авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Джаманбалйн

Садыргали Корыспаещгч *

», -т

"•Щ-Ь

А

УДК 621 31

ББК 31.15

Монография

одобрена и рекомендована к публикации Ученым

Советом Костанайского социально-технического университета

имени Академика Зулкарнай Алдамжар.

Рецензент: Доктор технических наук, профессор Баймухамедов

М.Ф.

Джаманбалин К.К.

Нанотехнологии: состояние, направления и тенденции развития:

монография./ Костанай, Костанайский печатный двор, 2010. - 132 стр.

ISBN 978-601-227-098-3 Книга посвящена активно развивающейся в настоящее время проблеме получения наносистем и созданию материалов на их основе. В ней даются основные понятия о нанотехнологии, физиче ские основы наноэлектроники. В книге рассмотрены фундаменталь ные физические явления, такие как квантово-размерные эффекты имеющие место в полупроводниковых наноструктурах, самоор ганизованные квантовые точки в полупроводиковых структу рах. Особое внимание уделено физическим аспектам углеродных нанотрубок. Описаны свойства углеродных нанотрубок и рассмо трены основные методы исследования поверхности наноструктур.

Возможности применения наноматериалов проллюстрированы на примере хризотил-асбеста, добываемого в Казахстане. Описаны основные технологичесие принципы наноэлектроники, в частности:

методы формирования наноэлектронных структур, нанолитография, технология производства наноэлектронных систем.

УДК 621 ББК 31. !SBN 978-601-227-098- Содержание Введение Глава I Основные понятия нанотехнологии 1.1 История развития нанотехнологии.... 1.2. Современное представление о нанотехнологии 1.3.Нанотехнологни в будущем 1.4. Квантовая нанотехнология I 1.4.1 Физические основы наноэлектроники 1.4.2 Квантовые пленки, квантовые шнуры, квантовые точки- виды низкоразмерных объектов.... 1.5 Туннелирование носителей заряда Глава II Наноматериалы 2.1 Фуллерены и углеродные нанотрубки 2.2 Атомарная структура поверхности углеродных нанотрубок 2.3 Практическое применение углеродных нанотрубок 2.4 Хризотил - асбест Казахстана (АО «Костанайские минералы») Глава III Формирование квантово-размерных структур. 3.1 Методы анализа структуры, состава структур и анализ проявления ими квантово-размерных свойств.. 3.2 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) 3.3 Атомно-силовая микроскопия (АСМ).

3.4 Электросиловая микроскопия (ЭСМ) 3.5 Зонная структура в кристаллах с квантовыми точками и квантовыми ямами 3.6 Физические основы формирования наноструктур.... 3.7 Лазеры на двойных ге героструктурах (ДГС-лазеры) Глава IV Методы формирования наноэлектронных структур. 4.1 Эпитаксия 4.2 Химическое осаждение из газовой фазы 4.3 Молекулярно-лучевая эпитаксия t Глава V Нанолитография 5.1 Оптическая литография 5.2 Электронно-лучевая литография 5.3 Рентгеновская литография 5.4 Ионно-лучевая литография 5.5 Атомная нанолитография 5.6 Диоды на основе углеродных нанотрубок 5.7 Полевой транзистор на основе углеродных нанотрубок Глава VI Технология производства наносистем 6.1 Планерная технология — 6.2 Основные технологические операции пленарной технологии 6.3 Самоорганизация кваитово-размерных структур.... 6.4 Самоорганизованные квантовые точки в системе кремний-германий полученные методом ионного синтеза Глава VII Зондовые нанотехнологии 7.1 Основные методы создания наноструктур 7.2 Зондовые методы исследования поверхности полупроводников 7.3 Применение АСМ для диагностики полупроводниковых структур Глава VIII Методы исследования углеродных нанотрубок....... 8.1 Электронная микроскопия 8.2 Сканирующая зондовая микроскопия 8.3 Рентгеноструктурный анализ 8.4 Спектроскопия комбинационного рассеяния 8.5 Электронная спектроскопия Заключение Литература «Никакое человеческое исследование не может почитаться истинной наукой, it если оно не изложено математическими способами выражения».

ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ (1452-1519) итальянский художник.

ПРЕДИСЛОВИЕ В начале XXI, а именно 8 декабря 2000 года в Стокгольме академик Ж.И.Алферов прочитал свою нобелевскую лекцию по физике: «Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии». Это явилось прочным фундаментом современных информационных технологий. Заканчивая свою нобелевскую лекцию Ж.И.Алферов сказал: «... Я счастлив, что имел возможность работать в этой области с самого начала. Я счастлив, что могу продолжать эту работу сейчас».

«Труд - это потребность таланта, Моцарт поэтому и стал Моцартом, что работал гораздо больше, чем Сальери. Эта работа доставляла Моцарту удовольствие». Эти строки написал писатель XX века Варлам Шаламов (1907-1982), и они поистине относятся и к академику Ж.И.Алферову.

Именно в начале XXI века меня судьба свела с профессором Н.Н.Герасименко - заведующим лабораторией радиационной физики Московского института электронной техники. Написание данной книги, во многом, было стимулировано рядом публикаций в соавторстве с Н.Н.Герасименко, а также книгами, которые опубликованы им, где нашли отражения и наши с ним совместные работы. Это, частности: Герасименко Н., Пархоменко Ю. «Кремний материал наноэлектроники», М., Техносфера, 2007;

«Нанотехнологии в электронике». Под ред. Чаплыгина Ю.А. Москва, ЗАО РИЦ «Техносфера», 2005.

Введение Окружающий нас мир вещей и механизмов в своем преобладающем большинстве является продуктом метровой технологии.

Переход к широкомасштабной миллиметровой технологии состоялся в середине XX в. и был обусловлен возникновением промышленной электроники. Примером настоящего чуда миллиметровой технологии явилась вакуумная лампа. Последующее сокращение размеров оперируемого пространства в 1000 раз привело нас в мир твердотельной микротехнологии.

Несмотря на столь разительный успех микротехнологии, несмотря на практически полное отличие как микропродуктов, так и способов их изготовления от изделий метровой технологии, обе промышленные схемы объединяет общность классических законов, определяющих их работу, таких, например, как закон Ома, который одинаково справедлив и для бытового электронагревателя, и для интегральной микросхемы. Таким образом, все технологии - от метровой до микрометровой - могут быть объединены одним словом классические.

Это «золотое правило» начинает нарушаться при размерах, составляющих десятые доли микрометра. За этой гранью начинается территория, подвластная квантовым законам, в которых проявляет себя волновая природа электрона. И это именно та территория, на которой предстоит осуществляться нанотехнологии. Что же нас ожидает: когда микронный размер будет уменьшен в 1000 раз?

Первый ответ можно дать сразу: в этой области не работают законы классических технологий, обсужденные выше. И с этой точки зрения нанотехнология является квантовой. Второй ответ тоже очевиден: мы переходим от сплошных веществ классических технологий к атомно структурным веществам квантовой нанотехнологии. Третий ответ:

человечество вступает в «производственную» область, в которой исчезает грань между живой и неживой природой.

Задача уменьшения линейных размеров используемых элементов микросхем - одна из основных в микроэлектронике.

Создание элементов схем с характерными размерами порядка единиц и десятков нанометров качественно меняет электронику и переводит ее в новую область - наноэлектронику.

Глава I Основные понятия нанотехнологии Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых реализуется в нанометровом масштабе, т.е. в диапазоне размеров атомов и молекул. Нанотехнологию можно также определить как набор технологий или методик,, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами в масштабах (1-100) нм.

Наноэлектроника - это область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов. В основе функционирования таких приборов лежат квантовые эффекты.

1.1 История развития нанотехнологии История развития направления нанотехнологии начинается с начала 20 века. 1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр (рисунок 1.1). 193 Г год.

Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты[1].

1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась «Полно игрушек на полу комнаты». Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам[2].

1С М 10 им Бп яо ня і мк у в ч а оч і»

иж Мв 0* • л ют д 1 йи О 0,1 ми 14» 0.01 мм 10 им I 1 иД ДА t d ОМОф i ЯШатпр* O 10* ч 0.1 I M ' 100 «и с4« | 1«':

нанометр-ЭТО магическая точка на шкапе размеров ОДИН Рисунок 1. 1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.)[3].

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира.

Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэпли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр[4].

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике.

Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу «Двигатели созидания», в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить.

В 1986 году Бинниг и Рорер получили нобелевскую премию за разработку «сканирующего туннельного микроскопа» (СТМ).

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона[5].

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1.2 Современное представление о нанотехнологии Эдуард Теллер сказал: «Тот, кто раньше овладеет ішночехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто-, с тщательным:

контролем, исключающим создание оружия.

Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».

Нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения.

В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно. Остается опасность непредсказуемого поведения наносистем, их выхода из-под контроля человека. Сколько статей и рассказов было написано, где компьютер взбунтовался против человека. Но практика развития компьютерных систем показывает, что ничего подобного не происходит и не собирается происходить. Опасность такого рода возникает только тогда, когда система осознает саму себя и у нее появятся собственные цели.

Сейчас видим наступление нанореволюции: это компьютерные чипы по 65-нм техпроцессу, и ткань, на которой не остается пятен, и наночастицы в медицинской диагностике.

На современном этапе развития поведение компьютерных систем слишком жестко ограничивается алгоритмическими программами. Кроме того, эти алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеров только сейчас появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, а органов воздействия на окружающие предметы практически нет.

Развитие нанотехнологии даст возможнрсть тщательно изучить процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативные изменения, происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки.

Сегодня многие государства, частные организации и отдельные люди вкладывают миллиарды долларов в эту быстро развивающуюся отрасль технологий. Нанотехнологии перестроят все материалы заново. Все материалы, полученные с помощью молекулярного производства, будут новыми, так как до сих пор у человечества не было возможности разрабатывать и производить наноструктуры.

Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Из деревьев мы делаем стволы;

из проводящего металла проволоку. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически все природные ресурсы в так называемые "строительные блоки", которые составят основу будущей промышленности.

Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много нестандартных направлений, которых не было раньше.

1.3 Нанотехнологии в будущем Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека.

Нанотехнологии имеют блестящее военное будущее. Военные исследования в мире ведутся в шести сферах, технологии создания и противодействия "невидимости" (самолеты - невидимки), энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

Нанотехнологии пророчат будущее во всех областях науки:

электронике, биологии, химии, сельском хозяйстве и т. д. Мечта человечества о жизни, где все за него делают роботы, осталась - с трансформацией последних в нанороботов. Эдаких трудолюбивых карликов в стране великанов. Эти техногномы будут очищать организм человека, лечить, снабжать пищей, водой, синтезировать необходимые материалы. К чему, например, огромный завод по переработке целлюлозы? К чему огромные молочные фермы? Ведь все умещается на кончике иглы. Добавив сюда наноэлектронику, мы получим человека, напичканного нанокомпьютерами, средствами связи и прочими информационно-коммуникационными наноэлементами.

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые роботы, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет.

Нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. Теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожать последствия старых загрязнений. Невероятные перспективы открываются также: в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека.

Услышав о том, чем занимаются сейчас в Национальной лаборатории Сандиии, можно подумать, что ученые впустую тратят время, вновь изобретая колесо. И в самом деле, кого могут удивить роботы, умеющие передвигаться, загружать и доставлять грузы? В то время, когда даже Марс исследуют полностью автоматизированные аппараты, такие устройства вряд ли могут кого-нибудь поразить. Но только в том случае, если не знать, что разрабатываемый в Сандиии робот - это всего лишь молекула. Названная моторным белком, она имеет две миниатюрные «ноги» на одном конце и «хвост», который может захватывать «грузы», - на другом. Как только в раствор, в котором она находится, добавляется специальный химикат, белок начинает двигаться вдоль прядей волокна толщиной в одну пятую диаметра человеческого волоса. Руководитель этой работы Брюс Банкер утверждает, что его эксперимент знаменует приход новой технической эры, отличающейся от существующего производства так же, как отличаются сегодняшние сборочные конвейеры от технологий каменного века. «В этом новом мире атомы и молекулы будут притягиваться друг к другу и самостоятельно собираться в непростые компоненты, а затем, возможно, - в компьютеры или искусственные органы», - говорит исследователь Бенджамин Миллер из университета Рочестера в штате Нью-Йорк.

'.!••• 1.4 Квантовая нанотехнология Новые термины - квантовые точки, квантовые проволоки, квантовые стенки - становятся главными терминами квантовых интегральных схем наноразмерных квантовых компьютеров ближайшего будущего. Одиночные квантовые точки, образованные группой атомов и локализованные в заданном месте основной матрицы, могут быть собраны, образуя проволоку. Элементы проволоки, в свою очередь сгруппированные заданным образом, образуют уже работающие элементы квантовых компьютеров в виде полевых транзисторов и простейших интегральных схем - нейронов.

В настоящее время структуры с квантово-размерными эффектами можно разделить наследующие типы:

- Квантовые точки - структуры, размеры которых во всех трех направлениях составляют несколько межатомных расстояний (трехмерная структура);

- Квантовые проволоки - структуры, размеры которых в двух направлениях составляют несколько межатомных расстояний, а размер в третьем направлении представляет собой макроскопическую величину;

- Квантовые стенки, иначе квантовые ямы - структуры, размер, которых в одном направлении составляют несколько межатомных расстояний, а размеры в двух других направлениях представляют макроскопическую величину.

В гетероструктурах с пространственным ограничением носителей зарядов во всех трех измерениях (квантовые точки) реализуется предельный случай размерного квантования в полупроводниках, когда модификация электронных свойств наиболее выражена. Электронный спектр идеального квантового объекта представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и соответствует электронному спектру одиночного атома.

Квантовые точки - это наночастицы полупроводников (например, селенид кадмия Cd-Si), ведущие себя как отдельные атомы. Они могут поглощать световые волны, перемещая электроны на более высокий энергетический уровень, и выделять свет при переходе электронов на низкоэнергетический уровень. Благодаря этому свойству их и используют в качестве флуоресцентных меток.

С помощью оптического микроскопа мы не можем проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки, а с помощью электронного микроскопа отдельные молекулы видны, но для этого клетку приходиться умертвить. Однако если снабдить квантовые точки специальными маркерами, то можно прикрепить эти наносистемы к отдельным. типам молекул. Для клетки это не представляет вреда, и, что самое главное, результаты видны в оптический микроскоп благодаря флуоресценции маркеров. Поэтому исследователи используют квантовые точки в биологических исследованиях.

1.4.1 Физические основы наноэлектроники Кванторазмерные эффекты.

Размерный эффект - зависимость свойств тела от его размера.

Этот эффект возникает, если протяженность тела, по крайней мере в одном измерении, становится сравнимой с некоторой критической величиной 1К. Для классических размерных эффектов 1к классическая величина, например диффузионная длина, длина свободного пробега электронов.

Квантовые размерные эффекты (в электронных структурах) имеют место тогда, когда роль длины 1К играет квантовая характеристика - длина волны де Бройля X для электронов, т. е. когда размер структуры хотя бы в одном измерении имеет порядок длины волны. Квантоворазмерные эффекты обусловлены волновой природой электронов.

В наноразмерных областях поведение электронов определяется отражением электронных волн от границ раздела таких областей, интерференцией электронных волн, прохождением волн сквозь потенциальные барьеры. Этими явлениями объясняются квантоворазмерные эффекты в наноструктурах, например квантование энергии электронов, пространственно ограниченных в своих перемещениях, прохождение электронов сквозь нанометровые диэлектрические слои, квантование сопротивления нанопроволок и Др.

Длина волны де Бройля для электрона, движущегося в I кристалле со скоростью v, имеет значение:

І X=h/m v=h/ m' ЕКИІ1, (1.1) где m - эффективная масса электрона, I Екнн - его кинетическая энергия.

Рассмотрим свободные электроны в кристаллах.

Свободными считаются электроны, которые могут не только перемещаться по кристаллу, но и изменять свою энергию под внешним воздействием.

В металлах при не слишком высоких температурах свободными можно считать только электроны с энергиями вблизи уровня Ферми Е.

Поэтому для свободных электронов Екж.яЕ^эВ^вхЮ^Дж. (1.2) | й а г т / к Iі;

• ••, ". """'•"•-'«•«•и».«, В металлах m* ~ т0 = 9.1x10"31 кг, ' ' 'bit.

