ikke-termisk (kald) emisjon • Eksitasjon ved stråling i eller utenfor synlig område • Rask deeksitasjon; fluorescens • Lysstoffrør • Langsom deeksitasjon; fosforescens • Selvlysende skilt • TV- og dataskjermer • Eksitasjon ved kjemisk reaksjonsenergi; kjemiluminescens • Eksitasjon ved biokjemisk reaksjonsenergi; bioluminescens • Lysende insekter; ildflue, sankthansorm • Dypvannsfisk • Energi: luciferin. Enzym: luciferase • Elektroluminescens • lysdioder Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2FY, M.A. White: Properties of Materials og Forskning.no . MEF 1000 – Materialer og energi

  11. LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation • Elektroner eksiteres i en krystall eller et gassvolum ved ekstern stimulus og energikilde • Faller ned i en metastabil tilstand • Samles opp over ”lang” tid • Lysbølge passerer frem og tilbake, med sølvspeil i planslipte ender. • Stimulerer ”ras” av metastabile elektroner, og koherent avgivelse av monokromatisk, polarisert lys • Lyset tas ut ved at ett av speilene er semitransparent Figurer: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering MEF 1000 – Materialer og energi

  12. Lasere MEF 1000 – Materialer og energi

  13. Halvleder-laser • Spenning over udopet GaAs, formidlet med n- og p-dopet GaAs elektroder injiserer elektroner og hull over båndgapet. • Det passerende lyset stimulerer rekombinasjons-ras over båndgapet: Lys! • CD-spillere • SPM • osv… Figur: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering MEF 1000 – Materialer og energi

  14. Laseren i CD-spillere MEF 1000 – Materialer og energi

  15. Vibrasjonelle overganger • Atomære/molekylære vibrasjoner kan også absorbere lys, men ved lavere energier • For det meste IR; påvirker ikke synlig farge • Noe synlig rødt lys kan absorberes i noen tilfeller • Gjelder for eksempel hydrogenbindinger • derfor fremstår vann og is som svakt blått i tilstrekkelige tykkelser …men slike farger har ofte like mye med himmelen å gjøre….. MEF 1000 – Materialer og energi

  16. Spredning, interferens; diffraksjon • Lysbølger spres av atomer • Faste legemers kanter • Gjennomskinnelige stoffer • Interferens mellom spredte bølger • To eller flere regulært plasserte spalter • Andre regulært ordnede strukturer • Krystallgitter • (samme effekt som i røntgen-diffraksjon for strukturbestemmelser) • Store bølgelengder spres med høyere vinkel enn små Figurer: Jerstad, Sletbak, Grimnes: Rom Stoff Tid 2FY og NORLEP MEF 1000 – Materialer og energi

  17. Flytende krystaller(Liquid crystals, LC) • Molekyler flyter, men er ordnet • Hvis polare/ladede kan de ordnes og/eller roteres med elektrisk felt • Kan påvirke gjennomgang av lys • Spredning av lys • Diffraksjon/fargesplitting • Anisotrope (flate, avlange) fargestoffer kan blandes inn; roterer med LC • Farge slås ”av” og ”på” MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M.A. White: Properties of Materials.

  18. Moderne display-teknologier; LCD-skjerm og LCD-videoprosjektør Figurer: http://www.ProjectorPeople.com MEF 1000 – Materialer og energi

  19. Nye display-teknologierDigital Mirror Device (DMP) Micro ElectroMechanical System (MEMS) MEF 1000 – Materialer og energi

  20. Nye display-teknologier (DMD) Figurer: http://www.ProjectorPeople.com MEF 1000 – Materialer og energi

  21. Nye display-teknologier; Plasma-skjermer MEF 1000 – Materialer og energi

  22. Magnetiske egenskaper • Mål for magnetisme: Flukstetthet (induksjon) B proporsjonal med feltstyrke H. • Bidrag fra vakuum og fra mediet (magnetisering M). •  kalles permeabilitet • 0 er vakuumpermeabiliteten • magnetisk susceptibilitet definert som  = M/H • Susceptibilitet og magnetisering kan være svakt negative (diamagnetisk), eller positive (paramagnetisk) Diamagnet, paramagnet og superleder i magnetisk felt. Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry 3rd ed. M.A. White: Properties of Materials MEF 1000 – Materialer og energi

