Строшио М., Дутта М. Фононы в наноструктурах
Подождите немного. Документ загружается.
УДК
539.21
ББК
22.37
С86
с
т р о
ш
и
о
М.,
Д
У
т т а
М.
Фононы
В
наноструктурах
/
Пер.
с
англ.
под
ред.
Г.Н.
Жижина.
-
М.:
ФИЗМАТЛИТ,
2006. - 320
с.
-
ISBN 5-9221-0656-2.
Книга
представляет
собой
монографию
крупных
американских
специали
стов
в
области
современной
наноэлектроники.
В
ней
систематически
излагает
ся
теория,
необходимая
для
пони
мания
свойств
наноструктур,
изучения
фоно
нов
и
эффектов
с
их
участием
в
наноструктурах
с
размерным
ограничением
по
одной
или
более
координатам.
Уровень
изложения
материала
доступен
для
студентов
и
аспирантов,
кото
рые
прослушали
курс
квантовой
механики
и
курс
физики
твердого тела
или
твердотельных
устройств.
Предполагается
также
знание
основ
электромагне
тизма
и
классической
акустики.
ISBN 5-9221-0656-2
(рус.)
ISBN 0-521-79279-7
(англ.)
©
ФИЗМАТлит,
2006
©
М.
Строшио,
М.
Дутта,
2001
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
редактора
перевода
7
Предисловие.
. . . . . . . . . . . . . 10
г л
а
в а
1.
ФОНОНЫ
в
наноструктурах
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
14
§ 1.
Фононные
эффекты:
фундаментальные
ограничения
на
подвиж-
ность
носителей
заряда
и
динамические
процессы.
. . . . . . .
..
14
§ 2.
Целенаправленное
изменение
характера
фононных
взаимодей-
ствий
при
создании
наноустройств
с
заданными
свойствами.
17
г л
а
в а
2.
ФОНОНЫ
в
кубических
кристаллах.
. . 20
§ 1.
Кубическая
структура.
. . . . . . . . . . . . . . 20
§ 2.
Ионная
связь
в
полярных
полупроводниках
21
§ 3.
Модель
линейной
цепочки
и
макроскопические
модели
22
3.1.
Дисперсионные
соотношения
для
высокочастотных
и
низко
частотных
мод
(22). 3.2.
Распределение
смещений
атомов
(25).
3.3.
Поляритоны
(25). 3.4.
Макроскопическая
теория
полярных
мод
в
кубических
кристаллах
(28).
г л
а
в а
3.
ФОНОНЫ
в
кристаллах
с
решеткой
вюрцита
. . . . . . . .
..
31
§ 1.
Основные
свойства
фононов
в
кристаллах
с
решеткой
вюрцита
31
§ 2.
Модель
Лаудона
для
одноосных
кристаллов.
. . . . . . . . 33
§ 3.
Применение
модели
Лаудона
к
нитридам
группы
АшВv
. . .
..
39
г л
а
в а
4.
Свойства
комбинационного
рассеяния
света
на
объемных
фононах
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
41
§ 1.
Измерение
дисперсионных
соотношений
в
макроскопических
об-
разцах
41
§2.Комбинационное
рассеяние
света
в
кристаллах
типа
цинковой
обманки
или
вюрцита.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
42
2.1.
Кристаллы
с
решеткой
цинковой
обманки
(43). 2.2.
Кри
сталлы
с
решеткой
вюрцита
(44).
§ 3.
Времена
жизни
в
кристаллах
типа
цинковой
обманки
и
вюрцита
46
§4.
Трехкомпонентные
сплавы.
. . . . . . 48
§ 5.
Связанные
плазмон-фононные
моды
. . . . . . . . . . . . . . . . .
..
49
4
Оглавление
г
л
а
в а
5.
Представление
в
числах
заполнения
. . . . . . . . . . . . . 51
§ 1.
Амплитуды
фононных
мод
И
числа
заполнения.
. . . . . . . . . 51
§ 2.
Полярные
оптические
фононы:
фрёлиховское
взаимодействие
57
§ 3.
Акустические
фононы
и
взаимодействие,
описываемое
деформа-
ционным
потенциалом
. . . . . . . . . . 59
§ 4.
Пьезоэлектрическое
взаимодействие.
. . . . . . . . . . . . . . . .
..
60
г
л
а
в а
6.
