Материал квантовых точек обозначен желтым цветом, барьерных слоев между ними – голубым.

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

1. Механизм конденсация тонких металлических пленок на поверхности

Этот метод заключается в испарении металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Качество и прочность пленок в большей степени зависят от чистоты подложки. Поэтому поверхность подложки предварительно полируется и тщательно очищается. Часто во время напыления подложка нагревается при помощи специального нагревателя до температуры 100-3000С. При подогретой подложке частично снимаются внутренние напряжения в пленке, и улучшается ее сцепление с подложкой. Подложки могут быть изготовлены из стекла, кварца, слюды и немагнитных металлов. В качестве подложки в некоторых случаях используются сколы монокристаллов поваренной соли NaCl.

Схема испарительной части вакуумной установки для получеия пленок:1-подлжка 2-лодочка с испаряемым сплавом,3-маска, 4-пленка, 5-нагреватель, 6-корпус вакуумной камеры

2. Физический смысл понятий «Адатом», «Кластер», блок схема напыления тонких пленок .

1) Адатомом называется атом находящийся в физически адсорбированном состоянии,

но не успевший прийти в термодинамическое равновесие с поверхностью

2) Кластером называется устойчивое образование из нескольких провзаимодействовавших посредством Ван дер Ваальсовых сил друг с другом адатомов

3. Коэффициенты конденсации и аккомодации.

Коэффициент конденсации-отношение числа молекул пара, захватываемых конденсированной фазой, к общему числе молекул пара достигающих поверхность конденсации

Вероятность того, что атом будет захвачен поверхностью, называют коэффициентом конденсации или коэффициентом соударения. Его измеряют отношением числа атомов сконденсировавшегося на поверхности материала к общему числу атомов, ударившихся о поверхность.

Степень термического равновесия описывают коэффициентом аккомодации a_Т, который определяется следующим образом:

a_Т = (T_I - T_R)/(T_I – T_S) = (E_I - E_R)/(E_I – E_S), где T и E соответственно эквивалентные среднеквадратичные температуры и кинетические энергии падающих ( I ) и отраженных, вновь испарившихся, атомов пучка ( R ) и подложки ( S ).

4. Среднее время релаксации и жизни адатома

где v- частота тепловых колебаний адатом в узле крист. решетки

Т.е среднее время релаксации необходимо чтобы атом пришел в терм равнов с подложки должно быть где

5.средняя длина диффузионного пробега

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул)

6. Технология синтеза нанопроволочек по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК)

Монодисперсное коллоидное золото наносят на поверхность Si-пластины. Если средний размер частички золота составляет 2 нм [фирма «Ted Pella»], то в этой частице содержится ~ 335 атомов. Диаметр золотой крупинки-катализатора и определяет диаметр вырастающей из неё нанопроволоки.

7.Нанопроволочный “малодырочный” транзистор из p⁺⁺-Si-НП.

Общий вид полевого транзистора из кремниевой нанопроволоки изображён на

рисунке. Контакты сток–исток представляют собой двухслойную систему из Ti (50нм) и Au (50нм).

Влияние термообработки контактов на сопротивление Si- нанопроволок: а) ВАХ; в) гистограмма сопротивлений (справа – до, слева – после вжигания ) Контакты вжигают при T=300-600ºC, в атмосфере – форминг-газа, т. е. 10% H₂+90%>He. Из рисунка видно, что в результате этой процедуры сопротивление нанопроволоки снижается на порядок

8.Технология висячих углеродных нанотрубок

Суть работы заключается в том, что висячие углеродные нанотрубки прямо по воздуху соединяют кремниевые наноопоры из нанокристаллов

1. Нк-Si получали отжигом структуры кремний-на-изоляторе (толщина слоя кремния 10нм) в сверхвысоком вакууме при 950°С в течение 1 мин.

2. Сплошная плёнка распадалась на совокупность нк-Si высотой 100-150нм, диаметром основания 90нм и средним расстоянием между ними ~200нм.

3.На поверхность наносили катализатор (осаждением слоя FePt из сильно разбавленного раствора FePt соли или испарением 1-2нм слоя Fe).

