СОДЕРЖАНИЕ
Введение..............................................................3
Глава 1 Особенности спектра оптического поглощения квазинулымерной структуры с л$_) - центрами
1.1 Введение.....................................................24
1.2 Термы отрицательного молекулярного иона в квантовой
точке с параболическим потенциалом конфайнмента..............25
1.3 Эффект передислокации электронной волновой функции в
- системе................................................29
1.4 Коэффициент примесного поглощения квазинульмерной структуры с -центрами......................................................41
1.5 Эффект передислокации электронной волновой функции в спектре примесного поглощения квазинульмерной структуры..................47
1.6 Эффект подавления электронной интерференции в -системе
при наличии магнитного поля..................................54
Выводы к главе 1.............................................66
Глава 2 Молекулярные свойсгва иона в спектрах оптического поглощения квазинулъмерных структур
2.1 Введение.....................................................68
2.2 Расчет матричного элемента оптического перехода между § - и и -термами в -системе...............................................69
2.3 Спектральная зависимость коэффициента примесного поглощения, связанного с фотовозбуждением л|_) - центров.....................73
2.4 О возможности использования квазинульмерной структуры с
- центрами в качестве фотоприемника ИК - излучения 76
Выводы к главе 2.............................................79
Глава 3 Фактор пространственной конфигурации л|-)- центра в спектрах примесного поглощения квазинулъмерных структур
3.1 Введение.....................................................80
3.2 Зависимость § - и и - термов от фактора пространственной конфигурации молекулярного иона л|") в квантовой точке 81
3.3 Расчет матричного элемента оптического перехода электрона из £ -состояния л|-)- центра в размерно - квантованные состояния квантовой точки.................................................101
3.4 Спектральная зависимость коэффициента примесного
поглощения..................................................106
Выводы к главе 3............................................114
Заключение............................................................115
Библиографический список использованной литерату ры.............119
3
ВВЕДЕНИЕ
Возросший в последнее время интерес к физике низкоразмерных структур связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями (такими как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляций, и т. д.), так и с перспективами создания совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями. В этой связи особый интерес представляет нанотехнология молекулярных систем.
Впервые идея о том, что между электродами можно поместить несколько молекул или даже отдельную молекулу была впервые выдвинута в середине 70-х годов XX века. Эта концепция к настоящему времени реализована для отдельных компонент, однако производство интегральных цепей на молекулярном уровне связано с трудностью осуществления надежных и контролируемых контактов между молекулами. Возможным решением данной проблемы является «мономолекулярная» электроника, в которой отдельная молекула интегрирует в себе как элементарные процессы, так и межсоединения, необходимые для вычислений.
С точки зрения материалов для нанотехнологий и молекулярной электроники условно можно выделить три основных класса: полимеры, молекулярные ансамбли (molecular assemblies, selfaggregated systems) и единичные молекулы (smart molecules). Первый класс изучается наиболее давно и по общей совокупности работ, пожалуй, наиболее интенсивно. Второй класс - молекулярные ансамбли манометровых размеров - изучается сравнительно недавно. К ним относятся, например, агрегаты на основе порфиринов и других амфифильных молекул, получаемых из растворов. Исследуются наноразмерные молекулярные стержни и проволоки (molecular
4
rods and wires), в том числе в качестве интерфейса между неорганическими материалами (например, двумя металлическими электродами). Предполагается, что со временем будет происходить интегрирование с классической приборной базой.
Важную группу составляют также самоорганизующиеся монослои (selfassembled monolayers, SAMs) на основе органических молекул или цепочек различного строения, которые исследуются как перспективные передающие материалы при литографии, так и для изучения токопереноса вдоль контура сопряжения молекулы.
Третий класс или способ применения органических материалов в нанотехнологиях самый молодой. Это то, что в настоящее время называют emergent или futuristic technologies (внезапно возникающие или футуристические технологии). Если жидкокристаллические дисплеи, технологии CD-R, фотопреобразователи, сенсоры и другие устройства на органических материалах хорошо известны, то одномолекулярные устройства (приборы) в реальном производстве отсутствуют. Более того, если макроскопические свойства классических органических твердых тел (молекулярных кристаллов) имеют удовлетворительное теоретическое описание, то процессы, ожидаемые в одномолекулярных устройствах, видятся гораздо менее отчетливо [1,2]. И, тем не менее, истинно "наноразмерные" эффекты ожидаются именно в этом классе. Конструируются молекулярные наномашины и наномоторы (роторы), динамические молекулярные переключатели, транспортировщики энергии, устройства распознавания, хранения информации. Для исследования инжекции носителей и туннельного тока в отдельных молекулах совершенствуются методы зондовой микроскопии.
Большой успех достигнут в работе с молекулами псевдоротоксана (рис.
п.
