‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫‪ .1‬הכנת החומר המוצק‪.‬‬
‫‪ .2‬איפיון‪:‬‬
‫א‪ .‬מבני (גבישי) וכימי (הרכב)‪.‬‬
‫ב‪ .‬פונקציונלי‪ - :‬מיקרוסקופיה (אופטית‪)... ,STM ,AFM ,‬‬
‫ מדידות חשמליות‪.‬‬‫ מדידות מגנטיות‪.‬‬‫ מדידות אופטיות‪.‬‬‫‪ .3‬טכניקות כלליות של מדידות‪ :‬שיפור היחס בין האות לרעש‪.‬‬
‫מדידות כפוקנציה של הטמפרטורה‪ ,‬לחץ‪... ,‬‬
‫מדוע נושא החומרים חשוב?‬
‫בד"כ חומר ממש חדש מוביל לתגליות חדשות‪.‬‬
‫דוגמאות‪:‬‬
‫‪.‬‬
‫)‪ .‬פרס נובל למגלים‬
‫‪ .1‬מוליכי על בטמפרטורות גבוהות (‬
‫(בורות קוונטיים)‪ .‬נועדו לייצור התקנים אופטיים‪.‬‬
‫ו‪-‬‬
‫‪ .2‬חומרים שהם שכבות דקות של‬
‫‪.‬‬
‫מדדו בשדה מגנטי וגילו‬
‫ מחשבים ונגזרותיהם (חצאי מוליכים)‪ .‬פרס נובל על המצעת טרנזיסטור‪ .‬תאים סולריים‪.‬‬‫באיזו צורה חשוב להכין את החומר?‬
‫חומר מוצק‪ .‬חייבים להכין גביש יחיד‪ :‬חומר מוצק גבישי‪ ,‬שכיווני השריג שלו‬
‫תערובת של כימיכלים‬
‫זהים בכל הדגם‪.‬‬
‫דוגמא‪ :‬מוליכי על בטמפרטורות גבוהות‪:‬‬
‫𝒂‬
‫"חוזק" של מוליכות‬
‫על‬
‫𝒄‬
‫𝒃‬
‫מוליכות על‬
‫חלשה מאוד‬
‫(מנהור)‪.‬‬
‫𝒃 𝒂‬
‫מוליכות על "חזקה" (עד פי‬
‫תהליך הכנה של גבישים‬
‫אחרי שהרבבנו את המרכיבים של החומר‪ ,‬שמים בתנור ומתיכים אותם‪.‬‬
‫כיצד קורית התגבשות?‬
‫לחץ‬
‫נוזל‬
‫מוצק‬
‫גז‬
‫טמפרטורה‬
‫~ יותר מבכיוון 𝑐)‪.‬‬
‫דיאגרמת פאזה‬
‫של חומר העשוי‬
‫מייסוד אחד‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫𝐹‬
‫𝐹 מוצק‬
‫𝑉𝐹‬
‫אנרגיה‬
‫חופשית‬
‫𝐹 נוזל‬
‫טמפרטורת ההתכה‬
‫טמפרטורה‬
‫גרגיר מוצק שנוצר כתוצאה מפלוקטואציה‬
‫האנרגיה החופשית של הגרגיר‪:‬‬
‫𝛾‬
‫כאשר האיבר הראשון הוא איבר הנפח ואיבר השני הוא‬
‫מתח שטח פנים‪.‬‬
‫הוא הפרש בין אנרגיה חופשית ליחידת נפח של מוצק ונוזל‪.‬‬
‫‪ ,‬כאשר‪:‬‬
‫הגרגיר יגדל עבור‬
‫נוזל‬
‫𝑟‬
‫𝑉𝐹‬
‫מוצק‬
‫‪ ,‬הגרגיר ימשיך לגדול‪.‬‬
‫‪ ,‬הגרגיר יימס‪ .‬אם‬
‫אם‬
‫אנחנו רוצים גרגיר יחיד של מוצק שממנו גודל כל הגביש‪.‬‬
‫שיטת‬
‫מנוע‬
‫טמפרטורה‬
‫גוף‬
‫חימום‬
‫נוזל‬
‫מוצק‬
‫מקום‬
‫דיאגרמת פאזות אופיינית לתערובת של‬
‫נוזל של 𝐴 ו‪𝐵-‬‬
‫טמפרטורה‬
‫מוצק 𝐵 ונוזל‬
‫של 𝐴 ו‪𝐵-‬‬
‫מוצק‬
‫𝐵‬
‫)הכל 𝐵(‬
‫מוצק 𝐵𝐴 ונוזל‬
‫של 𝐴 ו‪𝐵-‬‬
‫מוצק‬
‫𝐵𝐴‬
‫𝑥‬
‫𝐵‬
‫𝐴‬
‫מוצק 𝐴 ונוזל‬
‫של 𝐴 ו‪𝐵-‬‬
‫מוצק 𝐵𝐴‬
‫ומוצק 𝐴‬
‫מוצק 𝐵𝐴‬
‫ומוצק 𝐵‬
‫𝐵‬
‫יסודות‬
‫𝑥‬
‫טמפרטורה‬
‫מוצק‬
‫𝐴‬
‫𝑥 )הכל 𝐴)‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫המוט מוכן עם ריכוז תערובת רצוי‪.‬‬
‫חימום של אזור מוגבל איננו‬
‫מאפשר שינוי של ריכוז‪.‬‬
‫מוצק‬
‫גבישון‬
‫יחיד‬
‫חימום‬
‫חימום‬
‫מוצק‬
‫קצב התגבשות‪/‬קצב גידול‬
‫מורידים עוד קצת את טמפרטורת המוצק‪,‬‬
‫נוזל‬
‫זרימת‬
‫‪.‬‬
‫ואז נוצרת שכבה נוספת של מוצק בעובי‬
‫𝑇 גבוהה יותר חום‬
‫הקצב שבו החום מוסע (ליחידת שטח וחתך)‪:‬‬
‫𝑥𝑑‬
‫כאשר הוא חום כמוס‪ ,‬הוא גרדיאנט טמפרטורה ו‪-‬‬
‫אם מקררים יותר מדי מהר‪ ,‬אז כמות החום שניתן‬
‫להסיע גבוהה מדי ומשטח הגידול גדל‪:‬‬
‫צורה הזאת נקראת גידול "דינדריטי" (לדוגמא‪ ,‬פתיתי שלג)‪.‬‬
‫תופעה זו לא רצויה‪ ,‬הקשורה לקצב התגבשות מהיר מדי‪.‬‬
‫מוצק‬
‫𝑇 נמוכה יותר‬
‫הוא מוליכות החום של המוצק‪.‬‬
‫מוצק‬
‫נוזל‬
‫גידול והכנה של שכבות דקות‬
‫שכבה דקה‬
‫מצע‬
‫דוגמא לשכבה דקה ללא מצע‪:‬‬
‫השכבה שאנו משקעים מתפרקת למספר איזורים (תת‪-‬שכבות) הנקראות איים‪.‬‬
‫זה קורה בגלל אי‪-‬התאמה בין קבועי השריג ( ) של‬
‫שכבה דקה‬
‫המצע והחומר ממנו אנחנו מכינים את בשכבה‪.‬‬
‫מצע‬
‫‪ .1‬כאשר יש התאמה מלאה‪ ,‬זה נקרא "גידול‬
‫אפיטקסיאלי" או גידול‬
‫זה קורה כאשר קשרים בין אטום למצע חזקים יותר‬
‫מאשר קשרים בין אטומים‪.‬‬
‫‪ .2‬גידול‬
‫שילוב של שכבות ואיים‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫(אמורפי‪ ,‬פוליגבישי)‪.‬‬
‫‪ .3‬גידול‬
‫‪3‬‬
‫בעיקר נוצרים איים של אטומים‪ .‬זה קורה כאשר‬
‫קשרים בין האטומים חזקים יותר מאשר קשרים בין אטום ומצע‪.‬‬
‫‪𝑎1‬‬
‫𝑎‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫תופעות עם שכבה דקה שצפיפות האטומים קטנה מצפיפות גבישית – שכבה אטומית אחת‬
‫מוליכות‬
‫חשמלית של‬
‫השכבה‬
‫(בטמפ' החדר)‬
‫אחוז (‪)%‬‬
‫כיסוי‬
‫אטומי מתכת‬
‫מצע (מבודד)‬
‫אזור מעבר בין מבודד למוליך‬
‫(𝑛𝑜𝑖𝑡𝑖𝑠𝑛𝑎𝑟𝑡 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑙𝑢𝑠𝑛𝐼 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑀)‬
‫מוליכות‬
‫‪3‬‬
‫גבול מעבר‬
‫פאזה‬
‫מוליכות‬
‫אחוז (‪)%‬‬
‫כיסוי‬
‫זרם‬
‫חשמלי‬
‫טמפרטורה‬
‫‪3‬‬
‫שיטות להכנת שכבות דקות‬
‫)‪.‬‬
‫‪ .1‬נידוף תרמי של חומר מוצא (‬
