Нанотехнологии в металлургии
жүктеу/скачать 0.95 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Теплопроводность
| 2е2
Это ведет к квантованию электропроводности и четко определенными шагам изменения сопротивления при изменении энергии Ферми или эффективной ширины проволоки. Таким образом, в то время как классическая электропроводность линейно зависит от ширины (G °о w), квантово-механическая электропроводность увеличивается дискретными шагами в 2е /И при достаточном увеличении w для того, чтобы еще одно квантово-поперечное состояние могло быть занятым и тем самым стать доступным для проводимости. Квантование имеет крайне большое значение для квантовых проволок с небольшими размерами поперечного сечения, а проявления зависят от того, каким образом электроны проводимости взаимодействуют с атомами материала. На практике полупроводниковые проволоки однозначно обнаруживают квантование электропроводности даже для достаточно больших размеров поперечного сечения (—100 нм), поскольку электронные состояния пространственно расширяются вследствие размерных ограничений. Как следствие, значения их длин волн Ферми Хр = hc/Ер велики, что означает, что соседние энергетические уровни находятся на небольшом расстоянии друг от друга, поскольку Ер обратно пропорционально Хр. Соответственно, энергетическое состояние электрона можно наблюдать только при криогенных температурах (в несколько кельвинов), при которых энергия теплового возбуждения ниже, чем зазоры между отдельными энергетическими уровнями. В металлах квантование, соответствующее наиболее низкому энергетическому состоянию, наблюдается только на примере атомных проволок. Так как длина волны такой проволоки крайне мала, ее энергетические состояния широко разнесены, что позволяет легко наблюдать квантование сопротивления даже при комнатной температуре. Состояние проводимости в строго ограниченных нульмерных структурах, таких как квантовые точки, очень чувствительно к наличию других носителей заряда и, следовательно, к зарядовому состоянию точки. Транспорт тока сквозь квантовые точки сопровождается проявлением поразительных эффектов вследствие волновой природы электрона и его конечного заряда. Если некоторая конкретная квантовая точка полностью отделена от окружающей ее среды, она ограничивает точно известное число электронов N. При слабой связи (точки со средой) отклонения вследствие туннелирования сквозь барьеры невелики, что обусловливает дискретные значения суммарной электростатической энергии квантовой точки. Эту энергию можно приближенно оценить по формуле N(N 1)е2/2С, где С — емкость квантовой точки. Таким образом, Ne2/C — это количество энергии, необходимое для того, чтобы увеличить число ограниченных электронов на один. Такая дополнительная энергия дискретно разделена на единицы величиной е2/С. Бхли эта энергия зарядки превышает тепловую энергию кдТ, где кв — постоянная Больцмана, Т — температура, электроны не могут туннелировать внутрь квантовой точки и наружу вследствие одних только тепловых возбуждений и транспорт тока может быть заблокирован. Данное явление называют кулоновской блокадой. Перенос элсктронов/электронный транспорт сквозь квантовую точку изучается через подсоединение квантовой точки к окружающим резервуарам электронов (рисунок 1.3). То обстоятельство, что заряд электронного острова, образованного электронами, ограниченными квантовой точкой, квантуется в единицах е, регулирует транспорт электронов сквозь квантовую точку в режиме кулоновской блокады. Обмен электронами между резервуарами и квантовой точкой происходит через туннелирование сквозь потенциальные барьеры, которые достаточно широки, чтобы обмен был преимущественно обусловлен резонансами, вызванными квантованием уровней энергии в квантовой точке. Кулоновская блокада приводит к процессам проводимости, включающим отдельные электроны; как следствие, лишь небольшое количество энергии грсбуется для работы переключателя, транзистора или элемента памяти, построенных на этом принципе. Схемы энергетических уровней на рисунке 1.3 показывают N электронов, заключенных в квантовой точке, за которыми следует разрыв величиной U + ДЕ, требуемый на добавление (N + 1)-го электрона. При напряжении V, соответствующем пику кулоновской блокады, энергия наиболее низкого пустого состояния может