Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard



Relaterede dokumenter
LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Atomare elektroners kvantetilstande

fra venstre: Philip Trøst Kristensen, Peter Lodahl og Søren Stobbe

Tjekspørgsmål til Laseren den moderne lyskilde

Solceller. et strålende svar på den indlysende udfordring. 134 Bæredygtig kemi i fremtiden

144 Nanoteknologiske Horisonter

Røntgenspektrum fra anode

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

Atomare overgange Tre eksempler på vekselvirkningen mellem lys og stof, som alle har udgangspunkt i den kvantemekaniske atommodel:

Laboratorieøvelse Kvantefysik

I dagligdagen kender I alle røntgenstråler fra skadestuen eller tandlægen.

Byg selv et solcelleskib

Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Brombærsolcellens Fysik

Undervisningsbeskrivelse

Indhold Problemstilling... 2 Solceller... 2 Lysets brydning... 3 Forsøg... 3 Påvirker vandet solcellernes ydelse?... 3 Gør det en forskel, hvor meget

Optik under diffraktionsgrænsen

Undersøgelse af lyskilder

Undervisningsbeskrivelse

Byg selv en solcellemobiloplader

FYSIK I DET 21. ÅRHUNDREDE Laseren den moderne lyskilde

Forventet bane for alfapartiklerne. Observeret bane for alfapartiklerne. Guldfolie

Teknikken er egentlig meget simpel og ganske godt illustreret på animationen shell 4-5.

Innovationsprojekt. elementer af matematik (økonomi, besparelser, lån osv) og fysik (bølgelængder og lys)

Theory Danish (Denmark)

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Lysets kilde Ny Prisma Fysik og kemi 9 - kapitel 8 Skole: Navn: Klasse:

Fluorescens & fosforescens

nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Introduktion, teori og beskrivelse

Mundtlig eksamen fysik C side 1/18 1v 2008/2009 Helsingør Gymnasium

Energiens veje Ny Prisma Fysik og kemi + Skole: Navn: Klasse:

Undervisningsbeskrivelse

Absorption af Gammastråler i Vand og α strålers flyve længde i tågekamre

I dag. Hvad adskiller aktive galakser fra normale galakser? Hvilken betydning har skiven omkring det sorte hul?

Christian Søndergaard, Hospitalsfysiker

Eksamensspørgsmålene i 1v fysik C i juni 2010 består af 19 spørgsmål.

Direkte måling af elektronstrukturen i graphen og ultrahurtig dynamik af masseløse Dirac Fermioner

Undervisningsbeskrivelse

Strålings vekselvirkning med stof

Absorption af γ-stråler i vand og α-strålers flyvelængde i et tågekammer

Brombærsolcellen - introduktion

Undervisningsbeskrivelse

Lærebogen i laboratoriet

Rela2vitetsteori (iii)

LASERTEKNIK. Torben Skettrup. Polyteknisk Forlag. 5. udgave

Moderne Fysik 3 Side 1 af 7 Kvantemekanikken

Undervisningsbeskrivelse

AT KASTE LYS OVER ANTISTOF ALPHA-FORSØGET VED CERN

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Undervisningsbeskrivelse

Absorption af Gammastråler i Vand og α strålers flyve længde i tågekamre

Forskning i materialers egenskaber har i de seneste

Optisk gitter og emissionsspektret

Undervisningsbeskrivelse

Spektralanalyse. Jan Scholtyßek Indledning 1. 2 Formål. 3 Forsøgsopbygning 2. 4 Teori 2. 5 Resultater 3. 6 Databehandling 3

MODUL 3 OG 4: UDFORSKNING AF RUMMET

Undervisningsbeskrivelse

Mundtlig eksamen fysik C side 1/13 1v 2007/2008 Helsingør Gymnasium

Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde

Lysledere og internettet Introduktion

Dannelsen af Galakser i det tidlige. Univers. Big Bang kosmologi Galakser Fysikken bag galaksedannelse. første galakser. Johan P. U.

fra venstre: Michael Frosz og Ole Bang Fra venstre: Michael Frosz og Ole Bang

Undervisningsbeskrivelse

Titel: Atom-, molekyl-, og kvantefysik med kolde indfangede ioner. Vejleder: Michael Drewsen

