Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов точек состоит в том, что значение ширины их запрещенной энергети- ческой зоны может быть намного больше, чем значение в макроскопи- ческом материале того же химического состава, причем чем меньше квантовая точка, тем больше ширина запрещенной зоны (E). Напри- мер, для массивного арсенида галлия E = 1.52 эВ, для квантовой точ- ки из 933 молекул арсенида галлия E = 2.8 эВ, а у такой же квантовой точки, состоящей из 465 молекул, E = 3.2 эВ. Квантовые точки, получаемые методами молекулярно-лучевой эпитаксии и литографии, имеют размер от 20 нм; меньшие по разме- ру квантовые точки с размерами от 1 до 20 нм, поверхность которых защищена органическими молекулами, предотвращающими агрега- цию частиц, можно получить с помощью техники коллоидной химии. Имеется возможность выращивать гетероструктуры с очень рез- кими границами раздела, расположенными настолько близко друг к другу, что в промежутке между ними определяющую роль играют размерные квантовые эффекты. Области подобного типа называют квантовыми ямами, реже — квантовыми стенками. В квантовых ямах средний узкозонный слой имеет толщину несколько десятков нано- метров, что приводит к расщеплению электронных уровней вслед- ствие эффекта размерного квантования. Гетероструктуры, в особен- ности двойные, позволяют управлять такими фундаментальными параметрами полупроводников, как ширина запрещенной зоны, эффективная масса и подвижность носителей заряда, электронный энергетический спектр. Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в гетерострук- турах. Например, лазер на двойной гетероструктуре делают на ос- нове GaAs. В тонкий слой GaAs, который имеет более узкую запре- щенную зону по сравнению с расположенными по его краям слоями AlGaAs, инжектируются электроны и дырки, которые рекомбиниру- ют с испусканием фотонов. Модулированно-легированные гетероструктуры используют для получения двумерного электронного газа с высокой подвижностью, который необходим для исследований дробного квантового эффекта Холла, а также для создания полевых и биполярных транзисторов для сверхбыстрой электроники. Комбинируя различные полупроводники, можно создать и другие интересные структуры: сверхрешетки, струк- туры с множественными квантовыми ямами. Если полупроводники 107 2.4. гетероструктуры обладают различными постоянными решетки, то возможно создание структур с самоформирующимися квантовыми точками. Уменьшение размеров элементов электроники до нескольких на- нометров с использованием квантовых точек может быть достигну- то только при использовании нанотехнологии. Практическая труд- ность, которую предстоит преодолеть при создании квантовых точек, заключается во временнóй нестабильности наноструктур при высо- ких температурах. Стабильность квантовых точек определяется пере- скоком или диффузией малого количества атомов. Поскольку диффу- зионные процессы на поверхности и границе квантово-электронных элементов происходят очень быстро, постольку уже при комнатной температуре наблюдаются процессы разрушения элементов или даже их передвижение по подложке как единого целого. Решить проблему стабильности наноэлектронных схем будет возможно при использо- вании многокомпонентных материалов, включающих оксиды, кар- биды и нитриды металлов. Эти соединения обладают высокой тем- пературой плавления и низкой диффузионной подвижностью атомов и потому имеют высокую термическую и временнýю стабильность. В рентгеновской и ультрафиолетовой оптике применяются спе- циальные линзы и зеркала с многослойными покрытиями из чере- дующихся тонких слоев элементов с большой и малой плотностью, например, вольфрама и углерода, молибдена и углерода или никеля и углерода. Два слоя имеют толщину около 1 нм, причем слои долж- ны быть гладкими на атомарном уровне. Возможность изготовления многослойных рентгеновских линз и зеркал является одним из фак- торов, определяющих их применение в такой области нанотехноло- гии, как рентгеновская литография, с одной стороны, и в астрофи- зических исследованиях, с другой стороны. Достаточно подробно формирование рентгеновских зеркал описано в исследованиях, в ко- торых рассмотрены многослойные наноструктуры никель-углерод Ni/C с периодом около 4 нм. Другими оптическими устройствами с на- норазмерными элементами, предназначенными для использования в рентгеновской микроскопии, являются зонные пластинки Френеля с наименьшей шириной зоны около 100 нм и дифракционные решет- ки с периодом менее 100 нм. Гетероструктуры F/S образованы чередованием нанослоев фер- ромагнетика и сверхпроводника. Для создания ферромагнитных |