Законы теплового излучения Фотоэффект Квантовый гармонический осциллятор Операторы энергий Ядерная  модель атома Спин  электрона Квантовые  генераторы Бозоны  и фермионы Зонная  теория твёрдых тел Электропроводимость  металлов


Курс лекций по физике

КВАНТОВЫЕ  ОБЪЕКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Цель нанотехнологий состоит в управлении поведением отдельных наночастиц (атомов, молекул, молекулярных систем) при создании новых наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Приборы нанотехнологий

1). Сканирующий туннельный микроскоп.

Принцип работы был рассмотрен в лекции, где излагался туннельный эффект.

СТМ позволяет изучать поверхность проводящих образцов путём измерения туннельного тока между образцом и острой иглой, подводящейся к нему на расстояние, составляющее доли нанометров.

Важной особенностью СТМ является то, что помимо измерительных функций наблюдения он может выполнять и активные исследовательские функции: осуществлять захват и перемещение отдельных атомов, проводить локальные химические реакции, манипулировать отдельными молекулами, атомами и даже квантовыми точками , собирая из них заранее заданные структуры.

При горизонтальном способе перемещения атомов по поверхности образца игла СТМ осуществляет «перекатывание» атома по поверхности.

Процесс вертикального перемещения атомов подобен работе башенного крана. Атом с помощью иглы СТМ отрывают от поверхности образца, перемещают в нужное место и затем опускают и «отцепляют», приближая остриё к поверхности и переключая напряжение на игле.

2). Атомно-силовой микроскоп.

АСМ в отличие от СТМ позволяет исследовать поверхности не только проводников, но и полупроводников и диэлектриков.

В основе работы АСМ лежит ванн-дер-ваальсовское взаимодействие между атомами заострённой иглы, подводимой к поверхности образца, и атомами поверхности.

При больших расстояниях r между остриём иглы и поверхностью образца действует сила притяжения. При малых r электронные облака атомов поверхности и острия перекрываются, что приводит к электростатическому отталкиванию. Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга при r = r*  0,2 нм.

27 – 2

Обычно используют бесконтактный метод, когда r  и режим работы «постоянной силы».

Игла АСМ расположена на конце миниатюрной гибкой консольной балки – кантилевера, изгиб которого регистрируется оптическим или пьезорезистивным зондирующим узлом.

Современные АСМ позволяют проводить исследования поверхнос-

ти с очень высоким разрешением, вплоть до атомных при изучении неоргонических и синтетических материалов и биологических объектов.

  Оригинальное применение методам АСМ нашли в IBM. Они предложили принципиально новое квантовое устройство записи и хранения информации («Многонож-ка»), принцип работы которого основан на механическом сканировании системой из большого количества АСМ-зондов (4096 шт) тонкой полимерной плёнки толщиной 70 нм, нанесённой на кремниевую подложку. При этом чип размером в 5 см2 может хранить информацию, содержащуюся на 25 DVD-дисках (~ 153 Гбайт).

Объекты нанотехнологий

Это объекты, имеющие кристаллическую структуру с размерами хотя бы в одном направлении от 0,1 нм до 1 мкм .

Квантовая яма – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении.

На практике квантовую яму можно получить, расположив тонкий слой полупроводника с меньшей шириной запрещённой зоны (Ез1) между двумя более толстыми слоями полупро-водника с большей шириной запрещённой зоны.

В верхней яме помещаются электроны, в нижней – дырки.

27 – 3

Квантовая нить (проволока) – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в двух направлениях.

Квантовая точка – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в трёх направлениях, как в потенциальном ящике. Квантовые точки формируются подобным образом как и квантовые ямы. Они представляют собой выращенные специальным образом наноостровки-включения одного полупроводника в матрице или на поверхности другого полупроводника.

Квантовые точки могут иметь форму пирамид, сфер, сплющенных капель и т.д., но всегда это своеобразная ловушка, удерживающая электроны внутри себя.

Поведение электронов в квантовых точках хорошо описывается моделью потенциального ящика. Это касается как дискретности энергетического спектра электрона, так и плотности вероятности нахождения электрона в том или ином квантовом состоянии.

Квантовую точку можно рассматривать как «искусственный атом», лишённый ядра.

На основе квантовых точек создаются новые виды полупроводниковых сверхмалых лазеров и другие принципиально новые устройства и методы исследований во всех областях современных высоких технологий и биологии.

Углеродные нанотрубки – представляют собой цилиндрическую поверхность, образованную правильными шестиугольниками из атомов углерода. При диаметре от долей нанометра до нескольких нанометров углеродные трубки могут достигать в длину несколько сантиметров.

В зависимости от размеров и структуры нанотрубки могут обладать свойствами как проводников так и полупроводников.

Проводимость нанотрубок, обладающих металлическим типом проводимости, может быть очень большой. Они могут пропускать ток плотностью  до 109 А/см2 , тогда как медный провод из-за джоулева нагрева плавится уже при  j = 106 А/см2.

Углеродные нанотрубки обладают также уникальными механическими свойствами, что является следствием их атомной структуры. Предел прочности однослойной углеродной нанотрубки более чем в 20 раз выше, чем у стали, а плотность в 4 раза ниже (детали в 4 раза легче стальных и в два раза легче деталей из магниевых, титановых и алюминиевых сплавов).

Структурные и электронные свойства нанотрубок обеспечивают широкие возможности их использования при создании электронных устройств нанометровых размеров – выпрямителей, транзисторов, осцилляторов с очень высоким быстродействием, плоских мониторов, катодолюминисцентных источников света и т.д.

Ожидается, что плотность записи информации в наноэлектронике будет больше, чем в кремниевой микроэлектронике, примерно на три порядка.

Уникальные перспективы имеют углеродные нанотрубки в медицине, в частности при создании мозговых имплантов головного мозга , а так же в информационных нейросетевых технологиях и при создании искусственного интеллекта.

Три основных направления развития нанотезнологий

1). Создание электронных схем, размеры активных элементов которых сравнимы с размерами атомов и молекул.

2). Разработка и изготовление нанороботов молекулярных размеров.

3). Сборка из атомов и молекул любых структур и конструкций.


Собственная и примесная  проводимость полупроводников