5
Ммкумры* "пер~тъчатспъ'
Рис. 1 Молекулярный переключатель [3]
Удалось насадить такую молекулу, имеющую форму кольца, на ось -линейную молекулу. Для того чтобы кольцо не соскальзывало с оси, к ее концам присоединяются крупные молекулярные фрагменты, играющие роль "гаек" (в этом качестве использовались разнообразные донорные группы). При реакции с кислотой (#+) или основанием (В) кольцо может скользить от одного конца оси к другому, "переключая" химическое состояние. Эта изящная химическая молекула переключатель была известна еще в начале 90-х годов XX века, однако для практической реализации идеи требовалось еще придумать методы объединения и управления массивами этих нанодиодов. Эту задачу удалось решить, создав монослой одинаково ориентированных молекул такого типа на поверхности металла и осадив на него тончайший слой золота [3].
Отдельный интерес представляют полупроводниковые наноструктуры, такие как квантовые точки (КТ). Это связано с тем, что молекулярные состояния, которые могут быть получены с помощью технологии 5 -легирования [4], являются удобными объектами для наблюдения их электронных и оптических свойств. Действительно, КТ в этом случае интегрирует в себе как атомные, так и молекулярные процессы, которые могут быть использованы при разработке кубитов, а также фотоприемников с широкой полосой чувствительности, кроме того, в виду размерного ограничения важную роль начинает играть вид пространственного расположения атомов, формирующих молекулу в КТ.
6
Особенность квазинульмерных структур связана с очевидными трудностями, возникающими при исследовании кристаллитов размером несколько нанометров электрическими методами [5]. В настоящее время электронные процессы в КТ изучаются главным образом оптическими методами, причем исследуются не только массивы, составленные из отдельных КТ, но и квантовые молекулы (туннельно-связанные КТ) [6-8]. Рассмотрим более детально особенности роста полупроводниковых кристаллитов в аморфной матрице.
В процессе роста полупроводниковых кристаллитов при распаде пересыщенного раствора ионов в стеклообразной матрице можно выделить три стадии [9-13]. Первая стадия носит название стадии зародышеобразования, при этом степень пересыщения раствора практически не изменяется, а общий объем всех зародышей новой фазы настолько мал, что их образование и рост заметно не отражаются на «степени метастабильности» основной фазы, и поэтому мог бы считаться постоянной величиной определяемый этой степенью критический размер зародышей. На этой стадии происходит флуктуационное образование зародышей новой фазы, а рост каждого из них не зависит от поведения остальных зародышей
[14]. Вторая стадия, это стадия нормального роста. На этой стадии размер выделений полупроводниковой фазы монотонно увеличивается при неизменном их общем количестве, степень пересыщения раствора при этом снижается. На третьей стадии определяющую роль начинает играть поверхностное натяжение, поскольку кристаллиты имеют достаточно большие размеры, а пересыщение раствора мало. Динамика роста кристаллитов определяется в основном диффузионным массопереносом от частиц меньшего размера к частицам большего размера. Это связано с уменьшением свободной энергии системы за счет уменьшения поверхности раздела фаз. Такой этап роста часто называют «оствальдовским созреванием»
[15]. На второй стадии можно считать общее количество зародышей неизменным. В этом случае распределение частиц по размерам имеет вид
7
гауссиана. На стадии «оствальдовского созревания» можно считать постоянным общую массу полупроводниковой фазы. Тогда функция распределения по размерам представляет собой функцию Лифшица -Слезова [16]
где я*а/осм% е - основание натурального логарифма, а - радиус кристаллита. В процессе «оствальдовского созревания» кристаллиты, для которых а>аСп, интенсивно растут. Следует отметить существенную особенность роста кристаллитов /-VII в стеклянной матрице. Температура роста этих кристаллитов (500 - 600 °С) обычно превышает температуру плавления, которая для массивных кристаллов составляет 400 - 500 °С, а с уменьшением радиуса до 1,5 - 2 нм понижается до 200 - 250 °С. В результате охлаждения из-за различия в коэффициентах термического расширения объем кристаллита уменьшается больше, чем объем стеклянной матрицы, и кристаллиты оказываются внутри полостей, объем которых больше, чем объем кристаллита. Этот факт был установлен экспериментально при исследовании воздействия гидростатического давления на спектры экситонного поглощения кристаллитов СиС1, СиВг, Сги) в стекле [17, 18]. В отличие от этих соединений кристаллы II - VI имеют более высокий коэффициент термического расширения по сравнению с матрицей. В результате при охлаждении до комнатной температуры кристаллиты этих соединений испытывают давление со стороны матрицы [19]. Это обстоятельство стало причиной того, что влияние давления рассматривалось как механизм сдвига спектра кристаллитов в стекле по отношению к ширине запрещенной зоны для массивных кристаллов. Позднее было установлено [20], что истинная причина сдвига связана с эффектом размерного квантования [21].
