Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов востью однородного твердого раствора относительно спинодального распада, т. к. свободная энергия твердого раствора с неоднородным составом меньше свободной энергии однородного твердого раствора. Конечным состоянием распадающего твердого раствора является одномерная слоистая структура концентрационных упругих доменов (рис. 2.4, а), для второй группы наноструктур (рис. 2.4, б) причиной спонтанного фасетирования плоской поверхности кристалла являет- ся ориентационная зависимость поверхностной свободной энергии. Плоская поверхность имеет тенденцию самопроизвольно трансфор- мироваться в систему впадин и гребней. Несмотря на увеличение пло- щади поверхности, при определенном значении периода D достигает- ся минимум поверхностной энергии. Периодически фасетированные поверхности позволяют получать упорядоченные массивы квантовых нитей. Третья группа наноструктур (рис. 2.4, в) возникает, когда на по- верхности могут сосуществовать различные фазы, островки одинако- вой высоты и т. д. В этом случае на границах доменов возникают силы, создающие поле упругих деформаций, и полная энергия плоских до- менов всегда имеет минимум при некотором периоде D. Такой способ синтеза также приводит к созданию квантовых нитей. Четвертую груп- пу спонтанно упорядоченных наноструктур (рис. 2.4, г) представляют массивы трехмерных когерентно напряженных островков. Равновес- ное состояние в системе островков достигается благодаря обмену ве- ществом между островками по поверхности. Анализ взаимодействия между островками показал, что если изменение поверхностной энер- гии при образовании одного острова отрицательно, то в системе отсут- ствует тенденция к коалесценции, и в этом случае возможно существо- вание равновесного массива островков с оптимальным периодом D, т. е. возникает композиция с квантовыми точками. Применение квантовых точек как активной среды в различных электронных приборах обеспечивает лучшие свойства по сравнению с аналогичными приборами на квантовых ямах. Кратко рассмотрим основные электронные приборы, работающие на квантово-механических принципах. При разработке подобных при- боров используются такие квантовые явления, как резонансное тун- нелирование, интерференция электронных волн, квантование про- водимости, спиновые явления и др. Одним из первых практических применений наноразмерных гетероструктур было создание лазерных 111 2.4. гетероструктуры устройств на квантовых ямах. Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществом по сравнению с обычными полупроводниковыми ла- зерами. Эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться минимального затухания волны в оптической линии связи. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. В результате стало возможным создание компактных полупроводниковых лазеров, работающих при комнатной темпера- туре и очень малых токах инжекции. Перспективными являются ла- зеры с использованием вместо квантовых ям квантовых точек, плот- ность состояний в которых существенно выше, чем в квантовых ямах. Квантово-размерные структуры были использованы для создания резонансного туннельного диода. В нем используется квантовое яв- ление — «туннельный эффект». Энергетическая схема прибора со- стоит из двух барьеров, разделенных областью с малой потенциаль- ной энергией. Область между барьерами — это потенциальная яма, в которой есть один или несколько энергетических уровней. Харак- терная ширина барьеров и расстояние между ними составляет не- сколько нанометров. «Туннельная прозрачность» барьеров имеет ярко выраженный резонансный характер. В том случае, когда энер- гия электронов, налетающих на барьеры, равна энергии дискретного уровня, туннельная прозрачность резко возрастает. Ток, протекаю- щий через двойной барьер, зависит от значений приложенного на- пряжения и достигает максимального значения при напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня. Резо- нансный диод может использоваться не только как выпрямитель, но и выполнять самые разнообразные функции. В частности, на его основе созданы основные элементы современной наноэлектрони- ки — сверхбыстродействующие биполярные транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров. Кроме вышеупомянутых (резонансные туннельные диоды, тран- зисторы, лазеры), квантовые полупроводниковые гетероструктуры нашли применение для создания светодиодов, фотоприемников, од- нофотонных приемников и генераторов, устройств сверхплотной за- писи информации, наномеханики и др. Диоды и транзисторы, строи- тельные блоки любой интегральной схемы являются основой создания нового поколения суперкомпьютеров. |