4. Подложку загружали в реактор, нагревали до 900°С и над ней пропускали поток смеси метана (400см³/мин.) с водородом (20см³/мин.) при почти атмосферном давлении.

9.Технология микроструйного выстраивания нанопроволок

Если к поверхности окисленной кремниевой пластины прижать пластиковую форму с изготовленными на прижимаемой стороне микроканалами (Ø=5-500мкм и длиной от 6 до 20мм), а затем заставить протекать по этим каналам взвесь нанопроволок в этаноле, то проволоки выстроятся по течению как водоросли в ручье.

Разброс по углу отклонения нанопроволоки от оси канала может быть доведён до 6-7º при скорости потока 8-10мм/с.

Для надёжного крепления нанопроволок к подложке поверхность SiO₂ предварительно покрывают самоорганизованным монослоем из 3-аминопропилтриэтоксисилана (АПТЭС), для чего окунают подложку в миллимолярный раствор АПТЭС в хлороформе на полчаса, а затем нагревают до 110ºС в течение 10 минут.

Для упорядоченного расположения нанопроволок на подложке методом электронной литографии делают сначала канавки в резисте и АПТЭС клей наносят только в эти канавки.

10. Достоинства транзисторов на углеродных нанотрубках

Во-первых, скорость работы УНТ-транзистора намного превосходит быстродействие кремниевых транзисторов. По некоторым оценкам, нанотрубка может работать на частоте в 1 ТГц, что в сотни раз быстрее, чем скорости современных компьютеров. В настоящее время созданы устройства на основе нанотрубок, работающие на частотах до 30 ГГц, что на порядок больше тактовой частоты хорошего современного процессора. Это достигается за счёт высокой подвижности электронов в нанотрубках (в кремнии этот параметр составляет 1400 см2/В•с, а в нанотрубках - около 100 000 см2/В•с).
Во-вторых, теоретический предел для миниатюризации кремниевых элементов составляет 12 нм. Для УНТ такого предела нет, размеры элементов на их основе могут достигать размеров молекулы.
В-третьих, процесс производства транзисторов на основе УНТ может быть сделан значительно более простым, чем производство кремниевых элементов. Это возможно благодаря технологии печати транзисторов краской, состоящей из углеродных нанотрубок, разрабатываемой компанией NEC. В настоящий момент возможна печать транзистора целиком, включая электроды, слои изоляции и каналы из УНТ.
Кроме того, возможен синтез Y-образных нанотрубок, которые сами по себе уже могут выполнять функции транзистора, без каких-либо дополнительных элементов.

11. Физические принципы размерного квантованияНизкоразмерным в отличие от объемного 3- D, (D – от английского размерность, размерный – dimensional) называют такое состояние кристаллов, когда движение носителей заряда ограничено в одном 2- D, двух 1- D или трех измерениях 0- D. Квантовое ограничение возникает в тех случаях, когда характерная квантовая длина носителя заряда, определяемая длиной волны де Бройля или же размером волновой функции квазичастицы, становится равной или меньше соответствующего физического размера объекта. Энергию свободного электрона можно записать в виде E = m_oV ² /2 = p ² /2 m_o

где V – скорость электрона, p – его импульс, а mo – масса. В соответствии с этой формулой, свободный электрон может иметь любую энергию.

В квантовой физике каждой частице ставится в соответствие волна, называемая волной де Бройля с частотой ν = E / p и длиной волны λ = h/p (h –постоянная Планка). Сравним длины волн в разных веществах, так в металлах λ ~ 1 нм, а в полупроводниках λ ~ 100 нм.

12.Квантовые ямы

Размерное квантование возникает тогда, когда движение электрона ограничено по одному из направлений. При этом необходимо, чтобы характерный размер системы в этом направлении d был меньше волны де Бройля, т.е. d0щ9<λ.((это когда ограничен по одному направлени.

