18. Принципи наноелектроніки

1. Наявність штучної над кристалічної періодичності в твердих тілах з характерним періодом ~10 нм, порівнянним з дебройлівською довжиною хвилі електронів в кристалі, приводить до квантового розмірного ефекту, внаслідок чого суттєво змінюється структура зонної діаграми твердого тіла та з'являються принципіально нові властивості. Головна особливість таких елементів – використання тунельного ефекту замість дрейфового руху носіїв у напівпровідникових приладах. Значно поліпшуються як електричні параметри(внаслідок того, що швидкість електронних хвиль де Бройля на порядок вища за дрейфову, набагато зменшуються втрати і шуми), так і конструктивні (завдяки зменшенню розмірів елементів). Отримання принципово нових властивостей твердого тіла за рахунок управління штучною періодичністю в його будові називають кристалоінженерією.

2. Використання органічних молекул для реалізації функцій обробки інформації (логіка, пам'ять) складає сутність молекулярної електроніки.

3. При поступовому зменшенні розмірів твердого тіла змінюються значення параметрів, які характеризують його властивості (температура плавлення, робота виходу тощо), а також його геометрична форма. Утворюються нова фаза речовини – мікро кластер – система до кількох сотень частинок, зв'язаних між собою. Відкриті кластерні молекули – фулерени. Тонкі плівки з мікрокластеров застосовуються для створення над малих електронних приладів.

4. В результаті досліджень тунелювання електронів через перехід, утворений двома електропровідними матеріалами, відокремленими тонким (~1 нм) шаром діелектрика при характерному розмірі тунельної поверхні 100…10 нм виникла одноелектроника. За таких розмірів відбувається квантування зарядів – електрони тунелюють поодинці.

5. Наноелектронні прилади виготовляють методами нанотехнології, в основі якої лежить використання молекулярнопроменевої епітаксії.

19. Надграти. Зонна діаграма надграт

Надрешітки (superlattices) - це твердотільний матеріал із періодичною зміною шарів з різними властивостями вздовж одного напряму. Це приводить до модуляції періодичного потенціалу кристалічної решітки твердого тіла, що по суті виконує ролю "несучої частоти". Напівпровідникові надрешитки (НР) були вперше виготовлені в 70-тих роках, а металічні в 1980 році.

Мал. №11

Надрешітки можуть бути виготовлені різноманітними способами, проте найбільш вживаним є молекулярнопроменева епітаксія та спутерінг (Sputtering). Цими способами досягають товщини періоду НР в декілька атомних шарів. Типова структура НР у вигляді [Fe20V30]20, що по суті є бінарною із 20Å заліза (Fe), а потім 30Å ванадію (V), причому повторюючись 20 разів вздовж осі НР, сумарної товщини 1000Å чи 100nm.

Структурна якість НР перевіряється на практиці за допомогою дифракції X-променів, що продукує резонансну структуру максимумів. Також використовується дифракція Н'ютона. Інші методи діагностики: гігантський магніторезонанс, регульоване відображення Х-променів та нейтронні дзеркала, спінова поляризація нейтронів, та зміни елестичних та акустичних властивостей. В залежності від природи компонентів, НР можуть бути названі магнітними, оптичними чи напівпровідниковими.

Рух носіїв заряду в НР модіфікується до властивостей конкретної НР. Це приводить до суттєвого збільшення рухливості носіїв (використовується в мікрохвильових приладах), чи в спеціалізованих оптичних приладах, таких як напівпровідникові лазери.

Також існує клас квазіперіодичних НР названих по Фібоначчі. НР Фібоначчі вивчаються за допомогою одновимірної моделі для квазі- кристалу, де взаємодія електронів, або їх енегрія приймає два значення, що корелюють з числами Фібоначчі.

Мал. №12

Штучна періодичність НР радикально змінює електронні властивості

напівпровідників. Зонна діаграма композиційної НР системи GaAs/AlGaAs приведена малюнку зверху. Внаслідок тунелювання електронів через періодичні потенціальні бар'єри, утворені шарами AlGaAs, зонна діаграма розщеплена на набори міні-зон 1 і 2 відповідно у зоні провідності та валентній зоні; E_C і E_V відповідно енергетичні рівні дна зони провідності та найвищий рівень валентної зони. Для Для прояву «міні-зонного спектра згідно із законами квантової механіки ширина зони повинна бути істотно більшою від пов'язаної з розсіюванням носіїв невизначеності за енергією: Ех>>ħ/τ=h/2πτ, де h – стала Планка; τ – час релаксації. Ця нерівність відповідає умові: d<<ℓ, де ℓ - довжина вільного пробігу носіїв.