10 мая
advertisement
10 мая. 2006 г. 1 КВАНТОВАЯ ПЛОСКОСТЬ – это многослойная твердотельная структура из тонких пленок различных веществ толщиной в один атом, сложенных одна на другую. Из-за малой толщины пленок в таких структурах начинают проявлять себя квантовые эффекты, которые весьма сильно воздействуют на поведение электронов внутри квантовой плоскости, что позволяет произвольным образом менять физические и химические свойства таких веществ. Пионер в области создания приборов на таких структурах – академик Жорес Иванович Алферов, ставший в 2002 году Нобелевским лауреатом. Его работа «Фундаментальные исследования процессов формирования и свойств гетероструктур с квантовыми точками и создание лазеров на их основе» ознаменовала первый этап нового направления, открывающего широкие перспективы. КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ – это пирамидки в 50 – 100 атомов одного материала, размещенные на монокристалле другого материала. Размер одной квантовой точки составляет единицы – десятки нанометров. Электронный спектр идеальной квантовой точки соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальный квантовый объект при этом может состоять из сотен тысяч атомов. Квантовые точки называют также «искусственными атомами». Ввиду малости величины квантовой точки на ее основе можно строить различные полупроводниковые устройства, использующие для своей работы квантовые размерные эффекты. Лазеры нового поколения, основанные на гетероструктурах с квантовыми точками, прекрасно работают. Долгое время считалось, что вырастить кристалл с кусочками другого материала внутри без дефектов невозможно. То, что сделали сотрудники лаборатории Ж.И. Алферова, можно назвать революцией в лазерной физике. Если раньше ученые, выращивая кристаллы для лазеров, вынуждены были полностью управлять процессом, то теперь ситуация иная – нужная структура растет сама! «Все дело в новой технологии выращивания материала», - говорит академик Алферов. – «Традиционно гетероструктурные материалы, например, из арсенида галлия и арсенида индия, получают, накладывая слой за слоем. Много лет назад … мы наносили слои друг на друга вручную. Эта работа требовала огромного внимания и напряжения. Но теперь мы решили эту задачу, и уже сама природа помогает нам получать в процессе выращивания различные ансамбли таких квантовых точек. Дело в том, что если правильно подобрать все параметры: температуру, скорость осаждения, соотношение потоков атомов, то кристалл вырастет без дефектов. И вырастет сам. Это позволяет радикально улучшить свойства полупроводниковых приборов, скажем, температурную стабильность лазерных диодов». Один физик пошутил, что теперь, зная законы роста наноматериалов, можно и поразвлечься: расположить квантовые точки в виде блюдец, сплести бусы из точек, создать большие и маленькие наноостровки. За этой шуткой 10 мая. 2006 г. 2 большое будущее – варьируя расположение квантовых точек, можно изменять и корректировать свойства кристалла. КВАНТОВЫЕ ПРОВОЛОКИ – это совокупность квантовых точек, нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на кристаллическую подложку. Они позволяют изменять свойства кристаллов и создавать различные электропроводящие пути. Особые свойства квантовых систем по сравнению с классическими делает возможным появление новых технологий. Однако препятствием на пути этих технологий часто оказываются параметры естественных микроскопических объектов, например, атомов. Для тех или иных технических целей бывает желательно иметь микрообъекты с такими параметрами, которые не встречаются в природе. В последние десятилетия оказалось возможным создавать такие объекты в форме ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР. Это значит, что полупроводниковый материал сознательно делается неоднородным, чтобы на созданных таким образом микроскопических неоднородностях возникали нужные квантовые эффекты. Примером этого являются «квантовые точки», играющие роль искусственных атомов, имеющих гораздо большие размеры, чем атомы естественные. Квантовая механика, обнаружившая странные свойства микрообъектов (прежде всего атомов), позволила использовать эти свойства для создания приборов нового типа (например, лазеров). Однако такого рода приложения неизбежно встречаются с ограничениями, вытекающими из характерных параметров микрообъектов. Например, из-за малых размеров атомов их резонансные частоты сравнительно велики. Они лежат в области видимого света или вблизи нее. Получить на основе атомов приборы, работающие на низких частотах (больших дл волн) невозможно. Поэтому для создания таких низкочастотных квантовых приборов необходимы своего рода «искусственные атомы» с размерами, которые намного больше, чем у обычных естественных атомов. Действительно, характерные частоты атома прямо связаны с