Диссертация (1090147), страница 26

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 26)

д.) зависит одновременно и отэнергетического спектра, и от вида функции плотности состояний,определяющей концентрацию электронов для каждого конкретного значенияэнергии [10].состоянийЭнергетическая зонная структура и функция плотностиопределяетсяразмерамикристалла.Макроскопическоетрехмерное тело с объемом VT имеет трехмерное к - пространство.Уравнения энергии электронов Е с эффективной массой m , возможныхсостоянийS и плотности состояний( dS / dE ) в таком образце имеютсоответственно следующий вид [10]:E = (( 2 ) /(2m))(k x2 ( k y2 ( k z2 ) = (( 2 ) /(2m)) k 2 ;S = ((VT ) /(3m 2 ))[(2mE ) /( 2 )]3 / 2 ;((dS ) /(dE )) = 2 [(VT m 3 / 2 ) /(m 2  2 )] E .177Каквидноизформул,плотностьоптическихсостоянийпропорциональна корню квадратному из энергии электронов.

Эта функцияописывает хорошо известное распределение Больцмана из классическойфизики.Одномерная структура (квантовая яма), характерная например, дляинвертированного слоя металла - оксида в полупроводниковых транзисторах,имеет следующее уравнение для энергий электрона E, Ei ( i - номер уровняквантования):E = ++ 2 ) /+2m))+k x2 + k y2 ) + Ei .Для случая пространственного ограничения по двум направлениям(квантовая проволока) энергия электроновE, Ein ( i, n - номера уровнейквантования) имеет вид:E = (( 2 ) /(2m))(k2x) + Ein.В этом случае электрон может без ограничения двигаться только вдольодного направления – вдоль квантовой проволоки.Ограничения движения электронов во всех трех направленияхприводит к образованию квантовой точки, а уравнение энергии электроновE, Einm ( inm - номера уровней квантования) описывается самым простымвыражением: E = Eimn .В этом случае плотность оптических состояний имеет лишьдискретные уровни, как в случае атома водорода или простой молекулы.С изменением вида функции плотности оптических состояний отнепрерывногодля макроскопических кристаллов до дискретного для178квантовых точек усиливается влияние волновых свойств электрона наэффективность электронных и оптоэлектронных приборов.Как было уже отмечено выше, понижение размерности электронных иоптоэлектронных приборов приводит к повышению верхней граничнойчастоты транзисторов, скорости работы микропроцессоров, более низкомупороговому току, например, при лазерной генерации в НРС и т.д.

[12,17].Такие изменения характеристик связаны с новыми свойствами квантовыхструктур, в первую очередь, с их волновыми свойствами.Изотопические материалыДля реализации преимуществ элементной базы на низкоразмерныхструктурах необходимо обеспечить совершенную кристаллическую решеткуисходного материала.

Это - отсутствие внутренних дефектов (любыхотклонений от упорядоченного расположения атомов в кристаллическойрешетке). Дефекты создаются, прежде всего, за счет посторонних атомов(недостаточной чистоты материала, зависящей от технологии производства),а также специфики изотопического состава исходных химических элементов.Изменение изотопического состава вещества может значительно улучшитьфизические свойства материала. Так, изотопическая очистка позволяетдобиться более совершенной кристаллической решетки, ослабить фононфононное и электрон-фононное взаимодействие. Это приводит к повышениютеплопроводности материала, подвижности носителей заряда, уменьшениюгенерацииэлектромагнитного(теплового)шума[120].Создание«гетеропереходов» с помощью разных изотопов одного и того жехимического элемента позволит снять механические напряжения и улучшитьоптоэлектронныесверхрешеток.характеристикиИспользованиеизотопическихядерныхструктур,технологийдлянапример,измененияизотопического состава материала (легирование тяжелыми изотопами) даствозможность создавать уплотненные слои внутри заготовки и моделироватьразличные наноструктуры (квантовые точки).

Таким образом, изотопические179материалыявляютсяперспективнымнаправлениемполучениянизкоразмерных структур. На рис.6.5 представлены основные направленияразвития изотопических материалов:1.Изотопическая очистка материалов различными способами.Изотопическоеобогащениеможетиметьместодляэлементарныххимических элементов (кремний, германий и др.) или соединений (диоксидкремния и др.), а также твердых растворов (арсенид галлия, алюминатарсенидагаллияидр.),получившихширокоераспространениевоптоэлектронике. Можно предположить, что очистка галлия от тяжелыхизотопов значительно повысит быстродействие носителей заряда и другиехарактеристики.

