Слайд 1 - Институт общей физики им. А.М. Прохорова

Фундаментальные основы
физики наноструктур
Ю.В. Копаев
Физический институт им. П. Н. Лебедева
Российской Академии Наук
1
Содержание
Почему нанометр и обратная задача квантовой механики.
Электрон: дуализм волна – частица; спин.
Атомы, кластеры (сверхатомы), кристаллы.
Гетероструктуры: а) квазиэлектрическое поле,
б) модулированное легирование, в) электронное и
оптическое ограничение – гетеролазеры.
5. Уменьшение размеров и размерности.
6. Квазидвумерные системы.
7. Сверхрешетки, блоховские осцилляции.
8. Резонансное туннелирование; квантово-классические
интегральные схемы.
9. Инженерия электронных состояний и бездиссипативное
переключение.
10. Квантовые проволоки и точки (кластеры).
Одноэлектроника.
11. Спинтроника.
1.
2.
3.
4.
2
Почему нанометр ?
1 нм = 10-9 м (нанос - карлик)
1. l - длина сбоя фазы,  - время сбоя
l  v  , v мет  v F  vп / п  T ,
lп / п  lмет
При L < l - мезоскопика (металлы) – когерентность
электронных состояний
h
п/п
мет


,



B
B
B
2.
mv
Вторичное квантование в полупроводниках при L ~ пB/ п
3. Кластеры (сверхатомы) – переход от атомных
свойств к кристаллическим
4.  - корреляционная длина упорядоченных состояний
и размеры d доменов L ~ , d.
3
Обратная задача квантовой механики
Традиционная физика: по экспериментально
определенному потенциалу U(r,t) исследуемого
объекта определить свойства объекта, найдя (r,t),
n , En из уравнений Шредингера:
i
 ˆ
 H , Hˆ n  E n n
t
Физика (химия, биология) наносистем – инженерия
электронного спектра и электронных состояний –
обратная задача квантовой механики:
сконструировать объект (найти U(r,t)) под
необходимые (r,t), n, En
4
Джозеф Джон Томсон (J.J. Thomson)
(18 декабря 1856 — 30 августа 1940)
английский физик, открывший электрон в 1897 г.,
лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года.
e/m (корпускулы)  2000(e/M)
(водорода)
Понятие электрон (янтарь)
ввел G. Johnstone в 1891 г.
как единица измерения –
количество электричества,
необходимого для
выделения одного атома
водорода при электролизе.
5
МИЛЛИКЕН Роберт Эндрус (R. Millikan)
(1868 — 1953)
американский физик-экспериментатор.
лауреат Нобелевской премии по физике 1923 года.
Разработал метод капель, который дал возможность
измерять заряд отдельных электронов (1913 г).
e = 4,8 10-10 CGSE = 1,6 10-19 Кл
m = 0,9 10-27 г
6
Корпускулярно-волновой дуализм
h

mv
- длина волны де Бройля (1924 год), h
– 1.05 10-27 Эрг с – постоянная Планка
(1900 г) – квант действия
Дифракция электронов на кристалле
К. Девиссон, Л. Джермер (1927 г.)
К. Девиссон и Дж.П. Томсон – Нобелевсая премия
(1937г.)
Интерференция электронов на двух щелях
Г. Биберман, Н. Сушкин, В. Фабрикант (1949 г.)
Спин электрона
Дж. Уленбек, С. Гаудсмит (1925 г.)
Механический момент электрона  2
Принцип Паули, бозоны, фермионы
7
Атом
Модель Дж. Дж. Томсона
+
e
Опыт Резерфорда по рассеянию  - частиц
Планетарная модель Н. Бора (1913 г.)
e
+
2
aB 
 0,05нм
2
me
Уравнение Шредингера для U = -Ze2/r:
Z 2e 4 m
En 
2 2 n 2
Двухатомная молекула – аналог планетарной модели
двойной звезды
8
Зонная теория Блоха (1928 г.) электронов в
кристалле
E(p)
E ( p)  E ( p 
dE
v гр 
,
dp
v(p)
a
n),
1
d 2E

