Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 13

Если в ядерной физике этопонятие стало основополагающим, то приложения изотопического эффекта ватомной и молекулярной физике позволили получить результаты, которыетрудно переоценить. Благодаря этим результатам было построено зданиенауки двадцатого века – квантовой механики [63]. Последние пятьдесят лет81изотопический эффект стал одним из самых мощных методов изучениясвойств и структуры окружающего мира. Об этом красноречиво говорятмногочисленныеобзорыимонографии[34,63-73],посвященныеизотопическому эффекту стабильных изотопов. В последние годы всебольше исследований физики твердого тела проводится с использованиемрадиоактивных изотопов, о чем свидетельствует обширная литература [6768]. Хорошо известно большое и успешное применение радиоактивныхэлементов в медицине [69-70], направление в физике изотопов, котороенаиболее поддерживается материально в различных государствах.Так, использование радиоактивных и стабильных изотопов в медицине,промышленности, охране окружающей среды и других важных научныхприложениях позволило достичь грандиозных успехов в улучшении качестважизни не только в отдельно взятых странах, но и в целом во всем мире.Необходимо подчеркнуть, что количество (радиоактивных и стабильных)изотопов, используемых в современной медицине, огромно.

Кроме того,метод радиоактивной изотопической метки находит приложение почти вкаждой науке: медицине, биологии, физиологии, науке о питании,токсикологии, биотехнологии, которые являются типичными наукамичеловеческого существования. Не менее широко этот метод применяется и втехнических науках: физике, химии, агрономии, геохронологии, инженерии,без которых трудно представить существование человеческого общества [6970].Так, в настоящее время основным методом определения возраста (дляпериода последних 6000 лет) служит радиоуглеродный метод (периодполураспада14Сприблизительно 5700 лет). Для более ранних времениспользуются изотопы свинца, аргона, стронция, урана и т.д. [66]. Весьмаэффективнымметодомвгеохронологииявляетсятакжеметодтермолюминесценции [66].

В основе изотопической хронологии лежитпроцесс радиоактивного распада. Он происходит для каждого радионуклидас постоянной скоростью и приводит к накоплению конечных стабильных82изотопов,содержаниекоторыхсвязаносвозрастомисследуемогоархеологического объекта.Более того, очевидна ведущая роль физики изотопов при изученииприроды ядерных взаимодействий и реконструкции процесса нуклеогенезаво Вселенной [63], который мог бы объяснить наблюдаемую в природеотносительную распространенность химических элементов.

Отсюда понятно,что изотопические эффекты могут быть использованы и для развитиянанонауки.Какизвестно,нанонауказанимаетсяизучениемявленийиманипуляцией материалами на атомарном и молекулярном уровнях, накоторыхсвойствамакроскопическихвеществтел.Длясущественноизготовленияотличаютсяотнаноматериаловсвойствсоздаютсянанотехнологии. Научные изыскания в области нанотехнологий включают всебя разработку, описание, измерение характеристик, производство ипрактическое использование структур, устройств и систем, форма и размеркоторых контролируются на нанометровом уровне (как правило, менее100нм). Именно в структурах таких размеров начинают проявляться новыефизические свойства, обусловленные квантовыми эффектами: квантовыеосцилляции проводимости, резонансное туннелирование, оптоэлектронныеквантовые эффекты.Более сорока лет назад была опубликована известная работа Эсаки иТцу [71], посвященная квантовым ямам и сверхрешеткам.

Последниетридцатьлетхарактеризуютсяоптоэлектронныхсвойствогромнымнизкоразмерныхколичествомструктур:исследованийквантовыхям,квантовых проволок, квантовых точек [72,73].Изучениемструктурещеболеемалыхразмеровзанимаетсяизотоптроника. Как правило, эти размеры соизмеримы с размерами атома.83Изотоптроника – это новое направление нанонаукиИзотоптроника имеют широкое приложение в медицине, геохронологии,волоконно-оптической связи, вычислительной технике [14,32,36,60-73].Одним из направлений изотоптроники является создание новыхматериалов и наноструктур на базе сверхрешеток с помощью изотоповодного и того же химического элемента. Наиболее перспективнымитехнологиями изготовления изотопических сверхрешеток являются ядерныетехнологии.

Это - метод облучения тепловыми нейтронами [37], которыйможет стать очень успешным способом изготовления сверхрешеток,квантовых ям, проволок и точек [74-76].Особое влияние изотопические эффекты могут оказать на развитиенаноэлектроники. К таким изотопическим эффектам можно отнестиследующие особенности изотопов, которые могут быть использованы вустройствах оптоэлектроники [77-80]:1)идентичность структуры кристаллической решетки, котораяпозволяет создавать многослойные наноматериалы без механическихнапряжений между слоями;2)одинаковыехимические,норазныефизическиесвойства(например, различные спины ядер, разные величины запрещенных зон,позволяющие строить квантовые ямы и др.);3)различиявчастотахфононныхмод,которыеобратнопропорциональны корню квадратному из приведенной массы элементарнойячейки, что оказывает влияние на электрон-фононное взаимодействие ибыстродействие оптоэлектронных приборов;4)различиясказыватьсянавспектрахпоглощенияоптоэлектронныхсвета,характеристикахкоторыемогутмодуляторов,фотоприемников и других устройств;5)различия в спектрах рассеяния и зеркального отражения света,влияющие на оптические потери, быстродействие, эффективность лазеров ифотоприемников.84Таким образом, несмотря на то, что изотоптроника имеет самыеразнообразные области применения, наиболее интересным приложениемизотопических эффектов является область создания более совершенныхустройств обработки и передачи информации.