В соответствии с принципом Паули при добавлении в нашу систему электронов они будут распределяться по состояниям с увеличивающейся энергией. Это распределение характеризуется функцией плотности состояний g, которая определяется как число состояний N для электронов, приходящиеся на единичный интервал энергий. g = dN / dE ,

Плотность состояний двумерных электронов не зависит от энергии: G ( E ) = dN / dE = m / π ħ²

13. Квантовая нить

Если в структуре с двумерными электронами изготовить одномерные каналы, в которых электрон может двигаться только вдоль одного направления, то можно получить, так называемые квантовые нити.(вдоль одного направления)

Рис. Материал квантовых проволок(нитей) обозначен желтым цветом, барьерных слоев между ними – голубым.

Плотность электронных состояний в квантовой нити пропорциональна 1/Е^1/2

14. Квантовые точки

Квантовую нить можно разделить на отдельные изолированные с точки зрения движения электрона участки, тогда возникают так называемые квантовые точки или нульмерные объекты. Это должны быть участки со средним размером 5-20 нм по всем трем направлениям. В таком полупроводнике существуют уровни энергии для электрона, подобные атомным.

Материал квантовых точек обозначен желтым цветом, барьерных слоев между ними – голубым.

Плотность электронных состояний в квантовой точке — это уровень или уровни энергии. Квантовые точки часто сравнивают с атомами и называют их искусственными атомами по той причине, что они также, как и атомы имеют отдельные электронные энергетические уровни.

15. Схема формирования двумерных электронов на гетеропереходе

Двумерные электроны образуются на плоской границе контакта двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Часто в качестве пары таких полупроводников выбирают GaAs и Ga _{1- X} Al_XAs. Ширина запрещенной зоны E _{g 2} увеличивается при увеличении х. Гетероструктурой называется многослойная система из полупроводников с разнойшириной запрещённой зоны, но с одинаковой работой выхода(А=Е_{вакуума}-Е_феррми). а – зонная диаграмма двух различных полупроводниковых материалов (GaAs и Ga_1-XAl_XAs). Е_С – дно зоны проводимости, E_V – потолок валентной зоны, E_g – ширина запрещенной зоны. Индексы 1 и 2 относятся к GaAs и Ga_1-XAl_XAs соответственно. Все энергии отсчитываются от уровня энергии электрона в вакууме; б – профиль дна зоны проводимости Е_с гетероперехода. ΔЕ_С – разрыв зоны проводимости, Е_о и Е₁ –уровни размерного квантования. «Двумерные» электроны в гетеропереходе заштрихованы. Светлые кружки – ионизованные, темные – неионизированные примеси.

Электрическое поле, создаваемое электронами в арсениде галия и ионизованными примесями в твердом растворе арсенида галия с алюминием, показанные на рисунке светлыми кружочками, приводит к изгибу зон, и в возникающей квантовой яме образуются несколько уровней энергии.

Характерный размер потенциальной ямы в GaAs в направлении перпендикулярном гетерогранице, порядка или меньше длины волны де Бройля для электронов в данном полупроводнике, поэтому движение электронов в этом направлении квантовано. При этом электроны свободно двигаются вдоль границы раздела материалов, т.е. ведут себя как двумерные. Ширина запрещенной зоны E_g в GaAs составляет 1,52 эВ. При добавлении Al E_g растет. При концентрации алюминия х = 0,3 разность ширин запрещенных зон достигает 0,4 эВ. На границе возникает скачок потенциала, 60% которого приходится на зону проводимости и 40% на валентную зону.

16) Сравнение электронных систем разной размерности

массивные полупроводники с законом дисперсии E = ( p 2 x + p 2 y + p 2 z )/2 m ,

• двумерные структуры с законом дисперсии E = EN + ( p 2 x + p 2 y )/2 m

• Одномерные структуры E = Ei + p 2 x /2 m

(Плотность состояний в массивном трехмерном полупроводнике(а), в двумерной электронной структуре – квантовой яме(б) и одномерной структуре-квантовой нити(в)

17) Баллистическая проводимость

σ = (e2/2πħ)N

Отсюда следует, что баллистическая проводимость квантовой нити не зависит от характеристик нити (за исключением числа заполненных уровней), ни от условий измерений. В ней не содержится ничего, кроме мировых констант – постоянной Планка и заряда электрона.