,
*
2
m
dp
p
p
m*(p)

d 2E
h 2
dp
B 
dE
dp
m *  0, m *  0; m *  (10 3  10 3 )m0 ;
e  0  электрон , e  0  дырка ,
 B ( E max )   B ( E min )  ,
пB/ п  1
,  Bмет  a
T
p Блоховские осцилляции (Ф.Блох 1929 г.)
dp
2
 eε, p  p0  eεt , eεTB 
,  B  eεa
dt
a
9
Гетероструктуры
Модулированное
легирование
ED
+
EF
En
GaAs/AlxGa1-xAs
HEMT
 = 107cм2/В с
10
ФТИ
им. А.Ф.Иоффе
Российской Академии Наук
Лаборатория Полупроводниковой Люминесценции и Инжекционных Излучателей
80
18
70
16
60
14
мкм
12
50
10
40
8
=1.06 мкм
30
20
6
непрерывный режим
генерации
10
0
=100
Оптическая мощность, Вт
К П Д, %
Мощные полупроводниковые лазеры на основе
асимметричной гетероструктуры со сверхшироким
волноводом (=0.8-1.8 мкм)
0
5
10
15
Ток накачки, A
20
КПД = 74 %
4
2
0
Р=16 Вт
11
Уменьшение размеров и размерности
12
Сравнение спектров фотолюминесценции массивов
InAs точек со спектром созданного наносветодиода
Спектр макроФЛ структуры, диаметр
лазерного пятна ~100мкм
Области
применения:
Квантовая
криптография
Прецизионная
спектроскопия
Эталон оптической
мощности
Спектр микроФЛ структуры,
диаметр лазерного пятна ~2мкм
Спектр электролюминесценции
при токовом возбуждении
через субмикронную оксидную
апертуру.
Уверенная адресация
к одиночной квантовой точке.
Инжекционная эффективность
1 фотон на 5 электронов
(на 2 порядка выше, чем у
других авторов)
13
Эволюция спектров люминесценции в условиях БЭК отражает
макроскопическое заполнение экситонами состояний вблизи
нулевых импульсов
Двойные квантовые ямы
-2x104cm-1
F=0
0
2x104cm-1
1
2
|1   | 2 
2
|1   | 2 
2
(a)
(b)
F 0
8 Wt
D
I
12 Wt
40 Wt
40 Wt
80 Wt
14
Квазидвумерные системы
E2
Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис. ФТП, 5(4),
797 (1971).
E1 E2
E
E3

E1
E2

E3
E1
p
J. Faist, F. Capasso, D.L. Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson,
S.N.G. Chu, A.Y. Cho. Science, 264(5158), 553 (1994).
Елесин В.Ф., Копаев Ю.В. ЖЭТФ, 108(6),2186 (1995)
15
Униполярный квантовый каскадный лазер
Конструкция F. Capasso насчитывает до 100 периодов
активного элемента ( = 4 -70 мкм)
16
Униполярный лазер с переменной
размерностью электронных состояний

U1
m1
3
ci
3D
2
1
h1
3
L
b1
LO
U2
m2
2D
h2 b 2 h3
Ю.А. Алещенко, А.Е. Жуков, В.В. Капаев, Ю.В.
Копаев, П.С. Копьев, В.М. Устинов. ЖЭТФ,
125(4), 879 (2004).
2
LO
1
k
•Конструкция основана на подавлении межподзонной
безызлучательной релаксации из-за зависимости волновой
функции в КЯ с асимметричными барьерами от квазиимпульса
•Нижняя лазерная подзона 2 существует только в ограниченной
области волновых векторов k вдоль слоев структуры (В.В.
Капаев, Ю.В. Копаев. Письма в ЖЭТФ, 65(2), 188 (1997). )
17
Квантовый целочисленный и дробный эффекты
Холла
RH 
h
e 2
 = 1, 2, 3 …. целочисленный
 = 1/3, 2/3, 4/3, 1/5, 4/5, 1/7 ….
дробный
n