где т0 - масса электрона. Подставляя значения ЕКШ1 и ш0 формулу для X, получим к ~ 0,55 нм - порядок размера постоянной кристаллической решётки.

В полупроводниках EK„„ ~ к:Т = 0.026 эВ (при комнатной температуре). Эффективная масса электрона в различных полупроводниковых материалах изменяется в широких пределах. На пример, для кремния tn* = 0,92шо, для GaAs т* = 0,068то, для висмута (полуметалл) т * = 0,01 Шо следовательно, для этих материалов X = 8;

30;

80 нм соответственно.

Так как длина волны де Бройля для свободных электронов в полупроводниках значительно больше, чем в металлах, то квантоворазмерные эффекты технологически легче осуществить на полупроводниках. Поэтому исследование этих эффектов и формирование наноструктур для применения в электронике проводится преимущественно на полупроводниках.

Следует отметить, что квантоворазмерные эффекты можно наблюдать при условии, что средняя длина свободного пробега электронов превышает размер рассматриваемой области, ее границы имеют высокую степень совершенства, а отражения волны де Бройля от границ можно считать зеркальными.

Свободный электрон, движущийся в трехмерной системе (3D), имеет кинетическую энергию, величина которой, в соответствии с пространственными компонентами его импульсар х,р„ р~, составляет или, в волновом представлении»

(1-4) (ккк% 2т где т' - эффективная масса электрона (в твердых телах она обычно меньше, чем масса покоя электрона т J ;

h - приведенная постоянная Планка ( = /2я);

к0 ку, к, - пространственные компоненты волнового вектора Плотность электронных состояний при этом является непрерывной функцией энергии:

(1.5) В низкоразмерной структуре свободное движение электрона ограничено по крайней мере в одном направлении. В данном направлении (пусть это будет направление вдоль оси х) потенциальная энергия электрона может быть представлена в виде бесконечно глубокой потенциальной ямы, как это показано на рисунке 1.2. Если ширина ямы вдоль оси х равна а, то в области 0 х а электрон имеет нулевую по тенциальную энергию. Бесконечно высокий потенциальный барьер делает невозможным нахождение электрона за границами этой области.

Таким образом, волновая функция электрона должна обращаться в нуль на границах потенциальной ямы, т. е. при х = 0 и х = а. Такому условию отвечает лишь ограниченный набор волновых функций.

Это - стоячие волны с длиной Л, определяемой соотношением (1.6) Л„ =2а/ф = 1,2,...).

Соответствующие разрешенные значения волнового вектора дискретны и равны • кп = = nrc! а (1.7) Рисунокі.2 - Потенциальная яма и волновые функции электронов в ней Как следствие, энергии разрешенных энергетических состояний электрона в яме тоже оказываются дискретными. Спектр этих состояний имеет вид гк\ гл2п _ Е 2т'а2 (1.8) 1т Целое число и является квантовым числом, обозначающим квантовое состояние. Таким Образом, электрон, помещенный в ограниченную область пространства, может занимать только дискретные энергетические уровни. Самое низкое состояние имеет энергию (1.9) 2т а которая всегда больше нуля. Ненулевая минимальная энергия отличает квантово-механическую систему от классической, для которой энергия частицы, находящейся на дне потенциальной ямы, тождественно равна нулю. Кроме того, разрешенные значения энергии для электрона оказываются квантованными и пропорциональны п2.

Для того чтобы удовлетворить принципу неопределенности ДвДх А/2 (В нашем случае Ах = а), неопределенность импульса электрона должна быть Др2Л/2а, что отвечает минимальному изменению энергии ДЕ = (Др)2 /2т' =г !Ы'аг, которое (с точностью до множителя п1 /4) соответствует приведенному выше выражению для Е,. Таким образом, принцип неопределенности также приводит нас к выводу о ненулевом значении минимальной энергии электрона в потенциальной яме.

1.4.2 Квантовые пленки, квантовые шнуры, квантовые точки виды низкоразмерных объектов Ограничение движения электронов (дырок) в низкоразмерной структуре, приводящее (вследствие их квантово-волновой природы) к ненулевому минимальному значению их энергии и к дискретности энергий разрешенных состояний, называют квантовым ограничением.

В твердых телах квантовое ограничение может быть реализовано в трех пространственных направлениях. Количество направлений, в которых эффект квантового ограничения отсутствует, используется в качестве критерия для классификации элементарных низкоразмерных структур по трем группам: квантовые пленки, квантовые шнуры и квантовые точки.

Схематически они показаны на рисунке 1.3.

Квантовые пленки (яма) представляют собой двумерные (2D) структуры, в которых квантовое ограничение действует только в одном направлении - перпендикулярно пленке (направление z на рисунке 1.3) Носители заряда в таких структурах могут свободно двигаться в плоскости ху. Их энергия складывается из квантованных значений, определяемых эффектом квантового ограничения в направлении z (в соответствии с толщиной пленки lz), и непрерывных составляющих в направлениях х и у:

(1.10) В А-пространстве энергетическая диаграмма квантовой пленки представляет собой семейство параболических зон, которые, перекрываясь, образуют подзоны. Минимальная энергия электрона в п-й подзоне задается соотношением (1.8). Электрон с такой энергией неподвижен в плоскости пленки.

Зависимость плотности электронных состояний от энергии в квантовой пленке имеет ступенчатый вид (вместо параболической зависимости в трехмерных структурах):

т 7т I. I (1.11) где ступенчатая функция.

(Е-Е ) } Электроны в квантовых пленках обычно называют двумерным электронным газом.

Квантовые шнуры (проволока) - это одномерные (ID) структуры. Б отличие от квантовых пленок, они имеют не один, а два манометровых размера, в направлении которых и действует эффект квантового ограничения. Носители заряда могут свободно двигаться только в одном направлении - вдоль оси шнура. Таким образом, и вклад в энергию носителя заряда даюг кинетическая составляющая вдоль одного направления и квантованные значения в двух других направлениях:

объемный материал (3D) квантовая пленка (2D) МІІШІІ квантовый шнур (ID) т квантовая Е точка 3 з j п= (0D) и=2 2 " я=1 -Е.

N(E) Рисунок 1.3 - Элементарные низкоразмерные структуры, их энергетические диаграммы н плотности состояний N(E) в сравнении с трехмерной структурой,п, = 1,2,...;

л2 =1,2,...., (1.12) Для каждой пары дискретных уровней в направлениях квантового ограничения плотность электронных состояний в квантовом шнуре зависит от энергии по закону Е~'п:

(1.13) Myl-_ т?

Квантовые точки - это нуль-мерные (0D) структуры, в которых движение носителей заряда ограничено во всех трех направлениях. В каждом из этих направлений энергия электрона оказывается квантованной в соответствии с формулой (1.5), а плотность состояний представляет собой набор острых пиков, описываемых S -функциями:

(1.14) "»о ( ) = г г г Z Ф - U*=и ' Л '. - I.J.T Из-за сходства энергетических характеристик атомов и квантовых точек последние иногда называют «искусственными атомами».

Квантовые точки состоят из сравнительно небольшого количества атомов. В этом отношении к ним близки атомные кластеры и нанокристал-литы (кристаллиты нанометровых размеров), где также имеет место эффект квантового ограничения.

Рассмотренные элементарные низкоразмерные структуры в определенном смысле являются идеализированными объектами.

Очевидно, что низкоразмерные структуры, представляющие практический интерес, должны располагаться на какой-либо подложке и иметь контакт с другими структурами и функциональными элементами.

Более того, приборные применения требуют комбинации нескольких элементарных структур. Но, несмотря на появление в сложных комбинированных структурах новых квантово-механических эффектов, определяющую роль в них продолжает играть квантовое ограничение.

1.5 Туннелировамие носителей заряда Туннелирование означает перенос частицы через область, ограниченную потенциальным барьером, высота которой больше полной энергии данной частицы. Такой эффект невозможен с точки зрения классической механики, однако имеет место для квантовых частиц, которым присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Рассмотрим поведение частицы, встречающей на своем пути потенциальный барьер (рисунок 1.4).

и EU Uo EU, О п III X Рисунок 1.4 - Прохождение частицы через прямоугольный потенциальный барьер высотой U0.

Согласно классической механике, частицы с энергией Е U0, движущаяся слева направо, то есть приближающаяся к потенциальному барьеру, отразится от него и начнет двигаться в обратном направлении. Если же Е U0, то частица продолжит движение в прежнем направлении.

