Tünel Elektronları
Teorik bir bakış açısından, bir tünel elektronu, örneğin bir taramalı tünelleme mikroskobu ölçümünde, iki sonsuz metal ucu ve bir vakum bariyerinden ve isteğe bağlı olarak bir molekül veya bir kümeden oluşan bir arayüzden oluşan bir sistemin parçasıdır. Sonsuz kurşunlardan farklı özelliklere sahip atomlar içerir.
Sistemin açık olduğu söylenebilir, yük taşıyıcıların sayısı sabit değildir ve denge dışında, uygulanan potansiyel ve yük taşımanın kendileri sistem içinde kutuplaşmalar ve uyarımlar getirir.
Böyle bir sistemin teorik tanımı son yıllarda önemli ölçüde ilerlemiştir; bugüne kadarki en kapsamlı açıklama, Lippman-Schwinger denkleminin kendi kendine tutarlı bir çözümüne veya dengesiz fonksiyon yaklaşımına dayanmaktadır.
Örneğin bir molekül-yüzey arayüzü içindeki elastik olmayan etkiler, vakumdan yüzey substratına giden çoklu elektron yolları dikkate alınarak dahil edilebilir.
Vakum bariyerinin kendi içinde, elastik olmayan etkiler önemsiz bir rol oynar. Burada, taramalı tünelleme mikroskobundaki çoğu deneyde olduğu gibi, problem, termal dengede olduğu düşünülen iki uç (S yüzeyi ve T ucu) arasındaki tünelleme akımının açıklamasına indirgenebilir.
Devrenin öngerilim potansiyeli bu durumda, μS ve μT ile sembolize edilen yüzey ve uç sisteminin kimyasal potansiyellerinin bir modifikasyonu ile tanımlanır. Bu, tünel açma problemini Landauer–Bütiker formülasyonuna indirger.
Burada f, Fermi dağılım fonksiyonunu, GR(A)(E) bariyerin geciktirilmiş (gelişmiş) fonksiyonunu ve ΓS,ΓT sırasıyla yüzey ve uç temaslarını ifade eder. Gecikmiş ve gelişmiş kendi kendine enerji yüzey ve uç terimlerinin farkına karşılık gelirler; onları yüzeyin spektral fonksiyonu AS(T) ile olan ilişkilerine göre tanımlarız.
Şu anda, bu denklemler yerel baz kümeleri içinde ve bir matris gösteriminde değerlendirilmektedir. Teorik bir bakış açısından bu, ya iki yüzeyin elektronik özelliklerini yerelleştirilmiş bir gösterimde temsil etmeyi ya da çoğu yoğunluk fonksiyonel yönteminin düzlem-dalga temel setini yerel bir temele dönüştürmeyi gerektirir.
Yüzey dalga fonksiyonlarının vakum kuyrukları çok hızlı bozunduğundan, yerel temel setlerin kullanılması tünel açma bariyerindeki sayısal doğruluğu tehlikeye atar: bu durumda sabit akım konturları yüzeye çok yakındır.
Aşağıdaki sunum, Dyson denkleminin akıllıca uygulanmasıyla bu sınırlamanın kaldırılabileceğini ve tünelleme akımının ve etkileşim enerjisinin daha sonra bir düzlem-dalga temel kümesi içinde ve genel sistem gibi kırık yanal simetriye sahip bir sistem için hesaplanabileceğini göstermektedir.
Vakum bariyerinin İşlevi
Bu noktada, iki sistemin elektronik öz durumlarına dayanan bir gerçek uzay temsilinde verilen, iki yüzeyin işlevlerine dayanan problemin bir formülasyonunu sunuyoruz. Tanımlanan çoklu saçılma formalizminin gerçek uzayda nasıl değerlendirilebileceğini ve bunun tünel açma probleminin pertürbasyon genişlemesiyle nasıl ilişkili olduğunu gösteriyoruz. Yüzeyin bir özvektör açılımı ile başlıyoruz ve verilen Green fonksiyonlarının ucunu veriyoruz.