‫שיטה בעייתית אם עובדים עם חומר שמורכב יותר מייסוד אחד‪ ,‬כי כל ייסוד מתנדף בקצב שונה‪.‬‬
‫מצע‬
‫שכבה‬
‫דקה‬
‫חומר‬
‫מתנדף‬
‫משאבה‬
‫תא ריק‬
‫(𝑚𝑢𝑢𝑐𝑎𝑣)‬
‫חימום‬
‫שיפוע קו שיווי משקל בין הפאזות‪:‬‬
‫)‬
‫כאשר הוא חום כמוס‪,‬‬
‫ממשוואת גז אידיאלי‪:‬‬
‫(‬
‫הוא נפח מולרי של הגז‪,‬‬
‫הוא נפח מולרי של המוצק (זניח ביחס ל‪.) -‬‬
‫) (‬
‫כדי לנדף מתכת‪ ,‬שיהיה לחץ (כמות עדים) סביר‪ ,‬צריך טמפרטורה של סדר גודל‬
‫)‬
‫~‬
‫(‪.‬‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫‪" .2‬התזה" (‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫)‪.‬‬
‫מצע‬
‫שכבה‬
‫דקה‬
‫‪𝐴𝑟 +‬‬
‫"מטרה"‬
‫גז של אטומים (בד"כ כזה שלא עושה אינטרקציה‪ ,‬כמו ארגון) פוגע ב"מטרה" המורכבת מאטומים מהם‬
‫רוצים לבנות שכבה דקה‪ .‬אטומים עפים לקראת מצע ובונים שכבה דקה‪.‬‬
‫)‪.‬‬
‫‪ .3‬אפיטקסיה בקרן מולקולרית (‬
‫פותחים את השערים (מכסים) באופן מבוקר‬
‫כדי שהשטף של כל האטומים ייתן את ההרכב‬
‫המבוקש על פני המצע‪.‬‬
‫משמש כמד עובי של השכבה‪.‬‬
‫ה‪-‬‬
‫תא ריק‬
‫(𝑚𝑢𝑢𝑐𝑎𝑣)‬
‫‪RHEED gun‬‬
‫מצע‬
‫מסתובב‬
‫מיכסים‬
‫תאי‬
‫אפוזיה‬
‫חימום‬
‫)‪.‬‬
‫‪ .4‬איכול בעמצאות לייזר (‬
‫שטח פגיעה‬
‫כ~ 𝑚𝑐‬
‫פולס של לייזר‬
‫𝑠𝑛 ~𝑡‬
‫𝐽 ~𝐸‬
‫"מטרה" – תערובת של כל החומרים‬
‫שרוצים שיהיו בשכבה דקה‬
‫הספק של פולס של לייזר‪:‬‬
‫~‬
‫עומק שבו נבלעת הקרינה‪:‬‬
‫‪ ‬דוגמא‪ :‬פגיעה במטרה של זהב‬
‫~‪ ,‬צפיפות אטומים‪:‬‬
‫~‪ ,‬עומק המטרה‪:‬‬
‫עובי (קוטר) המטרה‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫~ אטומים‪ .‬אנרגיית העיבוי לאטום (‬
‫בתוך הנפח הזה יש‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫מתוך הפולס של לייזר האנרגיה הנמסרת לאטום היא‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫כלומר‪ ,‬הפולס מפרק את השכבה לאטומים בודדים‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫)‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫איפיון של דגמים‪ :‬איפיון מבנה – פיזור קרני‪( -‬דיפרקציה)‬
‫הפרש דרכים אופטיות‪:‬‬
‫‪ ,‬כאשר‬
‫תנאי בראג‪:‬‬
‫)‬
‫לקרני‪ -‬אורך גל בתחום של‬
‫(‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫𝑑‬
‫עוצמת פיזור‬
‫כיצד מייצרים קרני‪? -‬‬
‫צריכים מקור מונוכרומטי ( מוגדר היטב)‪.‬‬
‫שפורפרת של קרני‪: -‬‬
‫ה"מטרה" היא‬
‫בד"כ מנחושת‪.‬‬
‫זווית פיזור (𝜃 )‬
‫אלקטרונים פוגעים באטומים‬
‫של המטרה (מנחושת)‬
‫ומעיפים אלקטרון מקליפה‬
‫)‪ .‬ואז אחד‬
‫(‬
‫או‬
‫מאלקטרונים מקליפות‬
‫יורד לרמה ונפלט פוטון‬
‫באורך גל של קרני‪. -‬‬
‫עבור נחושת‪:‬‬
‫)‪( 1‬‬
‫(‬
‫)‬
‫‪33‬‬
‫אורכי גל האלה מתאימים למרחקים הבין אטומיים ‪.‬‬
‫דגם וגלאי מסתובבים יחד‪ .‬גלאי מסתובב בקצב כפול מהדגם!‬
‫כאשר בגרף של עוצמת הפיזור כפונקציה של הזווית הפיקים‬
‫(מקסימות) לא מסודרים – מקורם לא מהגביש מסודר‪.‬‬
‫זה נקרא ספקטרום "אבקה"‪.‬‬
‫"אבקה" היא אוסף של גבישונים‬
‫שונים מכוונים בכיוונים שונים‬
‫שהדגם מורכב מהם‪ ,‬כך שרק חלק‬
‫מהגבישונים יתרמו למקסימה בכיוון‬
‫מסוים בתמונת דיפרקציה הסופית‪.‬‬
‫𝜃‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪.4‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫בעיה‪ :‬רוחב הזווית של השיאים גדול ממה שצריך להיות ( יחסית גדול)‪.‬‬
‫פתרון‪ :‬תהליך ההתגבשות לא אחיד – צריך לשנות טמפרטורה ו‪/‬או זמן‪.‬‬
‫בעיה‪ :‬חלק מהפיקים (מקסימות) בספקטרום חסרים‪.‬‬
‫פתרון‪ :‬הדגם איננו אוסף של גבישונים בעלי אוריינטציה עקראית ויש אפשרות שזהו גביש יחיד‪.‬‬
‫בעיה‪ :‬מופיעים פיקים (מקסימות) נוספים שלא צריכים להופיע‪.‬‬
‫פתרון‪ :‬ישנו יותר מחומר אחד (אי‪-‬נקיונות‪ ,‬זיהומים)‪.‬‬
‫בעיה‪ :‬ספקטרום ב‪ 2-‬טמפרטורות שונות נראה שונה לגמרי‪.‬‬
‫פתרון‪ :‬קרה מעבר פאזה מבני תוך כדי קירור‪/‬חימום‪.‬‬
‫מיקרוסקופיה של מוצקים‪ :‬מיקרוסקופ אופטי‬
‫) לתוך הגדם (‬
‫אור ממוקד בעזרת עדשה מרכזת (‬
‫) לתוך העין‪.‬‬
‫אור מפוזר מהגדם ממוקד בעזרת עדשות (‬
‫‪Not‬‬
‫‪resolved‬‬
‫)‪.‬‬
‫)‬
‫גבול אבחנה (קריטריון‬
‫‪Clearly‬‬
‫‪Barely‬‬
‫עבור אור בעל אורך גל ועצם‬
‫‪resolved‬‬
‫‪resolved‬‬
‫שגודלו (קוטר) ‪ ,‬גבול אבחנה‪:‬‬
‫𝜆‬
‫עבור אורך גל בתחום הנראה‪,‬‬
‫גבול האבנה (עצמים הכי קטנים‬
‫שניתן לראות) הוא‪:‬‬
‫𝜆‪1‬‬
‫𝜆‬
‫מיקרוסקופיה אלקטרונית‬
‫)‬
‫(‬
‫‪1‬‬
‫√‬
‫√‬
‫מבנה מיקרוסקופ אלקטרוני‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫מקור אלקטרונים‬
‫)‬
‫דרגת האצה (כמה עשרות‬
‫עדשות מיקוד‬
‫גלאים לאלקטרונים מפוזרים (או פוטונים)‬
‫ניתוח תוצאות‬
‫‪1‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫מקור אלקטרונים‪ :‬תרמויוני‬
