11.2. Төменгі өлшемді объектілердің классификациясы

Соңғы он жылда қатты дене физикасында зерттелу бағыты көлемді крсталл структурасынан аз көлемге ығысты.

Түрлі физикалық объектілердің спектральді сипаттамасы 11.2- суретте көрсетілген.

Бастапқыда зерттеушілердің көңілін қатты денелердің электрондары үшін Де Бройл λ_B толқын ұзындығына сәйкес келетін қалыңдығындай өте жұқа қатты пленкалардың жасалуы аударды. Жұмыстар көптеген жаңа құбылыстарды анықтауға әсер етті, олардың ішінде 1980- жылы фон Клитцингпен ашылған 1985-жылы Нобель сыйлығына ие болған квантты Холл эффектіісі бар.

Қатты денелер (әдетте шалаөткізгішті материалдар) деп олардың біреуі геометриялық параметрлері бойынша де Бройль толқын ұзындығына сәйкес келетін жағдайда аталады, бірақ кейбір жағдайларда басқа сипаттамалы ұзындықтарды қолданған ыңғайлы. Көптеген қолданатын шалаөткізгіштерде λ_B 10- нан 100нм дейінгі диапазонда болады. Соның арқасында ғалымдар оларды қызықтыратын квантты эффектерді ( квантты Холл эффекті, кулондық блокаданы, квантты өткізгіштікті және т.б) нанометрлі диапазонда бақылай алады.

11.2- сурет Түрлі физикалық объектілердің спектральді сипаттамасы

Төмен размерлі объектілерді нанометрлік кеңістіктік өлшемдердің саны бойынша классификациялау оңай.

Мысалы, бір нанометрлі өлшемі бар структураны екі өлшемді (2d) және кванты шұңқыр деп есептейді. Бір өлшемді болып (2d) квантты сымды болып табылады, оларда екі нанометрлі геометриялық өлшемі болады, ал нөлді өлшемді болып – барлық үш өлшемі де λ_B ретіне ие болатын объектілер табылады.

Заманауи оптоэлектроникада өте жұқа нанометрлі шалаөткізгіштік қабаты бар структуралар кеңінен қолданылады. Басқа өте қызық структуралар әр түрлі тыйым салу зонасы бар екі шалаөткізгішті өткелдердің (немесе гетероөткел) пайда болуынан алынады. Екі жағдайда да МДШ –структураларында пайда болатын шұңқырларға ұқсас аймақтың шекараларында электрондар үшін потенциялды шұңқырлар түзіледі.

11.3. Жартылайөткізгіштердегі кванттық эффект

1970- жылдың басында жартылайөткізгішті физикада жаңа бағыт- жартылайөткізгіштердің құрамы мен ерекшелігінде жасалған гетероструктура пайда болды. Ең қызығы болып наногетероструктура саналды. Оларда нанометрлі қалыңдықтағы пленкалар қолданылады. Нанометрлі размерде кванттық эффект пайда болатындықтан,оларды кванттық нүктелер деп атайды. Наноөлшемді жартылайөткізгіштер структурасында электрондардың қозғалысы шектеулі болғандықтан, олар принципиалды түрде макроскопиялық денеден электрондық күйдің тығыздығымен ерекшеленеді.

11.3-сурет Энергетикалық күйдің тығыздығы

1-үшөлшемді қатты дене; 2-кванттық шұңқырлар; 3- тармақтар; 4- нүктелер

11.3- суретте көрініп тұрғандай, кванттық эффект кванттық шұңқырлардан пайда болады, яғни электрондардың қозғалысы нанометрлі өлшемдермен шектелгенде.

Қазіргі уақытта молекулалы базаның есептеу құрылғысы болып табылатын кванттық нүктеге тоқталайық.

Кейде кванттық нүктені жасанды атом деп те атайды. Бірақ кванттық нүкте- үш кеңістікті өлшеуде де наноөлшемді болып табылатын атомдардың жиыны. Бұл системада электрондардың қозғалысы қарапайым механикалық- кванттық модельмен жасалған болуы мүмкін. Бұл модель Шредингер теңдеуімен сипатталады.

U(x, y, z) —потенциялды энергияның қорапшасы a, b, c жақтарымен

U(x, y, z) = U(x) + U(y) + U(z). (11.2)

x, y, z басқа мәндерінде U(x) =U(y) =U(z) =U0

n1, n2, n3 = 1, 2, 3, ..

Осындай әдіспен дискретті спектр кванттық нүктеге жауап береді.

Кванттық нүктеде орналасуы Паули принципімен орындалатын бір электроннан өте көп электронға дейін болуы мүмкін.

Молекулалы-сәулеленген эпитаксия әдісі арқылы кванттық нүктелерді аламыз. Бұл үшін жаксы дайындалған бетке затты (вещество) құрылысымен тозаңдырады. Тозаңдану жоғары вакуумда орындалу керек. Тозаңданудың жылдамдығы тез реттеледі, структураның кемшілігін алып тастау үшін. Странского–Крастанова режимінде кванттық нүктелердің пайда болуы InAs/GaAs система мысалында көрсетілген. Кристалды решеткалардың әсерінен серпімді кернеу пайда болады

Егер тозаңдану жалғасса, бірінші слой бетінде айырмашылық көбейеді жеке тамшылардың пайда болуы заттың бір тегіс орналасуына қарағанда тиімдірек. 11.4- суретте көрсетілгендей кванттық нүктелердің құрылысы бар пирамидалар пайда болады.

11.5-суретте көрсетілгендей бұл пирамиданы негізгі жартылайөткізгіш бетіндегі ақау ретінде қарастыруға болады, солардың әсерінен зонналық құрылымда аралас деңгей пайда болады – валенттік зонадан жоғары(кемтіктер), өткізгіштік зонадан төмен( электрон)

11.4- сурет Кванттық нүктенің жартылайөткізгішті тәжірибелік реализациясы

11.5- сурет. Кванттық нүктесі бар жартылайөткізгіштің зонналық құрылымы,