hc

, 0 
B 0
e
Композитный фермион
18
Графен – первый
двумерный кристалл
С. Морозов, К. Новоселов,
С. Дубонос, А. Гейм
ИПТМ РАН
Черноголовка
Au контакты
SiO2
графен
Si (затвор)
Впервые реализован
полуметаллический
полевой транзистор,
на основе пленок графена
- GraFET.
Сопротивление, кОм
Создан новый класс материалов
– двумерные кристаллы.
Графен – монослойный лист
графита.
T=4K
T=20K
T=80K
T=140K
T=200K
T=260K
6
4
2
0
-80
-40
0
40
80
Затворное напряжение, 19
В
Графен: новый тип
квантового эффекта Холла
С. Морозов, К. Новоселов,
С. Дубонос, А. Гейм
ИПТМ РАН
Черноголовка
Один монослой графита (графен):
Два монослоя графита:
- Безмассовые дираковские фермионы
(линейный закон дисперсии)
- “полуцелый” целочисленный
квантовый эффект Холла ( ~ N  1 )
- Массивные хиральные фермионы
(параболический закон дисперсии)
- целочисленный квантовый эффект
Холла, но без нулевого плато ( XY ~ N )
XY
2
20
Сверхрешетки
Минизоны
E2
E1
 B  eεD
D
Лестница Ванье-Штарка (G.H. Wannier Rev.Mod. Phys, 34, 645 (1962))
Лазер на «штарковской лестнице» с когерентной электронной
подсистемой
Двойной резонанс:
1. Временной, определяемый
межподзонным переходом с
излучением фотона
2. Пространственный,
определяемый межподзонным
туннелированием на фоне
внутриподзонного
В.Ф.Елесин, Ю.В. Копаев, ЖЭТФ, 123,
21
1308, (2003)
Скрытая пара дефектов
Темная материя
t
r
В настоящее время признано,
что, по разным оценкам, от
88% до 99% вещества во
Вселенной имеет неизвестное
происхождение
r=0
22
Резонансное туннелирование
Резонансно-туннельная гетероструктура
Барьер
1
1
T << 1
E = E0, T = 1
E0
R=1- T
Вольт-амперная характеристика
T
I
E0
E
V
23
Квантовый режим генерации резонанснотуннельного диода
(В.Ф. Елесин, ЖЭТФ, 116 (2), 704, (1999)
Предсказан новый режим генерации
(«квантовый режим») резонанснотуннельного диода, при котором
напряжение смещения находится вне
области
максимальной
отрицательной дифференциальной
проводимости (внутри области –
«классический
режим»).
В
«классическом» режиме мощность
уменьшается
с
частотой.
В
«квантовом»
режиме
возможна
генерация электромагнитного поля в
терагерцовом диапазоне, причем
мощность
генерации
может
достигать 105 Вт/см2 и растет с
частотой. Такая ситуация возможна
при
выполнении
двойного
резонанса:
пространственного
  eU   R
(целое число полуволн в квантовой
J
Вольт-амперная характеристика
резонансно-туннельного диода
U
Uêëàññ.
Uêâàí ò.
|Jc|
классический квантовый
режим
режим
 >> Г
ž  = eUêâàí ò.- R
ž
Зависимость модуля активного тока Jc
от частоты электромагнитного поля 
R - энергия резонансного уровня, Г - ширина)
24
Квантово-классические интегральные схемы
V dd
Время переключения
 = СнU(I)/ I.
В момент переключения Сн
уменьшается из-за
отрицательной емкости РТД.
IA
IT
IН
ТРД
U out
U in
IТ
TА