‫מקור אלקטרונים הוא בד"כ מתחת‬
‫מחוממת‪.‬‬
‫חימום נותן לאלקטרונים במתכת‬
‫אנרגיה תרמית וברגע שאנרגיה זו‬
‫גדולה (חימום גבוה) מפונקציית‬
‫העבודה של המתכת – אלקטרונים‬
‫(ויונים) נפלטים מהמתכת החוצה‪.‬‬
‫בהשפעת פוטנציאל הם נעים בכיוון‬
‫מוגדר ונוצרת קרן אלקטרונים‪.‬‬
‫דרגת האצה‬
‫אנרגיה של הקרן‪:‬‬
‫)‪1‬‬
‫‪)𝑉1‬‬
‫𝑉)‬
‫(‬
‫(‬
‫‪(𝑉1‬‬
‫עדשות מיקוד לאלקטרונים‬
‫‪ ‬עדשה אלקטרומגנטית‬
‫כוח מגנטי הפועל על אלקטרון‪:‬‬
‫𝐵‬
‫⃗𝑣‬
‫⃗‬
‫⃗⃗ ⃗‬
‫𝐵‬
‫סה"כ יש ‪ 2‬שלבים‪ :‬האלומה מסטובבת‬
‫𝑆‬
‫𝑆‬
‫(סביב ציר ההתקדמות) וגם מתקדמת‪.‬‬
‫לפי חוק יד ימין‪ ,‬אלקטרון נדחף על ידי כוח‬
‫החוצה מן הדף‪ ,‬אבל אז מהירות החוצה מן הדף‪ ,‬ושוב‪ ,‬לפי חוק יד ימין פועל עליו כוח בכיוון ציר‬
‫(בגלל רכיב )‪ ,‬כלומר אלקטרון מבצע תנועה סיבובית ומתקדם לכיוון הציר בין המגנטים‪.‬‬
‫⃗⃗‬
‫𝐵‬
‫𝑁‬
‫𝑁‬
‫𝑥‬
‫𝑧‬
‫‪ ‬עדשה אלקטרוסטטית‬
‫בניגוד לעדשה מגנטית‪ ,‬בעדשה אלקטרוסטטית‬
‫אלקטרונים נעים בהשפעת שדה חשמלי ולא מגנטי‪.‬‬
‫כלומר‪ ,‬מושפעים מכוח חשמלי ( ⃗⃗‬
‫⃗ ) ולא כוח‬
‫⃗ )‪.‬‬
‫מגנטי ( ⃗⃗ ⃗‬
‫שתי אלקטרודות מימין ושתי אלקטרודות משמאל‬
‫מוארקות‪ .‬שתי אלקטרודות באמצע מחוברות למתח‬
‫‪ ,‬כך שנוצרים קווי שדה בין האלקטרודות‪.‬‬
‫כאשר אלקטרון (באדום) מגיע לאזור ‪ ,‬פועל עליו כוח‬
‫חשמלי שדוחף אותו לאמצע של המסלול‪ .‬באזור‬
‫אלקטרון מושפע מכוח חשמלי‪ ,‬אך בכיוון הפוך‪ .‬בגלל שבאזור אלקטרון מקבל אנרגיה נוספת‪ ,‬מהירותו‬
‫אלקטרון נדחף יותר לכיוון‬
‫גדלה ובאזור הוא נמצא פחות זמן‪ .‬כלומר‪ ,‬כתוצאה מתנועה באזורים‬
‫אמצע המסלול מאשר החוצה‪ .‬כאשר אלקטרון מגיע לאזור הוא נדחף החוצה שוב‪ ,‬ובאזור ‪ -‬לכיוון‬
‫האמצע של המסלול‪ .‬אבל פה קורה תהליך הפוך – באזור אלקטרון נמצא פחות זמן ובאזור – יותר‪,‬‬
‫ולכן שוב‪ ,‬נדחף יותר לכיוון אמצע המסלול מאשר החוצה‪.‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫מה "רואים" במיקרוסקופ אלקטרוני‬
‫הדגם חייב להיות מוארק כדי למנוע טעינה‪.‬‬
‫נקודת פגיעה‪:‬‬
‫קרן 𝑒‬
‫𝑚𝜇 ~𝑟‬
‫מורפולוגיה‬
‫שינויי הזרם דרך גלאי אלקטרונים‬
‫יהיו מתכונתיים לשינוי בצורת פני השטח‪.‬‬
‫דגם‬
‫𝑖‬
‫גלאי 𝑒‬
‫קרן 𝑒‬
‫דגם‬
‫תהליכי אינטרקציה בין אלומת האלקטרונים והחומר‬
‫‪ .1‬פגיעה של אלקטרון מן האלומה באטום‬
‫ויינון שלו‪.‬‬
‫הפוטון שנפלט בעל אנרגיה שאופיינית לאטום‬
‫ומאפשר לכן זיהוי של האטום הספציפי‪ .‬אפשר‬
‫אם כך‪ ,‬למדוד הרכב כימי של פני השטח‪.‬‬
‫שיטה זו ידוע גם בשם‬
‫(‬
‫)‪.‬‬
‫‪ .2‬ספקטרוסקופיה של‬
‫תהליך שבו מעורבים אלקטרונים‪.‬‬
‫א‪ .‬אלקטרון מהקרן הפוגעת מיינן את‬
‫האטום ומסלק אלקטרון מהקליפה‬
‫הפנימית ‪.‬‬
‫ב‪ .‬אלקטרון‪ ,‬בשלב השני‪ ,‬עובר מקליפה לקליפה וממלא את החור‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫ג‪ .‬אלקטרון אחר מהקליפה נפלט החוצה עם אנרגיה‬
‫ללא הפסדי אנרגיה יתכן רק כאשר אטום ממנו מפלט אלקטרון‬
‫תהליך הפליטה של אלקטרוני‬
‫) ולכן זו שיטה למדוד הרכב כימי של פני השטח‪.‬‬
‫נמצא ממש על פני השטח (עומק‬
‫בדיקה של הרכב כימי כפונקציה של מרחק מפני השטח‬
‫גורמת לקילוף פני השטח בקצב קבוע‪.‬‬
‫אלומת אטומי‬
‫תוך כדי קילוף מודדים את ספקטרום של אקלקטרוני‬
‫הנפלטים מהדגם‪.‬‬
‫נותנת מידע על הרכב‬
‫מדידת ספקטרום של אקלקטרוני‬
‫הכימי של שכבות אטומיות הקרובות לפני השטח‪.‬‬
‫מיקרוסקופיה אטומית‬
‫‪) ‬‬
‫‪) ‬‬
‫(‬
‫(‬
‫𝑒‬
‫𝑒‬
‫𝑒‬
‫אלומה של‬
‫אטומי 𝑟𝐴‬
‫פני‬
‫שטח‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫(‬
‫)‬
‫פונקציית גל של אלקטרון חופשי‪:‬‬
‫𝛹 𝛹‬
‫רוחב המחסום‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫גובה המחסום‪:‬‬
‫אם האנרגיה של האלקטרון היא ‪,‬‬
‫אז בתוך התחום של המחסום‪:‬‬
‫(𝛹‬
‫𝛹‬
‫)‪1‬‬
‫(‬
‫)‬
‫‪𝑥 𝑥1‬‬
‫√‬
‫ומקדם העברה‪:‬‬
‫)‬
‫כאשר‬
‫(‬
‫√‬
‫)‬
‫∫‬
‫(~‬
‫) (‬
‫שינוי המרחק האופייני הוא‬
‫שליטה ב‪-‬‬
‫‪.‬‬
‫במרחב‬
‫‪ ‬אפקט פיאזו‪-‬אלקטרי‬
‫מומנט דיפול ≠ ‪ ,‬ולכן אם נעוות‬
‫את תא יחידה‪ ,‬יתקבל שדה‬
‫חשמלי בתוך החומר‪.‬‬
‫מומנט דיפול‬
‫בחומר פיאזו‪-‬אלקטרי‪ ,‬הפעלת מתח חיצוני יכולה לגרום לעיוות‬
‫(דפורמציה) של החומר‪.‬‬
‫שלוש מוטות פיאזו‪-‬אלקטריים מאפשרים תנועה בכיוון כלשהו‪:‬‬
‫‪ ‬מיפוי פני השטח‬
‫מדידת הגבהים שיש להקנות למוט בכיוון‬
‫)‬
‫( בדגם‪.‬‬
‫עבור כל נקודות‬
‫‪ ‬מטרה עיקרית‪:‬‬
‫מיפוי פסי אלקטרונים (הולכה‪/‬ערכיות)‪.‬‬
‫מחפשים מרחק מפני השטח עבורו יש שיווי משקל‪,‬‬
‫כלומר מספר אלקטרונים העוברים מדגם ל‪-‬‬
‫לדגם‪.‬‬
‫שווה למספר אלקטרונים העוברים מ‪-‬‬
‫(תמונה )‪,‬‬
‫עם מפעילים מתח שלילי על ה‪-‬‬
‫לדגם‪ .‬עבור מתח‬
‫אלקטרונים זורמים מה‪-‬‬