Ангармоническая
связь
фононов.
. . . . . . . . . . . . . 62
§ 1.
Неквадратичные
члены
кристаллического
потенциала
для
ионно-связанных
атомов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
§ 2.
Канал
Клеменса
для
процесс
а
распада
оптического
фонона
на
два акустических
фонона
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
63
§ 3.
Время
жизни
продольных
оптических
фононов
в
кубических
кристаллах
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
64
§ 4.
Влияние
времени
жизни
фононов
на
процессы
релаксации
носи-
телей.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
65
§ 5.
Ангармонические
эффекты
в
структурах
с
решеткой
вюрцита:
канал
Ридли
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
67
г
л
а
в а
7.
Континуальные
модели
фононов
. . . . . . . . . 69
§ 1.
Диэлектрические
континуальные
модели
фононов
. 69
§ 2.
Модель
упругого
континуума
фононов.
. . . . . . . . 74
§ 3.
Оптические
моды
в
размерно-ограниченных
структурах.
79
3.1.
Диэлектрическая
континуальная
модель
мод
пластины:
нормировка
интерфейсных
мод
(79). 3.2.
Электрон-фононное
взаимодействие
в
пластинах
(85). 3.3.
Моды
пластины
в
размерно-ограниченных
структурах
с
решеткой
вюрцита
(91).
3.4.
Модель
на
основе
матриц
переноса
для
структур
с
множеством
поверхностей
раздела
(100).
§ 4.
Сравнение
континуальной
и
микроскопической
моделей
фононов
111
§5.Сравнение
предсказаний
диэлектрической
континуальной
моде-
ли
с
результатами
исследований
методами
спектроскопии
КРС
114
§ 6.
Континуальная
модель
акустических
мод
в
размерно-ограничен-
ных
структурах.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
119
6.1.
Акустические
фононы
в
изолированном
свободном
слое
(120). 6.2.
Акустические
фононы
в
гетероструктурах
с
двумя
поверхностями
раздела
(123). 6.3.
Акустические
фононы
в
квантовых
проволоках
прямоугольного
сечения
(128).
6.4.
Акустические
фононы
в
цилиндрических
структурах
(136).
6.5.
Акустические
фононы
в
квантовых
точках
(150).
г
л
а
в а
8.
Рассеяние носителей
на
продольных
оптических
фононах
158
§l.cDрёлиховскиЙ
потенциал для
продольных
оптических
фононов
в
объемных
структурах
типа
цинковой
обманки
и
вюрцита.
.
..
158
Оглавление
5
1.1.
Частоты
рассеяния
в
объемных
полупроводниках
с
решет
кой
цинковой
обманки
(158). 1.2.
Частоты
рассеяния
в
объем
ных
полупроводниках
с
решеткой
вюрцита
(164).
§ 2.
Фрёлиховский
потенциал
в
квантовых
ямах.
. . . . . . . . . . .
..
168
2.1.
Частоты
рассеяния
в
структурах
с
квантовыми
ямами,
име
ющих
решетку
цинковой
обманки
(169). 2.2.
Частоты
рассе-
яния
в
структурах
с
квантовыми
ямами,
имеющих
решетку
вюрцита
(174).
§ 3.
Рассеяние носителей
на
продольных
оптических
фононах
в
кван
товых
проволоках
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
174
3.1.
Частота
рассеяния
на
объемных
модах
продольных
опти
ческих
фононов
в
квантовых
проволоках
(175). 3.2.
Частота
рассеяния
на
размерно-ограниченных
продольных
оптических
фононах
в
квантовых
проволоках
(178). 3.3.
Частота
рассеяния
на
интерфейсных
продольных
оптических
модах
фононов
(183).
3.4.
Коллективные
эффекты
инеравновесные
фононы
в
поляр-
ных
квантовых
проволоках
(191). 3.5.
Снижение
частоты
рассе-
яния
на
интерфейсных
фононах
в
структурах
металл-полупро
водник
(193).
§4.
Рассеяние носителей
на
LО-фононах
в
квантовых
точках.
197
Г л
а
в а
9.
Рассеяние
носителей
на
акустических
фононах
. . . . .
..
202
§ 1.
Рассеяние носителей
на
акустических
фононах
в
объемных
структурах
с
решеткой
цинковой
обманки
. . . . . . . . . . . . .