его размерами: частота излучения обратно пропорциональна квадрату размера 1 атома, ~ 2 . Это можно показать, используя для доказательства принцип неопределенности. Пусть размер атома по порядку величины равен . Тогда неопределенность положения электрона в таком атоме тоже приближенно можно оценить величиной . В соответствии с принципом неопределенности электрон имеет при этом неопределенность импульса порядка или больше, чем . Это значит, что абсолютная величина импульса электрона 2 приблизительно по порядку величины тоже равна p ~ . Энергия 2 10 мая. 2006 г. 3 p2 2 ~ электрона тогда приблизительно равна Ee . Если при 2m 4me 2 излучении фотона электрон передает часть своей энергии этому фотону (и при этом размер атома меняется не слишком сильно), то энергия фотона 2 имеет тот же порядок, E photon ~ . В силу соотношения 4me 2 E photon h 2 мы получаем оценку для частоты фотона: const . 2 8me 2 Итак, характерные для атомов частоты прямо связаны с размерами атомов. Чтобы получить излучение намного меньших частот, понадобились бы атомы намного больших размеров, чего в природе не бывает. (на самом деле атом, находящийся на очень высоком уровне энергии, имеет большой размер. Это так называемые ридберговские состояния атомов, но такие состояния нестабильны). Однако такие огромные «искусственные атомы» можно создать на основе полупроводниковых материалов. Для этого в полупроводнике создают неоднородности, вкрапления полупроводника с другими характеристиками, называемыми КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ. В результате возникает область, в которой электрический потенциал понижен (потенциальная яма) и которая, следовательно, может удерживать электроны наподобие того, как они удерживаются положительным ядром атома. Создавая множество квантовых точек, расположенных через равные интервалы, можно получить искусственный кристалл. Вместо квантовых точек, можно конструировать одномерные и двумерные полупроводниковые структуры (КВАНТОВЫЕ ПРОВОЛОКИ и КВАНТОВЫЕ СТЕНКИ). Комбинации различных типов полупроводниковых структур служат основой информационных технологий, которые все более окружают нас даже в повседневной жизни. В основе действия всех таких устройств лежат законы квантовой механики. В 2001 году Ж.И. Алферов получил за разработку полупроводниковых гетероструктур Нобелевскую премию. ~ ЧТО ТАКОЕ «КВАНТОВАЯ ТОЧКА»? СУЩЕСТВУЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВЛЯТЬ ПОВЕДЕНИЕМ ОТДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОНА. Упрощенно квантовая точка – новое понятие современной физики, означающую некоторую (искусственно созданную) область вещества, в которой можно «хранить» небольшие количества электронов. Впервые структуры такого типа были получены профессором Хиронаки Сакаи. Механизм действия большинства полупроводниковых устройств и приборов (транзисторов и т.п.) основан именно на регулировании потока электронов (процессы включено – выключено, on – off). В настоящее время транзисторы имеют размеры в несколько микрометров и управляют движением «потока», содержащего от сотен тысяч до 1 миллиона электронов. 10 мая. 2006 г. В отличие от них, квантовые точки управляют движением лишь очень небольшого числа электронов (вплоть до управления одиночными электронами!), так что их можно назвать малоэлектронными (или даже одноэлектронными) транзисторами. Эта особенность квантовых точек открывает перед физиками и инженерами огромные возможности для миниатюризации полупроводникового устройства и снижения их энергопотребления. Более того, использование квантовых точек позволяет создавать приборы и устройства совершенно новых типов. Очень важно, что квантовые точки могут образовываться в результате процессов самосборки. Если на кристаллическую поверхность кремния или арсенида галлия нанести небольшое число атомов другого вещества (например, атомов германия и т.п.), то через некоторое время можно наблюдать, как эти «чужеродные» атомы сами собираются в некоторые структуры (так называемые «островки» или островные кристаллические структуры) размером в несколько десятков нанометров. Структуры такого типа и являются квантовыми точками, то есть локальными образованиями (с характерным размером в несколько десятков нанометров), представляющих собой трехмерные «ловушки» для электронов. ПОРАЗИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОУСТРОЙСТВ! КРОШЕЧНЫЕ ЛОВУШКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНА! Типичным примером электронных устройств нового типа, связанных с нанотехнологией, могут служить одноэлектронные транзисторы или запоминающие устройства, работа которых определяется поведением отдельных электронов. 