Если число электронов на единицу длины нити n меньше, чем

2 [2 m ( E ₂ – E ₁ )]^1/2/πħ,

то все они располагаются на первом квантовом уровне и проводимость нити

σ = e ² /2 π ħ .

18) Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор. Рассмотрим сферический нанокристалл. Поместим его в среду с диэлектрической проницаемостью ε. Его емкость будет С = εR, а потенциал U = q/C, где q –электрический заряд. Для нанокристалла диаметром R в несколько нанометров величина емкости составляет примерно 10-18 Ф. Если поместить в него один электрон (заряд 1,6 10-19 Кл), то его потенциал изменится на ~ 0,1 В и увеличивается пропорционально 1/R. Этого потенциала вполне достаточно, чтобы воспрепятствовать движению других электронов.

• 19. Аллотропные формы углерода: определения, примеры

• Алмаз,графит,графен,нанотрубки,фуллерен

Алмаз-бесцветное прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хруп. Он настолько тверд, что оставляет царапины на большинстве материалов.

Графит- Графены в графите очень плохо связаны между собой и могут скользит друг относительно друга. У графита хорошая тепло и электропроводимость, используется в карандаше.Поэтому если провести графитом по бумаге,то соприкосающийся с ним лист графена отделяется от графитаи остается на бумаге.

Графен-это одиночный плоский лист состоящий из атома углерода,связанных между собой и образующих решетку,каждая ячейка которой напоминает пчелиную соту.Расстояние между ближайщими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм. сильно анизотропное вещество, состоит из слабо взаимодействующих плоских слоев атомов углерода.

Нанотрубки-это это каркасные структуры или гиганские молекулы,состоящие из атомов углерода. Преимущества:высокая плотность,высокая плотность переключения,низкие энергозатраты,радиационно и магнитостойкие.

Фуллерен-молекула самого симметричного и наиболее изученного фуллерена состоящего из 60 атомов углерода,образуют многогранник,состоящий из 20 6-тиугольников и 12 5-тиугольников,диаметр фуллерена составляет 1 нм.

20.Графен,свойства графена.

Графен-сильно анизатропное вещество, он состоит из слабо взаимодействующих плоских слоев атомов углерода. То что связь между атомными плоскостями слабая можно наблюдать в процессе рисования ил карандашом на бумаге, когда слои графита легко смещаются и отсоединяются ,оставляя свой след на бумаге.

Свойства графена.

1)Электронные свойства новой формы углерода коренным образом отличаются от свойств трехмерных веществ.ВЫ частности экспер.подтвердили предсказание теоретиков о линейном законе дисперсии электронов,но физикам было известно,частицы распространившиеся в пространстве со скоростью света.Это означает что электрон в граыене как и фотоны не имеют массы,но движутся в 300раз медленне фотонов и имеют ненулевой заряд.

2)Линейный закон дисперсии электронов,а также то,что они являются фермионами, вынуждает использовать для описания графена не уравнении шредингера,как в физике твердого тела,а в ур-е Дирака.поэтому электрон в графене называют дираковскими фермионами,а определенные участки кристаллической структуры графена для которых закон дисперсии линеен -дираковскими точками.

3)Поскольку эти особенности поведения электронов в двумерном углероде присущи релятивским частям, появляется возможность экспериментальным образом смоделировать в графене некоторые эффекты из физики высоких энергий, которые используются для ускорения заряженных частиц.

4)В макроскопическом масшабе линейный закон дисперсии приводит к тому что графен явл.полуметаллом,т.е полупроводником с нулевой шириной запрещенной зоны,а еого проводимость в нормальнызх условиях не уступает проводимости меди.Более того электроны чрезвычайно чувствительны к воздействию внешнего электрического поля,поэтому подвижность носителей заряда в граене при комнатной температуре теоретически можкт достигать рекордных значений в 100раз больше чем у кремния,и в 20 раз больше чем у арсенида галия.