..
202
1.1.
Рассеяние
на
деформационном
потенциале
в
объемных
структурах
с
решеткой
цинковой
обманки
(202). 1.2.
Пьезо
электрическое
рассеяние
в
объемных
полупроводниковых
струк
турах
(203).
§ 2.
Рассеяние
носителей
на
акустических
фононах
в
двумерных
структурах
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
205
§ 3.
Рассеяние носителей
на
акустических
фононах
в
квантовых
про-
волоках
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
205
3.1.
Цилиндрические
проволоки
(205). 3.2.
Прямоугольные
про
волоки
(212).
Г л
а
в а
1
О.
Последние
разработки
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
218
§ 1.
Фононные
эффекты
в
лазерах
на
межподзонных
переходах.
.
..
218
§ 2.
Влияние
размерного
ограничения
фононов
на
коэффициент
уси
ления
лазеров
на
межподзонных
переходах
. . . . . . . . . . . .
..
226
§3.
Вклад
фононов
в
долинный
ток
в
структурах
с
двумя
барьерами
233
§4.
Увеличение
инверсии
населенности
за
счет
фононных
процессов
в
лазерах
на
квантовых
ямах
с
асимметричным
двойным
барье-
ром.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
240
§ 5.
Эффекты
размерного
ограничения
фононов
в
тонкопленочных
сверхпроводниках
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
245
§6.
Генерация
акустических
фононов
в
структурах
с
квантовыми
ямами.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
247
6
Оглавление
Г
л
а
в а
11.
Заключительные
соображения
. . . . . . . . . . . . . . . .
..
251
§ 1.
Всеобъемлющая
роль
фононов
в
современных
твердотельных
устройствах
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
251
§ 2.
Тенденции:
фононные
эффекты
в
наноструктурах
и
фононные
технологии
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
252
Приложения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Приложение
А:
теория
Хуан
Куня-Борна.
255
Приложение
Б:
теория
Вендлера.
. . . . . . 256
Приложение
В:
моды
оптических
фононов
в
структурах
с
двумя
поверхностями
раздела.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
258
Приложение
Г:
моды
оптических
фононов
в
структурах
с
решеткой
вюрцита
с
одной
и
двумя
поверхностями
раздела
. . . . . . . .
..
270
Г
.1.
Одноосные
структуры
с
одной
поверхностью
раздела
(271).
Г.2.
Одноосные
структуры
с
двумя
поверхностями
разде-
ла
(276).
Приложение
Д:
золотое
правило
Ферми.
. . . . . . . . . . . . . . 288
Приложение
Е:
эффекты
экранирования
в
двумерном
электронном
газе.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
291
Список
литературы
295
Предметный
указатель.
314
Предисловие
редактора
перевода
Крупные
американские
специалисты
в
области
современной
наноэлектроники
доктор
Л1айкл
А.
Строшио
и
доктор
Л1итра
Дутта
объединили
свои
усилия
в
создании
этой
книги,
кото
рая,
надеемся,
будет
полезной
в
русском
переводе
российским
ученым,
инженерам,
аспирантам
и
студентам.
В
оригинале
приведен
большой
послужной
список
каждого
из
авторов,
но
здесь
достаточно
будет
сказать,
что
оба
они
участвова
ли
в
создании
и
редактировании
двух
книг
(World
Sсiепtifiс)
«Устройства
и
системы
квантовой
электроники»
(Quantum-
based electronic devices and systems)
и
«Современные
полу
проводниковые
лазеры
и
их
применение
в
оптоэлектронике».
Оба
автора
профессора
Университета
Дьюка
и
Универси
тета
штата
Северная
Каролина
(США),
сотрудники
Управле
ния
исследований
Армии
США
(US
Агmу
Research Office)
и
Исследовательской
лаборатории
Армии
США
(US
Агmу
Research Lab).
Книга
написана
весьма
своевременно,
учитывая
стреми-
тельный
прогресс
в
производстве
наноструктур
с
размерами,
приближающимися
к
размерам
атома.
Этот
прогресс
ведет
ко
все
большему
разнообразию
полупроводниковых
устройств
с
расширенной
функциональностью
и к
появлению
устройств,
работающих
на
новых
принципах.
Ключевая
роль
фононных
эффектов
в
полупроводниковых
устройствах
хорошо
известна
и,
вероятно,
эта
роль
будет и
впредь
возрастать.
