Fyzikální základy nanotechnologií

Předmět: Fyzikální základy nanotechnologií

Katedra/Zkratka: KEF/BFZN

Rok: 2019

Garant: 'doc. Mgr. Jiří Tuček, Ph.D.'

Anotace: Seznámení s vlastnostmi nanostruktur a nanosystémů.

Přehled látky:
1. Krystalové struktury pevných látek a jejich změny s klesajícím rozměrem (nano)materiálu 2. FCC nanočástice (strukturní magická čísla), tetraedrálně svázané polovodičové struktury (iontový model, kovalentní model, Vegardův zákon). 3. Schrödingerova rovnice pro systém elektronů a jader a její aproximace, Blochův teorém, Blochova funkce, lokalizované a delokalizované elektrony, lokalizace elektronů s poklesem velikosti (nano)materiálu, díra (kvazičástice s kladným nábojem a kladnou efektivní hmotností), excitony (Mott-Wannierovy excitony a Frenkelovy excitony, Sahaova rovnice). 4. Vlastnosti jednotlivých nanočástic, kovové nanoklastry (metoda přípravy, strukturní a elektronová magická čísla, superatomy, gelový model, podstata molekulární orbitalové teorie a funkcionální hustotní analýzy ("Density Functional Analysis"). 5. Polovodičové nanoklastry (optické vlastnosti polovodičových nanoklastrů a jejich velikost, režim silného a slabého omezení excitonu, modrý posuv a velikost polovodičových nanoklastrů, změna velikosti pásové mezery s velikostí polovodičového nanoklastru), fotofragmentace, Coulombovská exploze, 6. Klastry inertních plynů (van der Waalsův potenciál, Lennard-Jonesův potenciál), supratekuté nanoklastry, Bose-Einsteinova kondenzace (kvalitativní popis), molekulární nanoklastry (molekula vody a symetricky vodíkem vázaná voda). 7. Objemové nanostrukturní neuspořádané materiály, mechanismy poruchy tradičních zrnových materiálů, mechanické vlastnosti neuspořádaných nanostruktur (Youngův modul, Hall-Petchova rovnice, křehkost a snížená tažnost neuspořádaných nanostruktur), nanostrukturní vícevrstvé neuspořádané materiály (vliv tloušťky vrstvy na tvrdost materiálu), elektrické vlastnosti neuspořádaných nanostruktur (vodivost a elektronové tunelování), nanokompozitní nanoklastrová kovová skla (optické vlastnosti a plazmová absorpce, nelineární optické jevy - nelineární index lomu, metody přípravy nanokompozitních skel), pórovitý křemík (luminiscence, fluorescence a fosforescence, Jablonského diagram - kvalitativní popis, zářivé a nezářivé přechody, velikost pórů a její vliv na luminiscenci křemíku). 8. Nanostrukturní krystaly: přírodní nanokrystaly, pole nanočástic v zeolitech, mřížky nanočástic v koloidních suspenzích (princip tvrdého a měkkého odpuzovaní, Kirkwood-Alderův přechod, přechod mezi FCC a BCC uspořádáním, fotonické krystaly (definice a tvorba fotonického krystalu, Maxwellovy rovnice fotonického krystalu v operátorovém tvaru, hlavní rovnice pro intenzitu magnetického pole, periodičnost relativní permitivity, pásy dovolených a zakázaných energií, dielektrický pás a vzduchový pás, výpočet disperzní relace pro jednoduchý 1D fotonický krystal, rezonantní dutina, frekvence a velikost poloměru otvorů u 2D a 3D fotonického krystalu). 9. Kvantová povaha nanosvěta, Schrödingerova rovnice, kvantové stavy a energie, tunelování barierou (Schrödingerova rovnice v jedné dimenzi, časově závislá a nezávislá Schrödingerova rovnice, částice uvězněná v jedné dimenzi, lineární kombinace řešení, očekávané hodnoty a dvou-částicová vlnová funkce, odraz a tunelování na potenciálovém schodu, průchod potenciálovou bariérou - tunelování, uvězněné částice ve dvou a tří dimenzích, kvantové tečky, dvourozměrné pásy a kvantové dráty, jednoduchý harmonický oscilátor, magnetické momenty. 10. Kvantové důsledky pro makrosvět, nanosymetrie a dvouatomové molekuly, kovalentní vazba a kovalentní antivazba jako čistý nanofyzikální jev, definice výměnné interakce, polární a van der Waalsovy fluktuační síly, elektrická polarizace neutrálních atomů a molekul, dipólové interakce neutrálních a symetrických atomů, Casimírova síla, experimentální uspořádání pro měření Casimírovy síly, vodíková vazba. 11. Jedno-elektronové tunelování, Coulombova blokáda, Coulombovo schodiště, supravodivost a kvantové nanostruktury.