‫חיובי קורה ההפך‪ .‬ברגע שמתח מתאים למרחק‬
‫בין פסי אלקטרונים (הולכה‪/‬ערכיות) בדגם – יהיה‬
‫זרם גדול‪ ,‬אחרת ‪ -‬קטן‪.‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫בידוד מרעידות‬
‫מתנד הרמוני מאולץ עם ריסון‪:‬‬
‫̈‬
‫̇‬
‫𝑡𝑥𝑒𝐹‬
‫מניחים‪:‬‬
‫𝑥‬
‫√‬
‫) (‬
‫מנגנון‬
‫חיכוך‬
‫(ריסון)‬
‫מציבים‪:‬‬
‫̅‬
‫)‬
‫(‬
‫)‬
‫𝑀‬
‫√‬
‫(√‬
‫זהו בעצם פילטר מכני (מעביר מתחת לתדר‬
‫התהודה ולא מעביר מעל לתדר התהודה)‪.‬‬
‫נמוך ככל האפשר‪ ,‬כלומר‬
‫לכן מנסים לעשות‬
‫מגדילים את ומקטינים את ‪.‬‬
‫עבור )‬
‫(~ ו‪ -‬של פנימית של‬
‫‪.‬‬
‫אופנוע מקבלים‬
‫𝜔‬
‫𝑘‬
‫) 𝜔( 𝑥‬
‫עקומת העברה (התגובה)‬
‫𝜔𝛾 𝐹‬
‫𝜔𝑀 𝐹‬
‫𝜔‬
‫פוטנציאל‬
‫ואן דר ואלס‬
‫(‬
‫)‬
‫שיטת הסריקה (פיאזו‪-‬אלקטרית) ושיטת הבידוד‬
‫‪ .‬הכוחות הפועלים בין‬
‫מרעידות זהה לזו של‬
‫המחט ( ) לבין פני השטח של הדגם הם‪:‬‬
‫𝑚𝑟 דוחה‬
‫𝑟‬
‫כוחות ואן דר ואלס (דיפול‪-‬דיפול) או כוחות‬
‫מושך‬
‫מגנטיים‪.‬‬
‫𝜀‬
‫‪1‬‬
‫פוטנציאל ואן דר ואלס תלוי במרחק כמו ‪.‬‬
‫למעשה זהו חלק מפוטנציאל לנארד‪-‬ג'ונס (איבר ראשון בסוגריים – דחייה עקב איסור פאולי)‪:‬‬
‫] )‬
‫הרעיון של החישה הוא‬
‫להפעיל את המחט כמתנד‬
‫הרמוני בתנאי תהודה ולראות‬
‫כיצד תדר תהודה משתנה‬
‫כאשר מתקרבים לפני‬
‫השטח‪.‬‬
‫נסמן את הכוח הנוסף ב‪-‬‬
‫)‪.‬‬
‫(‬
‫(‬
‫‪1‬‬
‫)‬
‫([‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫כמתנד הרמוני‬
‫)‪.‬‬
‫נניח מסה ‪ ,‬קבוע קפיץ אפקטיבי שנובע מהתנגדות לקפיץ (‬
‫מפעילים מתח חילופין על האלמנט הפיאזו‪-‬אלקטרי ומשנים תדירות עד‬
‫כדי למצוא את הרזוננס של ה‪. -‬‬
‫משוואת תנועה‪:‬‬
‫(‬
‫)‬
‫) (‬
‫̈‬
‫̇‬
‫משוואה זו תקפה רחוק מפני השטח‪ .‬קרוב לפני השטח מופיע כוח נוסף‪:‬‬
‫)‬
‫) (‬
‫( |‬
‫𝑧‬
‫𝑘‬
‫𝑧‬
‫𝑚‬
‫) (‬
‫שהוא תוספת לכוח החיצוני הנובעת מאינטרקציה עם פני השטח‪.‬‬
‫מציבים ומקבלים‪:‬‬
‫)‬
‫( |‬
‫) (‬
‫) (‬
‫)‬
‫)‬
‫(‬
‫(‬
‫)‬
‫)‬
‫() |‬
‫(‬
‫(‬
‫̇‬
‫̇‬
‫̈‬
‫̈‬
‫קיבלנו אותה משוואה כמו במקרה של מתנד‬
‫הרמוני מאולץ עם ריסון‪ ,‬רק עם תיקון‪:‬‬
‫|‬
‫√‬
‫𝑧‬
‫𝜔𝛾 𝐹‬
‫רחוק מפני השטח‬
‫̃‬
‫𝜔𝛾 𝐹‬
‫̃‬
‫קרוב לפני השטח‬
‫‪.‬‬
‫הכוחות שנמדדים הן ברמה של‬
‫כדי למדוד כוחות מגנטיים משתמשים‬
‫עשוי מחומר מגנטי‪.‬‬
‫ב‪-‬‬
‫𝜔𝑀 𝐹‬
‫𝜔𝑀 𝐹‬
‫̃‬
‫𝜔‬
‫מדידת גובה נעשת בעזרת הפרש‬
‫אל‬
‫בכמות האור המוחזרת מה‪-‬‬
‫𝜔‬
‫̃‬
‫𝜔‬
‫גלאי עוצמת אור‪.‬‬
‫מדידת כוח חיכוך ב‪-‬‬
‫כאשר מופעל כוח (לדוגמא‪ ,‬כוח‬
‫(בניצב לפני‬
‫ואן דר ואלס) על‬
‫יעלה‪/‬יירד ולכן קרן‬
‫השטח)‪ ,‬ה‪-‬‬
‫לייזר תזוז בכיוון אנכי על גבי הגלאים‪.‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬כוח חיכוך הוא כוח מקביל‬
‫לפני השטח‪ ,‬ולכן תגרום ל‪-‬‬
‫להסטובב סביב צירו הארוך ובכך קרן‬
‫לייזר תזוז בכיוון אופקי על גבי הגלאים‪.‬‬
‫אופן מדידת הכוח עצמו דומה למדידת‬
‫כוח ניצב – כמה שהכוח יותר חזק‪ ,‬קרן‬
‫לייזר תסטה יותר על גבי הגלאים‪.‬‬
‫כוח מקביל לפני השטח תגרום‬
‫לתזוזה אופקית של הכתם‬
‫כוח ניצב לפני‬
‫ארבעה גלאים‬
‫השטח תגרום‬
‫לתזוזה אנכית‬
‫לייזר‬
‫של הכתם‬
‫𝑟𝑒𝑣𝑒𝑙𝑖𝑡𝑛𝑎𝐶‬
‫דגם‬
‫כיוון‬
‫הסריקה‬
‫𝑝𝑖𝑇‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫מדידות תכונות חשמליות‪ :‬מוליכות‬
‫)‬
‫חיבור‪1‬‬
‫חיבור‪1‬‬
‫חוט‪1‬‬
‫חוט‪2‬‬
‫(‬
‫כלומר‪ ,‬כאשר נמדוד מתח על הנגד ונחלק בזרם‬
‫נקבל התנגדות שכוללת לא רק התנגדות הנגד‪,‬‬
‫אלא גם התנגדויות של חיבורים‪/‬חוטים‪/‬מגעים‪.‬‬
‫חיבור ‪#‬‬
‫𝑒𝑙𝑝𝑚𝑎𝑠𝑅‬
‫חיבור ‪#‬‬
‫חוט ‪#‬‬
‫מקור זרם 𝑖‬
‫מד מתח 𝑉‬
‫חוט ‪#‬‬
‫בעיות עם מגעים‬
‫לפני חיבור של שני מתכות במגע‪,‬‬
‫לכל אחת מהן יש אנרגיית פרמי‬
‫‪Φ‬‬
‫‪Φ1‬‬
‫‪Φ1‬‬
‫משלה‪ .‬כאשר יש מגע בין שני‬
‫‪Φ‬‬
‫𝐹𝐸‬
‫מתכות‪ ,‬אנרגיית פרמי משתווה‪,‬‬
‫𝐹𝐸‬
‫מתחיל זרם של אלקטרונים‬
‫מתכת ‪#‬‬
‫𝑒‬
‫מתכת ‪#‬‬
‫מתכת ‪#‬‬
‫ממתכת עם אנרגיית פרמי‬
‫מתכת ‪#‬‬
‫התחלתית גבוהה למתכת עם‬
‫לפני מגע‬
‫אחרי מגע‬
‫אנרגיית פרמי התחלתית נמוכה‬
‫‪.‬‬
‫על משטח הגבול‪ ,‬שנקרא‬
‫ונוצר הפרש פוטנציאלים‬
‫בחיבור השני יהיה אותו הפרש פוטנציאלים רק בסימן הפוך (במקרה שחוטים וחיבורים זהים)‪.‬‬
‫𝑐𝑎𝑣𝐸‬
‫‪Φ‬‬
‫𝑐𝑎𝑣𝐸‬
‫𝐹𝐸‬
‫‪.‬‬
‫בעיה נוספת בחיבורים ביא הווצרות שכבה מבודדת שנקראת‬
‫היחס בין הזרם למתח שונה מיחס לינארי ויכול להיות שונה אם הופכים את כיוון הזרם‪.‬‬
‫)‬
‫מתח תרמו‪-‬אלקטרי (‬
‫אפקט זה נוצר כאשר חוטים המחברים את הדגם למקור זרם לא נמצאים בטמפרטורה אחידה‪.‬‬
‫אנרגיה‬
‫זרימה של אלקטרונים‬
‫פס הולכה‬
‫𝑫𝑳𝑶𝑪‬
‫𝑻𝑶𝑯‬
‫זרימה של חורים‬
‫פס ערכיות‬
‫בגלל שמקדמי דיפוזיה של שני הזרימות שונים‪ ,‬נוצר הפרש בצפיפות המטען בין שני צידי החומר‬
