לדלג לתוכן

קובץ:Surface ionization of cesium.svg

תוכן הדף אינו נתמך בשפות אחרות.
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

לקובץ המקורי(קובץ SVG, הגודל המקורי: 270 × 270 פיקסלים, גודל הקובץ: 32 ק"ב)

ויקישיתוף זהו קובץ שמקורו במיזם ויקישיתוף. תיאורו בדף תיאור הקובץ המקורי (בעברית) מוצג למטה.

תקציר

תיאור
English: Surface ionization effect in vaporized Cs atoms at 1500 kelvin, calculated using a grand canonical ensemble.
Y-axis: Average number of electrons on Cs atom. X-axis: negative of (electron chemical potential plus elementary charge times electrostatic potential), or in other words, work function of surface.
See article "Characterization of a cesium surface ionization source with a porous tungsten ionizer." for more information on the surface ionization effect.
תאריך יצירה
מקור נוצר על־ידי מעלה היצירה
יוצר Nanite
SVGהתפתחות 
InfoField
 
.קוד המקור של קובץ SVG זה הוא תקין
 
Matplotlib עם‎‎ נוצרה ה גרפיקה וקטורית
קוד מקור
InfoField

Python code

#Python source code. Requires [[:wikipedia:matplotlib|matplotlib]]. 
#Bonus features: 
1) Also makes entropy, energy, grand potential plots.
2) Also makes plots for Cl, and ionization of P, B impurities in silicon.

<syntaxhighlight lang="python">
"""
Plot various quantities related to thermal ionization of an atom,
calculated from simple model using grand canonical ensemble.
"""
from pylab import *
import matplotlib.transforms as transforms

plt.rc('text', usetex=True)
plt.rc('font', family='serif')
plt.rc('font', serif=['Computer Modern'])
figtype = '.svg'
saveopts = {} #'bbox_inches':'tight'} #, 'transparent':True, 'frameon':True}
axsize = [0.2,0.16,0.79,0.77]

### Thermodynamic functions ###
def Omega(x, x_I, x_A, g_0, g_I, g_A):
    """
    Grand potential in terms of dimensionless parameters.
        x = -(\mu+e\phi)/kT, where
            \mu is chemical potential
            \phi is electrostatic potential of vacuum
            e is elementary charge
        x_I = E_I/kT, where E_I is ionization energy of atom
        x_A = E_A/kT, where E_A is electron affinity of atom
        g_0, g_I, g_A: degeneracies of neutral, oxidized, reduced states.
    
    Returns grand potential with neutral offsets left off, in units
    of kT:
        (Omega + mu N_0 - E_0)/kT
    """
    return -log(g_0 + g_I*exp(x-x_I) + g_A*exp(x_A-x))

def navg(x, x_I, x_A, g_0, g_I, g_A):
    """
    Average occupation number in terms of dimensionless parameters.
    (see Omega for parameters' meaning)
    
    Returns <N> - N_0
    
    The occupation number is given by <N> = - d\Omega/d\mu
    """
    return (-g_I*exp(x-x_I) + g_A*exp(x_A-x))/(g_0 + g_I*exp(x-x_I) + g_A*exp(x_A-x))

def entropy(x, x_I, x_A, g_0, g_I, g_A):
    """
    Entropy/k in terms of dimensionless parameters.    
    (see Omega for parameters' meaning)
    
    This function is calculated from the grand potential \Omega of this system,
    and is given by
        S/k = - d\Omega/d(kT)
    """
    t1 = log(g_0 + g_I*exp(x-x_I) + g_A*exp(x_A-x))
    t2 = -(g_I*(x-x_I)*exp(x-x_I) + g_A*(x_A-x)*exp(x_A-x))/(g_0 + g_I*exp(x-x_I) + g_A*exp(x_A-x))
    return t1+t2