4 10 мая. 2006 г. 5 1. Одноэлектронные запоминающие устройства. Важнейшим элементом современных вычислительных машин являются динамические запоминающие устройства с произвольной выборкой, предназначенные для быстрого последовательного считывания информации. В простейшем варианте эти полупроводниковые устройства представляют собой комбинацию конденсатора и переключателя (МОПтранзистор), которая позволяет сохранять в конденсаторной части (и, соответственно, при необходимости «выпускать») примерно 100 тысяч электронов, что и соответствует, например, переходу записывающей системы из состояния «0» в состояние «1». Ограниченность возможностей таких устройств, естественно, связана с их физическим объемом и размерами управляющих электрических сетей, что и стимулировало разработку методов, позволяющих осуществлять переключение состояния системы меньшим числом электронов, а в идеальном случае и одним – единственным электроном. Преимущества такого подхода очевидны. Энергопотребление систем управления одиночными электронами должно естественно, существенно сократиться. В сущности, в таких наноустройствах конденсаторы окажутся излишними, что позволит снизить размеры схем до минимума. В лабораториях фирмы «Хитати» еще в 1993 году было создано первое в мире одноэлектронное запоминающее устройство, работающее при КОМНАТНЫХ температурах. Такое устройство пригодно для практического использования. В 1998 году было изготовлено одноэлектронное запоминающее устройство, потребляющее при работе примерно в 100 раз меньше электроэнергии, чем существующие. В настоящее время размеры таких устройств составляют около 100 нм, причем сама «ловушка» для электронов имеет диаметр около 10 нм. Ловушка (квантовая точка) была сформирована в результате процесса самосборки атомов на поверхности очень тонкой кремниевой пластины, вследствие чего для «подключения» квантовой точки к электрической цепи потребовалось создать специальную методику. В отделении фирмы «Хитати» удалось не только впервые в мире изготовить сверхтонкую кремниевую пластину (толщиной около 3 нм!), но и создать на ней квантовую точку. Такая сверхминиатюрная электрическая схема работает и регулирует движение отдельных электронов при комнатных температурах, что позволяет надеяться на создание в течение ближайших нескольких лет запоминающих устройств с большим объемом памяти. 2. Одноэлектронные транзисторы. Одноэлектронный транзистор представляет собой переключающее устройство, способное соединять или разъединять электрические цепи за счет управления движением одного электрона. В существующих транзисторах такое переключение соответствует управлению совместным движением сотен тысяч электронов, поэтому переход к одноэлектронным 10 мая. 2006 г. 6 обещает резкое снижение энергопотребления и, соответственно, тепловыделения. Одноэлектронный транзистор внешне выглядит как два металлических электрода, разделенных очень тонкой (нанометровой) изолирующей перегородкой, через которую могут происходить туннельные переходы электронов. По этому принципу называемому «кулоновской блокадой», работают широко распространенные МОП – транзисторы, в которых переключение осуществляется изменением потенциала управляющего электрода. На рисунке показана подробная схема устройства одноэлектронного транзистора. В центральной части расположен тот самый участок вещества (с размерами ~10 нм), в котором находятся изолированные электроны. Пока напряжение между управляющим электродом и истоком остается меньше некоторого порогового значения, электрон остается изолированным (как бы живущим на отдельном «острове»), однако при дальнейшем повышении напряжения (то есть при напряжении выше порогового) «блокада» электрона прорывается, в результате чего устройство в целом срабатывает подобно обычному транзистору. 10 мая. 2006 г. Один из интереснейших разделов нанотехнологии – клеточные автоматы на квантовых точках. Бесконечный прогресс микроэлектроники стал результатом способности полупроводниковой промышленности последовательно уменьшать размер транзисторов – фундаментальных вычислительных элементов современных компьютеров. Очевидно, что такое уменьшение не может продолжаться вечно. Одно из препятствий для продолжения уменьшения транзисторов – это токи утечки через их оксидные затворы. Дело в том, что с уменьшением длины затвора MOSFET – транзистора экспоненциально возрастает туннельный ток между истоком и стоком, соответственно, снижая управляемость контакта. Поскольку транзисторы продолжают уменьшаться, все новые и новые квантовые эффекты начинают нарушать их работу. Некоторые исследователи стремятся найти устройство, работающее на других принципах, которое бы улучшало свои характеристики при уменьшении размеров. Идея такого устройства была предложена доктором Crag Lent из университета Нотр Дам. Эта технология, названная клеточными автоматами на квантовых точках, состоит и плоских массивов так называемых ячеек. Детали этих ячеек имеют очень маленькие