‫המוליך ולכן נוצר הפרש בפוטנציאל חשמלי‪ .‬הפרש פוטנציאלים זה נקרא מתח תרמו‪-‬אלקטרי‪.‬‬
‫מדידות חשמליות‪ :‬המשך‬
‫𝑖‬
‫טמפרטורה נמוכה‬
‫מקור זרם‬
‫מתח‬
‫𝑒𝑙𝑝𝑢𝑜𝑐𝑜𝑚𝑟𝑒 𝑇‬
‫? 𝑉 ‪𝑉1‬‬
‫אם החוטים זהים‪:‬‬
‫אם החוטים שונים‪≠ :‬‬
‫חוט ‪#‬‬
‫חוט ‪#‬‬
‫טמפרטורה גבוהה‬
‫‪𝑉1‬‬
‫מד מתח‬
‫𝑉‬
‫אנרגיה‬
‫פוטנציאל כימי‬
‫פוטנציאל כימי‬
‫חוט תחתון‬
‫חוט עליון‬
‫תלוי בכיוון הזרם – יתקרר או יתחמם‪.‬‬
‫זה נקרא אפקט 𝑟𝑒𝑖𝑡𝑙𝑒𝑃 (מקרר‪/‬מחמם תרמואלקטרי)‪.‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫מדידה ב‪ -‬מגעים‬
‫כשיש הפרש טמפרטורה בין הדגם ומערכת המדידה‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫𝑖‬
‫אין זרם‬
‫𝑅‬
‫הוא מתח תרמו‪-‬אלקטרי‪.‬‬
‫כאשר‬
‫הופכים את כיוון הזרם ומקבלים‪:‬‬
‫̅‬
‫מיצוע נותן‪:‬‬
‫𝐼‬
‫𝑉‬
‫𝑖‬
‫המרת אפקט פיזיקלי לאות חשמלי‬
‫דוגמא‪ :‬מוליכות על – גילוי ללא מגע‪.‬‬
‫אפקט מייסנר – דחייה של שטף מגנטי החוצה‪.‬‬
‫‪ ,‬כאשר הוא שדה בתוך החומר‪ ,‬הוא שדה חיצוני ו‪ -‬היא פרמביליות‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫‪ ,‬כלומר‬
‫במוליך על‪:‬‬
‫𝑙 𝑅𝜋‬
‫𝑁‬
‫𝑙‬
‫𝜇‬
‫𝑁‬
‫𝑙‬
‫𝑉‬
‫𝜇‬
‫גרגרים של‬
‫חומר מוליך על‬
‫𝐿‬
‫מד השרעות‬
‫כאשר נקרר וחומר ייכנס לפאזה של מוליכות על‪ ,‬ההשרעות תקטן‪ ,‬כי כל הנפח התפוס על ידי מוליך על‬
‫)‪ .‬זוהי בעצם המרה של מוליכות על לשינוי באימפדנס של הסליל‪.‬‬
‫לא יתרום להשרעות (‬
‫חומר פיאזו‪-‬אלקטרי‬
‫𝜀‬
‫𝐴𝜀‬
‫𝑑‬
‫𝑇‬
‫𝐶‬
‫מד קיבול‬
‫𝑑‬
‫מעבר𝑇‬
‫ שטח של קבל לוחות‪ - ,‬קיבול‪ - ,‬מרחק בין הלוחות ו‪ - -‬קבוע דיאלקטרי של החומר בקבל‪.‬‬‫בטמפרטורת מעבר‪ ,‬הקבוע הדיאלקטרי משתנה בצורה לא רציפה‪.‬‬
‫מד מתח‬
‫כאשר‬
‫) (‬
‫בנקודה‬
‫מדידת עכבה בשיטת "גשר"‬
‫מודד את הפרש המתח בין נקודות ו‪. -‬‬
‫משותף לשני הענפים‪:‬‬
‫‪.‬‬
‫‪ , 1‬מד מתח קורא‬
‫‪1 1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1 1‬‬
‫𝐼‬
‫‪1‬‬
‫קורה אותו דבר‪:‬‬
‫) (‬
‫נחלק את ) ( ב‪:( )-‬‬
‫𝐴‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫𝑧‬
‫𝑉‬
‫אם‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪.‬‬
‫לפחות אחת מעכבות‬
‫בגלל שעכבה היא מספר מרוכב – חייבים לפחות‬
‫‪𝐼1‬‬
‫~ ) 𝑡( 𝑉‬
‫𝑧‬
‫‪1‬‬
‫𝐵‬
‫‪1‬‬
‫בלתי ידוע אז‪:‬‬
‫‪𝑧1‬‬
‫𝑧𝑧‬
‫‪1‬‬
‫𝐼‬
‫חייבת להיות ניתנת לשינוי‪.‬‬
‫רכיבים שניתנים לשינוי‪.‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫עכבות של רכיבים שונים‪:‬‬
‫קיבול פרזיטי – קיבול הנוצר בין‬
‫(לדוגמא) ואנו לא מעוניינים בו‪.‬‬
‫𝑄‬
‫𝑄‬
‫מוליך‬
‫מוליך‬
‫חוטים‬
‫קבל‬
‫𝑄‬
‫𝑉‬
‫מד קיבול‬
‫קבל פרזיטי‬
‫‪𝐶1‬‬
‫‪𝑉1‬‬
‫אם המשטח מוארק (חיבור לעדמה) הקיבול בין מוליך‬
‫השיטה נקראת‬
‫הוא ‪.‬‬
‫למוליך‬
‫‪.3‬‬
‫רעש‬
‫‪ ‬מדידת התנגדות ‪ -‬מקורות הרעש‪:‬‬
‫‪ .1‬זרם לא ממש קבוע (סטטיסטי)‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫רעש סטטיסטי של זרם נקרא‬
‫זהו זרם ממוצע פחות זרם רגעי‪:‬‬
‫〉 〈‬
‫) (‬
‫𝑖‬
‫𝑅‬
‫𝐼‬
‫𝑉‬
‫𝑖‬
‫‪ .2‬זרם מושרה במעגל המדידה בגלל שדות אלקטרומגנטיים תלויים בזמן (השרעות)‪.‬‬
‫)‪:‬‬
‫כדי להקטין את השרעות משתמשים בזוג שזור (‬
‫‪Opposite induced currents‬‬
‫‪cancel each other‬‬
‫𝜙‬
‫𝐼𝑑‬
‫𝑡𝑑‬
‫𝐿‬
‫השרעות 𝐿‬
‫𝜙𝑑‬
‫𝑡𝑑‬
‫) 𝑡( 𝑉‬
‫מושרה𝑉‬
‫‪ .3‬דיוק מד המתח‪.‬‬
‫רעש ושיפור יחס בין האות לרעש‬
‫הגדלת רוחב פס‬
‫מיצוע‬
‫עיבוד‬
‫נתונים‬
‫מגבר ‪A‬‬
‫רעש פנימי של‬
‫המגבר (זרם‪/‬מתח)‬
‫חיבורי חשמל‬
‫רעש סביבתי‬
‫מתמר‬
‫רעש פנימי של מתמרים‬
‫‪ .‬יש רק רעש‪.‬‬
‫ללא זרם‪ ,‬אין מתח‬
‫הוא רעש‪ ,‬נקרא לו ‪.‬‬
‫̅̅̅̅‬
‫כאשר‬
‫הוא רוחב פס של מגבר ‪.‬‬
‫אנרגיה‬
‫] [‬
‫יח‪ ′‬תדר‬
‫̅̅̅̅‬
‫הגברת‬
‫המגבר‬
‫𝑡𝑢𝑜𝑉‬
‫רעש אינטרינסי‪,‬‬
‫אימפדנס של המתמר‬
‫טמפ' 𝑇‬
‫𝑅‬
‫𝑡𝑢𝑜𝑉‬
‫תדר‬
‫𝐵‬
‫𝑡‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫כאשר המתמר משמש מקור של זרם‬
‫נובע מהעובדה שהזרם מורכב ממטענים בודדים‪.‬‬
‫̅‬
‫̅‬
‫ה‪-‬‬
‫כאשר ̅ ‪ -‬רעש בזרם‪,‬‬
‫‪ -‬מטען אלקטרוני‪ - ̅ ,‬זרם ממוצע‪,‬‬
‫‪ -‬רוחב פס‪.‬‬
‫רעש שנובע מ‪"-‬אי שיווי משקל" תרמודינאמי‬
‫רעש‬
‫‪1‬‬
‫(‬
‫) הוא רעש שפוגשים‬
‫‪,‬‬
‫𝟏‬
‫𝒇‬
‫המון בטבע‪ .‬בפיזיקה רעש זה מופיע במערכות שאינן בשיווי‬
‫משקל תרמודינאמי‪.‬‬
‫) (𝑆 )𝑓(𝑆‬
‫רעש "לבן"‬
‫כאשר ) ( ) ( היא צפיפות עוצמת הרעש‪ ,‬הוא תדר ו‪-‬‬
‫שווה לעוצמת רעש "לבן"‬
‫הוא תדר בו עוצמת הרעש מסוג‬
‫)‪.‬‬
‫(רעש תרמי‪/‬רעש ג'ונסון‪,‬‬
‫𝑐𝑓 𝑓‬
‫הקשר בין אימפדנס של המתמר והמגבר‬
‫מתמר בעל אימפדנס נמוך‪:‬‬
‫עבור מקור מתח‪:‬‬
‫עבור מקור זרם‪:‬‬
‫מתמר בעל עכבה נמוכה הוא מקור מתח‪ .‬צריכים מגבר מתח‪.‬‬