34еи2 ехр[— 1 /(1 - 2ц /З)] />(«) = 2,,г (3 + и)1п (3/2 - и)*1/3 >
0,
и >3/2
и <3/2
0)
8
Возможность, как наблюдения квантовых эффектов, так и реализации соответствующих приборных структур определяется возможностью получения "идеальных" квантовых точек. Для большинства применений необходимо иметь квантовые точки в полупроводниковой матрице, позволяющей реализовать токовую инжекцию носителей в точки (полупроводниковые квантовые точки в стеклянных матрицах [22], на которых были проведены пионерские исследования в данной области, представляют интерес для ограниченного круга применений, а граница раздела стекло - полупроводник принципиально не может рассматриваться как бездефектная). Кроме того, желательно разнести уровни размерного квантования для носителей на энергию, превышающую 2-3 кТ при комнатной температуре, чтобы не допустить температурного заселения более высоко лежащих уровней. Для большинства полупроводниковых соединений это означает, что эффективный "радиус" точки не должен превосходить 50 А. С другой стороны, нижний энергетический уровень носителя в точке должен обладать, возможно, большей энергией локализации по отношению к энергии континуума (энергии края соответствующей зоны материала матрицы). В противном случае увеличение температуры приведет к термическому выбросу носителей из точек. Кроме того, точки должны обладать бездефектными гетерограницами и не должны содержать центров безызлучательной рекомбинации, чего, как правило, можно достичь, лишь используя прямые методы получения. Для реализации высоких значений максимального усиления необходимо получать плотные массивы однородных квантовых точек (в плоскости подложки для инжекционных гетеролазеров и (или) перпендикулярно плоскости подложки, что особенно важно для поверхностно-излучающих лазеров, каскадных лазеров и фотоприемников различных типов) [23].
Для получения квантовых точек использовались различные способы, например селективное травление структур с квантовыми ямами (КЯ) или рост на профилированных поверхностях. Наиболее же перспективными
9
оказались методы прямого получения с использованием эффектов спонтанного образования наноструктур, например рост на микроскопически упорядоченных фасетированных поверхностях [24], формирование упорядоченных монослойных доменных структур при субмонослойных осаждениях [25] и, особенно, формирование упорядоченных массивов квантовых проволок и точек за счет эффекта спонтанной морфологической трансформации упругонапряженного слоя [26]. В последнем случае образуются трехмерные островки, когерентные с подложкой. Островки, образующиеся на поверхности подложки (в случае роста по механизму Странского-Крастанова покрытой тонким "смачивающим" слоем упругонапряженного материала) обладают высокой однородностью по форме, размерам и упорядочены по своему относительному расположению [26,27], что, безусловно, открывает принципиально новые возможности как в области фундаментальных исследований нульмерных структур, так и их приборных приложений [23].
Одним из эффективных способов изготовления размерно-ограниченных структур является молекулярно-лучевая эпитаксия [28]. Она представляет собой совершенную технологию выращивания монокристаллических слоев с контролем толщины на уровне атомных размеров, которая позволяет создавать абсолютно новые структуры и приборы. Ее отличие от ранее существовавших различных методов вакуумного напыления заключается в высоком уровне контроля условий конденсации атомов или молекул и возможности управлять этим процессом с большой точностью. Вакуум в установках молекулярно-лучевой эпитаксии составляет Ю'!!-10‘10 мм рт. ст. Успехи технологии твердотельных электронных приборов были связаны в основном с соединениями А 1 В . Этот класс полупроводников эффективно применяется для создания быстродействующих высокочастотных приборов. Первыми были синтезированы такие соединения, как ваАя, СаР, А^.^а^, ваА^Ь/.х Были изготовлены высококачественные СВЧ и оптические приборы, требующие высокой точности изготовления различных слоев.
10
Таким образом были созданы полупроводниковые лазеры и СВЧ-транзисторы.
При последовательном выращивании слоев (?аЛ$ и (7д/.*Л/ЛЛ$, имеющих практически одинаковые параметры кристаллической решетки, можно вырастить совершенные структуры, содержащие двумерные электроны. В последние годы было обнаружено, что при пониженных температурах роста при монослойном росте полупроводника с параметрами кристаллической решетки, отличающимися от параметров решетки подложки, можно получить на поверхности роста почти одинаковые по размеру островки. Островки осаждаемого полупроводника пирамидальной формы практически не содержат дефектов и представляют собой КТ. В качестве примера можно привести осаждение Шб (параметр решетки а0 = 0,60584 нм) на подложке СоАб (ао = 0,56533 нм). Такой процесс получил название самоорганизации квантовых точек в процессе роста (рис. 2, а).
Движущей силой образования островков, а не плоского слоя является стремление системы к минимуму энергии. При несовпадении параметров решетки возникают упругие деформации как возникающего островка, так и подложки. Если в процессе роста поверхность остается плоской (пунктир на рис. 2, а), то энергия упругой деформации растет, а энергия поверхности не изменяется. При определенной толщине (обычно несколько монослоев) такая ситуация становится энергетически невыгодной. Минимуму энергии системы будет соответствовать образование трехмерных островков-пирамидок (стрелки на рис. 2, а), в которых основание будет сильно деформировано (для 1пАз на поверхности С/а/Ь* сжато), но деформация будет убывать по мере удаления от подложки к вершине пирамидки. Один слой 1пАя, называемый смачивающим слоем, отделяет пирамидки от подложки Таким
образом, движущей силой образования квантовых точек в процессе самоорганизации является уменьшение энергии деформации. Так, если на подложке из арсенида галлия растить слой арсенида индия, параметры решетки которого больше, то возникнут упругие напряжения, приводящие к
- Киев+380960830922