Uout
CН
0.5V
Переходные характеристики
инверторов
с резистором,
транзистором и РТД
Число элементов, необходимых для
выполнения логических функций для разных
типов элементной базы
КМОП
РТД/
ПТШ
Двухуровневая
логика XOR
16
4
Двухуровневая
мажоритарная
логика
18
5
Элемент памяти
(9 состояний)
24
5
Схемы NO-OR и NO
– AND с триггером
12
4
Тип схемы
Uout
Транзистор
ÐÒÄ
Резистивная
нагрузка
Uin
25
Квантовые логические вентили
A
B Âõîä
1,2
1
2
3
4
3
4
E
Âûõîä
E
A+B
ИЛИ-НЕ
A
B Âõîä
1
1
2
3
4
2
3, 4
E
Âûõîä
E
AxB
И-НЕ
26
Управляемая бездиссипативная
эволюция электронных состояний в
наноструктурах
L
U
R
W
t
t
Бездиссипативная передислокация
- Временной аналог
безотражательного потенциала
W
R
L
U0
1  th( t /  )
U (t ) 
2
А.А. Горбацевич, В.В. Капаев,
Ю.В. Копаев, ЖЭТФ, 107, 1320, 1995
t
27
Асимметричные квантово-размерные структуры физические эффекты, обусловленные
существованием тороидного состояния
орбитальных токов.
Для образования тороидного
состояния необходимы два условия:
(1) Отсутствие центра инверсии, которого
очевидным образом лишены асимметричные
наноструктуры.
(2) Нарушение t-инвариантности, что
обеспечивает внешнее магнитное
поле Н.
Геометрический образ
В этих условиях спектр носителей заряда в
тороидного дипольного момента
магнитном поле становится асимметричен по
квазиимпульсу
Из нетривиальной симметрии следуют необычные
макроскопические эффекты
- аномально большой фотогальванический эффект
- аномально большой магнитоэлектрический эффект
28
Аномальный
фотогальванический эффект в
магнитном поле UФГЭ ~ Т
Аномальный
магнитоэлектрический эффект
в магнитном поле P ~ [ T × H ]
3
W = W max ~ 5 mW
W = 0.18 W m ax
2
4 ,0
W = W m a x~ 5 m W
W = 0.18 W m a x
3 ,5
3 ,0
0
2 ,5
P tr, V /cm
U PGE, V/cm
1
-1
T = 284 K
2 ,0
1 ,5
-2
T = 284 K
1 ,0
-3
-80
-60
-40
-20
0
H , kO e
20
40
60
80
0 ,5
0 ,0
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
H, kOe
Перераспределение орбитальных
токов в скрещенных магнитных
полях, объясняющее
магнитоэлектрический эффект
29
Квантовые проволоки и волноводная
электроника
Разделение заряда и спина в 1D системе
30
Квантовые точечные контакты
31
Волноводная наноэлектроника
y
U, Ec
x
i
En
i =1
2
3
4
5
z
n=2
Гетероструктурный потенциал
n=1
x
Электронный волновод
переменного сечения
32
Типы резонансов в электронных
волноводах
T
T
1
1
E
0
E
0
Надбарьерные резонансы
(Рамзауэра-Таундсенда)
Резонансное туннелирование
T
T
1
1
`
E
0
Резонансы Фано
0