‫מתמר בעל עכבה גבוהה הוא מקור זרם‪ .‬צריכים מגבר זרם‪.‬‬
‫𝐿𝑅‬
‫רעש סביבתי‬
‫)‪:‬‬
‫חיבורים לא נכונים לאדמה (‬
‫𝑡𝑢𝑜𝑉‬
‫הוא הפרש בין ואפס שהוא פוטנציאל‬
‫האדמה‪ ,‬כפול הגברת המגבר‪.‬‬
‫‪#‬‬
‫‪#3‬‬
‫חיבור לאדמה‪:‬‬
‫‪#‬‬
‫‪#3‬‬
‫‪#‬‬
‫אדמה אמיתית‬
‫לא נכון!‬
‫𝑖𝑅‬
‫מתמר‬
‫𝑠𝑉‬
‫מתמר‬
‫מגבר‬
‫‪#‬‬
‫אדמה אמיתית‬
‫נכון!‬
‫בחירת מגבר נכונה‬
‫צריך לבדוק שהמגבר עליו מחובר המתמר הוא בעל תכונות אופטימליות‪.‬‬
‫)‬
‫)‬
‫(‬
‫)‬
‫(‬
‫ התנגדות הכניסה של המגבר‪.‬‬‫כאשר‪:‬‬
‫ רעש (מתח) שמייצר המגבר‪.‬‬‫עבור מגבר אידיאלי שהרעש שלו זהה לזה של‬
‫שהוא התנגדות הכניסה של המגבר‪:‬‬
‫נגד‬
‫מגבר יכול להזיק מבחינת רעש במקום לשפר‪,‬‬
‫אם הבחירה איננה נכונה‪.‬‬
‫(‬
‫𝐵𝑑‬
‫התנגדות‬
‫המגבר‬
‫𝐵𝑑‬
‫𝐵𝑑‬
‫‪.‬‬
‫תדר הניסוי‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫אות‪ ,‬רעש ומה שביניהם‬
‫‪ ,‬רעש‬
‫‪ .1‬מקורות רעש אינטרינסיים‪ :‬רעש ג'ונסון‪,‬‬
‫‪1‬‬
‫(מחוץ לשיווי משקל ת"ד)‪.‬‬
‫‪ .2‬מקורות רעש אקסטרינסיים‪ :‬גלים אלקטרומגנטיים (תדר רשת החשמל‪ ,‬תחנות רדיו וטלוויזיה‪,‬‬
‫טלפונים סולולריים)‪.‬‬
‫‪ .3‬רעש פנימי של המגברים וכו'‪.‬‬
‫‪.4‬‬
‫התמודדות עם רעש‬
‫‪ .1‬מניעה‪ :‬סיכוך של כל הכבלים‪ ,‬מניעת חיבורים מיותרים לאדמה‪ .‬שימוש במגברים הפרשיים‬
‫(בחירה‪ :‬מגבר מתח‪/‬זרם)‪.‬‬
‫‪ .2‬עיבוד אותות (אנלוגי או ספרתי)‪ :‬מיצוע של הרבה מדידות – אם הרעש אקראי‪ ,‬אז אי‪-‬וודאות‬
‫‪1‬‬
‫תרד כמו ‪ ,‬כאשר הוא מספר המדידות‪.‬‬
‫√‬
‫מכשיר זה מיועד להקטנת הרעש ולמדידות של תופעות מחזוריות בזמן‪.‬‬
‫𝑝𝑚𝐴 𝑛𝑖‬
‫𝑥‬
‫𝑦‬
‫𝑘𝑐𝑜𝐿‬
‫)𝜙‪𝑖(𝜔𝑡+‬‬
‫𝑒𝐸‬
‫𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑆‬
‫𝑡𝑢𝑝𝑛𝑖‬
‫𝑡𝑢𝑝𝑡𝑢𝑜‬
‫𝑠𝑐 ‪ -‬מהירות הקול‬
‫נמדדת מערכת‬
‫𝑡𝜔𝑖 𝑒 𝐸‬
‫מקור האות‬
‫𝐿‬
‫אות ייחוס (𝑒𝑐𝑛𝑒𝑟𝑒𝑓𝑒𝑅)‬
‫) ומבצע אינטגרציה לאורך הזמן‬
‫) באות הנמדד (‬
‫המגבר מכפיל את אות הייחוס (‬
‫של המכפלה‪ .‬במוצע המערכת הנמדדת‪ ,‬משרעת האות שונה‪ , :‬בגלל בליעה וכו'‪.‬‬
‫בנוסף‪ ,‬המופע של האות מיציאה ממערכת נמדדת יהיה שונה מזה שבכניסה‪.‬‬
‫הפרש הזמן הוא‪:‬‬
‫)‬
‫אחרי הכפלה של שני אותות נקבל‪:‬‬
‫(‬
‫)‬
‫)‬
‫(‬
‫(‬
‫)‬
‫(‬
‫‪1‬‬
‫נעשה אינטגרציה על הזמן ונחלק בזמן מחזור‪:‬‬
‫∫‬
‫היחס בין רחיבי ו‪ -‬במוצא הוא ) ( ‪.‬‬
‫בנוכחות רעש‪ ,‬האות במוצא המערכת הנמדדת כולל רכיבים נוספים‪:‬‬
‫∑‬
‫(‬
‫)‬
‫כאשר הרכיב השני הוא התמרת פורייה של הרעש‪ .‬אחרי הכפלה של שני אותות נקבל‪:‬‬
‫)‬
‫(‬
‫∑‬
‫)‬
‫∑‬
‫)‬
‫(‬
‫(‬
‫‪1‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫אחרי אינטגרציה נקבל‪:‬‬
‫)‬
‫(‬
‫)‬
‫(‬
‫)‬
‫(‬
‫)‬
‫∑‬
‫כאשר הוא זמן האינטגרציה‪.‬‬
‫)‬
‫( חסום על ידי ‪ ,‬לכן כל חלקי הרעש‬
‫‪1‬‬
‫הלכו והקטנו כמו וכאשר נגדיל את זמן האינטגרציה‪,‬‬
‫נוכל להקטין אותם כרצונינו‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫רוחב פס אפקטיבי ( )‪:‬‬
‫(‬
‫)‬
‫( ∫‬
‫∑‬
‫תגובה‬
‫𝑇 ארוך‬
‫𝑇 קצר‬
‫תדר‬
‫𝜔‬
‫)‬
‫פלוקטואציות‪ :‬תנועה בראונית (‬
‫נניח חלקיק בנוזל‪ .‬אפילו אם אין כוח חיצוני‪ ,‬החלקיק נע במהירות ̅ סביב נקודת שיווי משקל בהשפעת‬
‫כוח אקראי ‪ ,‬בגלל המולקולות מסביב שמתנגדות לתנועה‪.‬‬
‫משוואת תנועה של החלקיק ‪:‬‬
‫⃗‬
‫) (‬
‫⃗‬
‫כאשר האיבר ⃗ הוא כוח חיכוך ( הוא מקדם החיכוך)‪.‬‬
‫נסתכל על מקרה פשוט‪ ,‬במימד אחד‪: ,‬‬
‫(‬
‫)‬
‫̈‬
‫̇‬
‫נכפיל את הגפים ב‪: -‬‬
‫איבר ראשון‪:‬‬
‫̇‬
‫) ̇ (‬
‫̈‬
‫נציב למשוואת תנועה‪:‬‬
‫) (‬
‫̇‬
‫̇‬
‫) ̇ (‬
‫) – מיצוע על הרבה חלקיקים בנסיבות דומות‪.‬‬
‫ממוצע צבר (‬
‫בין הגדלים ) ( ו‪ -‬אין קשר נסיבתי בתוך הצבר‪:‬‬
‫〈‬
‫〉) ( 〈〉 〈 〉) (‬
‫≠〉 〈‬
‫〉) ( 〈‬
‫אנרגיה קינטית והגדרת 〉 ̇ 〈‬
‫נותן‪:‬‬
‫̇‬
‫〉 ̇ 〈‬
‫הפתרון כולל פתרון כללי של משוואה הומוגנית פלוס פתרון פרטי של משוואה הלא הומוגנית‪.‬‬
‫פתרון פרטי של משוואה הלא הומוגנית הוא לקחת‬
‫סה"כ התפרון‪:‬‬
‫בלתי תלוי בזמן כך ש‪-‬‬
‫ואז מקבלים‪:‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫תנאי התחלה‪:‬‬
‫) (‬
‫)‬
‫〉‬
‫(‬
‫〉‬
‫〈‬
‫〉 ̇ 〈‬
‫〈‬
‫(‬
‫)‬
‫אחרי עוד אינטגרציה‪:‬‬
‫))‬
‫‪ ‬עבור זמנים קצרים (‬
‫(‬
‫〉‬
‫(‬
‫〈‬
‫)‪:‬‬
‫(‬
‫))‬
‫〉‬
‫(‬
‫〈‬
‫וקיבלנו תנועה של חלקיק חופשי‪.‬‬
‫)‪:‬‬
‫‪ ‬עבור זמנים ערוכים (‬
‫〉‬
‫〈‬
‫קלומר‪ ,‬המרחק מהראשית 〉 〈 יגדל כמו √ (דיפוזיה‪,‬‬
‫‪ .‬זוהי משוואת‬
‫מקדם הדיפוזיה במקרה הזה‪:‬‬
‫המטען עובר ביחידות שאינן כפולה שלמה של ‪.‬‬
‫רזניקוב – גילוי ניסיוני ש‪ , -‬המטען האפקטיבי ≠‬
‫)‪.‬‬
‫– תנועה בהשפעת כוח אקראי‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫קשר בין דיסיפציה ורעש (‬
‫חלקיק שמסתו נמצע בתוך נוזל צמיג ומושפע מכוח אקראי ) (‬