STUDIERETNINGSPROJEKT 2010

Solceller. Mikkel Jørgensen Seniorforsker Institut for Energikonvertering og Lagring DTU

Undervisningsbeskrivelse

Myonens Levetid. 6. december 2017

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

1 Lysets energi undersøgt med lysdioder (LED)

European Spallation Source 2/9 2014

Løsningsforslag til fysik A eksamenssæt, 23. maj 2008

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Undervisningsbeskrivelse

Elforbrug og energirigtige skoler

Solceller SOFIE MYGIND BISGAARD 1

Undervisningsbeskrivelse

Mørkt stof i Universet Oprindelsen af mørkt stof og masse

STUDENTEREKSAMEN MAJ 2007 Vejledende opgavesæt nr. 2 FYSIK A-NIVEAU. Xxxxdag den xx. måned åååå. Kl STX072-FKA V


Fysik A - B Aarhus Tech. Niels Junge. Bølgelærer

Undervisningsbeskrivelse for: gsfya403 S13/14 Fysik B->A, STX

Byg selv en varmlufts-solfanger

Undervisningsbeskrivelse

Standardmodellen. Allan Finnich Bachelor of Science. 4. april 2013

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Kernereaktioner. 1 Energi og masse

nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Perspektiver og baggrund

Undervisningsbeskrivelse

Kernefysik og dannelse af grundstoffer. Fysik A - Note. Kerneprocesser. Gunnar Gunnarsson, april 2012 Side 1 af 14

Øvelse 2: Myonens levetid

Videregående kernefysik 1/6 september 2013 / Henning Schou

Undervisningsbeskrivelse

fra venstre: Mike van der Poel og Alexandra Boltasseva

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Nyt til fysik A. Partikelfysik. nye muligheder. nyt pensum nyt udstyr

Transkript:

Lys fra silicium-nanopartikler Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

Oversigt Hvorfor silicium? Hvorfor lyser nano-struktureret silicium? Hvad er en nanokrystal og hvordan laver man den? Hvad studerer vi eller vil vi gerne studere på IFA? Fundamental forståelse af nanokrystaller. Fremtidens solceller med nanokrystaller. Sjældne jordarter og nanokrystaller.

Silicium Billigt materiale, 25.7% af Jordens skorpe består af silicium. Elektriske egenskaber kan modificeres/kontrolleres. Basis for elektronik-industrien Men, silicium kan ikke udsende lys...

Silicium Lys er vigtigt i mange sammenhænge for elektroniske produkter:

Lys fra silicium Leigh Canham, 1990: Porøst silicium Silicium Syrebad

Lys fra silicium 2μm Porøst silicium kan godt udsende lys.

Hvorfor lyser normalt silicium ikke? Forklaring i energi-bånd-strukturen: Vekselvirkning med lys kræver impuls- og energi-bevarelse. Foton Båndstrukturen er en makroskopisk egenskab af materialet. Energi [ev] Varme-tab Krystal impuls Krystal impuls

Hvorfor lyser nanostruktureret silicium? 1) Materialet er ikke makroskopisk. Bånd-struktur-argument virker ikke mere... 2) Heisenbergs usikkerhedsprincip: I en nanokrystal: 1) Position af et elektron/hul-par er velbestemt. 2) Impulsen er IKKE velbestemt, men udgør en bred fordeling. 3) Lettere at opnå energi- og impuls-bevarelse! Krystal impuls

Hvad er en nanokrystal? Fabrikation af nanokrystaller Een type materiale En anden type materiale Energi få nm Ledningsbånd Valensbånd Position

Fabrikation af nanokrystaller Hvad er en nanokrystal? Een type materiale f.eks. kvarts (SiO 2 ) En anden type materiale f.eks. Si Energi få nm Ledningsbånd Kvantiserede energiniveauer Elektron-hul par Valensbånd Position

Nanokrystal fabrikation: Fabrikation af nanokrystaller SiO 2 Si ( nm tykkelse) SiO 2 Si wafer

Nanokrystal fabrikation: Fabrikation af nanokrystaller Varmebehandling (typisk 1100 ºC) SiO 2 Si ( nm tykkelse) SiO 2 Si wafer

Fundamental forståelse af nanokrystaller Mange vigtige detaljer er studeret gennem tiden: Hvorfor lyser nanokrystallerne egentligt? Hvad sker der når nanokrystallerne bliver mindre? Hvor effektivt lyser nanokrystallerne? Hvad kan det udsendte lys fortælle om nanokrystallernes interne struktur og dynamik? Eksempel på tidsopløste metoder...

