Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
54
Добавлен:
30.03.2015
Размер:
1.78 Mб
Скачать

Нанотехнологии и наноматериалы.

Элементы квантовой механики наносистем.

Виталий Алексеевич Горбунов

Содержание лекции

Основные идеи и принципы квантовой механики.

Квантово-размерные эффекты в нанообъектах. Квазичастицы в твердом теле. Квантовые точки. Нитевидные кристаллы, волокна, нанотрубки,

тонкие пленки и гетероструктуры.

Электропроводность нанообъектов. Баллистическая проводимость.

Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада.

В.А. Горбунов, Омск 2013

2

Наноэлектроника

Конец XX века – начало XI века – всё возрастающее влияние полупроводниковой микроэлектроники на общество.

Вычислительная техника Информатика Средства связи

Уменьшение размеров ключевых

22 нм

элементов – интегральные микросхемы

 

Отклонение от классических законов

Проявление квантовых эффектов

Наноэлектроника – это отрицание микроэлектроники (другие законы).

В.А. Горбунов, Омск 2013

3

Планетарная модель атома

Спектры для водорода

Атомы имеют ряд стационарных состояний, соответствующих определенным значениям энергий. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает.

В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам.

Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое.

В.А. Горбунов, Омск 2013

4

Гипотеза де Бройля

С движущейся частицей связан волновой процесс (карта существования частицы)

Длина волны процесса

λ

h

p

 

 

Объясняет правила квантования в модели Бора (целое число длин волн, иначе – деструктивная интерференция)

Свободный электрон : m = 9,1∙10-31 кг → λ= 3 нм

Микроб: m = 10-15 кг → λ= 0,001 нм

В.А. Горбунов, Омск 2013

5

Принцип неопределенности Гейзенберга

Волновой процесс не определяется в одной точке пространства и в определенный момент времени:

ΔxΔp h ΔEΔt h

Положение частицы нельзя измерить точно на длинах

Δx h/ Δp λ

то есть, положение частицы можно определить с точностью до длины волны де Бройля)

Энергию частицы нельзя измерить точно на временах, меньше периода волнового процесса

Δt h/ ΔE 1/ ν T

mp me

В.А. Горбунов, Омск 2013

6

Природа волнового процесса

Состояние частицы полностью задается его волновой функцией

Ψ(x,y,z,t)

Волновая функция – комплексная величина Ψ Ae

где A – амплитуда, φ – фаза,

ecosφ i sinφ, i2 1

Вероятность Δω найти частицу в объеме V равна

Δω Ψ2 ΔV A2ΔV

В.А. Горбунов, Омск 2013

7

Уравнение Шрёдингера (1926)

 

 

2ψ(x) U(x) E ψ(x) 0

2m

 

x2

Для свободной частицы U(x) = const = 0

Решение:

ψ(x,t) Ae iωt ikx

(плоская монохроматическая волна де Бройля)

Уравнение колебаний с частотой Ω

ψ Ω2ψ 0

Ω 1 2m(E U)

В.А. Горбунов, Омск 2013

8

Виды твердых тел и квазичастиц

энергия электрона

проводники

полупроводники

диэлектрики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EF

Eg

- kT (тепловая энергия) = 0,026 эВ Eg 3эВ

Электроны проводимости qe = -e = 1,6∙10-19 Кл

 

Дырки (незаполненные места в валентной зоне) qh = e = 1,6∙10-19 Кл

Законы

Эффективные массы электронов и дырок m*=(0,1-2)m0

КМ

 

Фононы

Плазмоны

 

В.А. Горбунов, Омск 2013

9

Уровень Ферми и распределение фермионов

Распределение Ферми-Дирака:

f(E,T)

1

 

 

 

 

exp(

E EF

) 1

 

 

 

 

 

kT

EС

=

 

 

EF

 

 

 

 

EV

Eg

 

 

 

 

В.А. Горбунов, Омск 2013

10

Соседние файлы в папке лекции нанотех Горбунов