размеры – по несколько нанометров, что намного меньше самого маленького транзистора, а сами ячейки работают тем лучше, чем меньше их размер, поскольку основаны на квантовомеханических эффектах, таких как туннелирование электронов, которое начинает затруднять использование транзисторов. Что такое квантовая точка? Квантовые это наноструктуры из стандартных полупроводниковых материалов, таких как InAs/GaAs. Эти структуры можно рассматривать как трехмерные квантовые ямы. В результате они демонстрируют квантование энергии даже на расстояниях в несколько сот раз больших постоянной решетки материала. Квантовую точку на самом деле можно представить как яму. Электроны, однажды попавшие в точку, каждый в отдельности не обладают энергией, достаточной для того чтобы ее покинуть. Мы можем воспользоваться преимуществами квантовой физики поскольку чем меньше квантовая точка физически, тем больше потенциальная энергия необходима электрону для выхода. На рисунке показан пример квантовой точки. 7 10 мая. 2006 г. 8 Клеточный автомат на квантовых точках. Клеточный автомат на квантовых точках (QCA) – это новая нанотехнология, направленная на создание возможностей для универсальных вычислений на наноуровне путем управления положением отдельных электронов. Фундаментальный элемент QCA – ячейка, состоящая из четырех квантовых точек, находящихся в вершинах квадрата, как показано на рисунке. Каждая ячейка содержит пару избыточных электронов, которые стремятся занять ее противоположные углы. Два возможных варианта поляризации ячейки позволяют кодировать двоичную информацию. Ячейка переключается с одной поляризации на другую когда электроны квантовомеханически туннелируют с одного набора квантовых точек на другой. Квадратная граница нарисована вокруг ячейки только для того, чтобы отделить одну ячейку от другой и не обозначает никакого физического объекта. Поскольку электроны – квантовомеханические частицы, они способны туннелировать между точками в ячейке. Электроны в соприкасающихся ячейках будут взаимодействовать. В результате, на поляризацию одной ячейки будет непосредственно влиять поляризация соседних. Это взаимодействие показано на рисунке с соответствующей нелинейной 10 мая. 2006 г. 9 функцией отклика ячейки на состояние соседней. Первая ячейка задает поляризацию (от -1 до 1). График демонстрирует результирующую поляризацию соседней ячейки. Видно, что ведущая ячейка вызывает полную поляризацию своего соседа, даже будучи сама поляризована в малой степени. Это взаимодействие вынуждает ячейки синхронизировать свою поляризацию. Таким образом, линейный массив ячеек может функционировать как провод и передавать информацию с одного конца к другому, поскольку ячейки будут переключать свою поляризацию согласно поляризации на входе, задаваемой ведущей ячейкой. В этом случае, информация, пришедшая на вход, отображается на выходе после небольшой задержки распространения. До недавнего времени инженеры-разработчики электронных приборов в своих расчетах использовали только законы классической физики. Т это было вполне оправдано, поскольку, например, движение электронов в обычном кинескопе телевизора можно описать, представляя их материальными точками. В сложнейшем процессоре любого компьютера движение электронов также подобно движению тел, подчиняющихся законам классической физики. Однако логика развития современной полупроводниковой электроники такова, что интегральные схемы становятся все более сложными и объединяют все большее число элементов. До сих пор изготовителям интегральных схем удавалось увеличивать плотность размещения транзисторов, диодов и других элементов за счет уменьшения их размеров. В недалеком будущем эти размеры должны стать порядка нескольких долей микрона. Когда это произойдет создатели электронных приборов должны будут учитывать тот факт, что достаточно полное 10 мая. 2006 г. 10 описание микрообъектов (в том числе и электронов) возможно только в рамках законов квантовой механики. К настоящему времени в физике уже накоплен большой опыт по созданию и изучению искусственных полупроводниковых структур, имеющих размеры в несколько нанометров или десятков ангстремов. Хотя указанные размеры превышают размеры реальных атомов, электроны в этих структурах ведут себя как квантовые объекты. Обычно выделяют три основных типа таких микроструктур: квантовые ямы, квантовые нити (другое название – квантовые проволоки) и квантовые точки. Последние иногда называют искусственными атомами. Названные структуры, а также переходные состояния между ними принято объединять под одним названием – гетеросистемы пониженной размерности. Сюда же относят сверхрешетки, а также более сложные гетеросистемы, в частности сверхструктуры с надбарьерной брегговской локализацией электронов. Оказалось, что изменяя размерность и регулируя величину квантового ограничения, можно радикальным образом изменять энергетический спектр системы, что способствует не только решению фундаментальных проблем квантовой механики и физики полупроводниковых приборов (а также оптимизации известных). Гетероструктуры позволяют решать значительно более общую проблемы управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах. Это и ширина запрещенной зоны, и эффективные массы носителей заряда и их подвижности, и показатель преломления, энергетический спектр и т.