Все
это
ука
зывает
на
необходимость
углубления
знаний
об
эффектах
раз
мерного
ограничения
фононов
в
наноструктурах
и
на
необходи
мость
более
глубокого
понимания
этих
эффектов.
В
ближайшее
десятилетие
потребность
в
моделировании
фононных
эффектов
в
размерно-ограниченных
структурах
и
устройствах
на
их
основе
будет
расти
высокими
темпами.
Таким
образом,
главной
целью
данной
книги
является
описание
работоспособных
моде
лей
размерного
ограничения
Фононов
и
иллюстрация
методов,
используемых
для
расчета
основных
свойств
полупроводниковых
гетероструктур.
8
Предисловие
редактора
перевода
Перевод
книги
на
русский
язык
осуществили
сотрудники
Науч
но-технологического
центра
уникального
приборостроения
(НТЦ
УП)
РАН
к.ф.-м.н.
В.
э.
Пожар
и
Б. В.
Никифоров.
Список
литературы,
приведенный
в
оригинале,
пополнен
ссылками
на
некоторые
работы
по
наноструктурам,
выполненные
в
2001-2005
гг.
Редактор
и
переводчики
выражают
искреннюю
благодарность
директору
НТЦ
УП
РАН
члену
корреспонденту
РАН
В.
и.
Пустовойту
за
поддержку
этой
работы.
Г.Н.
Жижин
Митра
Дутта
посвяща
ет
эту
книгу
своим
роди
телям
Пирени
Н.
Дутта
и
Аруне
Дутта
Майкл
Строшио
посвя
щает
эту
книгу
своему
другу и
учителю
Морри
су
Москову
и
своему
дру
гу
и
коллеге
Ки
Вук
Киму
Предисловие
Настоящая
книга
посвящена
изучению
фононов
и
эффектов
с
уча
стием
фононов
в
наноструктурах
с
размерным
ограничением
по
одной
или
более
координатам.
Необходимость
и
своевременность
настоящей
книги
определяется
большим
прогрессом,
достигнутым
в
области
на
нотехнологии
за
несколько
последних
десятилетий.
Действительно, наука
о
наноразмерных
структурах
продолжает
развиваться
быстрыми
темпами
вносит
поистине
революционный
вклад
в
различные
области,
включая
электронику,
оптоэлектронику,
квантовую
электронику,
материаловедение,
химию
и
биологию.
Быстро
развиваются
технологии,
необходимые
для
изготовления
наноразмерных
структур
и
приборов.
Такие
технологии
открыли
возможность
исследования
структур
и
систем,
имеющих
размеры
до
10
нанометров
по
одному
или
нескольким
направлениям,
и
конструирования
обширной
группы
новейших
приборов.
Более
того,
нанотехнология
продолжает
быстро
развиваться
и,
вне
всяких
сомнений,
приведет
к
новым
революционным
прорывам, наподобие
тех,
что
представлены
полупроводниковыми
лазерами
на
структу
рах,
содержащих
квантовые
точки,
работающими
при
комнатной
температуре;
межподзонными
полупроводниковыми
лазерами
на
квантовых
ямах;
полупроводниковыми
лазерами
на
квантовых
проволоках;
диодами
с
двойным
барьером
на
структурах,
содержащих
квантовые
ямы,
работающими
в
терагерцевом
частотном
диапазоне;
одноэлектронными
транзисторами;
одноэлектронными
элементами
памяти
на
МОП-структурах,
работающими
при
комнатной
температу
ре;
транзисторами
на
углеродных
нанотрубках;
полупроводниковыми
нанокристаллами,
используемыми
в
качестве
флуоресцентных
маркеров
в
биологии.
И
это
только
немногие
из
подобных
примеров!
Успешные
работы
по
полупроводниковым
сверхрешеткам
[1]
стиму
лировали
широкую
международную
исследовательскую
деятельность,
направленную
на
выяснение
технологических
и
электронных
свойств
сверхрешеток,
квантовых
ям,
квантовых
проволок
и
квантовых
точек.
Являясь
одной
из
первых,
эта
работа
привела
к
поистине
революци
онному
прогрессу
в
технологии
производства
наноструктур
и
позволи
ла
разработать
методы
целенаправленного
формирования
параметров