  23. Opphav til magnetisme – netto spinnEksempel fra molekylorbitaler; O2 (paramagnetisk) og CO (diamagnetisk) Figurer: P. Kofstad: Uorganisk kjemi og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry MEF 1000 – Materialer og energi

  24. Opphav til magnetisme, forts. • Ingen netto spinn: Diamagnetisme • I systemer med fylte skall og i mange d-elektron komplekser med stor krystallfeltoppsplitting 0 •  < 0 • Frastøtes svakt av magnetfelt • Oppfattes som ikke-magnetiske • Netto spinn: Paramagnetisme • Ofte i systemer med delvis fylte skall og i mange d-elektron komplekser med liten krystallfeltoppsplitting 0 •  > 0 (10-5 – 10-2) • Tiltrekkes av magnetfelt • Oppfattes som magnetiske • Netto spinn innen hvert atom, men uordnede i retning mellom atomene MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

  25. Ferromagnetisme • Metaller er i prinsippet paramagneter, men spinnene kan vinne energi ved å ordne seg i områder med parallelle spinn. Dette kalles ferromagnetisme. • I et magnetfelt vil spinnene få øket tendens til å rette seg etter feltet; områder med slik retning vokser på bekostning av de andre. • Magnetiseringen blir ved dette sterkere;  øker med H, men effekten mettes når alt er parallellisert. • Ved fjerning av feltet vil magnetiseringen kunne vedvare og vi beholder et magnetfelt; hysterese. • Stor hysterese: Hardt magnetisk materiale; permanent magnet • Magneter, lagringsmedia • Liten hysterese: Bløtt magnetisk materiale; ikke-permanent magnet • Lese- og skrivehoder, transformatorkjerner Figur: M.A. White: Properties of Materials og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry. MEF 1000 – Materialer og energi

  26. Antiferromagnetisme og ferrimagnetisme • Hvis spinnene i en ferromagnet ordner seg, men antiparallelt slik at vi får null netto spinn, kalles materialet antiferromagnetisk. • Hvis materialet ordner seg antiferromagnetisk, men slik at vi ikke får null netto spinn kalles materialet ferrimagnetisk. MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

  27. Magnetisk datalagring • Bløte til hodet: • Permalloy • Fe, NiFe, CoNiFe • Ferritter (MO*Fe2O3) • Harde til mediet: • Ferritt (Fe2O3) Figur: http://www.coe.waseda.ac.jp/osaka/C-e.html MEF 1000 – Materialer og energi

  28. Kraftige permanentmagneter • Harde ferromagnetiske materialer • Karbon-stål, AlNiCo • SmCo5, Sm2Co17 • Nd2Fe14B • Elektromotorer og –generatorer • Sortering (mineraler, avfall…) • Vitenskapelige/medisinske formål • Levitasjon Husk forskjellen til elektromagneter • Vanlige • Superledende • Bløte kjernematerialer Figur: Alstom MEF 1000 – Materialer og energi

  29. Andre magnetiske fenomener og egenskaper • Magnetostriksjon • Magnetfelt kan føre til elastisk deformasjon av ferromagnetiske materialer • Tilsvarer piezoelektrisitet (elektrostriksjon) • Derfor ”synger” transformatoren…! • Magnetooptiske egenskaper • Magnetfelt kan polarisere lys gjennom visse krystaller; Faraday-effekten • granater Figurer: Argonne Natl Labs og T.H. Johansen et al. (http://www.fys.uio.no/super/dend/) MEF 1000 – Materialer og energi

  30. Dielektriske egenskaper • Omhandler lokale elektriske forhold; polarisering (ikke elektrisk langtransport) Kapasitans = Ladning/spenning: C = Q/U enhet C/V Vakuum: C0 = 0A/d A= areal, d=avstand Medium annet enn vakuum: r = C/C0, C = rC0 = r0A/d Høy C: Lagring av ladning, glatting av spenning Lav C: Isolator i databrikker MEF 1000 – Materialer og energi Figur: M.A. White: Properties of Materials.