Рассмотрение этого процесса с позиций квантовой механики дает иные результаты. С точки зрения квантовой механики движение частицы в одномерном потенциальном поле U(x) описывается уравнением Шредингера:

- (h2/2m) (d2vj/(x)/dx2) + U(x)*y(x)« Е\|/(х), (1.15) где ш- масса частицы, vy(x) - ее волновая функция.

Если энергия квантовой частицы больше высоты потенциального барьера (Е Uo), то в областях I и Ш, где U(x) =0, решение уравнения Шредингера для частицы с импульсом кі=2лА,=р/=(1/)\2шЕ (волновое число) имеет вид суперпозиции двух волн:

'Fj(x) = А,ехр(ік,х) + В,ехр(-ік іх ), (1.16) «Р11І(х)=А3ехр(ік1х), (1.17) где і - мнимая единица, Аі,Ві,Аз - постоянные, определяющие соответственно амплитуды падающей, отраженной и прошедшей барьер волн.

Первый член в (1.16) соответствует падающей на барьер волне, движущейся вдоль х слева направо. Второй член описывает отраженную волну, движущуюся вдоль оси х в противоположном направлении.

Для области II (область потенциального барьера) решение уравнения Шредингера выглядит следующим образом:

*Р„(х) = А2ехр(ік2х) + В2ехр(-ік2х), (1.18) где k2=(l/ftW2m(E- и 0 ), А2,В2 - постоянные, определяющие амплитуды волн, движущихся в противоположных направлениях.

При х — о волновая функция прошедшей над потенциальным с барьером частицы имеет асимптотический вид:

„(x) = A2exp(ik2x), (1.19) Тогда отсутствует область III, и в барьере нет волны, движущей в обратном направлении (В2=0).

На основании условий непрерывности волновой функции и ее первой производной в точке х=,(0) = Т„(0);

Ч",(0)= *Рц(0) можно получить отношение B|/A|=(k r k 2 )/(k|+k 2 ).

Коэффициент отражения R частицы равен отношению интенсивности отраженной 1от и падающей 1пад волн, интенсивности R= Іот/І иад =| В,|2/| A|| 2 =((k r k 2 )/ (k,+k2))2 (1.20) Так как k| Ф k 2, то R 0, а это значит, что даже в случае низкого барьера ( Е U0 U0), когда по законам классической физики частица должна пройти над ним, имеется вероятность ее отражения.

Коэффициент прохождения D (коэффициент прозрачности), определяющий часть потока частиц, прошедшего сквозь потенциальный барьер, связан с коэффициентом отражения очевидным соотношением:

D=l-R (1.21) Рассмотрим теперь случай когда квантовая частица взаимодействует с прямоугольным потенциальным барьером, высота которого больше ее энергии (Е U 0 ). Классическая частица не может пройти через такой барьер. Она будет отражаться в так называемых классических точках попорота. Точка поворота - это точка с координатой х, в которой кинетическая энергия частицы обращается в нуль, то есть ее полная энергия Е равна U(x).

Достигнув точки поворота, частица меняет направление своего движения и начинает двигаться в обратном направлении. Учитывая, как и раньше, что выполняется условие непрерывности у - функции и ее производной на границах I, II, III и что теперь кг=і к =(Ш)л/2т(Е и ц ), а также полагая В2=0 (отражением от второй границы барьера можно пренебречь при условии достаточно высокого и широкого потенциального барьера), получаем для коэффициента прозрачности в случае прямоугольного потенциального барьера:

D = jA 3 f/|A,f=16k,V/( к,2 + к2)2ехр(-2ка)= = D0exp(-(2a/h)V2m(E- U0)), (1.22) Таким образом, для высокого (Е U0 ) потенциального барьера коэффициент прозрачности D0, то есть имеется вероятность проникновения частицы сквозь такой барьер. Частица как бы просачивается («туннелирует») через область потенциального барьера, не изменяя свою энергию. Это явление называется туннельным эффектом.

Таким образом, для высокого (Е U0 ) потенциального барьера коэффициент прозрачности D0, то есть имеется вероятность проникновения частицы сквозь такой барьер. Частица как бы просачивается («туннелирует») через область потенциального барьера, не изменяя свою энергию. Это явление называется туннельным эффектом.

Глава II Наноматериалы Наноматериалы. - материалы, содержащие структурные ' элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, вследствие чего, обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

К настоящему времени установилась следующая классификация наноматерналов:

- нанопористые структуры (терморасширенный графит, наноструктурированный углерод, цианиты);

- наночастицы (частицы диаметром от 2 до 100 нм, состоящие из 102-106 атомов);

- нанотрубки и нановолокна (цилиндрические образования углеродных атомов диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной несколько мкм);

- нанодисперсии (коллоиды, взвесь частиц размером от 1 до нм в органических или неорганических жидкостях);

- наноструктурированные поверхности и пленки (плоские наноструктуры толщиной в один или несколько атомов);

- нанокристаллы и канокластеры (частицы упорядоченной структуры размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов).

В нанотехнологиях применяются два принципиально разных подхода к обработке вещества и созданию наноизделий и наноструктур: технологии «сверху-вниз» (top-down) и «снизу-вверх»

(bottom-up).

Подход «сверху-вниз», т.е. обработка вещества с последовательным уменьшением размеров до требуемых (нанометровых) размеров. Наноструктура создается в объемном материале, как это принято в классических технологиях интегральных схем на основе кремния (пленарная технология с использованием фотолитографии, рентгенолитографии и др.) Процесс формирования наноструктур по принципу «сверху вниз» предусматривает обработку макромасштабного объекта или структуры и постепенное уменьшение их размеров, вплоть до получения изделий с нанометровыми параметрами, методами литографии и нанолитографии.

Технология «снизу-вверх» заключается в том, что при создании наноструктур набирают и выстраивают отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход также осуществляется с помощью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций с участием углеродных нанотрубок, электропроводящих полимеров, биологических клеток и белковых структур.

Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты и материалы из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении.

Нанотехнологии стали востребованы после того, как появились инструменты, позволяющие видеть, измерять и манипулировать веществом на наноскопическом уровне.

Определяющую роль для развития и становления Нанотехнологии сыграли два события:

- Создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ-198ІГ.) и атомно-силового микроскопа (АСМ-1986г.). Они позволили впервые получить изображение атомов и манипулировать атомами и молекулами;

- открытие новой формы существования углерода в природе фуллеренов и углеродных нанотрубок (1990-1991гг.).

2.1 Фуллерены и углеродные нанотрубки.

Долгие годы считалось, что углерод может образовывать две кристаллические структуры - алмаз и графит. Алмаз имеет пространственную тетраэдическую структуру,' в которой атомы углерода образуют между собой сильные ковалентные связи (рисунок 2.1). Структура графита слоистая, каждый атом образует сильные ковалентные связи с другими атомами, расположенными с ним в одной плоскости, в то время как ковалентные связи с ближайщими атомами соседнего слоя относительно слабые (рисунок 2.2). Из-за этого графит легко скалывается и истирается, пример грифель карандаша.

Рисунок 2.1 - Структура алмаза Рисунок 2.2 - Структура графита Склонность углерода к образованию поверхностных структур еще большей степени проявилась в новой форме углерода фуллеренах. В 1984 году американские ученые обнаружили объемные молекулы углерода спектроскопический, а год спустя им удалось выделить новые молекулы из продуктов лазерного испарения графитовой мишени в атмосфере гелия. Молекулы размером порядка нанометра, имеюшие 60 атомов и более назвали фуллеренами в честь американского архитектора прошлого века Ричарда Бакминстера Фуллера. Значительный прогресс в получении и исследовании нанообъектов, возникновении новых наноматериалов привело к выделению таких понятий как наноклатер, наноструктура.

Клатеры углерода относятся к категории кластеров с сильной атомной связью. Атомы углерода формируют кластеры легче, чем какой-либо элемент периодической системы, что подтверждается, например, повсеместным образованием сажи в процессах горения.

Известно, что звезды красные гиганты испускают в межзвездное пространство огромное количество углерода и, вероятно, звездная пыль состоит из углеродных кластеров. Кластеры углерода в лабораторных условиях получают лазерным или дуговым испарением и разделяют по массам с помощью масс-спектрометра. Получающий при этом масс-спектр носит бимодальный характер с числом атомов :

п 24 - малые углеродные кластеры, и и 24 - фуллерены.