Bu bölüm boyunca dalga fonksiyonları ψ ve χ yoğunluk fonksiyonel hesaplamasından kaynaklanan sırasıyla yüzey ve ucun Kohn-Sham durumlarını gösterir. Sistemin kurulumu gösterilmektedir. Green fonksiyonlarının enerji öz değerleri, uygulanan öngerilim voltajı nedeniyle kaydırılır, böylece Ei = Ei −eV/2, Ej = Ej +eV/2. AS spektral fonksiyonu, elde ettiğimiz yük yoğunluğu matrisini tanımlar.
C bir sabit olduğunda, çift hacim entegrasyonunu gerçekleştiririz. Bu durumda, yüzey durumlarının ortogonalliği, ifadeyi kompakt bir forma indirger.
Bariyerdeki fonksiyonun inşası için, yük yoğunluğunun yüzey ve ucun ayrı ayrı hesaplanmasından bilindiği gerçeğini kullanıyoruz. Zayıf bağlantı limitinde, arayüzün toplam yük yoğunluğu verilir.
Tünel diyot Nedir
Tünel diyot
Tünel diyot çalışma Prensibi
Kuantum tünelleme
Tünel diyot sembolü
Kuantum tünelleme pdf
Varikap diyot sembolü
Kuantum fiziği formülleri
Bu, vakum bariyerinin Green fonksiyonu için sıfır dereceli bir yaklaşımın, yüzey ve uç fonksiyonlarının toplamı olarak oluşturulabileceğini gösterir.
Bu Green fonksiyonunun köşegen elemanları r1 = r2 toplam yük yoğunluğuna eşittir. Köşegen dışı elemanlar r1 à= r2 için, bu seçimin haklı olduğunu iki ayrı tahminle gösteriyoruz.
Yüzey bölgesinde,VT =0veGT ≈0.Tip bölgesinde,VS =0ve GS ≈ 0. Vakum bölgesinde her iki terim de vakum bariyerinin farklı taraflarında merkezli ve üstel olarak azalan fonksiyonların ürünleridir; sonuç olarak diğer terimlerle karşılaştırıldığında çok küçüktürler. Böylece yaklaşık olarak tüm sistem boyunca geçerlidir. İkinci olarak, fonksiyonun iyi bilinen özelliğini yazalım.
Bu formülde yerine koymak aşağıdaki koşulla sonuçlanır: GS(z)GT(z) = 0. Bu, yüzey bölgesinde, GT ≈ 0 olduğundan, tüm sistemde yaklaşık olarak sağlanır; uç bölgesinde, GS ≈ 0 ve vakum bölgesinde, sistemin zıt uçlarında merkezlenmiş iki üstel fonksiyonun bir çarpımı elde ederiz.
Sıfır Dereceli Akım
Şimdi, denge dışı formalizmdeki izi hesaplamak için gerekli tüm bileşenler, gerçek uzay yüzey ve uç dalga fonksiyonları cinsinden verilmiştir. Trace için aşağıdaki ifadeyi elde ederiz.
Aik matris elemanlarının hesaplanması, doğrudan gerçekleştirilemeyen sonsuz uzayda bir entegrasyonu içerir. Hacim integrallerini yüzey integrallerine dönüştürmek için, yüzey ve ucun vakum durumlarının, vakum dinger denklemine uyan, karakteristik bozunma sabitlerine sahip serbest elektron çözümleri olduğu gerçeğini kullanırız.
Bazı önemsiz manipülasyonlardan sonra ve teoremden yararlanarak, bu, hacim integralini ayırma yüzeyi üzerinde bir integrale dönüştürmemizi sağlar.
İlişki yalnızca κ2i à= κ2k ise geçerlidir. Uygulamada, yüzey ve uç iş fonksiyonları genellikle farklı olduğundan, yaklaşımın genelliğini sınırlamaz. Yüzey integrali iyi bilinmektedir; 2/2m evrensel sabitinden ayrı olarak pertürbasyon yaklaşımındaki tünel açma matrisi öğesini tanımlar. Enerji aralığı üzerinden integral alarak, sıfır mertebe yaklaşımında tünelleme akımından elde ederiz.
Bu formülasyondan, elde edilen tünelleme spektrumunun veya dI/dV eğrilerinin, uygulanan öngerilim voltajıyla karesel olarak artacağı görülebilir. Bu aslında spektroskopi deneylerinde gözlenir.
