Анищик В.М., Борисенко В.Е., Жданок С.А., Толочко Н.К., Федосюк В.М. Наноматериалы и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

барьером. Это проникновение, характеризуемое коэффициентом пропуска-

ния, увеличивается по мере увеличения Е и приближения к U

. Функция

)(x

, называемая плотностью вероятности и показанная на рис. 1.6, харак-

теризует вероятность отыскания падающей квантовой частицы. Она осцил-

лирует перед барьером и экспоненциально затухает за ним. Если же потенци-

альный барьер бесконечно высок или, по крайней мере, U

/E » 1, проникно-

вение за барьер отсутствует. При этом коэффициент пропускания равен ну-

лю, а коэффициент отражения равен единице. Имеет место идеальное отра-

жение, сопровождаемое интерференцией падающей и отраженной волны с

левой стороны барьера. Эта интерференция и приводит к осцилляции плот-

ности вероятности отыскания частицы вблизи барьера. И проникновение

квантовой частицы за потенциальный барьер, и осциллирующий характер ве-

роятности ее нахождения вблизи барьера являются типичными проявлениями

квантово-механических закономерностей, не имеющих аналогий в классиче-

ской механике.

Мистические с точки зрения классической механики особенности возни-

кают и при движении квантовой частицы над ступенчатым потенциальным

барьером, т.е. при Е > U

. Классическая механика не предполагает никакого

отражения частицы от барьера в этих условиях. Квантовая же механика дает

коэффициент отражения, отличный от нуля. В результате длина волны, пред-

ставляющей квантовую частицу, приближающуюся к барьеру,

2/1

)2/( mEh

, превращается в

2/1

)](2/[ UEmh

, когда частица пересе-

кает границу x = x

и движется над барьером.

Потенциальные барьеры ступенчатой формы важны для ограничения

электронов в определенной области пространства. Однако барьеры опреде-

ленной толщины, допускающие сквозное туннелирование электронов между

разделенными таким барьером областями, наиболее часто используются в

наноэлектронных приборах. Рассматривая прохождение электрона через

прямоугольный потенциальный барьер (см. рис. 1.6), будем полагать, что он

имеет конечную высоту U

и толщину а = х

– х

. Классическая частица с

энергией Е < U

не может пройти через такой барьер. Она будет отражена в

так называемых классических точках поворота. Классическая точка поворота

– это точка с координатой х на границе потенциального барьера, в которой

полная энергия частицы Е равна потенциальной энергии барьера U(x). Ско-

рость классической частицы в этой точке обращается в нуль, и она начинает

двигаться в обратном направлении. Для прямоугольного туннельного барьера

координаты точек поворота (x

и х

на рис. 1.6), совпадают с границами барь-

ера.

Для квантовой частицы с аналогичным энергетическим соотношением

существует ненулевая вероятность обнаружить ее на противоположной сто-

роне потенциального барьера, что называют туннельным эффектом. Важно

отметить, что вероятность нахождения квантовой частицы остается постоян-

ной за барьером и осциллирует перед ним. При этом в осциллирующей части

значения вероятности в отдельных точках оказываются даже ниже, чем в об-

ласти за барьером. Туннельная прозрачность симметричного прямоугольного

потенциального барьера характеризуется коэффициентом пропускания в виде

)(sinh

)(4

1 ak

EUE

. (1.17)

Коэффициент отражения есть R = 1 – Т. В большинстве практически

важных для электронного туннелирования случаев произведение ak

доста-

точно велико, чтобы сделать член с sinh

(ak

) преобладающим над 1, что по-

зволяет получить упрощенное выражение для коэффициента пропускания

)(2

exp

)(4

EUm

EUR



. (1.18)

Существует также полезное представление прямоугольного барьера в виде δ-

функции. Это происходит, когда высота барьера U

стремится к бесконечно-

сти, а толщина барьера а уменьшается до нуля, так что произведение S = aU

остается постоянным. Коэффициент пропускания такого барьера есть



(1.19)

Туннельная прозрачность потенциального барьера произвольной формы U(x)

может быть оценена с помощью выражения

))((2

exp

dxExUmT



, (1.20)

где x

и х

точки поворота, определяемые из условия U(x

) = U(x

) = E.

Рис. 1.7 качественно иллюстрирует изменение коэффициента пропуска-

ния барьеров различной формы в зависимости от отношения энергии падаю-

щего на барьер электрона Е к высоте барьера U

Удивительно, что электронная волна, распространяющаяся над симмет-

ричным прямоугольным барьером, так что E > U

, демонстрирует немоно-

тонное, фактически резонансное поведение. Максимум надбарьерного пере-

носа, соответствующий Т = 1, имеет место только для электронов с опреде-

ленными энергиями



, (1.21)

где n = 1,2,3,....