Первые большие углеродные клатеры-фуллерены были обнаружены в 1985 году Крото, Смоли и Керлом. Инициатором поиска был Крото, который вначале занимался изучением лазерного испарения и массспектроскопией малых углеродных кластеров, однако затем обратил внимание на одиночный пик в спектре при определенных условиях получения углеродных кластеров. При этом было замечено, как при определенных условиях синтеза в масс спектре наблюдается интенсивная линия, соответствующая стабильным кластерам С6о, название которых пошло от имени архитектора и изобретателя Бакминстера Фуллера сконструировавшего геодезический свод, напоминающий структуру С (jo- Таким образом, были получены структуры, содержащие 3,11,15,19,23,...,60 и более атомов углерода. Молекула, состоящая из 60 атомов углерода С 6 о, оказалась похожей на футбольный мяч. Она имеет 12 пятиугольных и 20 шестиугольных симметрично расположенных граней, имеющих форму, близкую к шару (рисунок 2.3).

Принципиально новые углеродные соединения - фуллерены (€60), группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников с атомами углерода в вершинах, были открыты в 1985 году (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Молекула фуллерена См В 1991 году были открыты углеродные нанотрубки макромолекулы, представляющие собой полые цилиндрические структуры длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Были получены нанотрубки разной геометрии - как однослойные (одностенные), так и многослойные (многостенные) (рисунок 2.4).

1,2,3 - соответственно.

Рисунок 2.4 - Углеродные нанотрубки с различными хиральными векторами, определяемыми значениями п и m (1 кресельная структура, 2~ зигзагообразная структура, 3 хиральная структура) В 2004 году появился еще один принципиально новый класс наноматериалов - свободный слой графита толщиной в один атом графеиы ( полые цилиндрические структуры - длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра).

Рисунок 2.5 - Графен Графен - слой атомов углерода, соединенных в шестигранную кристаллическую решетку и представляющих собой графеновую пленку толщиной всего в один атом углерода, который получил название углеродных нанострубок (УНТ). УНТ образуются в результате химических превращений углерода при высоких температурах. Можно выделить три основных способа их получения:

- электродуговое распыление графита;

- абляция графита с помощью лазерного облучения;

- каталитическое разложение углеводородов.

Нанотрубки могут быть однослойными и многослойными.

Однослойные углеродные нанотрубки - только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная будет базироваться на графене.

Идеальная однослойная нанотрубка образуется путем сворачивания плоскости графита, состоящей из правильных шестиугольников, в цилиндрическую поверхность. Способы организации нанотрубок или их структура зависят от хиральности и угла сворачивания. Отсюда вытекают свойства однослойных нанотрубок, которые могут обладать металлической проводимостью и полупроводниковыми свойствами.

Уникальные свойства нанотрубок позволяют использовать их как основные элементы наноустройств в электронных и световых устройствах, такие как диоды, полевые транзисторы, холодные катоды и дисплеи.

Дефектные Базовые Карборан фуллерены фуллерены (НВ)ю(СН) Richard Buckminster Fuller (1895-1983) Рисунок 2.6 - Фуллерены Углеродные нанотрубки получают лазерным испарением в углеродной дуге и химическим осаждением паров. Нанотрубки можно представить как лист графита, свернутый в цилиндр. Обычно нанотрубки бывают закрытыми с обоих концов фуллереноподобными структурами[6]. Известны вложенные или многослойный нанотрубки, в которых одна трубка находится внутри другой. Однослойная нанотрубка может иметь очень маленький диаметр 2 нм и длину 1 ООмкм. (рисунок 2.7) Рисунок 2.7 - Однослойные и многослойные нанотрубки 2.2 Атомарная структура поверхности углеродных нанотрубок.

Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки, которая получила название хиральности.

Хиральность - вектор свертывания, характеризуется двумя целыми числами (ш, п), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат.

Вектор хиральности определяется как C = n a i + ma 2 ) (2.1) где п и т - действительные числа, а,, а2 - единичные векторы в графитовой плоскости.

Сказанное иллюстрирует рисунок 2.8, где показана часть гексагональной графитовой сетки, свертывание которой в цилиндр приводит к образованию однослойных нанотрубок с различной хиральностью.

плоскость нанотрубка ;

;

;

-[ -J, •;

Рисунок 2.8 - Диаметр трубки и угол свёртывания характеризуются вектором свёртывания С = n aj + m а2 s (n, т ).

Хиральность нанотрубки может быть также однозначно определена углом а, образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Имеется очень много вариантов свертывания нанотрубок, но среди них выделяются те, в результате реализации которых не происходит искіжения структуры гексагональной сетки.

Этим направлениям отвечают углы а = О°(конфигурация кресло) и а. = 30° (конфигурация зигзаг), что соответствует хиральности ( т, п) и (2п, п) (рисунок 2.4). Все остальные нанотрубки с n i m имеют хиральные углы в интервале между 0" и 30°. Структуру таких нанотрубок называют хиральной (рисунок 2.4). Проведенные расчеты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Многослойные нанотрубки углерода отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций.

Русская матрешка представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Структура напоминает скатанный рулон или свиток. Для всех рассмотренных структур среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, равно 0,34 нм. По мере увеличения числа слоев все в большей степени проявляются отклонения от идеальной цилиндрической формы. В некоторых случаях внешняя оболочка приобретает форму многогранника. Иногда поверхностный слой представляет собой структуру с неупорядоченным расположением атомов углерода. В других случаях на идеальной гексагональной сетке внешнего слоя нанотрубки образуются дефекты в виде пятиугольников и семиугольников, приводящие к нарушению цилиндрической формы.

Наличие пятиугольника вызывает выпуклый, а семиугольника вогнутый изгиб цилиндрической поверхности нанотрубки. Подобные дефекты ведут к появлению изогнутых и спиралевидных нанотрубок, которые в процессе роста извиваются, скручиваются между собой, образуя петли и другие сложные по форме протяженные структуры.

2.3 Практическое применение углеродных нанотрубок Углеродные трубки отличаются различной атомной структурой, причем трубки с разной структурой имеют разные свойства.

Самое интересное свойство углеродных нанотрубок заключается в том, что в зависимости от атомной структуры они могут обладать свойствами металлов (проводников) и полупроводников. В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень высока.

Они способны пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр.

Медный провод выходит из строя при плотности тока в тысячу раз меньше. Углеродные нанотрубки еще и очень прочны. Модуль Юнга углеродной нанотрубки почти в 10 раз больше, чем у стали, а предел прочности даже в 20 раз.

При положении небольшого электрического поля вдоль оси нанотрубки с ее концов происходит интенсивная эмиссия электронов.

Разрабатываются плоские дисплеи, использующие электронную эмиссию углеродных нанотрубок.

Полевые транзисторы, изготовленные на базе полупроводниковых углеродных нанотрубок, могут быть использованы, как сверхчувствительные газовые сенсоры.

Углеродные нанотрубки можно использовать в конструкциях топливных элементов - источников электрической энергии для автомобилей будущего.

Высокая электрическая проводимость нанотрубок может быть использована для создания композиционных полимерных материалов, способных экранировать электромагнитное излучение[7].

Из-за прочности на разрыв и большого отношения длина/диаметр углеродные нанотрубки могут быть использованы в качестве упрочняющих материалов для металлов и пластиков.

Потенциальные возможности применения нанотрубок поистине безграничны. К сожалению, за многими возможными применениями пока стоит одно большое но. Для реализации громадного потенциала необходимо разработать технологии крупномасштабного производства относительно дешевых углеродных нанотрубок[8].

В 1991 году японский исследователь Иджима занимался изучением осадка, образующегося на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание привлекла необычная структура осадка, состоящего из микроскопических нитей и волокон. Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон. Сумев разрезать тонкую трубочку вдоль продольной оси, ученые обнаружили, что она состоит из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Как правило, верхние концы трубочек закрыты многослойными полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шестиугольников и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена. Протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, получили название нанотрубок. Открытие нанотрубок вызвало большой интерес у исследователей, занимающихся созданием материалов и структур с необычными физико-химическими свойствами[9].