Parantez içindeki ikinci terim, sıfır dereceli saçılma yaklaşımındaki yanlılık bağımlılığını verir, standart Bardeen yaklaşımına yönelik bir düzeltmedir ve sıfır yanlılık sınırında geri kazanılabilir. Bu durumda, Bardeen yönteminin, tam bir saçılma işlemine sıfır yanlılık sınırında sadece sıfır dereceli bir yaklaşım olduğu sonucunu doğrularız.
Bu sonuç ve saçılma teorisi açısından yorumlanması iyi bir şekilde kabul edilmektedir. Burada, arayüzün sıfır dereceli Green fonksiyonu seçiminin haklı olduğunu bir kez daha göstermektedir.
Termal Depolama
Daha iyi depolama seçeneklerinin enerjide kendi kendine yeterliliği nasıl sağlayabileceği veya daha fazla geliştirebileceği sorusu da güneş ısıtmasıyla ilgilidir. Her güneş kollektörünün bir sıcak su depolama tankına ihtiyacı olduğunu söylemeye gerek yoktur.
Bununla birlikte, şimdiye kadarki model, güneş enerjisiyle ısıtmanın gerekli ısının yalnızca bir kısmını sağlaması ve ek ısıtma ihtiyaçlarının geleneksel kaynaklardan karşılanmasıydı. Bu nedenle bir sonraki doğal adım, fosil yakıt ekleme kaynaklarından tam bağımsızlık aramaktır.
Teknolojik açıdan bu bir sorun teşkil etmez: sadece daha büyük bir kollektör alanı, daha fazla depolama kapasitesi ve daha az ısı ihtiyacı, örneğin daha iyi yalıtım, ısı eşanjörleri, ısı geri kazanımı ve bina için optimum pasif güneş enerjisi kazanımı gerektirir. bir bütün olarak. Bu saldırı hattı, son zamanlarda bazıları ana akım geliştiriciler tarafından da dahil olmak üzere, birçok başarılı sıfır emisyonlu konut projesine yol açtı.
Ancak büyütülmüş toplayıcı alanı ve daha fazla depolama kapasitesi tek çözüm değil. Diğer bir seçenek ise geliştirilen solar magnezyum hibrit depolama sistemidir.
Sistem, ısı enerjisinin hidrojeni magnezyumdan ayırdığı depolama ünitesinde ısıyı yoğunlaştırmak için aynalar kullanarak çalışır. Hidrojen daha sonra, ısıtma sistemi için elektrik ve sıcak su üreten bir Stirling motorunu çalıştırmak için bir ısı taşıma ortamı olarak kullanılabilir. Hidrojen, magnezyum ile yeniden birleştiğinde, döngü yeniden başlayabilir.
Termik santraller, sıcaklıktaki mevsimsel değişimlerden daha iyi yararlanarak da yapabilirler. Bu, özellikle şu anda büyük ölçüde fosil enerjiyle çalışan veya kojenerasyon durumunda geçerlidir. Santrallerle ilgili sorun, kojenerasyon sektörü büyüdükçe yedek ısı için müşteri bulmanın giderek zorlaşmasıdır.
Ek elektrik üreten Stirling motorlarını çalıştırmak için ısıyı kullanmak daha mantıklı olacaktır. Bu elektrik daha sonra hemen tüketilebilir veya yukarıda açıklandığı gibi daha sonra kullanılmak üzere saklanabilir. Stirling motorları, sabit bir yakıt girdisine ihtiyaç duymayan, dışarıdan gelen herhangi bir ısı kaynağını mekanik veya elektrik enerjisine çevirebilen termik santrallerdir.
Dönüşüm Öncesi ve Sonrası Depolama
Az önce tartışılan enerji depolama ortamını özetler ve teknolojik gelişme durumu, verimlilik, enerji yoğunluğu (gerekli alanın temsili ölçüsü), maksimum şarj/deşarj döngüsü sayısı ve sonuçta ortaya çıkan genel performans açısından her birinin kaba bir değerlendirmesini sunar.
Elektriği depolama yeteneği, şebekeden bağımsızlığı ve elektrik kaynakları üzerindeki kontrol etkisini gerçek bir olasılık haline getirir. Aynı zamanda, geleneksel enerji miktarının yerini PV, rüzgar ve güneş enerjisiyle ısıtmanın almasına da izin verir.