Рис. 1.7. Коэффициент переноса в функции отношения энергии электрона и высоты

потенциального барьера (Е/U

) для различных форм потенциального барьера [2]

Таким образом, прямоугольный барьер не влияет на надбарьерное про-

хождение электронных волн только с длиной волны λ = а/2, a, 2a, 4a, … . При

других соотношениях падающие электронные волны частично отражаются

барьером. Надбарьерный резонанс имеет место и в других системах, напри-

мер при распространении микроволн.

Электронное туннелирование является достаточно общим явлением для

твердотельных структур. При этом в наноструктурах это явление приобрета-

ет специфические особенности, отличающие его от эффектов в объемных

системах. Одна из таких особенностей связана с дискретной природой пере-

носимого электронами заряда и обнаруживает себя в явлении, которое из-

вестно как эффект одноэлектронного туннелирования. Другая особенность

определяется дискретностью энергетических состояний в полупроводнико-

вой наноструктуре, связанной с эффектом квантового ограничения. Туннель-

ный перенос носителей заряда через барьер с дискретного уровня в эмитти-

рующей области на энергетически эквивалентный ему уровень в коллектор-

ной области происходит с сохранением энергии и момента электрона. Такое

совпадение уровней приводит к резонансному возрастанию туннельного то-

ка, известному как эффект резонансного туннелирования. Оба этих эффекта

находят широкое применение в наноэлектронных приборах.

1.3.4. Спиновые эффекты

Спин, будучи одной из фундаментальных характеристик электрона, привно-

сит свои особенности в перенос носителей заряда через наноструктуры. Осо-

быми проявлениями транспорта носителей заряда в наноструктурах, кон-

тролируемого спином электронов, являются гигантское магнитосопротивле-

ние и туннельное магнитосопротивление. Они образуют основу нового на-

правления в науке и технике –

спинтроники.

Спиновые эффекты в мате-

риале обусловлены спиновым

дисбалансом в заселенности

уровня Ферми, который обычно

присутствует в ферромагнит-

ных материалах, у которых

плотности вакантных состояний

для электронов с различными

спинами практически идентич-

ны, в то время как состояния с

различными спинами сущест-

венно различаются по энергии,

как это схематически показано

на рис. 1.8. Такой энергетиче-

ский сдвиг приводит к заполне-

нию энергетических зон электронами с одним определенным спином и соот-

ветствующему появлению собственного магнитного момента (намагниченно-

Рис. 1.8. Плотности состояний электронов с

различными спинами в ферромагнитном и

немагнитном

материале и обмен электронами

между ними [2]

сти) материала. Заселенность энергетических зон электронами с одним спи-

ном определяет как спиновую поляризацию инжектируемых из такого мате-

риала электронов, так и особенности транспорта носителей заряда через него.

Собственную спиновую поляризацию электронов в материале (Р) опре-

деляют как отношение разности в концентрациях электронов с различными

спинами (n

и n

) к их общей концентрации:

. (1.22)

Наиболее яркое проявление спиновых эффектов резонно ожидать в ма-

териалах с наибольшей спиновой поляризацией электронов. Это стимулирует

поиск материалов со 100%-й спиновой поляризацией. Это должны быть ма-

териалы, у которых только один спиновой уровень занят вблизи уровня Фер-

ми. На практике же пока используются материалы с частичной спиновой по-

ляризацией. Это металлы и их сплавы, оксиды, магнитные полупроводники.

Электронный ток в твердотельных структурах, составленных из мате-

риалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляриза-

ции носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти

носители движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином,

могут занять в коллекторе только вакантные места с такой же спиновой ори-

ентацией. Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем

электроде, по мере движения изменяет свой момент в процессах рассеяния и

неизбежно изменяет и свой спин. Для практических применений важно знать,

как долго электрон «помнит» свою спиновую ориентацию. В качестве харак-

теристики "спиновой памяти" используют среднее расстояние, проходимое

электроном до изменения своего спина, которое называют длиной спиновой

релаксации (l

), В твердых телах ее величина превышает 100 нм и определя-

ется спин-независимым средним свободным пробегом электронов, в качестве

которого рассматривается средняя длина свободного пробега при неупругом

рассеянии l

. Тогда l

= (l

↑↓

)

1/2

, где v

– скорость Ферми, τ

↑↓

– время релак-

сации спина. Длина спиновой релаксации определяется главным образом

процессами спин-орбитального и обменного рассеяния. При идентичном со-

ставе материала в кристаллах она больше, чем в аморфной фазе.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спи-

ном контролируются их намагниченностью. Если намагниченность изменя-

ется на противоположную, преобладающая ориентация спинов также меняет-

ся на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в

материал с намагниченностью, а следовательно, и спиновой поляризацией,

контролируемой внешним магнитным полем, этот материал может вести себя

как проводник или как изолятор в зависимости от направления намагничен-

ности и ориентации спинов инжектированных электронов. При одинаковой

направленности спинов инжектированных электронов и электронных состоя-

ний в материале обеспечивается наивысшая проводимость материала. Про-

тивоположная направленность спинов препятствует прохождению электро-

нов через материал.