Материалы применяются для изготовления материнскихплат микропроцессоров, транзисторов и других изделий микроэлектроники.2.Легированиематериалатяжелымиизотопамиспомощьюнейтронного облучения для открытия запрещенной зоны как у графена;создание уплотненных слоев в заготовке для формирования фотоннокристаллического волокна; моделирование квантовых структур (проволоки,точек). Материалы применяются в наноэлектронике, ВОСП, вычислительныхгейтах квантовых процессорах др.3. Создание новых полупроводниковых материалов с помощью моделисверхрешетки с заранее заданными характеристиками, которые можноразделить на: а) изотопические сверхрешетки из изотопов исходногохимическогоэлемента(ИХЭ);б)композитныесверхрешеткиизизотопически очищенных твердых растворов (ТР); в) легированныесверхрешетки из слоев химических элементов с повышенной концентрациейтяжелых изотопов.

Материал может быть использован в оптоэлектронике,энергосберегающих технологиях, наноэлектронике и др.Преимуществапроявлятьсянаиспользованиявсехэтапахегоизотопическихиспользования:материаловбудутпроизводственных,эксплуатационных, конструкторских. Это связано с тем, что производство180изделий из изотопически обогащенных материалов можно осуществить наимеющемся оборудовании без дополнительных технологических изменений.Рисунок 6.5. Изотопические материалы электроникиТаким образом, основными направлениями развития изотопическихматериалов являются изотопическая очистка материалов, легированиетяжелыми изотопами, создание новых материалов с помощью моделисверхрешетки.6.2 Физико-технологические основы получения изотопического графенаГрафен является представителем графита и состоит из одноатомногослоя углерода.

Графен представляет собой двумерную сотообразную сетку,сформированную из sp 2 - гибридизованных атомов углерода (рис.6.6).Монослой графена, свернутый природой в определенном направлении, будетпредставлять собой новый материал - углеродную нанотрубку, которая в181зависимости от направления свертывания может обладать металлическимиили полупроводниковыми свойствами.Рисунок 6.6. Расположение атомов углерода в графене ( а1 , а 2 -векторарешетки, C h = na1 + ma 2 , где n, m − целые числа ) [11]Несколько слоев графена, соединенных между собой, образуют графит.Они отслаиваются, создавая иллюзию хрупкости графита. На самом деле,каждый слой графена прочнее стали в двести раз, обладает высокойгибкостью, позволяющей сворачивать его в трубочки диаметром нескольконанометров.

Графен – это полуметалл, зона проводимости и валентная зонасоприкасаются в К- точке зоны Бриллюэна (рис.6.7).Рисунок 6.7. Зонная структура графена [36]182Левая часть – полная картина зонной структуры, правая часть –линейная дисперсия (зависимость) энергии электронов в К точке зоныБриллюэна (см. ссылки [36]).В зоне точек, указанных на рис.6.7, дисперсия энергии имеет непараболический, как в большинстве твердых тел (полупроводников идиэлектриков), а линейный вид.

Это позволяет говорить о безмассовостирелятивистских электронов в графене, поведение которых описываетсяуравнением Дирака для фермионов, не имеющих массы. Таким образом,графен оказался первым материалом, где можно наблюдать эффектыквантовой электродинамики (см. ссылки [36]). Для того, чтобы на сменукремневой электроники пришла графеновая электроника, графен долженстать полупроводником. С этой целью ученые уже предложили нанотрубкииз углерода и графеновые нанополоски. Однако поиск других научныхметодов создания полупроводникового графена продолжается, в том числе иизотопическим методом.Овозможностисвидетельствуютвлиятьнаэкспериментальныеэлектронныеграфики(рис.свойстваграфена6.8),именно,арасположение G, D пиков рассеяния в зависимости от изотопическогосостава графена.

Как будет показано ниже, сдвиг G пика говорит о фактеоткрытия зоны запрещенных энергий.183Рисунок 6.8. Спектры комбинационного рассеяния света графена сразличной концентрацией изотопа С 13 при комнатной температуре с двумяпиками: G и удвоенным D (большим по величине) [36]Следует пояснить графики на рис.6.8: природа G пика обусловленавозбуждением фононов, характеризуемых симметричными колебаниямиатомов в центре зоны Бриллюэна.

Происхождение D пика обусловлено«дышащими модами» кольца из шести атомов. Эти моды, возникающие приналичии «дефекта» для их активизации, сначала сокращаются, затемрастягиваются аналогично процессу дыхания. Его природа связана свозбуждением фононов, вызванных поперечными оптическими колебаниямикристаллическойрешеткивК-точкезоныБриллюэна,которыеактивизируются внутризонными процессами рассеяния. Следует отметить,что все углеродные материалы с sp 2 -связью имеют общую закономерность вспектрах комбинационного рассеяния с пиками G и D около значений 1580 и1360 см −1 .Так, эффективным способом исследования графена является изучениеспектров комбинационного рассеяния света нагруженных образцов.

Характеристики

Список файлов диссертации