Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

100

ружено, что в условиях золь-гель-процессов это происходит при дос-

тижении некоторых критических размеров фрактальных наночастиц

оксида железа, предположительно соответствующих условию монодо-

менности. Эволюция фрактальных агрегатов сопровождается образо-

ванием глобулярных форм. Далее происходит их сближение и образу-

ются кластеры из наночастиц, имеющие форму гантелей.

а б

Рис. 9. АСМ-изображения пленочного нанокомпозита SiO

–Fe

иллюстрирующие кластеры, имеющие форму гантелей:

а – размер изображения 20 × 20 мкм; б – размер изображения 6 × 6 мкм;

а б

Рис. 10. АСМ-изображения рельефа (а) и пространственного распределения

z-составляющей градиента магнитных сил (б) на поверхности нанокомпозита

на основе диоксида кремния и оксида железа

101

Локальные магнитные свойства образцов фиксировали с помо-

щью атомно-силовой микроскопии. Для диагностики поверхности об-

разцов использовались кремниевые датчики с зондами, покрытыми

тонкой магнитной пленкой хромида кобальта. В качестве тестового

образца использовали магнитные дискеты. Было сделано предположе-

ние о том, что глобулярные формы в виде неправильных гантелей мо-

гут характеризовать доменные области (рис. 10).

Заключение. В кратком обзоре представлены основные резуль-

таты и тенденции развития исследований УНЛ «Наноматериалы» на

кафедре микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» за последние

15 лет. Коллектив лаборатории проводит комплексные исследования и

разработки в области нанотехнологии, нанодиагностики и материало-

ведения микро- и наносистем. Основными изучаемыми объектами яв-

ляются наноматериалы с фрактальной структурой. Наибольшее внима-

ние уделяется изучению физико-химических особенностей иерархиче-

ской самосборки наносистем в золь-гель-процессах.

Исследования проводились в рамках ФЦП «Научные и научно-

педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» при

выполнении госконтрактов № 02.740.11.5077 от 20.07.2009, № П399

от 30.07.2009, № П2279 от 13.11.2009, № П1249 от 07.06.2010,

№ 16.740.11.0211 от 24.09.2010.

Список литературы

1. Полупроводниковые соединения А

, А

/ М. И. Камчатка,

О. Ф. Луцкая, В. А. Мошников и др. // Петербургский журнала элек-

троники. 1996. 3 (12). С. 35–42.

2. Александрова О. А., Мошников В. А. Физика и химия материа-

лов оптоэлектроники и наноэлектроники: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007.

3. Мошников В. А., Александрова О. А. Новые углеродные мате-

риалы: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008.

4. Наноматериалы: Лаб. практикум / Под ред. В. А. Мошникова.

СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010.

5. Мошников В. А. Локальные энергетические воздействия в ис-

следовании и получении твердых растворов: Автореф. дисс. … д-ра

физ.-мат. наук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1997.

102

6. Бестаев М. В. Халькогениды элементов четвертой группы: по-

лучение, исследование и применение: Автореф. дисс. … д-ра техн. на-

ук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1999.

7. Шилова О. А. Силикатные и гибридные нанокомпозиционные

материалы, формируемые методом золь-гель-технологии: Автореф.

дис. … д-ра хим. наук / ИХС РАН. СПб., 2005.

8. Димитров Д. Ц. Физико-химические методы управления струк-

турой и свойствами газочувствительных слоев на основе диоксида

олова: Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

СПб., 1998.

9. Бондоков Р. Ц. Формирование и свойства границ раздела фото-

чувствительных структур на основе пленок халькогенидов свинца: Ав-

тореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1999.

10. Румянцева А. И. Рентгеноспектральный микроанализ оксидов

и халькогенидов элементов II и IV группы: Автореф. дисс. … канд.

физ.-мат. наук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 1999.

11. Голубченко Н. В. Влияние примесей на кинетику и механиз-

мы процессов окисления слоев селенида свинца при формировании

фоточувствительных структур: Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук /

СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2005.

12. Максимов А. И. Газочувствительные полупроводнковые на-

нокомпозиты на основе диоксида олова, сформированные методами

золь-гель-технологии: Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук / СПбГЭТУ

«ЛЭТИ». СПб., 2005.

13. Гамарц. А. Е. Фотолюминесценция в поликристаллических сло-

ях на основе твердых растворов селенида свинца – селенида кадмия: Ав-

тореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2006.

14. Кощеев С. В. Активные элементы датчиков, использующих

эффект гигантского (усиленного поверхностью) комбинационного рассея-

ния (ГКР): Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук / СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

СПб., 2006.