### Figure maker template ###
def makefigs(name, W, kT = 1.,
    N_0 = 1, E_I = 1., E_A = 1.,
    g_0 = 1, g_I = 1, g_A = 1,
    bandgap=None):

    def makefig():
        fig = figure()
        fig.set_size_inches(3,3)
        fig.patch.set_alpha(0)
        ax = axes(axsize)
        xlim(amin(W),amax(W))
        trans = ax.get_xaxis_transform()
        if amin(W) <= E_A <= amax(W):
            axvline(E_A, color='gray', linestyle='dotted')
            text(E_A,1.01,r'$\Delta E_{\rm A}$',ha='center',va='bottom',transform=trans)
        if amin(W) <= E_I <= amax(W):
            axvline(E_I, color='gray', linestyle='dotted')
            text(E_I,1.01,r'$\Delta E_{\rm I}$',ha='center',va='bottom',transform=trans)
        if bandgap is None:
            # free atom terminology
            xlabel(r'$W = [-\mu-e\phi]$~(eV)')
        else:
            # semiconductor terminology
            xlabel(r'$\epsilon_{\rm C}-\mu$~(eV)')
            axvline(bandgap, color='gray', linestyle='dashed')
            text(bandgap,1.01,r'$\Delta E_{\rm gap}$',ha='center',va='bottom',transform=trans)
        return fig,ax

    N = navg(W/kT,E_I/kT,E_A/kT,g_0,g_I,g_A)
    S = entropy(W/kT,E_I/kT,E_A/kT,g_0,g_I,g_A)
    Om = Omega(W/kT,E_I/kT,E_A/kT,g_0,g_I,g_A)
    aveE = (Om + S)*kT # This is <E>-E_0, for the case when \mu = 0

    fig,ax = makefig()
    plot(W, N_0 + N, linewidth=1.5)
    Nmin, Nmax = N_0 + amin(N) - 0.2, N_0 + amax(N) + 0.2
    ylim(Nmin, Nmax)
    axhline(N_0, color='green', linestyle='solid', linewidth=0.5)
    ax.yaxis.set_ticks([t for t in range(N_0+10) if Nmin <= t <= Nmax])
    ylabel(r'$\langle N \rangle = -\frac{d\Omega}{d\mu}$')
    savefig('ionize_'+name+'_navg'+figtype,**saveopts)

    fig,ax = makefig()
    ylabel(r'$S/k = -\frac{d\Omega}{d(kT)}$')
    plot(W, S, linewidth=1.5)
    ylim(-0.1,1.7)
    savefig('ionize_'+name+'_entropy'+figtype,**saveopts)

    fig,ax = makefig()
    plot(W, Om*kT, linewidth=1.5)
    ax.autoscale(False)
    plot(W, -E_A + W - kT*log(g_A), color='gray', linewidth=0.5)
    plot(W, W*0 - kT*log(g_0), color='green', linewidth=0.5)
    plot(W, E_I - W - kT*log(g_I), color='gray', linewidth=0.5)
    text(0.5,0.95,r'(for $\mu = 0$)',ha='center',va='top',transform=ax.transAxes)
    ax.yaxis.set_label_coords(-0.17,0.5)
    ylabel(r'$\Omega - E_0$ (eV)')
    savefig('ionize_'+name+'_grand'+figtype,**saveopts)

    fig,ax = makefig()
    plot(W, aveE, color='b', linewidth=1.5)
    ax.autoscale(False)
    plot(W, -E_A + W, color='gray', linewidth=0.5)
    plot(W, W*0, color='green', linewidth=0.5)
    plot(W, E_I - W, color='gray', linewidth=0.5)
    text(0.5,0.95,r'(for $\mu = 0$)',ha='center',va='top',transform=ax.transAxes)
    ylabel(r'$\langle E \rangle - E_0$~(eV)')
    ax.yaxis.set_label_coords(-0.17,0.5)
    savefig('ionize_'+name+'_energy'+figtype,**saveopts)