Так,изотопы широкоиспользуются в изотопической инженерии, например, для созданияматеринскихплатмикропроцессоровметодомтрансмутационноголегирования [21]. Дальнейшее развитие этого направления изотоптроники ввиде изотопической наноинженерии позволит сделать технологическийпрорыввсозданиивысокоэффективнойэлементнойбазытелекоммуникационных и вычислительных систем [75].Описание изотопического эффектаДля доказательства наличия изотопического эффекта необходиморассмотретьописаниеспектровкомбинационногорассеяниясвета.Идеальными объектами для этого являются полупроводниковые кристаллы( C , Si, Ge, α − Sn ) с алмазоподобной структурой. Этому способствует тот факт,что в настоящее время в наличии имеются качественные кристаллы,выращенные из изотопически высокообогащенных материалов.

Интереспредставляют также спектры комбинационного рассеяния света первогопорядка изотопически смешанных кристаллов элементарных и составных( СuCl , GaN , GaAs )полупроводниковсоструктуройцинковойобманки(алмазоподобной).Как известно, материалы со структурой алмаза характеризуютсятрехкратно вырожденными состояниями фононов в Г-точке зоны Бриллюэна.Эти фононы являются активными в спектрах комбинационного рассеяния.На рис.3.3 демонстрируется зависимость формы и положения линии первогопорядка оптических фононов в кристалле германия от различногоизотопического состава при температуре жидкого азота [51].85Рисунок 3.3. Интенсивность рассеяния оптических фононов в кристаллахгермания [51]Положение центра линий рассеяния обратно пропорционально корнюквадратному из приведенной массы элементарной ячейки. Дополнительныйчастотный сдвиг линии наблюдается для естественного изотопическогосостава и обогащенных образцов германия (0,34 ± 0,04;1,06 ± 0,04)см −1 .На рис.3.4 показан спектр комбинационного рассеяния света первогопорядка кристаллов алмаза с разной концентрацией изотопов [51].

Как видноиз рисунка, расположение максимума и ширина линии рассеяния первогопорядка в изотопически смешанных кристаллах алмаза зависят нелинейно отконцентрации изотопов x . Максимальный сдвиг этой линии составляет52,3см −1 , что соответствует двум предельным значениям:кривыхAиF .Аналогичнаяструктураспектровx = 0, x = 1 длянаблюдаласьдляэлементарных кристаллов Si, α − Sn и составных полупроводников СuCl, GaN .86Рисунок 3.4. Спектр комбинационного рассеяния в кристаллах алмаза [51]Представленные выше характеристики различных материалов нарис.3.3, рис.3.4 доказывают зависимость структуры спектров рассеянияпервого порядка от изотопического состава и химического элементакристалла.Приизотопическомзамещенииизменяетсяфононнаяволноваяфункция.

Значения энергии электронных уровней в уравнении Шредингерадолжны были бы остаться без изменения. Однако это не так, поскольку приизотопическом замещении изменяется не только фононный спектр, но иконстанта электрон-фононного взаимодействия [51]. По этой причинеразличны энергии электронных переходов в молекулах гидрида и дейтеридалития. Этот эффект будет максимален в твердых телах и при низкойтемпературе.Проявление изотопического эффекта можно проследить также напримере спектров зеркального отражения смешанного (2) и чистогокристаллов LiD (3), сколотых в жидком гелии (рис.

3.5).Там же длясравнения изображен спектр отражения кристаллов LiH(1) с чистойповерхностью. Все спектры получены на одной и той же установке и водинаковых условиях.87Рисунок 3.5. Спектры зеркального отражения [51]LiH (1), LiH x − D1− x (2), LiD (3), безLiHиLiD(4)Сростомконцентрациидейтериянаблюдаетсяуширениеикоротковолновый сдвиг главного максимума. Как видно из рис. 3.5, всеспектрыобладаютодинаковойдлинноволновойструктурой.Этообстоятельство позволяет связать структуру спектра с возникновениемосновного (главного максимума) и первого возбужденного (меньшегомаксимума) состояний экситона.

На рис. 3.5 нетрудно заметить увеличениеразницымеждувозбужденнымдвумясостоянияммаксимумами,экситона.соответствующимиЭтаразницавдвумрамкахводородоподобной модели обуславливает возрастание экситонного ридберга(энергии связи экситона) при изотопическом замещении. При 100%замещении водорода дейтерием величина экситонного ридберга (в рамкахмодели Ванье-Мотта) возрастает на 20% (от 40 до 50 мэВ ), а разница вширине запрещенных зон - на 2% ( зависит от температуры и при 2 - 4,2 Кэта величина составляет 103 мэВ ).