15. Спивак Ю. М. Анализ фотоприемных монокристаллических и

поликристаллических слоев на основе халькогенидов свинца методами

атомно-силовой микроскопии: Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук /

СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2008.

103

16. Спивак Ю. М., Мошников В. А. Особенности строения фото-

чувствительных поликристаллических слоев сетчатого типа на основе

PbCdSe // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные

исследования. 2010. № 1. С. 97–102.

17. Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, иссле-

дование, применение / О. А. Александрова, А. И. Максимов, В. А. Мош-

ников, Д. Б. Чеснокова. СПб.: Изд-во «Технолит», 2008.

18. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия

для нанотехнологии и диагностики: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

19. Шишов М. А., Мошников В. А., Сапурина И. Ю. Нанострук-

туры олиго- и полианилина и их свойства // Физика и химия стекла.

2011. Т. 37. № 1. C. 147–154.

20. Combined effect of demagnetizing field and induced magnetic

anisotropy on the magnetic properties of marganese–zinc ferrite composites

/ V. Babayan, N. E. Kazantseva, R. Moucˇka et. all // J. of Magnetism and

Magnetic Materials. 2012. Vol. 324. P. 161–172.

21. Пономарева A. A., Мошников В. А. Использование оптиче-

ских методов исследования для выявления структурных особенностей

пористых нанокомпозитных пленок системы «диоксид олова – диоксид

кремния» // Письма ЖТФ. 2011. Т. 37. № 19.

22. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Электрохимические методы

получения пористых материалов для топливных элементов // В кн. Ос-

новы водородной энергетики / Под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Теру-

кова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.

23. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for

gas sensors / V. A. Moshnikov, I. E. Gracheva, V. V. Kuznezov et. all //

J. of Non-Crystalline Solids. 2010. Vol. 356. № 37–40. P. 2020–2025.

24. Мошников В. А., Грачева И. Е. Сетчатые газочувствительные

нанокомпозиты на основе диоксидов олова и кремния // Приложение к

журналу «Вестник РГРТУ». Рязань: 2009. № 4. C. 92–98.

25. Грачева И. Е., Максимов А. И., Мошников В. А. Анализ осо-

бенностей строения фрактальных нанокомпозитов на основе диоксида

олова методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского фазо-

вого анализа // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и ней-

тронные исследования. 2009. Вып. 10. С. 16–23.

104

26. Автоматизированная установка для измерения газочувстви-

тельности сенсоров на основе полупроводниковых нанокомпозитов /

И. Е. Грачева, А. И. Максимов, В. А. Мошников, М. Е. Плех // Прибо-

ры и техника эксперимента. 2008. № 3. С. 143–146.

27. Gracheva I. E., Spivak Y. M., Moshnikov V. A. AFM-techniques

for nanostructures materials used in optoelectronic and gas sensors // Euro-

con-2009. International IEEE Conference, May 18–23, 2009. Saint-Peters-

burg, Russia, 2009. P. 1250–1253.

28. Грачева И. Е., Мошников В. А. Возмущающее электрическое

воздействие с переменной частотой как новая перспектива для увели-

чения чувствительности и селективности в системах типа «электрон-

ный нос» // Известия РГПУ им. А. И. Герцена. Естественные и точные

науки. Физика. 2009. № 11 (79). С. 100–107.

29. Сетчатые иерархические пористые структуры с электроадге-

зионными контактами / И. Е. Грачева, С. С. Карпова, В. А. Мошников,

Н. С. Пщелко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2010. № 8. С. 27–32.

30. Мошников В. А., Грачева И. Е., Аньчков М. Г. Исследование

свойств наноматериалов с иерархической структурой, полученных

золь-гель-методом // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 5. С. 38–50.

31. Патент KR20100025401, Gas sensor using nano-porous indium

oxide spherical structure and fabrication method thereof. 09.03.2010.

32. Патент KR20090073350, Highly sensitive and fast responding

oxide semiconductor-type gas sensor using hierarchical structure and fabri-

cation method thereof. 03.07.2009.

33. Патент JP2005290032, Method for producing hierarchical porous

body containing meso pore having long range order. 20.10.2005.

34. Патент US2010010513, Porous material having hierarchical por-

ous structure and preparation method thereof, МПК: A61B17/08; C01B25/10;

A61B17/03; C01B25/00. 14.01.2010.

35. Kazuki Nakanishi. Sol-Gel-Process of Oxides Accompanied by

Phase Separation // Bull. Chem. Soc. Jpn. 2006. Vol. 79. № 5. Р. 673–691.

