Диссертация (1090147), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Важно отметить идругие способы получения изотопически чистых материалов для созданияНРС. Это очистка исходного вещества от более тяжелых изотопов, например,масс-спектроскопическим методом, а также технология наслоения иливыращивания однородных слоев из одного и того же типа изотопа.Таким образом, моделирование поведения фононных мод в НРС ииспользование изотопической наноинженерии могут стать одним из главныхнаучных направлений в проектировании современных устройств передачи иобработки информации.Перспективы использования изотопических сверхрешетокОдним из наиболее перспективных направленийизотопическойнаноинженерии следует считать проектирование новых полупроводниковыхматериалов на базе сверхрешеток [10,11,21,48].Сверхрешетка–этомногослойнаяпериодическаяструктура,образованная путем чередования монослоев двух типов из полупроводников(рис.1.6) с близкими значениями постоянной кристаллической решетки.Концепция сверхрешетки, впервые предложенная Лео Эсаки в конце 60-хгодов и широко используемая, например, для производства материнских платмикропроцессоров [21], стала в настоящее время основной модельюпроектированияновыхискусственныхматериалов[10,11,49,50].Сверхрешетка напоминает структуру, состоящую из множества квантовыхям, но с меньшими размерами разделительных слоев, позволяющиминосителям заряда (электронам) туннелировать из одной квантовой ямы вдругую.
В результате происходит эффект расщепления энергетических зон,которыйизменяетоптоэлектронныеполупроводниковых материалов.характеристикиисходных46Рисунок 1.6. Модель сверхрешеткиОбразуютсямини-зоныи28Si / 30Si ( a - яма, b - барьер)мини-щели(рис.1.7),которыеможноиспользовать для создания, например, фотодиодов, улавливающих фотоны всверхдлинном инфракрасном диапазоне света [10]. Кроме того, привозрастании числа монослоев можно получить сверхрешетки, которые будутобладать «квазипрямыми» оптическими переходами в запрещенной зонедаже в случае использования непрямозонных полупроводников [10].Рисунок 1.7.
Диаграмма энергетических зон сверхрешетки из арсенидагаллия [10]Для изготовления качественных сверхрешеток требуется решитьследующие задачи. Во-первых, найти исходные вещества с минимально47возможными расхождениями постоянной кристаллической решетки, нодостаточными различиями в электронных характеристиках (например,ширине запрещенной зоны). На рис.1.8 [11] представлены графикизависимости ширины запрещенной зоны от постоянной кристаллическойрешетки для разных полупроводников.
Как видно из рисунка, минимальнаяразница составляет десятые доли нанометра. Но даже такая разница можетпривести к механическим напряжениям между подложкой и слоями, которыепроявляют себя в виде искажений проектируемых мини-зон и мини-щелей всверхрешетке.Примеры формирования напряженной сверхрешетки в случае, когдапостоянная решетки у материала подложки меньше или больше, чем уматериала монослоев изображен на рис.1.9 [11]. По достижении некоторойкритической толщины происходит релаксация посредством образованиядислокаций несоответствия.
При этом высвобождается накопленная внапряженном состоянии энергия и понижается полная энергия системы.Критическая толщина слоя решетки зависит от величины рассогласованияпостоянных решеток и модулей упругости материалов слоев и подложки притемпературе осаждения в процессе изготовления. Учитывая тот факт, чтотолщина слоев сверхрешеток очень мала (порядка нескольких атомарныхслоев),механическиенапряжениявслучаеразницыпостоянныхкристаллических решеток будут иметь место.
Это обязательно скажется нарасщеплении энергетических зон и качестве нового материала.Второй важной задачей при получении сверхрешеток являетсясоздание нанотехнологии и организация производства, обеспечивающихточность изготовления наноструктур менее 1нм, так как размеры монослоевсоставляют величину в несколько нанометров.48Рисунок 1.8.
Зависимость ширины запрещенной зоны от постояннойкристаллической решетки для разных полупроводников [11]Рисунок 1.9.Примеры напряженных эпитаксиальных слоев сверхрешетки [11]Точность изготовления геометрических размеров отдельных слоев(предельноеположительноеотклонениеотноминальногозначения)значительно влияет на параметры сверхрешеток и также сказывается наухудшении энергетических характеристиках (мини-зон и мини-щелей).Разрешающая способность самых совершенных нанотехнологий, например,молекулярно-лучевойэпитаксии,оптическойлитографиинабазесверхжесткого ультрафиолетового излучения составляют величину порядка10нм [ 11].49Как уже отмечено выше, для преодоления трудностей в созданиикачественныхсверхрешетокнаноинженерию[12,13,50],можноиспользоватьзанимающуюсяизотопическуюпроектированиемновыхматериалов на основе собственных изотопов исходного химическихэлементов.