В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 горр (рисунок 2.9). При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки утлерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм.

it насосу Рисунок 2.9 - Синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами в атмосфере гелия. Дуговой разряд в камере с охлаждаемыми водой стенками при давлении буферного газа (гелий или аргон) 500 Торр. Межэлектродное расстояние 1- мм, ток дуги 65-75 А, напряжение - 20-22 В, температура плазмы 4000 К В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1: 4 при температуре 750 С в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм.

Известно, что нанотрубчатые материалы обладают экстремальной сорбционной способностью, что привлекает внимание разработчиков, прежде всего в области создания фильтров разного назначения. В этой связи большое внимание привлекает возможность создания и широкого применения дешевых фильтров для очистки жидкостных и газовых сред, прежде всего для нужд городского коммунального хозяйства, очистки промышленных стоков и атмосферных выбросов, возможностей введения в сельскохозяйственный оборот почв с большой степенью засоленности.

2.4 Хризотил - асбест Казахстана (АО «Костанайские минералы») Термин асбест объединяет различные по своему составу и свойствам минералы: хризотил, крокидолит, амозит, антофиллит, иногда тремолит, актинолит, режикит (близок магнезиорибекиту и магнезиоарфведсониту), родусит (разновидность магнезиорибекита) и др., обладающие способностью разделяться на тонкие волокна.

Последние отличаются весьма высокой прочностью, эластичностью и прядильными свойствами, термостойкостью, низкой электропроводностью, кислото- и щелочестойкостью. По своей атомной структуре хризотил принадлежит к минеральной группе серпентина, а все остальные - к группе амфиболов.

Амфибол-асбесты обладают более грубым волокном: диаметр их волокон измеряется десятыми-сотыми долями мкм. Длина волокон от десятых долей до 160 мм и более, наиболее часто она составляет 2- мм.

Хризотил (белый асбест) - волокнистая разновидность водного силиката магния - серпентина, состав которого отвечает формуле Mg6[Si205](0H)8 или 3Mg02Si0 2 '2H 2 0. В природном хризотил-асбесте содержатся примеси Fe 2 0 3, еО, АЬ0 3, Cr203, NiO, MnO, CaO, Na 2 0 и H 2 0. Он слагает жилки в темно-зеленых серпентинитах, обнаруживая обычно поперечно-волокнистую структуру. В плотном куске хризотил-асбест обладает зеленой или желтовато-зеленой окраской и перламутровым блеском, но после расщепления (фибризации) на отдельные волокна превращается в белую пухоподобную массу. Хризотил-асбест имеет весьма высокую температуру плавления (1521С), приблизительно при 700С теряет кристаллизационную воду и становится хрупким. Это самый термостойкий из всех асбестов. По сравнению с амфибол-асбестами менее устойчив к воздействию кислот (разлагается в соляной кислоте);

однако он щелочеустойчив, отличается высокими сорбционными, тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами.

Крокидолит (голубой асбест) представляет волокнистую разновидность рибекита. Его химический состав выражается формулой: Na2Fc5[Si40„]2(0H)2 или Na 2 03Fe0Fe 2 0 3 8Si0 2 H 2 0. Он встречается в поперечно-волокнистых жилках и имеет серо-голубой цвет, сохраняющийся после расщепления. Обладая несколько меньшей температурой плавления (1193С), крокидолит превосходит хризотил своей устойчивостью к кислотам и щелочам, а также прочностными свойствами.

Амозит (коричневый асбест), являющийся волокнистой разновидностью грюнерита, имеет состав MgFe6[Si4On]2(OH)2 или MgO'6FeO 8Si0 2 H 2 0. Встречается в жилках поперечно-волокнистого строения. Пепельно-серый до коричневого, после извлечения из породы становится белым. Амозит устойчив к действию кислот и щелочей. Имеет сравнительно невысокие температуру плавления (1000-1200С) и прочностные свойства.

Антофиллит-асбест имеет состав (Mg,Fe)7[Si40n]2(0H)2, характеризуясь переменным содержанием железа. Цвет светло-серый до белого и коричневато-серого. Чаще всего встречается в виде продольно-волокнистых выделений, звездчатых или радиально лучистых агрегатов. Обладая высокой температурой плавления (1468С) и устойчивостью к кислотам и щелочам, он имеет короткое твердое волокно относительно невысокой прочности.

Наиболее крупные из разрабатываемых мировых месторождений хризотил-асбеста: в России - Баженовское (Средний Урал), Ак Довуракское (Тувинская область),, Киембаевское (Оренбургская область), а за рубежом - Джетыгаринское (Костанайская область, Казахстан), Канадское (Канада) и в Зимбабве (Южная Африка). Россия - крупнейший производитель асбеста в мире.

Горную породу, содержащую асбест, добывают открытым способом и подвергают обогащению на асбестовых фабриках для выделения хризотил-асбеста. Товарный хризотил-асбест состоит из смеси волокон различной длины и их агрегатов (рисунок 2.10).

2.10 - Фотография породы и волокна, отделенного с нее Агрегаты асбеста с недеформированными волокнами размером в поперечнике более 2 мм называют «кусковым асбестом», а менее 2 мм - «иголками». «Распушенным» называют асбест, в котором волокна тонки, деформированы и перепутаны. Частицы сопутствующей породы и асбестовое волокно, прошедшее через сито с размерами стороны ячейки в свету 0.25 мм, называют «пылью». Асбест хризотиловый в зависимости от длины волокон подразделяется на восемь сортов [10].

В данное работе приведены результаты исследование возможности использования хризотилового волокна, как наноматериала в виде нанострубок, добываемого АО «Костанайские минералы» г Житигара, Костанайская область (Казахстан).

АО «КМ» ( ранее - ОАО «Джетыгаринский асбестовый горно обогатительный комбинат» «Кустанай асбест») проектной мощностью 200 тыс.т. сортового асбеста в год принят в эксплуатацию в октябре 1965 года.

Сырьевой базой предприятия является джетыгаринское месторождение руд хризотил асбеста, разведанные запасы.

Асбестовые нанотрубки являются природным материалом, продуктом образования горных пород и обладают уникальными механическими свойствами (огромная энергия на разрыв вдоль волокна 400 кг/мм2), что нашло применение в строительстве, химической стойкостью, малой теплопроводностью и способностью адсорбировать различные вещества.

Асбестовые нанотрубки в отличие от углеродных жестче и не извиваются при попытках препарировать их, лежат в природном материалле с четким преимущественным направлением, образуются в результате образования двух решеток MgO и Si02. Вследствии различия упругих констант слойка скручивается в трубку определенного диаметра и никаких дефектов в полученной трубке не образуется, имеются типы конус в конусе, цилиндр в цилиндре и трубка с полостью и заполненная аморфным веществом (смесь MgO и SiO,).

На Джетагаринском месторождении добываются следующие виды асбеста:

1. Крупносетчатый тип асбестоносности в белесозеленом апоргарцбургитовом лизардит-хризотиловом серпентините (рисунок 2.11);

2. Мелкосетчатый тип асбестоносности в темно-зеленом апоргарцбургитовом серпентините с хромшпинелидами и магнетитом (рисунок 2.12).

3. Серия тонких субпараллельных прерывистых жилок асбеста в хризотил-лизардитовом серпентините (рисунок 2.13).

Рисунок 2.11 - Крупносетчатый тип асбестоносности в белесозсленом апоргарцбургитовом лизардит-хризотиловом серпентините Рисунок 2.12 - Мелкосетчатый тин асбестоносности в темно зеленом апоргарцбургитовом серпентините с хромшпинелидами и магнетитом Рисунок 2.13 - Серия тонких субпараллельных прерывистых жилок асбеста в хризотил-лизардитовом серпентините Глубина отработки карьера составляет 265 м. Предприятие имеет в своем составе современные ремонтные цеха, жд депо, ремонтно-механический завод и ремонто-строительный цех, энергетическое хозяйство, полностью удовлетворяющее потребности комбината энергоносителях.


Джетыгаринское месторождение разрабатывается открытым способом уже 40 лет. В настоящее время геометрические параметры карьера следующие: длина - 4 км., ширина - 1,3 км., глубина - 265 м.

Вскрытие карьерного поля выполнено двумя траншеями:

северной полу траншеей внутреннего заложения с выходом на станцию «Северная», расположенную на севера- восточном борту карьера, и южной траншеей с входом на станцию «Предотвальная».