36. Formation of Hierarchical Pore Structure in Silica Gel / Kazuki

Nakanishi, Ryoji Takahashi, Tomohiro Nagakane et al. // J. of Sol-Gel

Science and Technology. 2000. Vol. 17. P. 191–210.

37. Методика исследования субмикровыделений в поликристалличе-

ских материалах методом внутреннего трения / В. А. Мошников, Ю. М. Таи-

ров, Н. П. Ярославцев и др. // ФТП. 1997. Т. 31. № 7. С. 841–843.

105

38. Внутреннее трение при изменении формы малых включений /

Ю. Н. Андреев, Б. М. Даринский, В. А. Мошников и др. // ФТП. 2000.

Т. 34. № 6. С. 644–646.

39. Новые подходы к нанодиагностике протекания золь-гель-

процессов, основанные на методе внутреннего трения / А. С. Ильин,

А. И. Максимов, В. А. Мошников и др. // Материалы 9-й междунар.

науч.-техн. конф. «Материалы 2003» / М.: ЦНИТИ «Техномаш», 2003.

С. 298–302.

40. Мошников В. А., Шилова О. А. Золь-гель-нанотехнология //

В кн. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под

ред. В. В. Лучинина и Ю. М. Таирова. М.: Физматлит, 2006. С.205–249.

41. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов / А. И. Мак-

симов, В. А. Мошников, Ю. М. Таиров, О. А. Шилова. 2-е изд. СПб.:

Изд-во «Элмор», 2008.

42. Нанокомпозиционные эпоксидно-силоксановые покрытия, мо-

дифицированные различными функциональными добавками / О. А. Ши-

лова, Т. В. Хамова, В. М. Михальчук и др. // Сб. материалов Всерос.

конф. по наноматериалам. НАНО-2011. М.: ИМЕТ РАН, 2011. С. 476.

43. Диагностика наносистем. Многоуровневые фрактальные на-

ноструктуры / А. П. Шпак, В. В. Шилов, О. А. Шилова, Ю. А. Куниц-

кий. Ч. II. Киев: Академпериодика, 2004.

44. Шилова О. А., Шилов В. В. Нанокомпозиционные оксидные и

гибридные органо-неорганические материалы, получаемые золь-гель-

методом. Синтез. Свойства. Применение // Наносистемы. Наноматериа-

лы. Нанотехнологии. Сб. научн. тр. под ред. акад. А. П. Шпака. Т. 1.

№ 1. Киев: Академпериодика, 2003. С. 9–83.

45. The fine and fractal structure and protonic conductivity of phos-

phosilicate-diamond sol-gel nanocomposites Synthesis, Propertiesand Ap-

plications of Ultrananocrystalline Diamond / V. V. Shilov, Yu. P. Gomza,

O. A. Shilova et. all / Ed. By D. M. Gruen, O. A. Shenderova, A. Ya. Vul’/

Nato Science Series: II. Mathematic, Physics and Chemistry. 2005. Vol. 192.

P. 299–310.

46. Получение и анализ порошков ксерогеля с нанофазой гемати-

та / К. Г. Гареев, И. Е. Грачева, В. И. Альмяшев, В. А. Мошников // Из-

вестия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 6.

106

Г. Ф. Глинский

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ

На протяжении двух последних десятилетий на нашей кафедре

ведутся интенсивные теоретические исследования в области физики

низкоразмерных систем. К настоящему времени определились три ос-

новных направления этих исследований: наноэлектроника, микро- и

нанофотоника, а также наномеханика (рис. 1).

Физика

низкоразмерных систем

Определение энергетического спектра и волновых функций

носителей заряда в полупроводниковых наногетероструктурах

(квантовые ямы, проволоки, точки, сверхрешетки)

Расчет зонной структуры фотонных кристаллов

и локальных оптических мод в кристаллах с дефектами

Расчет статических и динамических характеристик

нанообъектов в вакууме и кристаллической матрице

Разработка неразрушающих методов диагностики

полупроводниковых квантово-размерных структур

Разработка новых учебных дисциплин и создание лабораторной базы

по направлениям «Электроника и наноэлектроника»,

«Нанотехнологии и микросистемная техника»

Наноэлектроника

Микро-

и нан

фотоника

Наномеханика

Полупроводниковые

квантово-размерные

структуры

Фотонные кристаллы,

волноведущие

структуры

Наномембраны,

атомные цепочки,

кластеры

Рис. 1. Основные направления теоретических исследований

кафедры микро- и наноэлектроники в области физики низкоразмерных систем

107

Направление «Наноэлектроника»