Особенности транспорта носителей заряда, контролируемого спином

электронов в наноструктурах, проявляются в двух основных эффектах: ги-

гантское магнитосопротивление и туннельное магнитосопротивление. Их

подробное описание дано в [3].

1.4. Разновидности нанотехнологий

Разнообразие наноматериалов обусловливает и разнообразие технологий их

получения, которые подразделяются на две большие группы: нанотехнологии

«сверху-вниз» и нанотехнологии «снизу-вверх» (рис 1.9).

Технологический подход «сверху-вниз» (top-down) сформировался во

второй половине XX века, прежде всего, в связи с созданием изделий элек-

тронной техники. Он основан на уменьшении размеров исходных заготовок

путем их фрагментации в ходе механической или иной обработки. Развитие

этого подхода привело к разработке технологий микроминиатюризации, или

микротехнологий. Типичным примером реализации технологического под-

хода «сверху-вниз» является создание электронных устройств на основе ис-

пользования, в первую очередь, таких методов, как химическое осаждение из

газовой фазы, молекулярно-лучевая эпитаксия и электронно-лучевая лито-

графия, которые позволяют придать полупроводниковой заготовке требуе-

мую конфигурацию (рис. 1.9, а). Дальнейшее совершенствование технологи-

ческого подхода «сверху-вниз» позволило на рубеже XX-XXI веков перейти

от микрообработки к нанообработке, т.е. к созданию изделий с нанометро-

выми параметрами.

В это же время, т.е. на рубеже XX-XXI веков сформировался технологи-

ческий подход «снизу-вверх» (bottom-up), который заключается в том, что

создание изделий происходит путем их сборки непосредственно из отдель-

ных атомов или молекул, а также элементарных атомно-молекулярных бло-

ков, структурных фрагментов биологических клеток и т. п. Данный подход

иначе называется атомной инженерией.

Технологии «снизу-вверх» получили свое развитие благодаря использо-

ванию уникальных возможностей сканирующих зондов манипулировать

атомами и молекулами, создавая из них различные пространственные конфи-

гурации. Типичным примером реализации таких технологий является по-

штучная укладка атомов на кристаллической поверхности при помощи ска-

нирующих зондов, позволяющих наносить друг на друга не только отдель-

ные атомы, но и слои атомов (рис. 1.9, б).

Следует отметить, что сканирующие зонды обеспечили также сущест-

венное продвижение технологий «сверху-вниз», в частности, благодаря им

стала возможной нанолокализация химических процессов обработки мате-

риалов (нанолокальное окисление поверхности, нанолокальное осаждение

вещества из газовой фазы на поверхность).

Рис. 1.9. Нанотехнологические принципы обработки материалов [1]

а – подход «сверху-вниз» (пример подхода – литография в полупроводниковой технике),

б – подход «снизу-вверх» (пример подхода – обработка элементов поверхности при по-

мощи зонда сканирующего туннельного микроскопа)

Технологический подход «снизу-вверх» можно считать “обратным” по

отношению к технологическому подходу «сверху-вниз». Каждый их этих

подходов имеет свои достоинства и недостатки, что делает привлекательным

поиск компромиссных технологических решений на основе комбинации этих

подходов. Например, при создании изделий электронной техники широко

используются, с одной стороны, процессы удаления материала, резки, шли-

фования, травления и т.п., которые можно отнести к процессам «сверху-

вниз», и, с другой стороны, процессы осаждения, имплантации, легирования

и т.п., которые можно отнести к процессам «снизу-вверх». Обычно совре-

менные нанотехнологии не только объединяют в себе оба этих подхода, но

также сочетаются с микротехнологиями.

В целом нанотехнологии базируются на различных физических, химиче-

ских и биологических процессах, которые могут иметь место в нанотехноло-

гиях, реализуемых как по принципу «сверху-вниз», так и по принципу «сни-

зу-вверх» (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Классификация нанотехнологий

1.5. Области применения наноматериалов и нанотехнологий

Благодаря своим свойствам наноматериалы находят широкое практическое

применение. В машиностроении используются конструкционные, инстру-

ментальные и триботехнические наноматериалы. Некоторые виды наномате-

риалов показали высокую эффективность в ядерной и водородной энергети-

ке. В химической промышленности находят применение нанокатализаторы,

нанофильтры, газовые нанодатчики. В сельском хозяйстве получили распро-

Нанотехнологии

на основе

физических

процессов

Зондовые и

литографические

нанотехнологии

Нанотехнологии

на основе

химических

процессов

Нанотехнологии

на основе

биологических

процессов

Нанотехнологии

«сверху-вниз»