выравниваться с электрохимическим потенциалом в подводящих контактах, и отдельные электроны могут туннелировать внутрь точки и наружу (рисунок 1.3, а). При приложении затворного напряжения, значение которого лежит между пиками (рисунок 1.3, б), туннелирование подавляется. Однако если V увеличивается настолько, что электрохимический потенциал правого контакта опускается ниже энергии наиболее высокого заполненного состояния, электрон может туннелировать из точки наружу (рисунок 1.3, в). Дальнейшее увеличение V делает возможным туннелирование наружу дополнительных состояний (рисунок 1.3, г). Аналогичные процессы происходят при отрицательном напряжении смещения, соответствующем туннелированию сквозь незанятые состояния выше кулоновской блокады. a-при кулоновском пике, когда возможен линейный электронный транспорт (V — 0); б- между пикичи. когда линейный транспорт заблокирован; виг- при двух различных значениях приложенного напряжения (Ус и V Д, когда транспорт осуществляется через первое и второе занятые состояния (уровни), соответственно Рисунок 1.3 - Схематические диаграммы энергетических уровней в рамках модели кулоновской блокады Квантовые точки являются одними из наиболее многообещающих кандидатов для использования в твердотельных квантовых вычислениях, т. е. использования квантовых свойств для осуществления численных операций. Посредством приложения небольших напряжений можно контролировать ток электронов сквозь квантовую точку и тем самым осуществлять прецизионные измерения спина и других квантовых свойств. Теплопроводность Процесс теплопередачи на наномасштабе отличается от аналогичного процесса на макромасштабе по нескольким простым причинам. В объемных материалах процессы теплопередачи обусловливаются внутренним рассеянием. С уменьшением пространственных размеров увеличивается как частота столкновений между фононами и фаницами объекта, так и значение отношения поверхносги/интерфейса к объему. Рассеяние фононов на интерфейсе и связанное с ним сопротивление тепловой фаницы могут определять теплопроводность наноструктур. Размерные эффекты, впрочем, не офаничиваются тепловыми процессами внутри наноструктур. Вблизи малых объектов фононы становятся разреженными, если их средняя длина свободного пробега начинает превышать размер объекта, что эффективно повышает термическое сопротивление объекта к удалению тепловой энергии из своего объема. Понимание таких тепловых процессов важно не только для достоверного предсказания повышения температуры в микроэлектронном устройстве, но и для развития новых технологий, например создания малоразмерных термоэлектрических материалов. В зависимости от размера наноструктуры передача тепловой энергии может проявлять квантовые свойства. Вследствие конечных интервалов между колебательными частотами передача фононной энергии через неэлеюгропроводящую наночастицу (т. е. молекулу, цепочку атомов или отдельный атом), расположенную между двумя тепловыми резервуарами, проявляет характеристики, схожие с баллистическим транспортом электронов. Однако тепловая энергия может передаваться как фононами, так и электронами, подчиняющимися различной статистике. В диэлектрических проволоках тепловая энергия передается исключительно фононами, в то время как в металлических проволоках передача тепловой энергии через электроны преобладает над транспортом тепловой энергии через фононы. Когда размер наноструктуры становится сопоставимым со средней длиной свободного пробега фононов или менее, фононы начинают сталкиваться с границей объекта чаще, чем в объемных материалах. Увеличение частоты столкновений повышает устойчивость к передаче тепловой энергии и таким образом снижает эффективную теплопроводность тонких пленок и проволок. Аналогичные, но более сильно выраженные размерные эффекты наблюдаются внутри одномерных и нульмерных структур. На рисунке 1.4 приведены сравнительные оценки теплопроводности тонких пленок и проволок из кремния и некоторые экспериментальные данные, опубликованные в результате исследования теплопроводности в тонких пленках из монокристаллического кремния. Теплопроводность проволок быстрее падает с уменьшением их толщины вследствие увеличения рассеяния фононов в направлении, перпендикулярном оси проволоки. жүктеу/скачать 0.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|