При изучении вопросов, связанных с расчетом приборов нано-

электроники на основе полупроводниковых квантово-размерных струк-

тур (квантовые ямы, проволоки, точки, сверхрешетки), особое внима-

ние уделялось строгому обоснованию исходных уравнений квантовой

механики, определяющих энергетический спектр носителей заряда в

этих системах. Следует отметить, что в настоящее время основным ме-

тодом расчета электронных и дырочных состояний в полупроводнико-

вых наногетероструктурах является метод эффективной массы. Однако

до сих пор отсутствует единое мнение относительно вида эффективно-

го гамильтониана электрона и дырки в гетероструктуре. Как правило,

такие гамильтонианы вводятся либо феноменологически, либо на ос-

нове некоторых общих физических соображений.

Разработанный на кафедре подход к определению эффективных

гамильтонианов основан на kp-теории возмущений и теории симметрии

[1]. Данный подход, использующий метод инвариантов, позволяет вый-

ти за рамки приближения эффективной массы и определить эффектив-

ный гамильтониан гетероструктуры произвольный формы, содержа-

щей произвольное число узлов кристаллической решетки. Полученные

уравнения могут быть записаны в двух эквивалентных представлениях:

в узельном (a-представление) и импульсном (k-представление). В рам-

ках данного подхода автоматически учитывается симметрия соответ-

ствующих энергетических зон объемных материалов, составляющих

гетероструктуру. Кроме того, гамильтониан включает в себя ранее не-

известные дополнительные члены, обуславливающие междолинное рас-

сеяние носителей заряда на интерфейсах, а также интерфейсное рассея-

ние с изменением спиновой ориентации частиц. Наличие в исходном

гамильтониане поправок к методу эффективной массы, связанных с бы-

строизменяющейся частью интерфейсного потенциала, позволяет ис-

пользовать данный подход для анализа нанокристаллов и гетерострук-

тур, содержащих единицы атомных монослоев. В качестве примера на

рис. 2 представлено сравнение предлагаемой теории с данными, полу-

ченными в рамках обычного метода эффективной массы, для основного

состояния электрона в GaAs/Al

0,3

0,7

As-квантовой яме.

108

–300

–200

–100

Ширина КЯ в монослоях

, мэВ

1 – метод эффективной массы;

2 – узельное представление

Рис. 2. Зависимость энергии основного состояния электрона

в GaAs/Al

0.3

0.7

As-квантовой яме от числа монослоев

Как видно из рисунка, для узких квантовых ям (число монослоев

меньше 10) погрешность определения энергии связи электрона мето-

дом эффективной массы может превышать 100 %, а для широких кван-

товых ям (число монослоев больше 50) результаты обеих теорий прак-

тически совпадают.

Разработанная на кафедре микро- и наноэлектроники теория по-

зволяет рассчитывать энергетические спектры носителей заряда в гете-

роструктурах на основе прямозонных и непрямозонных полупровод-

ников, что невозможно в рамках метода эффективной массы. С этой

целью исследовалось поведение подзон размерного квантования в

(GaAs)

/(AlAs)

(001)-сверхрешетках (рис. 3).

GaAs – прямозонный полупроводник и его абсолютный минимум

зоны проводимости располагается в точке Г зоны Бриллюэна, а AlAs –

непрямозонный полупроводник с абсолютным минимумом зоны про-

водимости в точке X. В гетероструктурах на основе этих полупровод-

ников должно наблюдаться интенсивное междолинное Г–X и X–X

смешивание электронных состояний. В зависимости от числа моносло-

ев N и M волновые функции и электронный спектр сверхрешетки

(GaAs)

/(AlAs)

должны перестраиваться от Г-типа к X-типу, что ока-

зывает существенное влияние на ее оптические свойства. На рис. 4 по-

казана зависимость положения дна зоны проводимости в этой сверх-

109

решетки от числа монослоев N (M = N). Здесь же для сравнения приве-

дены литературные данные, полученные из первых принципов методом

псевдопотенциала [2].

GaAs

AlAs

GaAs

AlAs

GaAs

AlAs

[]

001

(

)

(

)

[]

001

Рис. 3. (GaAs)

/(AlAs)

(001)-сверхрешетка и зонная структура объемных материалов

, эВ

Число монослоев

10 150

0,1

0,3

0,4

Рис. 4. Зависимость положения дна зоны проводимости

(GaAs)

/(AlAs)

-сверхрешетки от числа монослоев N

(сплошная линия – наш результат, точки – метод псевдопотенциала)

Лучинин В.В. Физика и технология микро - и наносистем

Подождите немного. Документ загружается.