Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 14

Следует отметить, что непрерывноеизменение величины экситонного ридберга наблюдалось и в кристаллахтвердых растворов A3 B5 иA2 B6 (см. ссылки [51]). К настоящему времени88изменение величины запрещенной зоны при изотопическом замещениинаблюдалосьуженацеломрядеширокощелевыхиузкощелевыхполупроводниковых соединений.

Это свидетельствует о возможностисоздания «гетеропереходов» (гомопереходов) с помощью разных изотоповодного и того же химического элемента и использования изотоптроники дляполучения наноструктур.Таким образом, изменение числа нейтронов в ядре при постоянномчисле протонов составляет сущность изотопического эффекта.

В течениепоследних четырех десятилетий были проведены детальные исследованияизотопического эффекта на большом числе полупроводников и диэлектриков(см. ссылки [36,51]). В качестве еще одного примера на рис.3.6 представленырезультатыперенормировкиэнергиизапрещеннойзонысильнымвзаимодействием (добавлением нейтрона) в алмазе [36].Рисунок .3.6. Спектры катодолюминесценции кристаллов алмаза разногоизотопического состава при 77 К[36]На рис.3.6 участки A,B,C обусловлены соответственно излучениемсвободныхэкситоновсучастиемпоперечно-акустическихфононов((87 ± 2мэВ) , поперечно-оптических (141 ± 2мэВ) , продольных оптическихфононов (163 ± 1мэВ) . Пики B 2 и B 3 есть фононные повторения линии89излучения свободных экситонов (А) с участием двух и более поперечнооптических фононов, D 1 и D 11 - излучение связанных экситонов.При полном замещении12Cизотопом13Cувеличение ширинызапрещенной зоны в алмазе равно 14,7 мэВ (см.

ссылки в [36]).Описание изотопической наноинженерииВ настоящее время наиболее актуальной задачей науки и техникиявляется поиск новых материалов, способных повысить быстродействиеэлектронных и оптоэлектронных приборов для увеличения скоростипередачииобработкиинформацииввычислительныхителекоммуникационных системах.Какизвестно,быстродействиемикропроцессоров,модуляторов и других технических устройствоптическихзависит от размеровэлементной базы, электронных характеристик материалов, технологийпроизводства (точности изготовления геометрических размеров, чистотыматериала) [12,13,24].Переход элементной базы на полупроводниковые наноструктуры инанотехнологии связан с уменьшением размеров и улучшением качестваизготовления устройств электроники и оптоэлектроники.

Это способствуетзначительному повышению рабочей частоты транзисторов, эффективностилазеров, фотодетекторов и быстродействию оптических модемов. Однако,еще больший прорыв в увеличении скорости передачи и обработкиинформации можно достичь благодаря созданию новых материалов.Результатом такого научного поиска являются последние достижения вобласти углеродных нанотрубок, фуллеренов, графена [11].Однимпоставленнойизнаиболеезадачиперспективныхследуетсчитатьнаправленийвпроектированиерешенииновыхполупроводниковых материалов на базе сверхрешеток [10,11].В создании новых материалов большую роль может сыгратьизотопическая наноинженерия, занимающаяся проектированием новых90материалов с помощью использования изотопических эффектов и на основесобственных изотопов химических элементов (рис.

3.7).нанонаукиФизика изотоповЯдерная технологиянаноинженерияМолекулярнаяэлектроникаизотоптроникаИзотопическая наноинженериянанотехнологииИзотопическая нанотехнологияРисунок 3.7. Научные основы изотоптроники и изотопическойнаноинженерииПреимущества изотопической наноинженерии заключаются в том, чтоисходные вещества (собственные изотопы химического элемента) различныпо физическим оптоэлектронным характеристикам. Это позволяет создаватьпространственные ограничения для наноструктур без участия другиххимических элементов. Дефекты гетеропереходов влияют на движениесвободных носителей заряда, ухудшая оптоэлектронные характеристикиустройств.

Создаваемые из собственных изотопов гомопереходы не будутвызывать механических напряжений кристаллической решетки и влиять наволновые функции свободных носителей. Огромное влияние на качествоэлектронных и оптоэлектронных приборов оказывает чистота материала иточность изготовления изотопических низкоразмерных структур, которыеобеспечиваются современной нанотехнологией. Главное, что с помощьюизотопической наноинженерии можно получить элементную базу дляпринципиальноновыхтелекоммуникационныхустройствнаосновеквантовых принципов передачи и обработки информации.Как уже отмечалось выше, наиболее перспективным являетсяпроектирование новых материалов на базе изотопических сверхрешеток изразличных материалов, в том числе графена. Этот процесс осуществляется в91несколькоэтапов:выборисходногоматериала,математическоемоделирование изотопического состава на уровне атомарных слоев, поископтимального количества слоев, толщины и их формы, например, от плоскихи прямоугольных (графен) до объемных конусообразных (нанотрубки) ишарообразных (фуллерены) [1,11].

Одним из главных направлений являетсяпоиск оптимального расположения атомов (изотопов) в наноразмернойструктуре с учетом их взаимодействия. В основу решения этой задачи могутбыть положены два подхода. Первый подход подразумевает использованиеметодов молекулярной динамики и молекулярной механики, второй –методов квантовой химии [11]. Наиболее важным этапом в обоих подходахявляетсяпроектированиеоптимальнойатомнойконфигурациикристаллической решетки.Таким образом, основополагающими процессами для наноинженерииявляются колебания кристаллической решетки, образование квазичастиц(фононов), поведение носителей заряда (электронов и «дырок») в квантовыхструктурах, экситон-фононное взаимодействие, поглощение, отражение ирассеяние света в кристаллах из чистых изотопов или изотопическисмешанных структурах.Известно, что атомы и ионы, составляющие кристаллическую решетку,совершают взаимосвязанные колебательные движения, образующие упругиестоячие волны.

