1 Nobel 2010 Wykład Tadeusz Hilczer

2 Nobel ‘10 GRAFEN Tadeusz Hilczer

3 Konstantin NowosiołowNobel ‘10 Andriej Gejm Konstantin Nowosiołow Tadeusz Hilczer

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

5 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

6 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

7 Jean Henri Dunant – założyciel Czerwonego Krzyża Nagroda Nobla 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

8 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

9 Pierwsza Nagroda Nobla z dziedziny fizyki1901 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) fizyk niemiecki Tadeusz Hilczer

10 Andriej Konstantinowicz GejmTadeusz Hilczer

11 Andriej Konstantinowicz GejmАндрей 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

12 Andriej Konstantinowicz Gejmlatająca żaba Tadeusz Hilczer

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

14 Andriej Konstantinowicz GejmTadeusz Hilczer

15 Andriej Konstantinowicz GejmTadeusz Hilczer

16 Konstantin Siergiejewicz NowosiołowTadeusz Hilczer

17 Konstantin Siergiejewicz NowosiołowКонстантин 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

18 Konstantin Siergiejewicz Nowosiołow1990 i uczestnik wszechzwiązkowych olimpiad: fizycznej i matematycznej. studia w Moskiewskim Instytucie Fizyko-Technicznym na wydziale elektroniki fizycznej i kwantowej na kierunku mikroelektroniki – doktorant w Instytucie Technologii Mikroelektronicznej w Czernogołowce –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

19 Węgiel – podstawowe własnościWęgiel (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 lat. niemetal średni ciężar atomowy: amu. jeden z niewielu pierwiastków znanych w starożytności nazwę polską zaproponował Filip Walter (1842) Tadeusz Hilczer

20 Węgiel – podstawowe własnościKonfiguracja 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

21 Węgiel – podstawowe własnościWszystkie 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

22 Węgiel – podstawowe własnościWęgiel 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

23 Węgiel – podstawowe własnościOdmiany 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

24 Grafit sieć grafitu Tadeusz Hilczer

25 Grafit grafit Tadeusz Hilczer

26 Diament diament Tadeusz Hilczer

27 Fuleren fuleren Tadeusz Hilczer

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

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

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

31 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

32 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

33 Grafen – struktura plastra mioduTadeusz Hilczer © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials

34 Grafen – struktura plastra mioduA atom B atom Grafen ma 2 atomy w komórce Tadeusz Hilczer © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials

35 Grafen – struktura plastra mioduA atom B atom ARMCHAIR ZIGZAG Tadeusz Hilczer © Dr. Chris Ewels, Inst. of Materials

36 obraz grafenu w elektronowym mikroskopie transmisyjnymTadeusz Hilczer

37 Grafen Tadeusz Hilczer

38 Grafen – podstawowe własnościBardzo dobry przewodnik ciepła około 5000 W/mK srebro: 429 W/mK Bardzo mały opór elektryczny Bardzo wysoka ruchliwość elektronów 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

39 Grafen – podstawowe własnościPrawie 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

40 Grafen – widoki na przyszłośćMoże 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

41 Grafen – podstawowe własnościNie 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

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

43 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

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

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

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

47 Model pasmowy grafenu Tadeusz Hilczer

48 Dla elektronu i kryształów regularnychMasa 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

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

50 Ambipolarny efekt pola elektrycznegoGrafen Ambipolarny efekt pola elektrycznego Tadeusz Hilczer

51 Klasyczny efekt Halla Efekt Halla Napięcie Halla Edwin H. Hall, 1879występowanie 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

52 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

53 prędkości elektronów w ciele stałym mają pewien rozkład opisany przezKlasyczny 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

54 Kwantowy efekt Halla Kwantowy efekt Hallapodstawy 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

55 Całkowity kwantowy efekt HallaKlaus 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

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

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

58 Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

59 Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

60 Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

61 Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer

62 Fundacja Nobla Tadeusz Hilczer