д. Именно поэтому низкоразмерные гетеросистемы станут основной материальной базой микроэлектроники и оптоэлектроники нынешнего столетия. По мнению Ж.И. Алферова, гетероструктуры в ХХ веке оставят гомопереходам в электронике только один процент. Появился даже термин «зонная инженерия» для обозначения попытки искусственного создания новых материалов с заданной зонной структурой или же заданным спектром электронных энергетических состояний. Особенностью и огромным преимуществом искусственных наноструктур перед многими твердыми телами, созданными природой, является как раз то, что в них можно относительно легко реализовывать широкий комплекс свойств, нередко весьма необычных, для разного рода приборных применений. Кроме того, исследуя такие структуры, удается заглянуть в мир, размерность которого отличается от привычной размерности нашего макропространства. Электроника на гетероструктурах широко используется во многих областях человеческой деятельности. Телекоммуникационные системы, основанные на лазерах с двойной гетероструктурой. Гетероструктурные светодиоды и биполярные транзисторы. Малошумящие транзисторы с высокой подвижностью электронов для высокочастотных применений, 10 мая. 2006 г. 11 включая, например, системы спутникового телевидения. Проигрыватели для лазерных дисков. Солнечные элементы на гетероструктурах. РАЗМЕРНОЕ КВАНТОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОНА. Низкоразмерным, в отличие от объемного (3D, three-dimensional), называется такое состояние кристаллов, при котором движение носителей заряда ограничено в одном, двух или всех трех измерениях. Соответственно говорят о двумерных, одномерных и нульмерных объектах. Квантовое ограничение реализуется в тех случаях, когда характерная квантовая длина носителя заряда, определяемая длиной волны де Бройля, становится равной или меньшей, соответствующего физического размера объекта. p2 Энергия электрона может быть задана выражением: E . 2m Свободный электрон, согласно этой формуле, может иметь любую энергию. В кристаллическом твердом теле электрон движется, находясь под действием силового поля, обусловливаемого взаимодействующими между собой атомами. При этом его движение связано с волновым процессом, h характеризующимся длиной волны, называемой волной де Бройля: . p Для электрона в металлах длина волны де Бройля 1 нм, а в полупроводниках 100 нм. Если по одному из направлений движение электрона ограничено, например в тонкой фольге толщиной d , при этом d , то возникает так называемое размерное квантование энергии: энергия электрона может pn2 2 2n2 принимать только вполне определенные значения: En , 2m 2md2 n 1,2,3,... . Следовательно, разрешенные значения импульса (в кристалле он называется квазиимпульсом) электрона в этом направлении определяются n выражением: pn . d Для движения электронов в плоскости сохраняется та же зонная структура, как в массивном кристалле. Минимальная энергия электрона (при п = 1) не равна нулю в случае размерного квантования и увеличивается с 1 уменьшением размера структуры как 2 . Таким образом, ограничение d движения частицы в пространстве имеет следствием квантование ее энергии, причем в случае наноструктур имеет место сильная зависимость возникающих уровней энергии от размеров и формы элементов структуры. Отсюда и происходит название – размерное квантование. Отсюда вытекают большие возможности создания искусственных систем с таким характером совокупности уровней энергии (энергетического спектра) размерного квантования, который необходим для реализации 10 мая. 2006 г. 12 вполне определенных функций в устройствах наноэлектроники. Фактически элементарные наноструктуры, представляют собой «атомы» или «молекулы», созданные не природой, а человеком. Энергетический спектр всякой системы определяет ее отклик на внешнее электромагнитное возмущение. В частности, им определяются оптические спектры излучения и поглощения. В атомах и молекулах эти спектры состоят из резких линий, совокупность которых является своеобразной визитной карточкой данного атома или молекулы. В твердых телах оптические спектры обычно представляют систему относительно слабых по интенсивности и широких полос. В этом смысле наноструктуры являясь макроскопическими объектами (так, квантовая точка содержит около 105 – 107 атомов), уникальны, поскольку резкие линейчатые компоненты оптических спектров излучения и поглощения в них могут наблюдаться вплоть до комнатной температуры. Это обстоятельство позволило планировать исследования, направленные, в частности, на использование наноструктур в качестве элементов для осуществления лазерной генерации (реализованной в 1994 году). Последнее вело к решению таких проблем, как миниатюризация, интенсивность излучения, величина мощности накачки, возможность плавной перестройки частоты излучения. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР. В твердых телах между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона энергий. У одних полупроводников она может быть шире, а у других – более узкой. На рисунке приведена схема, иллюстрирующая случай, когда в контакт приведены два полупроводника с различными запрещенными зонами. Граница таких полупроводников называется гетероструктурой. Другими словами, гетероструктуры можно определить как неоднородные полупроводниковые структуры, изготовленные из двух или более различных материалов таким образом, что переходный слой, или граница раздела двух материалов играет важную роль в любом протекающем в приборе процессе. Можно даже сказать, что техническим устройством является сама граница раздела. Все материалы, из которых делаются гетероструктуры, относятся к центральной части Периодической системы элементов. В середине находится кремний – основа современной электроники. Под кремнием находится германий. Сплавы Ge Si разного состава играют все возрастающую роль в современной технологии гетероструктур. Кроме этого часто используется в технике соединение – арсенид галлия GaAs. 10 мая. 2006 г. 13 На рисунке E c и E B - границы зоны проводимости и валентной зоны, E3 - ширина запрещенной зоны. Для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике и имеющих энергию меньше E 2c (пунктирная линия на рисунке), граница будет играть роль потенциального барьера. Два гетероперехода ограничивают движение электрона с двух сторон и как бы образуют потенциальную яму. Практически это достигается путем помещения тонкого слоя полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии в одном направлении, в то время, как в двух других движениях электронов будет свободным. Поэтому можно считать, что электронный газ в квантовой яме становится двумерным. Таким же образом можно приготовить структуру, содержащую квантовый барьер, для чего следует поместить тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной. Одной из наиболее удачных пар для выращивания квантовых ям является полупроводник GaAs (арсенид галлия) и твердый раствор Al xGa1 x As (арсенид алюминия – галлия), в котором часть атомов галлия замещена атомами алюминия. Чтобы вырастить квантовую яму, необходимо во время роста менять химический состав атомов, летящих на растущий слой. Сначала нужно вырастить слой полупроводника с широкой запрещенной зоной, то есть Al xGa1 x As , затем слой узкозонного материала GaAs и, наконец, снова слой Al xGa1 x As , затем слой узкозонного материала GaAs и, наконец слой Al xGa1 x As . Энергетическая схема приготовленная таким образом квантовой ямы показана на рисунке. Глубина ее – порядка нескольких десятых долей электронвольта. В такой 10 мая. 2006 г. 14 яме разрешенными оказываются два уровня, а волновые функции на границе не обращаются в нуль. Поэтому, согласно законам квантовой механики, электрон может покинуть квантовую яму (благодаря туннельному эффекту), то есть оказаться в области, где его полная энергия меньше потенциальной (меньше глубины потенциальной ямы). Квантовые точки и нити можно сформировать на границе двух полупроводников, где находится двумерный электронный газ. С точки зрения физики речь идет о создании дополнительных барьеров, ограничивающих движение электронов в двух или трех направлениях. Квантовые нити формируются в нижней точке V -образной канавки, образованной на полупроводниковой подложке. Если в основание этой канавки осадить полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, то электроны этого полупроводника будут заперты в двух направлениях. Рисунок иллюстрирует один из способов формирования квантовых точек, создаваемых на границе раздела арсенида галлия и арсенида алюминия- галлия. В процессе роста в полупроводник AlGaAs, то есть в область с меньшей энергией. Практически все такие электроны сосредотачиваются у самой гетерограницы со стороны GaAs и образуют двумерный газ. Процесс формирования квантовых точек начинается с нанесения на поверхность AlGaAs ряда масок, каждая из которых имеет форму круга. После этого производится глубокое травление, при котором удаляется весь слой AlGaAs и частично слой GaAs (это видно на рисунке). В результате электроны оказываются запертыми в образовавшихся цилиндрах (на рисунке область, где находятся электроны, окрашена в более темный цвет). Диаметры цилиндров равны по порядку 500 нм, что соответствует плотности их расположения порядка 108 см-2. В квантовой точке движение ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка может состоять из тысяч и даже сотен тысяч реальных атомов (по сути это кластеры нанометровых размеров). Подобно индивидуальному атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если она содержит один такой электрон, то это как бы 10 мая. 2006 г. 15 искусственный атом водорода, два – атом гелия и т.