Нанотехнологии

«снизу-вверх»

Микротехнологии

странение генное модифицирование растений, животных, продуктов пита-

ния, наносредства обработки почвы. В медицине используются лекарствен-

ные нанопрепараты, медицинские наноматериалы, в частности, для целей

имплантирования, а также медицинский наноинструментарий. В охране ок-

ружающей среды применяются наноанализаторы газов и жидкостей, нано-

очистители воздуха и воды, наносредства переработки отходов. Наномате-

риалы и наносистемы находят широкое использование в аэрокосмической

промышленности, где требования к миниатюризации аппаратуры являются

особенно жесткими.

Значительные перспективы применения наноматериалов связаны с раз-

витием наноэлектроники. Электронные наносистемы выполняют, как прави-

ло, информационно-управляющие функции, т.е. осуществляют обработку,

хранение и передачу информации в виде электрических сигналов, а также

оказывают управляющие воздействия на управляемые процессы. В основе

действия устройств наноэлектроники лежат квантовые эффекты, определяю-

щие поведение подвижных носителей заряда (как электронов, так и дырок) в

наноструктурах.

На основе использования квантовых интерференционных эффектов

можно создавать электронные наноприборы, представляющие собой полу-

проводниковые наноструктуры, в которых перенос электронов контролиру-

ется испытываемой ими интерференцией. В частности, разработаны интер-

ференционные транзисторы, в которых обеспечивается управление интерфе-

ренцией с помощью управляющего электрода-затвора. Интерес к таким тран-

зисторам связан с тем, что они могут быть быстродействующими приборами

с большим коэффициентом усиления. Высокое быстродействие обеспечива-

ется главным образом благодаря малым размерам. Скорость движения элек-

тронов в GaAs равна около 10

м/с, и поэтому время переноса носителей за-

рядов (время пролета) через активную область протяженностью 100 нм со-

ставляет всего 10

-12

с.

Используя эффект одноэлектронного туннелирования, можно создавать

электронные приборы, состоящие из одной или нескольких квантовых точек,

соединенных туннельными переходами – как между собой, так и с подводя-

щими электродами. Так, в одноэлектронных транзисторах электроны “по-

штучно” переносятся от истока к стоку через разделяющую их квантовую

точку, электронные состояния в которой электростатически контролируются

электродом-затвором. Преимуществами одноэлектронных транзисторов яв-

ляются малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с

ними возможность высокой степени интеграции, а также чрезвычайно низкая

потребляемая мощность. В свою очередь, используя эффект резонансного

туннелирования, можно создавать резонансно-туннельные нанодиоды и на-

нотранзисторы, работающие с временами переключения, составляющими

единицы и десятые доли пс, т.е. в диапазоне частот вплоть до нескольких

ТГц (10

Гц). Важными особенностями электронных наноприборов на тун-

нельных эффектах являются их расширенные, по сравнению с традиционны-

ми приборами, функциональные возможности, и высокое быстродействие,

благодаря чему эти приборы играют большую роль в создании сверхбыстро-

действующих интегральных микросхем со сверхвысокой степенью интегра-

ции.

Широкие перспективы в области создания приборов магнитной записи

открывает использование спиновых эффектов. К числу таких приборов отно-

сятся считывающие головки на гигантском магнитосопротивлении, устрой-

ства памяти на гигантском магнитосопротивлении и туннельном магнитосо-

противлении. Соответствующее направление наноэлектроники, базирующее-

ся на использовании этих эффектов, называется спинтроникой.

Особым по своей важности направлением наноэлектроники является мо-

лекулярная электроника, охватывающая область исследований принципов

управления внутримолекулярными электронными процессами с целью соз-

дания качественно новой элементной базы информатики. Объектами иссле-

дований молекулярной электроники являются электронные наносистемы, со-

держащие в качестве составных частей одиночные молекулы или молекуляр-

ные комплексы, а также технологии изготовления таких наносистем, осно-

ванные на использовании процессов самосборки, включая процессы манипу-

лирования как одиночными молекулами, так и молекулярными комплексами.

К фундаментальным проблемам молекулярной электроники относятся:

существенное (в миллионы раз) повышение быстродействия и объема

памяти информационных систем путем создания наносистем, работа которых

основана на реализации естественных биологических процессов, протекаю-

щих на молекулярном уровне;

прямое взаимодействие органов человека с наносистемами, в частно-

сти, путем вживления наноустройств в органы с целью обеспечения диагно-

стики их состояния и стимулирования их функционирования (особенно в

случае больных или ослабленных органов), частичной компенсации утрачен-

ных ими функций (зрения, слуха и т.п.);