5)Графен установил рекорд и по теплопроводности,измеренный коэфициент теплопроводмости двумерного углерода в 10 раз больше чем у в меди,который считается отличным проводником теплоты. Раньше это св-во принадлежало углеродной НТ,Графен улучшил этот показатель почти в 1,5 раза.

Физ.св-ва1)обладает механич.прочностью. 2)Высокая жесткость и устойчивость. 3)электрическая проводимость зависит от размеров и формы.

21.Принцип работы СТМ, блок-схема

В качестве зонда в СТМ используется остро заточенная металлическая игла. пространственное разрешение СТМ определяется в основном радиусом закругления острия и его мех. женскостью. В качестве материала для зонда обычно используются металлы с высокой твердостью и химической стойкостью: вольфрам или платина.

Схема туннельного сенсора.

Главной частью микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением. Туннельный сенсор измеряет ток, протекающий между металлическим острием и образцом. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

22. Факторы, влияющие на качеств изображения СТМ

Сканирующий зондовый микроскоп дает изображение поверхности, увеличенное во всех трех измерениях: x, y и z, максимальная разрешающая способность для каждой из осей определяется различными факторами.

Разрешение по оси z ограничивается, во-первых, чувствительностью сенсора, и, во-вторых, амплитудой вибраций зонда относительно поверхности образца. Конструкция микроскопа должна обеспечивать уменьшение амплитуды этих вибрации до долей ангстрема

Максимальное разрешение в плоскости x-y определяется, прежде всего, точностью позиционирования зонда. Важное значение имеет геометрия острия зонда. При сканировании предельно плоских (атомно-плоских) поверхностей разрешение лимитируется диаметром атома на самом конце иглы (так называемый эффект последнего атома

23. Режимы постоянного тока и постоянной высоты в СТМ

Альтернативный метод регистрации, применимый при исследовании малых достаточно плоских участков - работа в режиме с очень большой постоянной времени цепи обратной связи, так что при сканировании поддерживается среднее расстояние острие – образец и регистрируются быстрые изменения туннельного тока («токовое изображение»). Этот способ позволяет максимально использовать быстродействие системы регистрации и получать изображения «в реальном времени»

24. Суть метода Ленгмюра, коэффициент растекания.

эксперемент Покельс

Суть метода ленгмюровских пленок :Основная идея метода заключается в формировании на водной поверхности мономолекулярного слоя амфифильного вещества и последующем его переносе на твердую подложку.

Коэффициент растекания:
Растекание жидкости В по жидкости А можно выразить через введенный Харкинсом коэффициент растекания SB/A = ?A – (?B + ?AB),где SB/A - коэффициент растекания жидкости В по жидкости А; ?A и ?B – коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей; ?AB – относительный коэффициент поверхностного натяжения на границе их раздела. Если SB/A > 0, происходит самопроизвольное растекание, если SB/A < 0, жидкость В остается на поверхности жидкости А в виде линз.

26. Стабильность и состояния монослоев

Двумерные монослои могут находиться в трех различных состояниях: конденсированном, текучем и газообразном. Когда молекулы образуют наиболее плотную упаковку, то считается, что монослой находится в конденсированном состоянии. Ленгмюровские пленки получают только на основе конденсированных монослоев Газообразное состояние является предельным случаем противоположным конденсированному состоянию. Поверхностное давление в таких пленках при увеличении поверхности асимптотически стремится к нулю, и поверхностная вязкость пленок очень мала. Средняя молекулярная площадь в газообразном монослое данного вещества относительно велика.

27. понятие коллапса

Равновесное давление растекания монослоя есть давление в монослое, находящемся в равновесии с устойчивой объемной фазой. Если монослой сжат до давлений, гораздо больших равновесного давления растекания, то достигается состояние, называемое «точкой коллапса». В точке коллапса увеличение давления становится невозможным, так как либо давление падает при неизменной площади пленки, либо при постоянном давлении уменьшается площадь пленки.

«Давлением коллапса» называется максимальное давление, при котором происходит это фазовое превращение.

Коллапс - неуправляемое наползание монослоев друг на друга

28.Перенос монослоев на твердые тела.