‫משוואות התנועה במימד אחד‪:‬‬
‫) (‬
‫) (̈‬
‫) (̇‬
‫כאשר הוא מקדם הצמיגות‪.‬‬
‫מכפילים ב‪ ̇ -‬שני הגפים וממצעים על צבר תרמודינאמי‪:‬‬
‫〉̇ ̈ 〈‬
‫〈 〉 ̇ 〈‬
‫〉̇‬
‫〉 ̇ 〈)‪:‬‬
‫איבר הראשון (ממשפט החלוקה השווה‬
‫〉 ̇ 〈‬
‫כאשר‬
‫)‬
‫שפועל עליו‪.‬‬
‫〉̇ ̈ 〈‬
‫קבוע‪ ,‬האיבר הזה מתאפס‪ ,‬ולכן‪:‬‬
‫〉̇‬
‫לפי חוק השני של ניוטון‪:‬‬
‫לכן‪:‬‬
‫) (‬
‫) (‬
‫) (‬
‫∫‬
‫∫‬
‫‪1‬‬
‫〈‬
‫̇‬
‫) (‬
‫∫) (‬
‫〉‬
‫) (‬
‫∫) (‬
‫〈‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫נגדיר – פונקציית קורלציה עצמית של הכוח האקראי‪.‬‬
‫) ( כי 〉) ( 〈 〉) ( ) ( 〈 ) (‬
‫בנוסף ) (‬
‫) ( – פונקציה סימטרית בזמן ‪.‬‬
‫קיבלנו‪:‬‬
‫) (‬
‫) 𝜏( 𝐾‬
‫)𝜏( 𝑅𝐹‬
‫𝜏‬
‫𝜏‬
‫𝑡‬
‫∫‬
‫‪ ‬דוגמא נוספת‪:‬‬
‫) (‬
‫רעש‬
‫מתח‬
‫) (‬
‫משוואה זהה למשוואת תנועה בראונית‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫∫〈‬
‫〉 ) ( ) (‬
‫𝐼‬
‫𝐿‬
‫𝑉‬
‫𝑅‬
‫בידוד הדגם מסביבתו‬
‫‪ ‬ריק (וואקום)‪.‬‬
‫‪ ‬טמפרטורות נמוכות‪.‬‬
‫ריק‬
‫לחץ מינימלי במערכות‬
‫מיכל‬
‫אופיינית‪:‬‬
‫‪11‬‬
‫נקח‬
‫‪1‬‬
‫‪3‬‬
‫‪1‬‬
‫‪,‬‬
‫‪3‬‬
‫דגם‬
‫‪ .‬נקבל‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫תהליכי אינטרקציה בין אטונים בגז ופני השטח‬
‫כיצד מייצרים ריק‬
‫‪ .1‬תא ללא חורים‪.‬‬
‫‪ .2‬משאבות "נקיות" (ללא שמן)‪.‬‬
‫‪ .2.1‬משאבה טורבומולקולרית (‬
‫‪.2.2‬‬
‫(‬
‫‪) .2.3‬‬
‫)‬
‫פונון‬
‫דגם‬
‫‪ .1‬החזרה אלסטית‪.‬‬
‫‪ .2‬ספיכה פיזיקלית (ואן דר ואלס)‪.‬‬
‫‪ .3‬ספיכה כימית (קשרים כימיים)‪.‬‬
‫𝑟‬
‫יהיה תהליך של לכידה של אטומי הגז על פניהשטח‬
‫בגלל התנגשות אי‪-‬אלסטית (למשל פליטת פונון)‪.‬‬
‫מרחק מהדגם‬
‫זוהי ספיכה פיזיקלית והיא תהליך הפיך (ניתן לחמם את הדגם‪,‬‬
‫כלומר‪ ,‬לתת לחלקיק אנרגיה והוא ייצא מתור פוטנציאל)‪.‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫משאבה טורבומולקולרית (‬
‫משאבה טורבומולקולרית דומה בפעולתה למדחס של‬
‫מנוע סילון‪ .‬היא בנויה מרוטור שעליו מורכבות שכבות‬
‫של להבים‪ .‬רוטור זה מסתובב במהירות של עד ‪00777‬‬
‫סיבובים בדקה‪ ,‬שואב את הגז בצידה העליון (צד מערכת‬
‫הואקום) ומוציא את הגז הדחוס אל משאבת הרוטציה‪,‬‬
‫השואבת אותה בטור‪ .‬יש להפעיל את המשאבה הטורבו‪-‬‬
‫מולקולרית רק לאחר שמשאבת הרוטציה (או מכנית‬
‫אחרת) הורידה את לחץ הגז במערכת הואקום‪ ,‬אחרת‬
‫להבי המשאבה ישרפו עקב חיכוך עם מולקולות הגז‪.‬‬
‫המשאווה יכולה לקחת אטומים מאזור עם לחץ של‬
‫)‬
‫‪1‬‬
‫~‪.‬‬
‫~ ולהוציא באזור עם‬
‫)‬
‫משאבה (‬
‫עובדת על עיקרון ספיכה פיזיקלית‪ .‬משאבה מקוררת בעזרת הליום או חנקן נוזלי‪.‬‬
‫‪ ,‬אנרגיה תרמית של המשטח לא מספיקה‬
‫כאשר‬
‫כדי להוציא את החלקיק מבור פוטנציאל והוא נשאר שם‪.‬‬
‫פונון משטח קר‬
‫טמפרטורת עבודה של המשאבה‪:‬‬
‫𝑟‬
‫(𝐾 )‬
‫קצב שאיבה‪:‬‬
‫𝑈‬
‫̇‬
‫̇‬
‫קצב ספיכה (רגעי)‪:‬‬
‫כאשר ̇ הוא קצב שאיבה‪.‬‬
‫זמן הפעולה של המשאבה סופי‪ ,‬עד שכל אתרי הלכידה מלאים בגזים ספוכים‪ .‬אחרי זה יש צורך לחמם‪,‬‬
‫לטהר ולקרר שוב‪.‬‬
‫כוללת נידוף של‬
‫משאבה יונית (‬
‫‪ ,‬חומר מאוד ריאקטיבי‪.‬‬
‫אטומי 𝑖𝑇‬
‫)‬
‫חוט (סליל) של 𝑖𝑇‬
‫פילמנט פולט אלקטרונים‬
‫אלקטרונים‬
‫הצטברות 𝑖𝑇 על דופן‬
‫(ביחד עם אטומים‬
‫אחרים שנקשרים עם 𝑖𝑇)‬
‫𝑛𝑒𝑡𝑠𝑔𝑛𝑢𝑇‬
‫מתחמם לטמפ' של ℃‬
‫𝑉‬
‫מדי לחץ‬
‫המערכת הנ"ל לא מתאימה‪ ,‬כי התא בנוי מחומר עבה‬
‫(כדי לשרוד בלחצים גבוהים כאשר יש ואקום בפנים)‬
‫ולכן כמעת ולא מתעוות – קשה למדוד שינוי בקיבול‪.‬‬
‫𝐶‬
‫𝑃‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מדי לחץ המבוססים על הולכת חום‬
‫דופן קרה‬
‫פירני‪ ,‬תרמוקפל (צמד תרמי)‪...,‬‬
‫טיל בתוך מערכת ואקום מחומם בעזרת גוף חימום‪.‬‬
‫מערכת‬
‫תרמוסטט שומר על טמפרטורה קבועה‪ .‬כאשר מולקולות‬
‫מדידה‬
‫פוגעות בטיל‪ ,‬הם לוקחים איתם חלק מהאנרגיה לעבר‬
‫הדופן הקרה‪ .‬יותר מולקולות במערכת – יותר אנרגיה נלקחת‪,‬‬
‫גוף תרמוסטט‬
‫חימום‬
‫ויותר זרם צריך לספק לגוף חימום על מנת לשמור על אותה‬
‫טמפרטורה בתרמוסטט‪ .‬על ידי מדידת זרם אפשר לקבוע כמה‬
‫מולקולות (לחץ) יש במערכת‪ .‬יש לכייל את הפירני עם מד לחץ אבסולוטי לכל גז נמדד‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫תחום מדידתו של הפירני הוא‬
‫ריק‬
‫מד לחץ יוני (‬
‫זרם במוצא המגבר מתכונתי לצפיפות‬
‫האטומים (לחץ)כפול הפרש פוטנציאלים‪.‬‬
‫שוב‪ ,‬חייב כיול כדי לתת תוצאות של‬
‫לחץ אבסולוטי‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫תחום השימוש‪:‬‬
‫בקונפיגורציות שונות‪.‬‬
‫)‬
‫מקור אלקטרונים‬
‫מכשירי מעקב למערכות ריק‬
‫‪ .1‬ספקטרומטר מסה‬
‫מדידת עוצמת קו הליום תחת אווירה חיצונית של‬