д. Это, в частности, стало поводом для появления представлений об атомноподобных характеристиках обсуждаемых здесь квантовых объектов. Например, низшее по энергии состояние электрона в нанокристалле соответствует S -состоянию электрона в атоме, а следующее – р – состоянию. Заполнение состояний двумя или шестью электронами в квантовой точке наиболее выгодно по энергии, в атоме это соответствует полностью заполненным электронным оболочкам. Метод избирательного травления поверхности, в результате чего образуются квантовые точки – не единственный и не самый совершенный. К настоящему времени уже отработаны методики выращивания квантовых точек или ансамблей наноостровков (островков нанометровых размеров: 10 – 100 нм) с плотностью более 1010 – 1011 см-2. Наиболее успешно квантовые структуры используются для создания лазеров. Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. В частности, эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Действительно, меняя размеры квантовой ямы, можно изменять частоту излучения. Далее, подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную заселенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах достаточно экономны, дают больше света на единицу потребляемой энергии – до 60% электрической мощности преобразуют в свет. Практическая важность лазеров общеизвестна. Отсюда огромная потребность в них, и следовательно, стремление улучшать техникоэкономические показатели названных устройст. Проводимые последние примерно тридцать лет исследования квантовых эффектов в полупроводниковых структурах позволяют уже сейчас считать, что наноструктуры станут основными элементами больших интегральных схем, способных с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже в недалеком будущем наступит эра квантовой полупроводниковой электроники. Демокрит обратил внимание на то, что мир состоит из множества «кирпичиков» - химических элементов и их соединений, различающихся между собой особыми свойствами. Одни элементы (медь, железо, сера, углерод) известны с доисторических времен, у других рабочая биография только начинается… В 1985 году Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли совершенно неожиданно открыли принципиально новое углеродное соединение – ФУЛЛЕРЕН, уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. В 1996 году первооткрывателям фуллеренов присуждена Нобелевская премия. 10 мая. 2006 г. 16 Основой молекулы фуллерена является углерод – этот уникальнейший химический элемент, отличающийся способностью соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы самого различного свойства и строения. Углерод имеет два основных аллотропных состояния: графит и алмаз. С открытием фуллерена, можно сказать, углерод приобрел еще одно аллотропное состояние. Структура молекул графита, алмаза и фуллерена. ГРАФИТ ОБЛАДАЕТ слоистой структурой. Каждый его слой состоит из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом в правильные шестиугольники. Соседние слои удерживаются вместе слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами. Поэтому они легко скользят друг по другу. Примером этого может служить простой карандаш – когда вы проводите графитовым стержнем по бумаге, слои постепенно «отслаиваются» друг от друга, оставляя на ней след. АЛМАЗ имеет трехмерную ТЕТРАЭДРИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ. Каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии (154 нм) друг от друга. Каждый из них связан с другими прямой ковалентной связью и образует в кристалле, каких бы размеров он ни был, одну гигантскую макромолекулу. Благодаря высокой энергии ковалентных связей C C алмаз обладает высочайшей прочностью и используется не только как драгоценный камень, но и в качестве сырья для изготовления металлорежущего и шлифовального инструмента. ФУЛЛЕРЕНЫ получили свое название в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре. ФУЛЛЕРЕН имеет КАРКАСНУЮ структуру, очень напоминающую футбольный мяч, состоящий из «заплаток» пяти- и шестиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен C60 . В молекуле C60 , которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три – с пятиугольниками. (рис. 20. Рыбалкина) Структура молекулы фуллерена интересна тем, что внутри такого углеродного «мячика» образуется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ, что дает, например, возможность их безопасной транспортировки. По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены их молекулы, содержащие различное число атомов углерода – от 36 до 540. Эксперименты показали, что если внутрь фуллерена внедрить атом какого-нибудь вещества («интеркаляция» - «внедрение»), то это может 10 мая. 2006 г. 17 изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник. НАНОТРУБКА- это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Структуру нанотрубок упрощенно представляем так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр (реально трубки выращивают иначе). Заметим, что до экспериментального открытия нанотрубок, никто теоретически их не предсказывал. Эти нанотрубки в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса, в 50 – 100 раз прочнее стали, имеют в 6 раз меньшую плотность. МОДУЛЬ ЮНГА – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. Трубки прочные, гибкие, и напоминают по своему поведению жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не «рвутся», не «ломаются», а просто – напросто перестраиваются! Нанотрубки можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть в 10 раз сильнее биологических, на боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов. Из нанотрубок можно создать сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы, чтобы шить из них одежду для пожарных и космонавтов. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 тонн, что в несколько сотен миллиардов раз большее ее собственной массы. Нанотрубки бывают самой разной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. В зависимости от схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности) нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. 10 мая. 2006 г. 18 Из нанотрубок можно делать, например, уникальные провода для микроприборов. Уникальность их заключается в том, что ток протекает по ним практически без выделения тепла и достигает громадного значения – 109 А/м2. Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился. Разработано также несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Вскоре появятся эмиссионные мониторы с плоским экраном, работающим на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, другой конец начинает испускать электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона! Другой пример – использование нанотрубок в качестве иглы сканирующего микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место. На основе нанотрубок изготовлены новые элементы для компьютеров. Эти элементы обеспечивают уменьшение устройств по сравнению с кремниевыми на несколько порядков. Нанотрубкам отводится лидирующее положение среди перспективных претендентов в будущем на место кремния. В наноэлектронике нанотрубки применяются для создания полупроводниковых гетероструктур, то есть структур типа «металл/полупроводник» или стык двух разных полупроводников (нанотранзисторы). В этом случае для изготовления такой структуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем «сваривать» их друг с другом. Нужно лишь в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (а именно – заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником) просто надломив его посередине особым образом. Тогда одна часть нанотрубки будет обладать металлическими свойствами, а другая – свойствами полупроводников! Нанотрубки идеальный материал – для безопасного хранения газов во внутренних полостях. В первую очередь это относится к водороду, который давно стали бы использовать как топливо для автомобилей, если бы громоздкие, толстостенные, тяжелые и небезопасные баллоны для хранения водорода не лишали водород его главного преимущества – большого количества энергии, выделяемой на единицу массы (на 500 км пробега автомобиля требуется всего около 3 кг Н2). Возможно, скоро вместо традиционного бензина новые водородные «бензобаки» с нанотрубками будут заполнять водородным топливом стационарно под давлением, а извлекать – небольшим подогревом такого «водородобака», чтобы превзойти обычные газовые баллоны по плотности 10 мая. 2006 г. 19 запасенной энергии, нужны нанотрубки с полостями относительно большого диаметра – более 2 – 3 нм. Открытая Нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть как бы втягивает вещество в себя. Таким образом нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки и хранения химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно «запаяны», а углеродное кольцо слишком узко для того, чтобы большинство атомов «пролезло» через него. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораторяих, а операции «запаивания» и «распаивания» концов нанотрубок вполне под силу современной технологии. Уже создана нанотрубка с одним закрытым концом.