  31. Pyroelektrika og ferroelektrika • Paraelektriske dielektrika: Polarisering vs spenning er lineær, uten hysterese • Pyroelektrika: Permanente ladningsforskyvninger mulig under kritisk temperatur TC P vs E har hysterese Ferroelektrika: Polarisering vedvarer etter at elektrisk felt er fjernet (E=0) Antiferroelektrika: Polarisering forsvinner ved E=0 Bruk: Svært høye kapasitanser; mye brukt i kondensatorer, BaTiO3 Ferroelektrika: Datalagring MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: M.A. White: Properties of Materials.

  32. Kondensatorer • Dielektrika og ferroelektrika • Brukes til • Lagring av ladning • Filter (AC/DC) Fotos: Johanson Dielectrics, AirBorne Electronics, Velleman, o.a. MEF 1000 – Materialer og energi

  33. Piezoelektrika • Elastisk deformasjon av en sentrosymmetrisk ionisk krystall fører ikke til netto polarisasjon eller elektrisk spenning over krystallen. • Elastisk deformasjon av en ikke-sentrosymmetrisk ionisk krystall kan føre til netto polarisasjon og elektrisk spenning over krystallen: Piezoelektrisitet. • Eksempler: SiO2(kvarts), ferroelektrisk BaTiO3 • Platespiller-stift, kollisjonssensor, dekktrykksensor, vekt, blinkende joggesko, lighter-tenner, osv. • Omvendt: Pålagt spenning fører til elastisk deformasjon: • Posisjonering, SPM, aktuatorer, ventiler, pumper, høyttalere, printere, motorer Figurer: Allied Signal, Adaptronic, Sensonor MEF 1000 – Materialer og energi

  34. Langtransport av ladning Fra avsnitt om defekter: Ohms lov: Husk:  er konduktivitet eller spesifikk ledningsevne (materialegenskap) G er konduktans eller ledningsevne (avhengig av ytre mål) Måling av elektriske egenskaper Elektriske egenskaper Figur: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering MEF 1000 – Materialer og energi

  35. Klassifikasjon av elektriske ledere • Isolatorer (=dielektrika) • Eg > 3 eV • men temperaturavhengig • Halvledere • Intrinsikk likevekt • Donor-doping • Akseptor-doping • Metaller • Mobilitet minker med økende T • Superledere •  = 0 Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, 3rd ed. og http://acre.murdoch.edu.au/refiles/pv/text.html MEF 1000 – Materialer og energi

  36. p-leder: elektronhull n-leder: elektroner Ingen polarisering (=bias) Bakgrunnsrekombinasjon Positiv polarisering (=forward bias) Strøm ved rekombinasjon på p-n-overgangen Negativ polarisering Ingen strøm pga. uttømming på p-n-overgangen Dioder Likerettere Elektromotorbeskyttelse Halvlederkomponenterp-n-overganger - dioder MEF 1000 – Materialer og energi Figur: M.A. White: Properties of Materials.

  37. Vanlig AC/DC strømforsyning: Typisk bruk av transformator, dioder (bro-likeretter) og kondensator; Fra http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html MEF 1000 – Materialer og energi

  38. Transistorer pnp og npn Kollektor-base er stengt av en stor negativ polarisering Uten polarisering av emitter-base. Kollektor-base forblir stengt Med forover-polarisering av emitter-base: Basen oversvømmes av ”feil” ladningsbærer fra emitter. Ved tilstrekkelig polarisering (bias) blir kollektor-base ledende. Nå kan emitter-base moduleres, og vi får en tilsvarende modulasjon av kolektor-base-strømmen. Forsterkning Analog; forsterkere, regulatorer Digitale: Lager: Av-på vha. feedback Prosessor (addisjon/subtraksjon) Figurer: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering o.a. MEF 1000 – Materialer og energi

  39. MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor • n-dopet Si som substrat • p-dopede brønner forbundet med tynne kanaler • SiO2 oksidert frem på overflaten • p-brønnene kontakteres (source, drain) • SiO2-lag over kanalen kontakteres (gate) • Spenning på gate fyller eller tømmer kanalen for hull (lukker/åpner for strøm mellom source og drain) • Høy inngangsmotstand (gate) Figurer: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering, o.a. MEF 1000 – Materialer og energi