В качестве технологий изготовления изотопических сверхрешетокнаиболее перспективны методы молекулярно-лучевой эпитаксии МЛЭ инейтронного трансмутационного легирования НТЛ.С помощью новых материалов на базе изотопических сверхрешетокможно создать следующие устройства в различных технических областях:1) телекоммуникациях - эффективные лазерные источники излучения,оптические модуляторы и фотоприемники для волоконно-оптической связи;2) энергосберегающих технологиях - фотодетекторы для солнечныхбатарей, фиксирующих «темные» фотоны, экономичные светодиоды;3) медицине - диагностическое оборудование в виде сверхточныхтепловизеров;4) транспортном машиностроении - приборы ночного видения;5) средствах обеспечения безопасности – устройства для сканированияпассажиров и багажа в аэропортах, на вокзалах и других местах массовогоскопления людей;6) устройствах определения качества различных продуктов – приборыоценки чистоты воды, химического состава бензина, вредных примесей мукии других посторонних веществ в сыпучих материалах;7)квантовых системах передачи и обработки информации –элементную базу для квантовых компьютеров и квантовой оптической связи.Таким образом, использование изотопической наноинженерии имодели сверхрешеток могут стать одним из главных направлений впроектировании новых материалов (функциональных сред) для элементнойбазы наноэлектроники.501.8 Выводы по главе1.
Сделанный прогноз темпов роста пропускной способности ВОСПпозволяет сделать вывод, что увеличение величины С на три порядка посравнению с 2015г. (1Тбит/с) возможно, главным образом, за счетувеличения скорости передачи сигналов путем уменьшения размеровбазовых элементов ВОСП и улучшения оптоэлектронных характеристикматериала (наноструктур), освоения новых диапазонов и совершенствованияоптического волокна.2.
Существующие физические и технологические пределы уменьшенияразмеров элементной базы электроники и оптоэлектроники свидетельствуюто том, что для дальнейшего повышения быстродействия требуются новыематериалы типа графена и создание производственно-технологичекихпроцессов их изготовления.3. Совершенствование производственно-технологического процессаизготовления базовых элементов ВОСП в будущем позволит уменьшить ихразмеры до величины отдельных молекул и атомов, что приведет кпринципиальному изменению понятия информации.
Переход на квантовыепринципы обработки и передачи информации потребует новых подходов кпостроению функциональных сред (наноструктур). Такую задачу можнорешитьспомощьюизотопическойнаноинженериииядернойнанотехнологии.4.Анализ путей повышения важнейшего эксплуатационного параметраВОСП - пропускной способности (до пета бит / с) за счет улучшения качествафункциональных сред базовых элементов позволил предложить новыенаучно-методическиеифизико-технологическиепринципыразвитияразработок, производства и эффективного применения модифицированныхнаноструктур и нанотехнологий.512 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОСП С ПОМОЩЬЮ НАНОИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ2.1 Влияние информационных технологий уплотнения оптическоговолокна на пропускную способность ВОСППропускнаяопределяетсяспособностьмаксимальнойоптическогоскоростьюволокнанапередачибазеВОСПинформации,обеспечиваемой техническим уровнем базовых элементов ВОСП (приемопередающей аппаратурой).
Эта скорость значительно уступает предельнымскоростям, соответствующим потенциальным возможностям ОВ по полосечастот. Величина пропускной способности ОВ во многом зависит оттехнологий уплотнения оптических волноводов, а именно, числа волновыхканалов, организованных с помощью ВОСП. Поэтому для оценкипропускной способности оптического волокна необходимо учитыватьвозможности информационных технологий уплотнения цифровых сигналов воптическом волокне, а именно: временного TDM и волнового WDMуплотнений [57].На основании формулы Шеннона максимальный объем информации V ,который можно передать по непрерывному каналу c помощью оптическоговолокна в полосе частот F (Гц) за время T (c), определяется следующимобразом [58]:V = T ⋅ F ⋅ D , (бит)где(2.1)D = log 2 ( Pс / Pш ) – динамический диапазон оптического канала,Pс - мощность оптического сигнала на входе приемника,Pш - мощность шума на входе приемника, состоящего из шумаоптического предусилителя и теплового шума фотодетектора [2,56].ДинамическийдиапазонD-этоколичествобитинформации,приходящееся на одну выборку сигнала.
После операций квантования на 25652уровней и двухпозиционного кодирования каждый оптический импульсбудет нести следующее количество бит информации ( ρ 1 ) :D 1 = (og 2 o ) / n ,(2.2)где n = 8 - число разрядов в кодовом слове,ρ = Рс / Рш .Поделив левую и правую часть выражения (2.1) для объема V на времяT , получим формулу Шеннона, которая описывает пропускную способностьCоптического волокна. Это – максимальное количество информации,переданное за время T .Значения параметров T , F , D для оптического цифрового каналасоответствуютпериодутактовойсинхронизации,ширине«окнапрозрачности» оптической несущей, отношению мощностей полезногосигнала и шума на входе приемника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