Enerji depolama olmadan hiçbir enerji besleme sistemi yapamaz. Fosil yakıtlar söz konusu olduğunda, enerji depoları kömür ve petrol ve gaz depolarının stoklarıdır. Biyokütlenin depolanması fosil birincil enerji kadar kolay olduğundan, gelecekte tamamı biyokütleden sağlansaydı, depolama yenilenebilir enerji için özel bir sorun olmayacaktı.
Bununla birlikte, sonuç olarak, bu teoride mümkün olsa da, pratikte tamamen gereksiz olacaktır ve tavsiye edilememesinin birçok nedeni vardır: biyokütlenin endüstriyel bir hammadde olarak rolü, sürdürülebilir bir ekonomi elde etmek için çok önemlidir. Biyokütle yakıtına geçiş, sera gazlarının atmosferde daha fazla birikmesini önleyecektir.
Ancak fosil yakıt piromanisi, atmosferi CO2 ile o kadar aşırı yükledi ki, atmosferik CO2’yi mevcut seviyelerde stabilize etmekten daha fazlasına ihtiyaç var: aktif olarak azaltılmalıdır. Bitkiler büyüdükçe CO2’yi emer, karbonu tutar ve çevreye oksijen sağlar.
Ancak onların yardımıyla CO2’nin atmosferden geri alınması mümkün olacaktır. Bu, mevcut bitki örtüsünün, öncelikle ağaçlandırma yoluyla artırılması gerektiği anlamına gelir, böylece bitkiler atmosfere salınan ek CO2’den daha fazla karbon tutar ve daha fazla oksijen salar.
Eşit miktarda biyokütlenin yakılması ve yeniden büyütülmesi atmosfer üzerinde net sıfır etkiye sahiptir. Yine de – fosil yakıt tüketiminin aksine bu, işleri daha kötü ya da daha iyi yapmaz.
Yenilenebilir enerjinin herhangi bir pratik uygulaması için, depolama gerekli olduğu sürece, depolaması en uygun olan enerji biçimini seçmek mantıklıdır. Bu amaçla, enerjinin dönüştürme işleminden önce mi yoksa sonra mı depolandığını bilmek faydalıdır. İlki, fosil yakıt yanmasından elde edilen enerji için tipik modeldir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarından sadece biyokütle orijinal haliyle depolanabilmektedir. Dönüşüm sonrası depolama, yanıcı olmayan yenilenebilir enerji üretimi için tipik bir modeldir: güneş ışığının doğrudan elektriğe dönüştürülmesi, rüzgar enerjisi, rezervuarsız su gücü veya doğrudan güneş ısıtması vb.
Bu nedenle biyokütle, başta yanma prensibiyle çalışan makineler olmak üzere, özellikle motorlu taşıtlar olmak üzere, dönüşüm öncesi depolama gerektiren uygulamalar için en uygun olanıdır. Başka bir aday güneş hidrojeni olacaktır. Bununla birlikte, biyokütlenin solar hidrojene göre avantajları göz ardı edilemez.
Hidrojen yakıtı ancak endüstriyel ölçekte üretilirse toplu taşıma pazarı için yeterince büyük miktarlarda tedarik edilebilir. Bu bağlamda dikkatlerin odak noktası yakıt hücresi olmuştur.
Yakıt pilleri, nihayet petrol sonrası bir dünyaya hazırlanmaya başlayan otomobil üreticilerinin de yoğun ilgisini çekiyor. Daha önce tartışıldığı gibi güneş enerjisiyle çalışan araba ile yakıt hücreleriyle çalışan bir araba arasındaki fark, ikinci durumda elektriğin aküden değil, araçta üretilmesidir.
Yakıt pilleri, bir tür soğuk yakma işleminin hidrojeni veya başka bir gaz yakıtı elektriğe dönüştürdüğü enerji santralleridir – etkili bir şekilde ters elektroliz.
Bir arabada bu işlem aracın kendisinde gerçekleşir ve üretilen elektrik bir elektrik motorunu çalıştırmak için kullanılır. Yakıt hücreli arabalar, 21. yüzyılın ilk on yılında seri üretime girmelidir. Neredeyse tamamen sessiz olacaklar ve su buharından daha zararlı hiçbir şey yaymayacaklar. Yeterli miktarda hidrojen üretilmeye başlayana kadar, fikir onları doğal gazla çalıştırmaktır.