  40. Optoelektronikk – emitterende komponenter • Lysdioder; elektroluminescens • Halvleder-lasere Fra http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html o.a. MEF 1000 – Materialer og energi

  41. Optoelektronikk – lysføsomme komponenter • Fotoresistorer • CdS, leder i mørke, isolator i lys • Fotodiode • Fototransistor Fra http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html MEF 1000 – Materialer og energi

  42. Solceller • Mest brukt er silisium • krystallinsk • amorft • Andre halvledere kan også brukes • Krav: • Passende båndgap • God ledningsevne • Få defekter • Ge • TiO2 Figurer: http://acre.murdoch.edu.au/refiles/pv/text.html og http://www.iowathinfilm.com/ MEF 1000 – Materialer og energi

  43. Heike Kamerlingh Onnes Superledere • Resistivitet blir 0 for noen materialer (mest metaller) under TC • Ekskluderer magnetfelt (Meissner-effekten) • TC for det meste < 20 K • Skyldes samvirkning av elektroner; unngår kollisjon med gittersvingninger og defekter • Bryter sammen for høye strømstyrker og magnetfelt Figurer: W.D. Callister jr.: Materials Science and Engineering og Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, 3rd ed. MEF 1000 – Materialer og energi

  44. Høytemperatur superledere • 1986: Müller & Bednorz oppdager superledning i kompleks perovskitt (TC = 30 K!) • 1987: TC > 77 K i YBa2Cu3O7(”123”,”YBCO”) • TC = 135 K i HgBa2Ca2Cu3O8+d • 2001: MgB2; TC = 39 K Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, M.A. White: Properties of Materials, o.a. MEF 1000 – Materialer og energi

  45. Superledere –magnetooptisk avbildning av magnetfeltet Figurer: Argonne Natl Labs og T.H. Johansen et al. (http://www.fys.uio.no/super/dend/) MEF 1000 – Materialer og energi

  46. Bruk av superledere • Strømkabler • Magneter (elektromagneter) • Medisinsk bruk; CT/NMR • Transformatorer • Levitasjon MEF 1000 – Materialer og energi Figurer: http://www.Fysikknett.no og Hitachi Med. Instr.

  47. Magnetoresistans • Resistansen påvirkes av magnetfelt • Giant Magneto-Resistance (GMR) • Colossal Magneto-Resistance (CMR) • For eksempel LaMnO3-baserte perovskitter • Brukes i moderne lesehoder for magnetisk lagring (harddisker) Figur: J.-G. Zhu,Materials Today, Jul/Aug 2003, 22-31. MEF 1000 – Materialer og energi

  48. Faste ioneledere • Mange ”faste” ioneledere har adsorbert eller absorbert vann eller andre flytende faser. Ionetransport delvis ved hjelp av fluid-dynamikk • Egentlige faste ioneledere: Transport av punktdefekter ved selvdiffusjon Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry MEF 1000 – Materialer og energi

  49. Faste ioneledereLedningsevne, tykkelse og tap • U0 = 1 V • Vi ønsker P = 1 W/cm2 dvs. i = 1 A/cm2 • Areal-spesifikk motstand: Rtot = U/i = 1 ohm*cm2 • Hvis Relektrolytt er 0.1 ohm*cm2 har vi 10% tap. • Tykkelse Relektrolytt = elektrolytt*d elektrolytt/d > 10 S/cm2 for <10% tap i elektrolytten ved 1 W/cm2 • Eks: elektrolytt = 0.1 S/cm, d < 0.01 cm = 0.1 mm = 100 m • Eks: elektrolytt = 0.001 S/cm, d < 0.0001 cm = 0.001 mm = 1 m MEF 1000 – Materialer og energi

  50. Lavtemperatur, faste elektrolytterProtonledende polymerer • Proton Exchange Membranes (PEM) • Nafion® ledende; bra, men dyrt • Alternativer forsøkes utviklet, for eksempel PEEK • Fordeler ved polymerelektrolytter: • Høy ledningsevne • Mekanisk og kjemisk robuste • Ulemper: • t < 100°C • Transport av H3O+ • ”Drag” av 5-6 H2O • Løselighet/diffusjon av brenselmolekyler Figur: S.J. Paddison, Ann. Rev. Mater. Res., 33 (2003) 289. MEF 1000 – Materialer og energi