Интерференция Ааронова-Бома
33
Энергонасыщенное нановещество
на основе ансамблей метастабильных кластеров азота
4 молекулы N2
Основная идея
кластер («лодка») N8
Создание кластера
Давление, энергия
Запасается 15 эВ на
кластер или
1.88 эВ/атом
Выделение энергии при распаде
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
В.Ф. Елесин, Н.Н. Дегтяренко, Л.А. Опенов и др.,
Инженерная физика №3 (2002), Стр. 2 -30, обзор работы за 5 лет.
34
Энергонасыщенное нановещество
на основе кластеров азота (лодка) N8
Запасается 2 эВ/атом
Изоповерхность
электронной плотности
35
Метастабильные нанокластеры
а – Начальная конфигурация.
Процесс полного выделения энергии при
распаде ансамбля (N8)4 на 16 молекул N2
1 10
4
Т
е
м
п
е
__ 1.00
р
а
т
у
р
время __ 0.50 а
9000
8000
7000
6000
T, K
б - Конфигурация системы
через 0.2 пс.
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
0.5
1
t, ps
1.5
2
в - Конфигурация системы
через 1.0 пс.
36
Энергонасыщенный
спинполяризованный
метастабильный кластер гелия He4*
1
R13  3.190 Å
3
R12 1.040 Å
2
4
Запасается 12 эВ на
кластер или 8.5
эВ/атом
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
В.Ф. Елесин, Н.Н. Дегтяренко, Л.А. Опенов и др .
ЖЭТФ, 2005, т.128, вып.1(7), стр. 54-66
37
Полная запасенная энергия Eacc  100 эВ.
Метастабильная конфигурация кластера He16* с полным спином
S=8, состоящего из восьми молекул (квазиатомов) He2*. Расстояние
между атомами гелия в каждом квазиатоме равно R0  2 aB.
Расстояние между квазиатомами R  (7.2  7.3) aB. Запасаемая
энергия Eacc  8.5 эВ/атом.
38
Что это может дать?!
В случае успешной реализации работ в этом направлении, открывается
возможность создания принципиально новых веществ, энергоемкость
которых значительно
(3-50 раз) превышает параметры обычных топлив и не требует наличия
окислителя.
Предполагаемые энергетические параметры HEDM на основе азота и гелия.
Вид
РВ
HEDM
Вещество
топлива
+ Окислитель
Водород
+
Кислород
Гидразин
+
Тетраоксид
диазота
Теплотворная
способность
на 1 грамм на 1 см 3
продуктов топлива
[кДж/г]
[кДж/см 3]
Максимальная Удельный
импульс
температура
[c]
[K ]
КПД
мax 2500 Ko
391
20%
230
?
15.9
10.3
1.4
5.4
Азот
7 17
20 52
>10.000 Ко
200 
500
~100%
Гелий
(спин-поляризованный)
236
70
>100.000 Ко
1500 
1890
~100%
39
Одноэлектроника
J
Кластер Au55
(диаметр 2,8 нм)
e2
E 
E  kT
2C
 e2 
 RT C   h,
Et  
 2C 
h
RT  2  25,813 КОм
e
Лигант-оболочка
(толщина 0,7 нм)
Сопротивление RT =100 Мом,
Емкость C = 10-18 Ф
I
U
e/C = 0.109/r В
Кулоновская блокада
40
Спинтроника наноструктур
Fe
Cr
Fe
GMR – гигантское магнетосопротивление
Спиновый клапан - система из двух ферромагнитных металлических
слоев, электросопротивление которой может принимать два
значения в зависимости от того, как направлены друг относительно
друга намагниченности слоев: параллельно или антипараллельно.
Может служить датчиком, ячейкой памяти
41
Схема считывающей магнитной головки
на основе спинового клапана
с гигантским магнетосопротивлением
42
Влияние наноструктурирования на
магнитные свойства
Ms
M
M
Ms
Hc
H
H
Ms
Объемный материал
Кластер Fe69Ni9CO2
Размер 10 – 15 нм порядка размера
домена.
5Fe2O3 9H2O в биологической молекуле ферритина (полая сфера).
Внутренний диаметр 7,5 нм, внешний 12,5 нм. В зависимости от
концентрации железа может быть как в ферро-, так и в
антиферромагнитном состоянии.
43
Структурированные наномагниты
Конфигурации структурированных наномагнитов
44
Динамика магнитных наноколец
45
Квантовый дробовой шум
Флуктуации в токе могут указывать на переход от частицеподобного к
волнеподобному поведению электронов и характеризовать природу
зарядового транспорта в мезоскопических системах
E
2
 E

 E
 волна
 частица
А. Эйнштейн (1909 г.)
46
Поляризация спинов в немагнитном
материале
Ферромагнетизм полупроводников A3B5 c Mn
(GaMnAs, GaMnAs )
Спиновая инжекция в гетероструктуре
GaMnAs/GaAs
Поляризация спинов поляризованным светом
при межзонных переходах
Спиновый эффект Холла
47