### Specific data ###
makefigs('Cs', # free Cesium
    linspace(-0.4,5.2,541),
    kT = 8.61733238e-5 * 1500, #eV, 1500 K
    N_0 = 55,
    E_I = 3.89390, #eV, from WP:Ionization_energies_of_the_elements_(data_page)
    E_A = 0.47164, #eV, from WP:Electron_affinity_(data_page)
    g_0 = 2, # unpaired 6s electron spin degeneracy
    g_I = 1, # filled shells
    g_A = 1, # filled shells
    )

makefigs('Cl', # free Chlorine
    linspace(-0.4,5.2,541),
    kT = 8.61733238e-5 * 1500, #eV, 1500 K
    N_0 = 17,
    E_I = 12.96764, #eV, from WP:Ionization_energies_of_the_elements_(data_page)
    E_A = 3.612724, #eV, from WP:Electron_affinity_(data_page)
    g_0 = 2, # unpaired 3p hole spin degeneracy
    g_I = 1, # irrelevant placeholder value (no visible effect)
    g_A = 1, # filled shells
    )

# Below we try some ionization of dopants in silicon.
# The real behaviour is a bit more complicated than indicated here but this gives
# the conventional textbook model of dopant ionization.
#   See "Theory of shallow acceptor states in Si and Ge" by Schechter (1962)
#  also "The electronic structure of impurities and other point defects in semiconductors" by Pantelides (1978).

makefigs('Si-P', # Phosphorus in silicon (dopant)
    linspace(-0.1,1.25,261),
    kT = 8.61733238e-5 * 295, #eV, 295 K
    N_0 = 15,
    E_I = 0.045, #eV, from web
    E_A = -10, #eV, random large value to prevent ionization
    g_0 = 2, # 3sp^5 electron spin degeneracy, S=1/2 in this case
    g_I = 1, # half-filled shell of 3sp electrons... apparently nonmagnetic
    g_A = 1, # irrelevant placeholder value (no visible effect)
    bandgap = 1.1,
    )

makefigs('Si-B', # Boron in silicon (dopant)
    linspace(-0.1,1.25,261),
    kT = 8.61733238e-5 * 295, #eV, 295 K
    N_0 = 5,
    E_I = 10, #eV, random large value to prevent ionization
    E_A = 1.1-0.045, #eV, from web
    g_0 = 4, # 3sp^3 hole spin degeneracy: two possible orbital states (from two valence bands), each with S=1/2
    g_I = 1, # irrelevant placeholder value (no visible effect)
    g_A = 1, # half-filled shell of 3sp electrons... apparently nonmagnetic
    bandgap = 1.1,
    )

רישיון

אני, בעל זכויות היוצרים על עבודה זו, מפרסם בזאת את העבודה תחת הרישיון הבא:
Creative Commons CC-Zero קובץ זה זמין לפי תנאי הקדשה עולמית לנחלת הכלל CC0 1.0 של Creative Commons.
האדם ששייך יצירה להיתר הזה הקדיש את היצירה לנחלת הכלל על־ידי ויתור על כל הזכויות שלו או שלה על היצירה בכל העולם לפי חוק זכויות יוצרים, לרבות כל הזכויות הקשורות או הסמוכות כקבוע בחוק. באפשרותך להעתיק, לשנות, להפיץ, או להציג את היצירה, אפילו למטרות מסחריות, וכל זה אפילו מבלי לבקש רשות.

כיתובים

נא להוסיף משפט שמסביר מה הקובץ מייצג

פריטים שמוצגים בקובץ הזה

מוצג

היסטוריית הקובץ

ניתן ללחוץ על תאריך/שעה כדי לראות את הקובץ כפי שנראה באותו זמן.

תאריך/שעהתמונה ממוזערתממדיםמשתמשהערה
נוכחית18:50, 20 בינואר 2014תמונה ממוזערת לגרסה מ־18:50, 20 בינואר 2014‪270 × 270‬ (32 ק"ב)Nanitetaking into account double degeneracy of neutral state
14:34, 20 בינואר 2014תמונה ממוזערת לגרסה מ־14:34, 20 בינואר 2014‪270 × 270‬ (26 ק"ב)NaniteChanged to 1500 K (was 295 K)
14:27, 20 בינואר 2014תמונה ממוזערת לגרסה מ־14:27, 20 בינואר 2014‪270 × 270‬ (25 ק"ב)NaniteUser created page with UploadWizard

אין בוויקיפדיה דפים המשתמשים בקובץ זה.

שימוש גלובלי בקובץ

אתרי הוויקי השונים הבאים משתמשים בקובץ זה:

מטא־נתונים