‫גז הליום היא השיטה הנפוצה לגילוי דליפות‬
‫וחורים במערכת‪.‬‬
‫‪.2‬‬
‫עלומת אלקטרונים מתותח אלקטרונים פוגעת בגדם ומתפזרת‪ .‬לפי‬
‫תמונת הפיזור אפשר לעקוב אחרי "נקיון" של פני הדגם ברמה אטומית‪.‬‬
‫מתח‬
‫מתאפס‬
‫מגבר‬
‫𝐼‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫טכניקות של מחקר בטמפרטורות נמוכות‬
‫~‪.‬‬
‫הפרש בין רמות אנרגיה הוא‬
‫בטמפרטורה נמוכה מספיק נקבל מערכת‬
‫𝑇‬
‫𝐾‬
‫"סטטית" – כל האלקטרונים ברמות שלהם‬
‫ובספקטרום בליעה יהיו מרסימות חדות עבור‬
‫כל מעבר מרמה אנרגטית אחת לשנייה‪.‬‬
‫𝑇‬
‫𝐾‬
‫לעומת זאת‪ ,‬בטמפרטורה גבוהה מערכת‬
‫תהיה "דינאמית" – אלקטרונים יעברו ומרמה‬
‫לרמה כל הזמן‪ ,‬וספקטרום יהיה חלק יותר‪.‬‬
‫אנרגיה‬
‫‪3‬‬
‫~‬
‫~‬
‫בליעה‬
‫𝑉𝑒𝑚 𝑉𝑒𝑚 𝑉𝑒𝑚 𝑉𝑒𝑚‬
‫מטרה של טמפרטורות נמוכות‪ :‬להדגיש מאפיינים פיזיקליים ולהוריד מהרעש‪.‬‬
‫‪ ,‬כאשר היא מספר המצבים שהמערכת יכולה לקבל‪.‬‬
‫אנטרופיה‪:‬‬
‫‪ ‬דוגמא‪ :‬ספינים ללא אינטרקציה‪.‬‬
‫מצבים‪.‬‬
‫לספין אחד יש מצבים‪ .‬לשני ספינים – מצבים‪ ,... ,‬עבור ספינים נקבל‬
‫לכן‪ ,‬האנטרופיה עבור ספינים‪:‬‬
‫‪ ,‬כאשר ספינים בלתי תלויים במקרה ש‪:‬‬
‫אינטרקציה דיפול‪-‬דיפול יחסית ל‪-‬‬
‫‪.‬‬
‫חוק שלישי של תרמודינמיקה‪:‬‬
‫זה יקרה אם למערכת מצב אחד בלבד‪.‬‬
‫אנטיפרומגנט (דחייה)‪:‬‬
‫פרומגנט (משיכה)‪:‬‬
‫חיפוש אחרי סדר במערכת פיזיקלית הוא הכוח הדוחף למחקר בטמפרטורות נמוכות‪.‬‬
‫סוגים אחרים של סדר‪ :‬מוליך – מוליך על‪ ,‬נוזל – נוזל על‪ ,‬גז –‬
‫‪.‬‬
‫כיצד אנחנו נדע מהי טמפרטורה?‬
‫למשל‪ ,‬על סמך רעש‪:‬‬
‫‪ .1‬רעש ג'ונסון‪:‬‬
‫√‬
‫‪ .2‬בעזרת משוואת מצב של גז אידיאלי‪:‬‬
‫‪ .3‬תרמומטר המבוסס על ספינים בלתי תלויים (פאראמגנט)‪:‬‬
‫‪1‬‬
‫מומנט מגנטי ‪ ,‬ספין ‪.‬‬
‫מומנט מגנטי של ספין בטמפרטורה בשדה מגנטי חיצוני ‪ ,‬עבור‬
‫בטמפרטורות גבוהות‪:‬‬
‫~‬
‫עבור‬
‫מומנטים בלתי תלויים‪:‬‬
‫מצבים‪:‬‬
‫‪.‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫סוספטביליות‪:‬‬
‫𝜒‬
‫ושוב קיבלנו תרמומטר‪.‬‬
‫בטמפרטורה שבה האינטרקציה בין המומנטים הופכת להיות חשובה‪ ,‬החוק הזה לא מתקיים ואי אפשר‬
‫להשתמש בו כתרמומטר‪.‬‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪.4‬‬
‫בידוד הדגם מהשפעה חיצונית‪ :‬מקורות "דליפת חום"‬
‫גז שיורי בחלל סביב הדגם‪.‬‬
‫קרינה תרמית (קרינת גוף שחור בטמפרטורת החדר)‪.‬‬
‫חיבורים מכניים לדפנות התא (חיבורים לדגם‪ ,‬הוא לא תלוי באוויר)‪.‬‬
‫חום הנובע מהניסוי עצמו (מדידות)‪.‬‬
‫תרמומטריה‬
‫תרמומטרים ראשוניים – מתבססים על חוקים פשוטים‪.‬‬
‫תרמומטרים משניים – מכוילים כנגד תרמומטרים ראשוניים ונוחים לשימוש‪.‬‬
‫תהליך הבידוד האדיאבטי‬
‫מניעת חימום ע"י קרינה תרמית‪:‬‬
‫שטף אנרגיה של קרינה תרמית הפוגעת בדגם‪:‬‬
‫̇‬
‫‪( 1‬‬
‫)‬
‫כאשר הוא שטח הפנים של הדגם‪.‬‬
‫𝐾‬
‫̇‬
‫דגם‬
‫𝐷𝑇‬
‫̇‬
‫הספק קירור של מעגל המבוסס על שאיבה של‬
‫𝑟𝑎𝑏𝑚 ‪3‬‬
‫𝑇‬
‫משאיבה‬
‫קצב שאיבה‬
‫𝑟𝑒𝑡𝑖𝐿‬
‫של‬
‫𝑠‬
‫עבור הליום נוזל‪:‬‬
‫נוזל‬
‫אדים‬
‫הליום נוזל‬
‫𝐾‬
‫הספק הקירור שווה ל‪̇ :‬‬
‫𝑄‬
‫מגיני קרינה‬
‫(למשל‬
‫מאלומיניום)‬
‫‪:‬‬
‫‪3‬‬
‫‪, 1 3‬‬
‫עבור‬
‫במצב עמיד אותו חום עובר דרך כל מגיני קרינה‪:‬‬
‫אחרון (פנימי)‬
‫חיצוני‬
‫מגן קרינה ‪#‬‬
‫̇‬
‫(‬
‫)‬
‫(‬
‫̇ )‬
‫‪( 1‬‬
‫)‬
‫נחבר ונקבל שטף חום ללא מגיני קרינה‪:‬‬
‫̇‬
‫̇‬
‫‪( 1‬‬
‫)‬
‫‪( 1‬‬
‫)‬
‫𝑃‬
‫‪3‬‬
‫‪𝑇1‬‬
‫̇‬
‫‪ ,‬כאשר‬
‫‪ -‬חום כמוס ו‪ - ̇ -‬מספר מולים לשנייה ששואבים‪.‬‬
‫ונפח מולרי בלחץ של‬
‫‪ 3‬הוא‬
‫‪3‬‬
‫̇‬
‫~ ליטר‪ .‬אז‪ ,‬הספק הקירור‪:‬‬
‫קורס "שיטות ניסיונות במצב מוצק ‪ – "1‬סמסטר אביב תשע"ה (‪ – )2014-2015‬פרופ' אמיל פולטורק‬
‫מחבר‪ :‬גאורגיי שולגה‬
‫העברת אור לאזור קר‬
‫זחוק ווין‪:‬‬
‫‪:‬‬
‫‪3‬‬
‫עבור‬
‫ולעביר קרינה באורכי‬
‫חלונות חייבים לבלוע ב‪-‬‬
‫~)‪ .‬הטמפרטורה של החלון צריכה‬
‫גל קצרים (‬
‫להיות בתחום שם החלון לא מעביר‪.‬‬
‫מקדם העברה‬
‫𝜆‬
‫דגם‬
‫𝐷𝑇‬
‫חלונות‬
‫‪%‬‬
‫טמפ'‬
‫החלון‬
‫אור‬
‫‪%‬‬
‫מזעור הולכת חום אל הדגם דרך חוטי חשמל‪ ,‬תמיכה מכנית וכו'‬
‫‪ .1‬משתמשים בחוטים דקים ככל האפשר‪ ,‬ארוכים ועשויים מחומר שלו מוליך חום היטב (נתך‬
‫של מתכות)‪.‬‬
‫)‪.‬‬
‫‪ .2‬תמוכה מכנית על צינורות דקי דופן עשויים מנתך (‬
‫‪ .3‬קירור הדגם עצמו‪ :‬הדבקה ע"י גריז ואקום או הכנסת דגם לתוך הליום נוזל‪.‬‬
‫‪ ‬עבור‬
‫‪ ‬עבור‬
‫‪ ‬עבור‬
‫סוגי מקררים‪:‬‬
‫‪,‬‬
‫‪ :‬מקרר מכני (מדחס‬
‫או מעט רעידות‪ :‬הליום נוזל‪.‬‬
‫‪.‬‬
‫‪ :‬מקרר מיהול או‬
‫)‪.‬‬
‫)‬
‫מקרר מיהול (‬
‫אנרגיה‬
‫𝐹𝐸‬
‫𝑒𝐻⬚‬
‫𝑒𝐻⬚‬
‫𝑒𝐻⬚‬
‫בשיווי משקל רמות פרמי שוות‪.‬‬
‫קצב קירור‪:‬‬
‫̇‬
‫∫‬
‫̇‬
‫∫‬
‫∫‬