Spin-dynamik i nanokrystaller Elektronerne og hullerne har spin: Energi Ledningsbånd Lyser bedst Lavest energi Valensbånd Position

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 25% 25% 25% 25% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 20% 20% 30% 30% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 15% 15% 35% 35% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 10% 10% 40% 40% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 0% 0% 49% 49% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC Detektor 10 2 Henfaldstid ca. 100 ns. Lyser bedst Lavest energi Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Spin-dynamik i nanokrystaller Tidsopløste metoder kan adskille forskellige processer. Spin-dynamik er vigtigt for tolkningen af henfaldskurver. Spin-dynamik er vigtigt for forståelsen af vekselvirkningen mellem nanokrystallerne og det omgivende miljø. 10 2 Tællinger 10 1 0 0.5 1 1.5 2 Tid [μs]

Fremtidens solceller Solceller i praksis lavet af halvleder-materialer f.eks. silicium. IR lys absorberes ikke. Lys lidt under 1100 nm absorberes i tyk solcelle. Korte bølgelængder absorberes effektivt, men giver varmetab. Energi Ledningsbånd 1.1 ev (1100 nm) Valensbånd

Fremtidens solceller 47% går tabt til varme Standard silicium solcelle 18% kan ikke absorberes 5% går tabt pga. rekombination Kan omsættes til elektricitet i en solcelle ca. 30%

Fremtidens solceller Hvad kan nanokrystaller bidrage med? Hurtig termalisering Langsom termalisering Kan måske mindske varmetabet Multi-exciton generation Exciton = elektron-hul par

Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Brug infrarødt lys: Kan ikke skabe et elektron-hul par. Kan absorberes af et elektron-hul par.

Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Absorptionen proportional med antal elektron-hul par: 10 x 1

Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Absorptionen proportional med antal elektron-hul par: 20 x 1

Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Absorptionen proportional med antal elektron-hul par: Hvordan ser vi forskel? 10 x 2

Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Absorption Auger rekombination Tidsskala: Nogle 100 ps. Tid

Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Absorption Fortæller om antal multi-excitoner τ Tid

Fremtidens solceller Absorption Si-nanokrystal Tid Tids-opløste metoder adskiller forskellige processer. E g Beard and Ellingson, Laser & Photon Rev. 2, 377 (2008)

Fremtidens solceller Status på multipel-exciton generation: 1) Langt de fleste eksperimenter foregår i væsker. 2) Multi-excitoner henfalder på nogle 100 ps. 3) Stor udfordring at omdanne ladningerne til brugbar strøm. 4) Måske findes bedre materialer.

Fremtidens solceller Hvorfor er solceller så vigtige? http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/seu_rpt.pdf

Verdens energiforbrug: Fremtidens solceller 2005: 13 TW = 114.000.000.000.000 kwh per år. 2050: 30 TW 2100: 46 TW Total-effekt fra Solen: 120.000 TW Sol-cellererdyre: 0.30 USD/kWh Fossilt brændstof er billigt: 0.02 USD/kWh

Fremtidens solceller

Sjældne jordarter Optiske fibre: Er 3+ 980 nm 1550 nm 1550 nm

Eksempel på fiberlaser: Sjældne jordarter Ikke billigt...

Sjældne jordarter Er 3+ Elektrisk aktivering? Energioverførsel Mekanisme? 980 nm 1550 nm

Opsummering Nano-struktureret silicium kan lyse. Nanokrystaller er en slags kunstige atomer spændende fysik. Nanokrystaller kan potentielt ændre solcellers egenskaber. Nanokrystaller kan assistere lysudsendelse fra erbium. Silicium har fået en mere direkte rolle inden for optik.