Система разработки - транспортная с внешним отвала образованием.

Высота рабочих уступов - 15м. ширина рабочих площадок в зоне ЖДТ - 45м, в зоне работы автомобильного транспорта - 35 м, ширина транспортных берм - 25 м.

Технология ведения горных работ циклическая с применением буровзрывных работ. Бурение скважин осуществляется буровыми станками СБШ - 250 МН с диаметром скважин 244,5 мм, экскавация производиться экскаваторами ЭКГ - 8И, ЭКГ - 10, ЭКГ - бЗу. Для транспортировки горной массы, применяется комбинированный автономно ж.д.т. Горные работы на горизонтах +185 м, +170 м.

производятся с нагрузкой на ждт на горизонтах + 155 м, +140,+ 125м.

применяется комбинированной автомобильной ждт, а нижеуказанных горизонтов с погрузкой в автотранспорт.

Проведено исследование хризотиловых нанотрубок на растровом электронном микроскопе CamScan S4. Исследование проводилось при ускоряющем напряжении 30 кВ. Результат исследования показал наличие тонких наноразмерных стержней (нанотрубок). В ходе исследования был проведён структурный микроанализ породы (при ускоряющем напряжении 30 кВ) на микроанализаторе фирмы Link ANALYTICAL AN 10/55S/.

Исследования структуры хризотиловых нанотрубок также проводились с помощью сканирующего электронного микроскопа без выделения из исходного материала (порода) и хризотилового волокна после выделения из начального материала (породы).

Асбест напоминает маломощные жилы и прожилки, причем ориентировка его волокон может быть различной: если волокна располагаются перпендикулярно стенкам жилок (наиболее распространенный случай), то это - поперечно-волокнистый асбест, если вдоль стенок, то это - продольно-волокнистый асбест или так называемые волокна скольжения. Для некоторых видов асбеста характерно разноориентированное, иногда радиальное расположение волокон. Индивидуальные волокна под электронным микроскопом выглядят как тончайшие трубочки с наружными и внутренними диаметрами в сотые-тысячные доли микронов (мкм).

Индивидуальные волокна под электронным микроскопом выглядят как тончайшие трубочки с наружными и внутренними диаметрами в согые-тысячные доли микронов (мкм). Амфибол асбесты обладают более грубым волокном: диаметр их волокон измеряется десятыми-сотыми долями мкм. Длина волокон от десятых долей до 160 мм и более, наиболее часто она составляет 2-6 мм.

Человечество использует природные материала на протяжении всей истории, такие материалы используются обычно с минимальной обработкой, которая лишь усиливает нужные человеку свойства.

Впервые в качестве фильтров асбестовые трубки применила компания «Р. Lorillard» в 1952 году для своей марки сигарет «Kent'» с фильтром. Сорбционные свойства были высокие у фильтров с асбестом, но без использования предфильтра курильщик вдыхал и асбест. Производство таких сигарет остановлено в 1956 году.

До сих пор во многих производствах для фильтрации вина тоже используют асбест. В медицине применяемый фильтр Зейтца задерживает бактерии и примеси и используется в качестве холодной стерилизации для различных жидкостей. При этом волокно не является питательной средой для микроорганизмов.

Ни один из известных материалов заменителей асбеста не имеет всей гаммы полезных свойств, котрыми обладает хризотил-асбест:

- прочность на разрыв более 3000 Мпа - плотность от 2.4 до 2.6 г/см - температура плавления от 1450 до 1500 "С - коэффициент трения 0.8 единиц ^ л -.-.

—j щеиочесуойкость oii9.L ДО 10.3 рН і — удельная поверхность 20 м2/г Все методы пока осуществленные в виде поисковых исследований были направлены на изучение новых синтетических материалов, однако с момента получения изображения первой углеродной нанотрубки и до разработки промышленно выгодных методов их получения прошел немалый период, выявивший множество поблем: получение нанотрубок с заданными размерами неустойчиво, выход годного невелик, что повышает цену материала, неизучено воздействие на организм человека при длительном контакте и в различных концентрациях.

Глава III Формирование квантово-размерных структур 3.1 Методы анализа структуры, состава структур и анализ проявления ими квантово-размерных свойств.( Г';

у;

•. '_. v -in;

• Исследование структуры и свойств поверхности элементов наноэлектроники осуществляется в настоящее время с помощью зондовой микроскопии. Она позволяет получить трехмерную информацию о микрорельефе, данные об электронных характеристиках поверхности твердых тел с высоким пространственным разрешением. При этом, элементы наноэлектроники обладают квантово-размерными эффектами.

Для исследования квантово-размерных структур применяется ряд методов:

- сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) (scanning tunneling microscopy - STM);

- атомно-силовая микроскопия (ACM) (atomic force microscopy - AFM);

- просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) (transmission electron microscopy - ТЕМ);

- сверхвысоковакуумная отражательная электронная микроскопия (СВВ ОЭМ) (reflection high energy electron diffraction - RHEED);

- электронная оже-спектрометрия (ЭОС) (electron Auger spectrometry);

- комбинационное рассеяние света (KPC) (Raman scattering spectrometry);

игоричпая электронная масс-спектрометрия (ВИМС) (secondary-ion mass spectroscopy - SIMS).

Эти методы позволяют проводить исследования поверхности на атомном, молекулярном или нанокластерном уровне.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных временных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением.

3.2 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарским ученым Гердом Биннигом и Генрихом Рорером.

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле[6].

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстоянии в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный барьер, величина которой определяется значениями работы выхода электронов из материала зонда Ф(з) и образца Ф(о). При качественном рассмотрении барьера можно считать прямоугольным с эффективной высотой Ф, равной средней работе выхода материалов:

(3.1) Ф = 54 (Ф(з) + ф ( 0 ) ) Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна W = |А(1)| / [А(о)| = ехр (- kAZ), (3.2) где А(о) - амплитуда волновой функции электрона, движущего к барьеру;

А(1) - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего через барьер;

к - константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру;

AZ - ширина барьера (Рисунок 3.1)[7].

Е AZ А(о) Ф А(1) \ Рисунок 3.1 - Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде к = 4я V( 2 т Ф ) /' (3.3) При приложении к туннельному контакту разности потенциалов U между зондом и образцом появляется туннельный ток (3.4) I = I(o) exp ((-4л V( 2тФ) / h) AZ) При сканировании за счет поддержания постоянного зазора между зондом и поверхностью образца игла зонда описывает профиль поверхности, не касаясь ее. Наличие крутой зависимости тока от ширины зазора (барьера) позволяет использовать цепь обратной связи, регулирующую величину зазора за счет поддержания в цепи постоянного тока, величина которой задается в виде тока сравнения 1(ср) в цепи обратной связи. Любое отклонение от 1(ср) преобразуется в соответствующее напряжение U(z). Чувствительность пьезодвигателей может достигать порядка 20нм/В, что позволяет за один раз просканировать участок размерам до 10 на 10 мкм.

Некоторые современные модели СТМ позволяют сканировать участки поверхности размерами до 40 на 40мкм.0днако чем больше поле сканироваия, тем обычно ниже разрешающая способность СТМ (рисунок 3.1)[8].

Положение кончика зонда СТМ над поверхностью характеризуется соответствующими значениями U(x), U(y), U(z), а получаемое на мониторе компьютера СТМ - изображение поверхности представляет собой трехмерное изображение этих значений. Следует подчеркнуть, что полученное при режиме постоянного тока СТМ-изображение содержит одновременно информацию не только о микрорельефе, но и о распределении электронных свойств на поверхности. Локальное изменение высоты потенциального барьера может приводить к появлению на СТМ изображении выступов или впадин, отсутствующих на самом деле на поверхности. Искажения может вносить также и неоднородность распределения плотности электронных состояний вдоль поверхности.

Как и в случае с отклонениями в работе выхода, это приводит к изменению величины туннельного тока в зазоре игла-поверхность. Для сохранения заданного в цепи обратной связи 1(ср) при прохождении иглы над таким участком Рх-пьезодвигатель будет соответственно приближать или отводить иглу, изменяя величину s, что наблюдается на СТМ-изображении в виде выступов или провалов, определяемых в данном случае не реальным изменением высоты микрорельефа, а локальными изменениями величины тока в зазоре. В некоторых случаях, проводя измерения при различных UCM, можно выявить участки поверхности с различной плотностью электронных состояний и учесть их вклад в СТМ-изображение микрорельефа, однако более широко для этого используются методы сканирующей туннельной микроскопии [9].

