Квантовые нити

Наноплёнки

Типы низкоразмерных систем

Лекция 4

Существует достаточно большое количество структур, в которых наблюдаются квантово - размерные эффекты. Большинство из них можно отнести к следующим классам:

- тонкие наноплёнки (с толщиной близкой к 1 нм)

- провода или нити атомарного масштаба (квантовые нити)

- квантовые точки

- низкоразмерные МДП структуры

- дельта слои

- сверхрешётки

- гетеропереходы

Рассмотрим каждый класс более подробно.

Наноплёнки являются простейшей реализацией прямоугольной квантовой ямы, и в целом их можно отнести к самым простым низкоразмерным системам. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb в 60-х годах был обнаружен эффект размерного квантования. Подробное описание условий наблюдения квантования и основные характеристики тонких наноплёнок уже были рассмотрены в одной из предыдущих лекций. Поэтому здесь укажем лишь способы их производства. Традиционными методами изготовления плёнок является напыление на подложку. Самыми распространенными из них являются молекулярно-лучевая эпитаксия и газофазная эпитаксия, хотя существуют и другие техники напыления. Кроме того для создания плёнок может быть использовано химическое осаждения частиц, осаждение из плазмы и даже поатомная сборка поверхности методами СТМ.

В полупроводниковых структурах, где движение электронов по одной из координат ограничено, начинают проявляться эффекты квантования вдоль этой координаты. В результате свободное движение электронов из трехмерного становится двумерным, что кардинально меняет большинство электронных свойств и является причиной новых интересных эффектов, в том числе квантового эффекта Холла.

Вполне естественно сделать еще один шаг на этом пути и создать (или, по крайней мере, попытаться это сделать) одномерные электронные системы, часто называемые квантовыми нитями. Для этого необходимо иметь нечто действительно напоминающее тонкую нить, где движение электронов резко ограничено в двух направлениях из трех и лишь вдоль оси нити (будем называть ее осью х) остается свободным. При этом за счет малых поперечных размеров нити движение в плоскости yz квантуется, и его энергия может принимать лишь некоторые дискретные значения Е_i: i= 1,2,..., так что полный закон дисперсии имеет вид

где m ~ эффективная масса электронов. Видно, что каждому дискретному уровню Е соответствует целый набор возможных состояний, отличающихся импульсом р_х. При этом обычно судят не об уровне, а о подзоне размерного квантования с номером i.

Рассмотрим методы изготовления квантовых нитей.

К тому времени, когда экспериментальные исследования квантовых нитей начали разворачиваться во многих лабораториях мира, технология двумерных электронных систем уже достигла высокой степени совершенства и получение таких структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии стало в достаточной степени рутинной процедурой. Поэтому большинство способов изготовления квантовых нитей основывается на том, что в системе с двумерным электронным газом (как правило, на основе гетероструктур) тем или иным способом ограничивается движение электронов еще в одном из направлений. Для этого есть несколько способов.

Наиболее очевидный из них – это непосредственное "вырезание" узкой полоски с помощью литографической техники. При этом для получения электронных нитей шириной в сотни ангстрем, где квантование энергий электронов будет заметным, необязательно делать полоски именно такой ширины, что требует литографической техники сверхвысокого разрешения. Дело в том, что на боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения. Этот слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантовые эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины – порядка десятой доли микрона. Вырезание полосок может быть осуществлено ионной бомбардировкой поверхности плёнки или с помощью плазменного пучка. Для резки на уровне атомарного масштаба применяют технологию АСМ.

Структуры с нульмерным электронным газом (квантовые точки)

В такой структуре движение носителей ограничено во всех трех направлениях (x, y и z). Такие структуры особенно интересны тем, что их свойства аналогичны свойствам дискретного атома, поэтому их иногда называют искусственными атомами. Здесь энергетический спектр уже не содержит непрерывной компоненты, т. е. не состоит из подзон, а является чисто дискретным. Как и в атоме, он описывается тремя дискретными квантовыми числами (не считая спина) и может быть записан в виде E = E_lmn, причем, как и в атоме, энергетические уровни могут быть вырождены и зависеть лишь от одного или двух чисел.

Рис. 4.1. Элементарная низкоразмерная структура, ее энергетическая диаграмма и плотность состояний N(E).

На основе квантовых точек были созданы миниатюрные источники света с высоким коэффициентом полезного действия. Варьируя размеры и состав квантовых точек, можно получать светодиоды с разным цветом излучения. Этот эффект уже был использован для создания инновационных экранов для мониторов и телевизоров. Они отличаются гораздо лучшей цветопередачей и контрастностью в сочетании с пониженным энергопотреблением. На основе квантовых точек созданы мощные лазеры. Их мощность в 10-20 раз превышает мощность лазеров созданных по классической технологии. Свойство квантовых точек можно управлять движением одиночных электронов, открыло огромные возможности по дальнейшей миниатюризации полупроводниковых устройств и снижению их энергопотребления.

Рассмотрим методы производства квантовых точек. Самым очевидным и самым неэффективным методом создания квантовых точек является ограничение движения носителей зарядов в квантовых нитях. Это достигается путём перерезания квантового провода ионной бомбардировкой, плазменным пучком или с помощью техники АСМ. Метод является неэффективным по той причине, что края при резки получаются крайне не равномерными, а размеры краёв не могут контролироваться с достаточной точностью. Кроме того при ионной бомбардировке может наблюдаться нежелательное легирование поверхности.

Другими методами являются выращивание квантовых точек методами самосборки и выращивание в коллоидных растворах. Также разрабатываются технологии биологического синтеза квантовых точек.

Дата добавления: 2014-01-11