Каждый тип кристаллической решетки обладает своимихарактернымимодамииличастотамиколебаний,называемыминормальными. Как правило, колебательное движение решетки – этосуперпозиция многих колебательных мод. Если атомы одинаковы поразмерам, то колебания их совершаются в фазе и называются акустическими.Если атомы разнородны или расстояние между ними неодинаково, токолебания происходят в противоположных фазах и называются оптическими.Оптические моды находятся в инфракрасном диапазоне обычно на частотах(1012 − 1014 ) Гц [84]. Характерные частоты акустических мод значительно ниже.Оптические моды играют важную роль при взаимодействии вещества со92светом [85], так как их частоты совпадают с диапазоном инфракрасногоизлучения.

Для трехмерной кристаллической решетки возникают сразу тритипа волн (одной продольной и двух поперечных). Поэтому в трехмерномпространстве решетки приходится учитывать и поперечные, и продольныемоды как оптические, так и акустические. Максимальные частотыколебательных мод зависят от жесткости связей между атомами и их массы иограничены расстоянием между атомами, минимальные частоты – размерамикристалла [85]. Кроме описанных выше стоячих волн, в решетке возникаютбегущие волны, когда локализованная область колеблющихся атомов,называемая фононом, перемещается по кристаллу. Энергия фононовквантуется. Для описания колебаний кристаллической решетки используютмодельгармоническогоквантовогоосцилляторасобщеймассойколеблющихся атомов, с помощью которой рассчитывается энергияквантования колебаний.

При переходе квантового осциллятора из одногосостояния в другое (например, при поглощении фотона) энергия можетменяться только на величину E = ω . При этом колеблющейся системойиспускается квазичастица (фонон). Отсюда, энергию колебания решеткиможно рассматривать как сумму энергии нулевой колебательной моды и nфононов. Фонон, так же как и фотон, являются бозонами (спин равен нулю).Фононы могут взаимодействовать между собой и с другими частицами(электронами).Электрон-фононноевзаимодействиевлияетнахарактеристики оптических приборов (шумы фотодетектора, эффективностьлазеров,быстродействиеустройств).Причинамитранзистороввозникновенияидругихфононовоптоэлектронныхмогутбыть(кромеколебательных движений кристаллической решетки) процессы поглощения ирассеянияфотоновнаионахрешетки,механическиенапряжениякристаллической решетки, движение свободных носителей заряда, колебаниятемпературы окружающей среды и т.д.

Коэффициенты поглощения ирассеяния зависят от изотопического состава кристалла, что удалось доказатьс помощью колебательной спектроскопии [84]. Она основывается на том,93что частота колебательных мод решетки находится в инфракрасномдиапазоне (ИК), который соответствует энергетическим щелям многихполупроводников. Это позволяет исследовать кристаллы с помощьюфотонов. Энергия фотона вызывает переход мод в кристаллической решеткемежду двумя колебательными уровнями с образованием фонона. Затемпроисходит переизлучение другого фотона, энергия которого равна разностиэнергий: поглощенного фотона и фононной оптической моды (стоксовскиелиниивспектрерассеяния).Принятоподразделятьколебательнуюспектроскопию на ИК-спектроскопию и рамановскую спектроскопию.

Впервомслучаеколебательныемодывозникаютзасчетизмененияэлектрического дипольного момента, во втором случае – вследствиеизменения поляризации падающего света. Оптические фононы (рассеяниярамановскогопроисхождения)иакустическиефононы(болеенизкочастотные, называемые бриллюэновскими) относятся к неупругомурассеянию света ионами решетки, в отличие от рэллеевского рассеяния,которое происходит без изменения частоты.

В результате облучения образцасветом с широким диапазоном частот измеряют изменения интенсивностиотражения для тех частот, на которых материал кристалла поглощаетэнергию. Разница энергий характеризует особенности кристаллическойрешетки (образование колебательных мод) и оптические потери вполупроводнике (рис. 3.3).Из рис.3.3 видно, как положение центра полос рассеяния, обратнопропорциональное корню квадратному из приведенной массы элементарнойячейки,зависитотизотопическогосоставакристалла.Этотфактсвидетельствует о том, что на оптические потери в кристаллах существенновлияет изотопический состав.

Наличие такой связи подтверждается и нарис.3.4, где представлен спектр комбинационного рассеяния света первогопорядка кристаллов алмаза с разной концентрацией изотопов [32].Как уже отмечалось выше (рис.3.4), максимум и ширина полосырассеяния первого порядка в изотопически смешанных кристаллах алмаза94зависят нелинейно от концентрации изотопов. Аналогичная структураспектров первого порядка рассеяния светаи ее зависимость отизотопического состава наблюдалась также в элементарных Si, α − Sn исоставных полупроводниках CuCl, GaN . Эти сведения позволяют сделатьвывод о том, что выбирая полупроводниковый материал можно с помощьюочистки от тяжелых изотопов добиться уменьшения помех (тепловых шумов)для работы оптоэлектронных приборов, а также энергетических потерь засчет поглощения и рассеяния света в кристаллической решетке.Другимважнымобъектомисследованияипроектированияизотопических наноструктур является распределение энергетических зонэлектронов (дырок) в кристаллической решетке.