William Bradford Shockley (1910-1989), John Bardeen (1908-1991) og Walter Houser Brattain (1902-1987) fikk nobelprisen I fysikk I 1956 «for forskningen på halvledere og oppdagelse av og transistoreffekten».
Elektroner har en kvantemekanisk beskrivelse i form av bølgelengde og bølgeenergi, elektronet har en dualisme på samme måte som elektromagnetisk stråling og kan betraktes både som bølge og partikkel. Et system søker alltid til laveste energitilstand. Stoffer som er gode elektriske ledere er også gode varmeledere. Isolatorer, og som ikke ledere elektroner er er glass, porselen og polyetylen. Elektrokjemi, eksitasjon , elektromagnetisk induksjon og biologiske elektrontransportkjeder i cellerespirasjon og fotosyntese omhandler forflytning og av elektroner.
Får elektronet nok energi kan det bevege seg fra valensbådet (normalt grunnviå) opp i konduksjonsbåndet. Evnen til å endre energinivå avhengerav den termiske energien til elektronet 2/3kT. Hvis denne energien er ca. lik den termiske energien har vi en halvleder (< 4 kJ mol-1) hvor elektronet noen ganger er i valensbåndet og noen ganger i konduksjonsbåndet. Hvor mange elektroner som finnes i konduksjonsbåndet kan finnes ut fra Boltzmanns energifordeling:
\(\displaystyle N_{\text{konduksjonsbånd}}= N_0 e^{-\frac{E}{kT}}\)
hvor N0 er antall valenselektroner og E er energiforskjellen mellom grunnivå og konduksjonsbånd. Hvis det er forurensinger i mineralet, vanligvis silisium (Si), som gir elektroner har vi en n-halvleder. Hvis forurensningene er en elektronakseptor har vi en p-halvleder. Grunnstoffene til høyre for den vertikale raden med Si vil være elektrondonorer for eksempel arsen (As):
As → As+ + e-
og de til venstre vil være elektronakseptorer for eksempel gallium (Ga) som blir brukt i halvledere og lysemiterende dioder (LED).
Ga + e- → Ga-
Eksitert LED faller tilbake til grunntilstanden og sender ut energi avhengig av båndgapet. Galliumarseniddiode sender ut rødfarget lys.
Bor i silisium bremser bevegelse til elektroner og bare de tomme plassene forflyttes. Fosfor og silisium gir nye elektroner som fraktes, jfr. n-halvledere og p-halvledere (n- og p-dopete halvledere). OLED er organisk polymere halvledere.
Superledere
Generelt forsvinner elektrisk motstand ved det absolutte nullpunkt -273.16oC. Den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) ikk nobelprisen i fysikk i 1913 for studier av hva som skjer nær det absolutte nullpunkt. Han oppdaget superledning i kvikksøvl som ble kjølt ned til 4.2 K og bidro til hvordan man kunne produsere flytende helium.
John Bardeen fikk også nobelprisen i fysikk i 1972, sammen med Leon N Cooper og John R Schrieffer (1931-2019) «for utvikling av teori for superledning, kalt BCS-teorien. Et metall i et magnetfelt og som kjøles ned kan bli en superleder (Meissner-effekt, Walther Meissner (1882-1974)).
Cooper-par er en kvanteeffekt hvor et par elektroner i et metall tiltrekker hverandre og er en tilstand i superledning. Generelt i et metall er det delokaliserte elektroner som ikke hører fast sammen med atomkjernene i metallgitteret. Elektroner frastøter hverandre, men blir trukket inn mot den posisitvt ladete atomkjernen med protoner.
Ved superledning beveger elektronene seg friksjonsløst og uten motstand i metallet. Tidligere var superledning bare mulig å vise ved temperaturer ca. 4.1 K med flytende helium (en begrenset ressurs). Etter hvert laget man legeringer som også kunne virke ved temperaturen til flytende nitrogen (63-77 K). Store mengder elektroner, tusenvis ampere som beveger seg i en superleder lager et stort magnetfelt og blir brukt som demonstrasjon når en superleder svever over en permanent magnet. Meget lav temperatur kombinert med høyt trykk som presser atomene sammen var tidligere en forutsetning for superledning. Imidlertid ligger det stort potensial ved å få superledning ved høyere temperatur og vanlig lufttrykk tenkt brukt i overføring av elektrisitet, svevet og o.l.
Biologi og elektrontransport
Elektrontransport og reduksjons- og oksidasjonsreaksjoner er en forutsetning for alt liv og danner grunnlaget i fotosyntesen med elektrontransport fra vann til karbondioksid, og i cellerespirasjon i mitokondriene med elektrontransport fra organiske molekyler tilboks til oksygen hvor det på nyy blir dannet vann. Elektrontransporten skjer via transisjonsmetaller (jern, kobber, mangan, molybden) i tilknytning til proteiner. I tillegg er det ladningsgradienter over alle cellemembraner som lager membranpotensial. Flere har spekulert om både kvantetunneler og superledning kan inngå i elektrontransporten. I nerveceller i hjerne, sentralnervesystem og perifert nevesystem overføres nerveimpulser, hvor muskelbevegelser virker via aksjonspotensialer med raske ladningsendringer, jfr. bioelektrisitet.
Mikrotubuli som er en del av cytoskjelettet danner rørsystemer med negativ elektrisk ladning satt sammen av alfa-tubulin og beta-tubulin, lager et dipolmoment, kan organisere seg i et elektrisk felt og kan virke som en kapasitor målt med måleenheten farad.
Litteratur
Wikipedia