1. Структура и физические свойства точечных, линейных и двумерных нанообъектов

ХХ век начался с создания и осмысления нового раздела физики – квантовой механики, а закончился реальным воплощением основных положений квантовой механики в приборных квантово-размерных структурах и их широким практическим использованием.

Одним из фундаментальных понятий квантовой механики является волна де Бройля. Волна де Бройля отражает дуализм (двойственность) поведения квантовых объектов, проявляющих одновременно волновые и корпускулярные свойства. Де Бройль предположил, что движение любой частицы, обладающей импульсом , можно характеризовать длиной волны.

Например, для свободного электрона, движущегося с тепловой скоростью, соответствующей комнатной температуре (U ~ 5 · 10⁷ cм/с) длина волны де Бройля равна ~ 1,4 нм (т.е. 14 Å). В то же время в GaAs (m^* = 0,07 m_e), λ~20 нм, а в InSb (m^* = 0,013 m_e), λ~100 нм.

Если объект хотя бы по одной из осей координат имеет размеры, сравнимые с длиной волны де Бройля электрона, то в таком объекте электрон будет проявлять себя как квантовая частица. Например, в квантовой яме энергия электрона будет иметь дискретные значения и переход из одного энергетического состояния в другое потребует определенной энергии. Это явление называется квантовым ограничением. Физические свойства квантовых объектов отличаются от свойств тех же частиц в микроскопических масштабах.

Современная технология позволяет изготавливать объекты (слои, линии, точки) размерами несколько нанометров, в которых электроны проявляют квантовые свойства. Для объектов с макроскопическими размерами наличие волны де Бройля не учитывается из-за её малости.

1.1. Фундаментальные явления

В наноразмерных структурах поведение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) определяют три группы фундаментальных явлений: квантовое ограничение, баллистический транспорт и туннелирование. Все эти эффекты по своему происхождению представляют собой типичные проявления квантово-механической природы электрона.

Квантовое ограничение возникает, когда свободное движение волны де Бройля электронов в одном из направлений оказывается ограниченным потенциальными барьерами, образующими наноструктуру, в которой эти электроны находятся. Оно изменяет спектр разрешенных энергетических состояний и влияет на перенос носителей заряда через наноструктуры. Транспорт носителей заряда может, в принципе, осуществляться как параллельно, так и перпендикулярно потенциальным барьерам. При этом будет проявляться волновая природа электрона. В случае движения носителей вдоль потенциальных барьеров доминирующими эффектами оказываются баллистический транспорт и квантовая интерференция. Прохождение же носителей заряда через потенциальные барьеры имеет место исключительно посредством их туннелирования, что и обеспечивает перенос носителей из одной области наноэлектронного прибора в другую. В данном разделе рассмотрены физическая природа и основные закономерности проявления перечисленных фундаментальных явлений.