3.3 Атомно-силовая микроскопия (АСМ) Для решения многих задач физики поверхности и микроэлектроники требуется производить детальный анализ локалных микроскопических характеристик, включая распределение микронеоднородностей заряженных, нейтральных и других дефектов на непроводящих поверхностях. Для этих целей можно использовать силы межатомного взаимодействия, возникающие между исследуемой поверхностью и подносимой к ней на расстояние (0,1... 10) нм диэлектрическим острием, т.е. методом атомно-силовой микроскопии.

Атомно-силовой микроскоп был изобретен в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью[10].

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связанно с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. Для этой цели широко используются оптические методы. Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение п/п лазера фокусировалась на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника (п/п фотодиоды).

А Лазер Линза Рисунок 3.2 - Схема оптичекой регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ При сканировании образца в режиме AZ=const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (х,у) (рисунок 3.2).

В качестве примера можно рассмотреть трехмерное АСМ изображение формирования квантовых проволок Ge на поверхности Si(l 11) (рисунок 3.2).

Формирование наноразмерных структур на кремнии ( квантовые точки и квантовые проволоки в системе германий-кремний) является наиболее развитым направлением в исследовании как процессов роста формирования таких структур, так и их специфических электрофизических, оптических и других свойств. При МЛЭ осаждении германия на поверхности кремния Si(lll) образуются квантовые проволоки. При этом проволоки вытянуты вдоль грани [112] и период 110 нм вдоль грани [110]. Они образуются в результате слияния квантовых точек. Данные квантовые объекты получены в SiGe /(111 )Si химическим осаждением из газовой фазы при температуре 500 С, с последующим термическим отжигом.

Изменением температуры отжига можно управлять размерами и расстояниями между квантовыми объектами[11].

3.4 Электросиловая микроскопия (ЭСМ) В электросиловой микроскопии (ЭСМ) для получения информации о свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом[12].

Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение U(o) и переменное напряжение U(~) = U1 Sin (wt). Напряжение между зондом и поверхностью можно представить в виде U = U(o) + U1 Sin (wt) (3.5) Система зонд-образец обладает некоторой емкостью С, так что энергия такой системы может быть представлена в следующем виде:

Е = CU /2 (3.6) Тогда электрическая сила взаимодействия зонда и образца равна = - grad(E) (3.7).

А ее Z (координата) - компонента может быть представлена в виде F(z) = -dE/dZ = - 1\2 U dC/dZ (3.8) Поскольку сама величина dC/dZ зависит от расстояния зонд образец., для исследования диэлектрических свойств образцов применяется двухпроходная методика[13].

Траектория-зонда Траектория ло вдового на первом проходе датчика на втором проходе Рисунок 3.3 - Двухпроводная методика ЭСМ На первом проходе с помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте w(o), и снимается ЭСМ изображение рельефа в «полуконтактном»

режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние Z(o), между зондом и образцом подается переменное (на частоте w=w(o)) напряжение, и осуществляется повторное сканирование. На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющий рельеф образца (рисунок 3.3). Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхность в каждой точке постоянно, изменение амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2w будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец вследствие изменения диэлектрических свойств образца[14].

Таким образом,. итоговый ЭСМ кадр представляет собой двухмерную функцию С (х,у), характеризующую локальные диэлектрические свойства образца.

3.5 Зонная структура в кристаллах с квантовыми точками и квантовыми ямами Для дальнейшего рассмотрения особенностей квантово размерных элементов, в частности квантовых точек, необходимо привести некоторые оценочные величины, позволяющие представить их размеры, плотность и другие параметры.

При этом в первую очередь важно построение энергетической зонной структуры.

В классической механике энергия частицы может принимать любое значение, говорят, что энергетический спектр классической частицы является непрерывным. Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что энергетический спектр частицы может быть как непрерывным, так и дискретным. При определенных обстоятельствах энергия частицы может принимать ограниченный набор значений. Поясним это на примере. На рисунке 3.5. А изображена одномерная прямоугольная потенциальная яма:

- если энергия частицы превышает значения U(o), то частица может свободно перемещаться вдоль оси X, если же энергия частицы меньше значения U(o), то частица локализована в яме.

U(x) U(x) U(o) ш L X О X 0 L В.

A.

Рисунок 3.5 - А- одномерная прямоугольная потенциальная яма, U(x) - потенциальная энергия, В - прямоугольная потенциальная яма отличается от случая А только большей шириной L.

В классической механике энергия частицы в этом случае имеет любое значение от 0 до U(o), а в квантовой механике существует конечное число уровней энергии ( минимум один в такой одномерной задаче). Число уровней зависит от ширины потенциальной ямы L, высоты потенциального барьера U(o) и массы частицы. Если мы будем увеличивать ширину ямы, число уровней энергии в яме будет расти (рисунок 3.5 В). При этом уровни будут располагаться все ближе и ближе друг к другу. В пределе, когда яма станет бесконечно широкой, энергетический спектр станет непрерывным.

Для свободной частицы с эффективной массой т *, движение которой в кристалле в направлении оси X ограничено непроницаемыми барьерами, разрешенные значения волновых векторов к имеет вид (3.9) к = пя/L = 2л/Цп) -где n - 1,2,3,....., Х-длина волны частицы, а энергия основного состояния по сравнению с состоянием без ограничения возрастает на величину ДЕ = 2 я2 /2 ш* L2 (3.10) Это увеличение энергии называется энергией равномерного квантования. Поэтому рассмотренный эффект часто называют квантово-размерным эффектом.

Рассмотрим теперь гетерепереходы с квантовыми ямами.

- Гереропереходом называется контакт двух различных по химическому составу полупроводников (они различаются ширинами запрещенных зон, постоянными кристаллической решетки и др. параметрами).

- Гетероструктурой называется полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами.

Все материалы, из которых делаются гетероструктуры, относятся к центрально части периодической системы элементов (таблица 1).

Таблицаі. Центральная часть Периодической таблицы элементов. Показаны элементы II - VI групп, которые широко используются в современной технологии гетероструктур.

II III IV V VI AI Si P S Zn Ga Ge As Se Ctl In Sb Те Hg Каждый элемент III группы может вступать в соединение с любым элементом V группы. При этом возникает соединение элементов III и V групп, так называемые AIIIBV. Наиболее часто используемое в технике соединение - арсенид галлия GaAs.

Для получения твердых растворов могут использоваться два или большее число отдельных соединений. Например соединение: алюминий - галлий - мышьяк, А1(х) Ga(l-x) As, (3.11) где х - доля узлов элементов III группы, занятых атомами А1, (х - 1) - доля узлов элементов, занятых атомами Ga.

В гетеростуктурах с квантовыми ямами средний узкозонный слой имеет толщину порядка нескольких сотен ангстрем, что приводит к расщеплению электронных уровней вследствие эффектов размерного квантования.

Идея использования структур с гетеропереходами в полупроводниковой электронике была выдвинута Г.Кремером и Ж.И.Алферовым которые сформулировали концепцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетероструктуры AI(x)Ga(l-x)As - GaAs, и в 2000 г. получили Нобелевскую премию.

Исследование свойств гетероперехода GaAs/AlGaAs и совершенствование технологии выращивания структур - дало возможность реализовать режим лазерной генерации при комнатной температуре.

На рисункеЗ.6 изображена двойная гетероструктура. Проведем мысленный эксперимент: будем уменьшать толщину среднего слоя.

Ситуация с точностью до наоборот отвечает описанной выше для одномерной потенциальной ямы: для тонких слоев начинает проявляться эффекты размерного квантования, непрерывный спектр «сменяется» дискретным набором уровней энергии.

- Каков характерный размер (в данном случае толщина слоя), при котором начинает йірать существенную роль квантоВомёх'анические эффекты? • - Он должен быть сопоставим с длиной волны электрона (дырки), которая вблизи дна зоны проводимости - Е(с) (потолка E(v)) составляет десятки постоянных решетки, т.е. толщина слоя должна быть в пределах одного - двух десятков нанометров.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.