FMT402: FMT40 2: Int In rodu ção à Fís ica ic do Es do Es ad o Sólido Ementa:

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1 FMT402: Introdução à Física do Estado Sólido Ementa: Estrutura cristalina. Difração de Raios X e rede recíproca. Ligações cristalinas. Vibrações da rede, fonons e propriedades térmicas. Gás de Fermi de elétrons livres. Bandas de energia. Semicondutores. Metais e superfícies de Fermi. Processos óticos. Magnetismo. Supercondutividade. Bibliografia: Introduction to Solid State Physics, Charles Kittel, 8a. edição, Wiley (2005) Solid State Physics, N.W. Ashcroft e N.D. Mermin, Saunders College (1976) Electronic Structure and the Properties of Solids, W.A. Harrison, Dover (1989) e-books: disponíveis para download na página do curso Introduction to Modern Solid State Physics, Yuri M. Galperin (U. Oslo) Solid State Physics, Chetan Nayak (UCLA) Solid State Physics, Peter Mitchell (Manchester University)

2 FMT402: Introdução à Física do Estado Sólido Calendário de Atividades: Data Atividade Assunto 15/10/09 1ª. Prova Listas 1,2,3 03/12/09 2ª. Prova Listas 4,5,6 10/12/09 Sub Tudo A combinar Rec Tudo Horário de atendimento: a combinar com os alunos. Página na web:

3 FMT402: Introdução à Física do Estado Sólido

4 FMT402: Introdução à Física do Estado Sólido Métodos experimentais: Espalhamento: luz visível, ultra-violeta, raios X, neutrons, elétrons Partículas incidentes com energia e momento conhecidos: medimos a energia e o momento da partícula espalhada NMR: Aplica-se um campo magnético estático B e medimos a absorção/emissão de radiação Termodinâmica: mede-se a resposta de variáveis macroscópicas (energia, volume, etc) a variações de temperatura, pressão, etc Transporte: mede-se a corrente elétrica ou de calor em resposta a uma diferença de potencial elétrico ou gradiente de temperatura aplicado

5 Métodos Espectroscópicos Interação luz- matéria Resultados possíveis: Espalhamento da luz Absorção da luz Emissão de elétrons etc Espectroscopia Fotoeletrônica (PES): efeito fotoelétrico Fonte de luz: Ultra-violeta (UPS) Raios X (XPS)

6 XPS O que é XPS? X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ou Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA), é uma técnica de uso geral para investigar a composição química de materiais (camada de ~ 50 Å, ou seja, próximo à superfície) A técnica XPS, baseada no efeito fotoelétrico, foi desenvolvida em meados da década de 1960 por Kai Siegbahn e seu grupo na Universidade de Uppsala, Suécia K. Siegbahn, Et. Al.,Nova Acta Regiae Soc.Sci., Ser. IV, Vol. 20 (1967). Prêmio Nobel de Física em 1981

7 Detalhes experimentais Hemispherical Energy Analyzer Computer System Outer Sphere Magnetic Shield Inner Sphere Analyzer Control X-ray Source Electron Optics Sample Lenses for Energy Adjustment (Retardation) Lenses for Analysis Area Definition Position Sensitive Detector (PSD) Multi-Channel Plate Electron Multiplier Resistive Anode Encoder Position Computer Position Address Converter F. Alvarez (IFGW-UNICAMP)

8 Detalhes experimentais Fontes de luz UV: radiação He I : Transição 2 1 P 1 (1s 1 2p 1 )-1 1 S 0 (1s 2 ) do He em 58.4 nm (21.22 ev) radiação He II: Transição 2p 1s do íon He + em 30.4 nm (40.81 ev) Raios X: MgKα ev e ev AlKα ev e ev Radiação síncrotron

9 Processo de fotoemissão Radiação incident e Banda de condução Banda de valência Fotoelétron ejetado Elétron livre E F O instrumento XPS (UPS) mede as energias cinéticas de todos os elétrons coletados 2p 2s 1s Conservação da energia: h = E B + K

10 Difração de raios X 1895 Raios X descobertos por Roentgen 1914 Primeiro padrão de difração de um cristal obtido por Knipping e von Laue 1915 Teoria para determinar a estrutura cristalina a partir do padrão de difração desenvolvido por Bragg Estrutura do DNA resolvida por Watson and Crick nl=2dsin(q)

11 Difração de raios X

12 Sólidos cristalinos

13 Sólidos cristalinos

14 Sólidos cristalinos

15 Sólidos cristalinos Cristais cúbicos Cúbico de face centrada Cúbico de corpo centrado Cúbico simples Ag, Au, Al, Ni Nb, Ta, Ba, Mo CsCl,CuZn, CsBr, LiAg

16 Sólidos cristalinos

17 Sólidos cristalinos Uma coleção de pontos em que a vizinhança em torno de cada ponto é igual à vizinhança em qualquer outro ponto sob uma translação é chamada de uma rede de Bravais Célula primitiva é o volume definido pelos três vetores primitivos (em 3D), definidos como vetores da rede que produzem a célula unitária de volume mínimo V = a. (b x c) Há várias maneiras de definir a célula primitiva, mas todas as células primitivas tem o mesmo volume

18 Cristal = rede de Bravais + base Sólidos cristalinos

19 Sólidos cristalinos

20 Sólidos cristalinos: defeitos pontuais (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

21 Sólidos cristalinos: outros defeitos Contornos de grãos Discordâncias (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning