Кванттық жіпшелі кеуекті кремнийдың фракталдық қасиеттері
КІРІСПЕ 4
1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ 5
1.1 Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік 5
1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар 11
2. НАНОҚҰРЫЛЫМДЫ ОБЪЕКТІЛЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ 19
2.1 Кеуекті кремнийдің фракталдық қасиеттері 19
3. САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ 34
ҚОРЫТЫНДЫ 38
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 39
1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ 5
1.1 Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік 5
1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар 11
2. НАНОҚҰРЫЛЫМДЫ ОБЪЕКТІЛЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ 19
2.1 Кеуекті кремнийдің фракталдық қасиеттері 19
3. САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ 34
ҚОРЫТЫНДЫ 38
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 39
Қазіргі уақытта наноқұрылымды шалаөткізгіштер жаңа нанотехнологиялар үшін таптырмас материал болып отыр. Микроскопияның заманауи әдістері арқылы зерттелген шалаөткізгіш қабыршақтардың құрылымы нанокластерлер түріндегі құрылымдардан тұратындығы анықталған болатын. Бұл құрылымдар регулярлы емес, сонымен қатар олар өзұқсас және өзаффинді қасиеттерге ие болғандықтан оларды фракталды және мультифракталды объектілер ретінде қарастыруға болады. Ұқсастық коэффициенттері бірдей болған жағдайда өзұқсастық қасиет, ал әр түрлі болған жағдайда өзаффиндік қасиет байқалады [1].
Шалаөткізгіш наноқұрылымдарда жүйенің қасиеттерін өзгерте отырып, олардың геометриялық өлшемдері мен конфигурацияларын басқаруға болады. Бұл қасиет наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттері мен заряд тасымалдаушылардың энергетикалық сипаттамаларын басқаруға мүмкіндік береді. Наноқұрылымдар өздерінің өлшемдерімен ғана емес, сонымен қатар геометриялық (ұзындығы, ауданы, көлемі) және физикалық сипаттамаларының өлшеу масштабына тәуелділігімен ерекшеленеді. Нанотехнологияның дамуы фракталдық және кванттық қасиеттерге ие наноқұрылымдардың физикасын білуді қажет етеді. Сондықтан, наноқұрылымды объект болып табылатын кванттық жіпшелі кеуекті кремнийдің фракталдық қасиетін зерттеуді дипломдық жұмыстың мақсаты етіп таңдап алдық.
Шалаөткізгіш наноқұрылымдарда жүйенің қасиеттерін өзгерте отырып, олардың геометриялық өлшемдері мен конфигурацияларын басқаруға болады. Бұл қасиет наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттері мен заряд тасымалдаушылардың энергетикалық сипаттамаларын басқаруға мүмкіндік береді. Наноқұрылымдар өздерінің өлшемдерімен ғана емес, сонымен қатар геометриялық (ұзындығы, ауданы, көлемі) және физикалық сипаттамаларының өлшеу масштабына тәуелділігімен ерекшеленеді. Нанотехнологияның дамуы фракталдық және кванттық қасиеттерге ие наноқұрылымдардың физикасын білуді қажет етеді. Сондықтан, наноқұрылымды объект болып табылатын кванттық жіпшелі кеуекті кремнийдің фракталдық қасиетін зерттеуді дипломдық жұмыстың мақсаты етіп таңдап алдық.
1. Жаңабаев З.Ж., Ильясов Н.И.,.Темірқұлова Н.И. Бейсызық физика практикумы. «Қазақ университеті» 2003ж.
2. Кардона М. Основы физики полупроводников. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 560 с.
3. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu.,Danegulova T.B., Assanov G.S. Optical Processes in Nanostructured Semiconductors. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience.2013, Vol. 10, No 3, pp. 673-678. 3.
4. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Physical Fractal Phenomena in Nanostructured Semiconductors. Reviews in Theoretical Science, 2014, Vol. 2, No. 3, pp. 211-259.
5. ФедерЕ. Фракталы. – Москва: Мир, 1991. - 254 с.
6. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Логинова В.И. Твердотельные фрактальные структуры // Альтернативная энергетика и экология. − 2005. - № 9(29). - С. 56-66.
7. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractal Properties of Surfaces of Nanostructured Semiconductor Films // Eurasian Physical Technical Journal. – 2006. - Vol. 3, № 2(6). - P. 38-44.
8. Жанабаев З.Ж., Данегулова Т.Б., Гревцева Т.Ю. Оптические свойства наноструктурированных полупроводников // Мат. 6-ой Междунар. науч. конф. «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование». Посвященная 75-летию КазНУ им. аль-Фараби. – Алматы, 2009. – С. 126-128.
9. Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки: Что это такое? // Соросовский Образовательный Журнал. 1997.№5. С.80-86.
10. Mandelbrot B.B. Stochastic models of the Earth’s relief, the shape and the fractal dimension of the coastlines, and the number-area rule for islands // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. − 1975. - № 72. - Р. 3825-3828.
11. Mandelbrot B.B., Passoja D.E., Paullay A.J. Fractal character of fracture surfaces of metals // Nature. − 1984. - Vol. 308. - P. 721-722.
12. Шик А. Я.. Квантовые нити. –Санкт-Петербургский технический университет, 2000
13. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractal Properties of Nanostructured Semiconductors // Physica B: Condensed Matter. – 2007. - Vol. 391, № 1. -P. 12-17.
14. Piotzonero L., Tosatti E. Fractals in Physics. – Elsiever Science, 1986. – 274 p.
15. Жанабаев З.Ж., Данегулова Т.Б., Гревцева Т.Ю. Оптические свойства наноструктурированных полупроводников // Мат. 6-ой Междунар. науч. конф. «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование». Посвященная 75-летию КазНУ им. аль-Фараби. – Алматы, 2009. – С. 126-128.
16. Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки: Что это такое? // Соросовский Образовательный Журнал. 1997.№5. С.80-86.
17. Zhanabaev Z.Zh. Fractal Measures in Nanoelectronics and neurodynamics// Eurasian Physical Technical Journal. – 2012. - № 1 (10). - P. 3-13.
18. Karachevtseva L.A., Lytvynenko O.A., Malovichko E. A., Sobolev V.D., and Stronska O.J. institute of Semiconductor Physics, 45 Nauki Prsp., 03028 Kyiv, Ukraine.
19. Zhanabaev Z.Zh., Grevtseva T.Yu., Assanov G.S. Fractal properties ofe[citonic in nanostructured nanostructured semiconductors // Phisica B: Condensed Matter. -2011. Al-Farabi Kazakh National University, Almaty 050038, Kazakhstan, al-Farabi 71.
20. Zhanabayev Z.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractality of Nanostructured Semicon¬ductor Films // e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. – 2007. - Vol. 5. - P. 132-135.
2. Кардона М. Основы физики полупроводников. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 560 с.
3. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu.,Danegulova T.B., Assanov G.S. Optical Processes in Nanostructured Semiconductors. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience.2013, Vol. 10, No 3, pp. 673-678. 3.
4. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Physical Fractal Phenomena in Nanostructured Semiconductors. Reviews in Theoretical Science, 2014, Vol. 2, No. 3, pp. 211-259.
5. ФедерЕ. Фракталы. – Москва: Мир, 1991. - 254 с.
6. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Логинова В.И. Твердотельные фрактальные структуры // Альтернативная энергетика и экология. − 2005. - № 9(29). - С. 56-66.
7. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractal Properties of Surfaces of Nanostructured Semiconductor Films // Eurasian Physical Technical Journal. – 2006. - Vol. 3, № 2(6). - P. 38-44.
8. Жанабаев З.Ж., Данегулова Т.Б., Гревцева Т.Ю. Оптические свойства наноструктурированных полупроводников // Мат. 6-ой Междунар. науч. конф. «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование». Посвященная 75-летию КазНУ им. аль-Фараби. – Алматы, 2009. – С. 126-128.
9. Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки: Что это такое? // Соросовский Образовательный Журнал. 1997.№5. С.80-86.
10. Mandelbrot B.B. Stochastic models of the Earth’s relief, the shape and the fractal dimension of the coastlines, and the number-area rule for islands // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. − 1975. - № 72. - Р. 3825-3828.
11. Mandelbrot B.B., Passoja D.E., Paullay A.J. Fractal character of fracture surfaces of metals // Nature. − 1984. - Vol. 308. - P. 721-722.
12. Шик А. Я.. Квантовые нити. –Санкт-Петербургский технический университет, 2000
13. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractal Properties of Nanostructured Semiconductors // Physica B: Condensed Matter. – 2007. - Vol. 391, № 1. -P. 12-17.
14. Piotzonero L., Tosatti E. Fractals in Physics. – Elsiever Science, 1986. – 274 p.
15. Жанабаев З.Ж., Данегулова Т.Б., Гревцева Т.Ю. Оптические свойства наноструктурированных полупроводников // Мат. 6-ой Междунар. науч. конф. «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование». Посвященная 75-летию КазНУ им. аль-Фараби. – Алматы, 2009. – С. 126-128.
16. Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки: Что это такое? // Соросовский Образовательный Журнал. 1997.№5. С.80-86.
17. Zhanabaev Z.Zh. Fractal Measures in Nanoelectronics and neurodynamics// Eurasian Physical Technical Journal. – 2012. - № 1 (10). - P. 3-13.
18. Karachevtseva L.A., Lytvynenko O.A., Malovichko E. A., Sobolev V.D., and Stronska O.J. institute of Semiconductor Physics, 45 Nauki Prsp., 03028 Kyiv, Ukraine.
19. Zhanabaev Z.Zh., Grevtseva T.Yu., Assanov G.S. Fractal properties ofe[citonic in nanostructured nanostructured semiconductors // Phisica B: Condensed Matter. -2011. Al-Farabi Kazakh National University, Almaty 050038, Kazakhstan, al-Farabi 71.
20. Zhanabayev Z.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractality of Nanostructured Semicon¬ductor Films // e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. – 2007. - Vol. 5. - P. 132-135.
Қазақстан Республикасының Ғылым және білім министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Тұрғанәлі І.Т.
КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДЫҢ ФРАКТАЛДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
мамандығы
Алматы 2015
Қазақстан Республикасының Ғылым және білім министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
__________ Кафедра меңгерушісі Приходько О. Ю.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДЫҢ ФРАКТАЛДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
мамандығы бойынша
Орындаған Тұрғанәлі І.Т.
Ғылыми жетекшілер
ф.-м.ғ.д., профессор Жаңабаев З.Ж.
Оқытушы Хамзина А.Г.
Норма бақылаушы Толегенова А.А.
Алматы, 2015
РEФEРAТ
Диплoмдық жұмыc 40 бeттeн, 29 cyрeттeн жәнe 20 қoлдaнылғaн әдeбиeттің aтayлaрынaң тұрaды.
Нeгізгі cөз тіркecтeр мeн тeрминдeрдің тізімі: кeyeкті крeмний, наноқұрылым, гетероқұрылым, фрактал.
Диплoмдық жұмыcтың мaқcaты наножіпті кeyeкті крeмнийдің фракталдық қacиeттeрін зeрттeп, oның вoльт-aмпeрлік cипaттaмacын, өткізгіштігін зeрттey бoлып тaбылaды.
РEФEРAТ
Диплoмнaя рaбoтa cocтoит из 40 cтрaниц, 29 риcyнкoв и 20 иcпoльзoвaнныx литeрaтyр.
Ocнoвныe тeрмины и cлoвocoчeтaния: пoриcтый крeмний, наноструктура, гетероструктура, фрактал.
Цeлью диплoмнoй рaбoты являeтcя иccлeдoвaниe фрактальная cвoйcтв пoриcтoгo крeмния, eгo вoльтaмпeрныe xaрaктeриcтики, прoвoдимocтьи.
Рaбoтa cocтoит из ввeдeния, трех глaв и зaключeния.
ABSTRACT
This is consists of 40 pages 29 figures and 20 references.
Basic terms and phrases: porous silicon, nanostructures, heterostructures, fractals.
The aim of the thesis is to study the fractal properties of porous silicon, its current-voltage characteristics and conductivity. The work consists of an introduction, three chapters and conclusion.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 4
1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ 5
1.1 Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік 5
1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар 11
2. НАНОҚҰРЫЛЫМДЫ ОБЪЕКТІЛЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ 19
2.1 Кеуекті кремнийдің фракталдық қасиеттері 19
3. САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ 34
ҚОРЫТЫНДЫ 38
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 39
КІРІСПЕ
Қазіргі уақытта наноқұрылымды шалаөткізгіштер жаңа нанотехнологиялар үшін таптырмас материал болып отыр. Микроскопияның заманауи әдістері арқылы зерттелген шалаөткізгіш қабыршақтардың құрылымы нанокластерлер түріндегі құрылымдардан тұратындығы анықталған болатын. Бұл құрылымдар регулярлы емес, сонымен қатар олар өзұқсас және өзаффинді қасиеттерге ие болғандықтан оларды фракталды және мультифракталды объектілер ретінде қарастыруға болады. Ұқсастық коэффициенттері бірдей болған жағдайда өзұқсастық қасиет, ал әр түрлі болған жағдайда өзаффиндік қасиет байқалады [1].
Шалаөткізгіш наноқұрылымдарда жүйенің қасиеттерін өзгерте отырып, олардың геометриялық өлшемдері мен конфигурацияларын басқаруға болады. Бұл қасиет наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттері мен заряд тасымалдаушылардың энергетикалық сипаттамаларын басқаруға мүмкіндік береді. Наноқұрылымдар өздерінің өлшемдерімен ғана емес, сонымен қатар геометриялық (ұзындығы, ауданы, көлемі) және физикалық сипаттамаларының өлшеу масштабына тәуелділігімен ерекшеленеді. Нанотехнологияның дамуы фракталдық және кванттық қасиеттерге ие наноқұрылымдардың физикасын білуді қажет етеді. Сондықтан, наноқұрылымды объект болып табылатын кванттық жіпшелі кеуекті кремнийдің фракталдық қасиетін зерттеуді дипломдық жұмыстың мақсаты етіп таңдап алдық.
1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ
Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік
Қазіргі уақытта, жартылай өткізгіштер негізінде жасалған техникалар кең қолданыс тапқан. Жартылай өткізгіштердің қасиеттері Кеуекті кремний өткен ғасырдың 50-ші жылдарында ашылғанымен, қазіргі уақытқа дейін өзінің қызығушылығын жоғалтпаған. Себебі, қазіргі техниканың дамуына байланысты кеуекті кремний кең қолданыс тапқан болатын. Жартылай өткізгіш - диэлектриктер мен өткізгіштер арасындағы аралықта өзінің меншікті өткізгіштігіарқылы орын алатын материал және өткізгіштерден айырмашылығы әр түрлі сәулелену түрлерінің әсері, температура, сондай-ақ қоспа концентрациясынан болатын меншікті өткізгіштіктің қатты тәуелділігі болып табылады. Әдетте шала өткізгіштерге электронды босату үшін 1,5-2 эВ энергияны талап етеін кристаллдар енеді. Шала өткізгіштің негізгі қасиеті - температура артуымен электрлік өткізгіштіктің артуы.
Жартылай өткізгіштер қатарына тыйым салынған зона ені бірнеше электронвольт құрайтын заттар кіреді. Мысалға, алмасты кең зоналы жартылайөткізгіштер, ал арсенид индийін тар зоналы шала өткізгіштер қатарына ендірсе болады. Шалаөткізгіштер қатарына көптеген химиялық элементтер (германий, крмений, селен, теллур, күшәлә және т.б.), қорытпалардың көп саны мен химиялық қоспалардың (галий арсениді және т.б.) мөлшері кіреді. Дерлік біздің әлемді қоршап тұрған органикалық емес заттар -- жартылайөткізгіштер.
Шалатөткізгіштер көптеген уақыт бойы инженерлер мен ғалымдардың қызығушылығына ілікпеді. Жартылайөткізгіштердің физикалы қасиеттерін жүйелік зерттеудің бастамасын кеңестік физик Абрам Федорович Иоффе көрсетті. Ол жартылайөткізгіштер біршама таңғаларлық физикалық қасиеттерімен кристаллдардың ерекше класына кіретініне көзін жеткізді:
Температура артқан кезде меншікті кедергісі көбейетін металлдардан айырмашылығы жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісі температура артуымен азаяды.
Екі жартылай өткізгіштің байланысының бір бағытты өткізу қасиеті. Дәл осы қасиет түрлі жартылай өткізгішті құрылғыларды дайындауда пайдаланылады: диодтар, транзисторлар, тириторлар және т.б.
Шала өткізгіштердің байланысы белгілі шарттарда жарық немесе жылуды берген кезде фото - Э.Қ.К. немесе сәйкесінше термо - Э.Қ.К. көздері болып табылады.
Шалаөткізгіштер ерекше материалдар класы ретінде ХІХ ғасырдың соңына таман белгілі болғанымен кванттық теорияның дамуы ғана диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және металлдардың ерекшеліктерін түсінуге мүмкіндік берді (Уилон, АҚШ, 1931). Бұған дейін жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштік, металл-шалаөткізгіш контакт кезінде түзеу сынды қасиеттері ғана мәлім еді. Алғашқы құрылғылар осы негізде жасалған. [1, 2].
Электронды жартылай өткзгіштер (n - типті)
n-тип термині негізгі тасымалдаушылардың кері заряд мағынасын беретін negative сөзінен шығады. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштер табиғатынан қоспаға ие болады. Төрт валентті жартылай өткізгішті ( мысалға кремний) бес валентті жартылай өткізгіш қоспасына (мысалға күшәлә) қосады. Өзара байланыс процесінде қоспаның әр атомы кремний атомдарымен ковалентті байланысқа түседі. Алайда күшәләнің бесінші электрон атомына қаныққан валентті байланстарда орын жоқ, сондықтан ол қашық электронды қабықшаға (бұлт тәрізді) ауысады. Ол жерде атомнан жлектрон тартып алу үшін энергияның аз мөлшері қажет. Электрон ажырап еркінге айналады. Бұл жағдайда заряд тасымалдау кемтік емес электронмен жүзеге асырылады, яғни жартылай өткізгіштің бұл түрі электр тогын металл секілді өткізеді. Жартылай өткізгіштерге қосатын, ретінше n-типті жартылай өткізгіште айналатын қоспалар донорлы деп аталады.
Сурет 1.1. n-типті жартылай өткізгіш
Кемтікті жартылай өткізгіштер (р - типті)
р-тип термині негізгі тасымалдаушылардың оң зарядын білдіретін positive сөзінен шыққан. Жартылай өткізгіштердің бұл түрін қоспа негізінен бөлек өткізгіштіктің кемтікті жаратылысы сипаттайды. Төрт валентті жартылай өткізгішке (мысалға кремний) үш валентті элементтің (мысалға инлий) шамалы атомдар санын қосады. Қоспаның әр атомы кремнийдің көрші үш атомымен ковалентті байланыс орнатады. Кремнийдің тқртінші атомымен байланыс орнату үшін индийдің валентті электроны жоқ, сондықтан да ол кремнийдің көрші атомдары арасындағы ковалентті байланыстан валентті электронды ұстап қалады және кемтікті құрайтын теріс зарядталған ионға айналады. Бұл жағдайда қосатын қоспаларды акцепторлар деп атайды.
Сурет 1.2. р-типті жартылай өткізгіш
Жартылай өткізгіштерді қолдану
Жартылай өткізгішті материалдардың маңызы қолдану облысы -- электроника. Жартылай өткізгішті материалдар кремний негізінде жасалатын үлкен және аса үлкен заманауи интегралды сұлбалардың негізін құрайды. Жылдам әрекеттілігін арттыру мен пайдаланылатын қуатты төмендетудің әрі қарайғы дамуы GaAs, InP типті қосылыстары мен қатты ерітінділі басқа АIIIВVтипті негіздегі интегралды сұлбалармен байланысты. Үлкен масштабтарда жартылай өткізгішті материалдарды екпінді жартылай өткізгішті құрылғыларды (вентильдер, тиристорлар, қуатты транзисторлар) жасау үшін пайдаланылады. Сондай-ақ мұнда да кремний негізгі материал болып табылады, ал жоғарырақ жұмыс температурасында даму GaAs, SiC мен басқа да кең зоналы жартылай өткіщгішті материалдарды қолданады. Жыл өткен саын жартылай өткізгішті материалдарды күн энергетикасында пайдалану дамып келе жатыр. Күн батареяларын дайындау үшін негізгі жартылай өткізгішті материалдар болып Si, GaAs, гетероструктуралы GaxAl1-xAsGaAs, Cu2SCdS табылады[3].
Кеуекті кремний
Қазіргі кезде наноөлшемді құрылымы бар элементтерге ие болып келетін шалаөткізгішті материалдарға баса назар аударылып отыр. Мұндай материалдар арқылы қарапайым материалдарадың қасиеттерін анықтай аламыз. Қазіргі кезде кеуекті кремнийді алу және оның қасиеті мен қолданысын анықтау туралы екі ғылыми шығарылым,яғни төменде көрсетілген [3,4,5] әдебиеттері бар.
Кеуекті кремний ең алғаш рет 1956 жылы А. Улир тарапынан HF су қоспасында кремний беткі қабаттарын электрохимиялық өңдеу әдісімен өңдеген кезде табылған. Ұзақ уақытқа дейін кеуекті кремний қабаттарын жай ғана лабораториялық үлгі ретінде қарастырды және ол көп уақытқа дейін нақты зерттелген жоқ. Дегенмен бұл материал зерттеушілердің қызығушылығын арттыра түсті, себебі оның қалыптасу механизмі түгел дерлік түсініксіз еді.
1990 жылы Л. Кэнхэм бөлме температурасында лазермен сәулелендіру кезіндегі көрінетін спектр аумағында кеуекті кремний арқылы жарық сәулеленуін тапқаннан кейін кеуекті кремнийге деген қызығушылық одан ары арта түсті. Кремний негізіндегі материалдардың люменисценциясына деген қызығушылық болса барлық шалаөткізгіштік өндірістер кремнийге негізделгеніне байланысты арта берді, ал монокристалды кремний құрылғыны жарықпен сәулелендіруге қолданылмайды, себебі оның сәулелендіру қабілеттілігі өте аз (0,001%-дан төмен).
Кeуeктiлiктi aлу прoцecci
Жoғaрыдa крeмнийгe HF қocпaeрiтiндiciн құйғaн уaқттa oндaғы кeуeктiлiктiң кeмтiктeр жәнeoң зaрядтaрдың қoзғaлыcы әceрiнeн прoцeccтiң oрындaлғaнын көрceтiп кeттiк. Дәл ocы құймaaрқылы крeмнийдe кeуeктiлiктiң пaйдa бoлуын ic жүзiндe көругe бoлaды.
Кeуeктi крeмнийдi aлу үшiн n жәнe p типтi крeмнийдi пaйдaлaнуғa бoлaды. Дeгeнмeн eкeуiндeaздaп aйырмaшылық бoлaды. Нeгiзгi aйырмaшылығы кeмтiктeр caнындa бoлaды [3]. Coндықтaн бұлaрды кeйдe жұқa қaбыршaқты жәнe қaлың қaбыршaқты дeп жiктeп жaтaды. Қaлың қaбыршaқты, яғни p типтi крeмнийдe кeуeктiлiктiaлaр бoлcaқ oның өлшeмi нaнoмeтрлeргe дeйiн жeтeдi, кeрiciншe жұқa қaбыршaқты крeмнийдe n типтi крeмний кeуeктiлiгi микрoөлшeммeн шeктeлeдi [2]. Әринe бұл қaтып қaлғaн қaғидaeмec, тoк мәнiнiң aртуынa бaйлaныcты кeуeктiлiк дәрeжeci өceдi. Жoғaрыдaкeуeктiлiк клaccификaцияcын жiктeп көрceткeн бoлaтынбыз, oлaр: -микрoкeуeкт, -мeзoкeуeктi жәнe -мaкрoкeуeктi бoлып бөлiнeдi. Тәжiрибeлeр нәтижeci бoйыншa n-типтi крeмнийдe нeгiзгi тacымaлдaушылaр элeктрoндaр бoлaды, aл кeмтiктeр aз бoлaтыны мәлiм бoлды, coғaн oрaй oның өлшeмi 102-106 cм-3 бoлaтыны aйқын, aл p-типтi крeмнийдiң өлшeмдeрicoғaн caй 1014-1018 cм-3 бoлып кeлeдi [2]. Дeмeк мұннaн құрылымы өзгeшeлeу бoлып кeлeтiнiн бaйқaймыз. Oлaй бoлca n типтi крeмнийдi HF қocпaeрiтiндiciмeн өңдeу жaйлы түciндiрeйiк.
Дeгeнмeн n жәнe p типтi крeмнийдicутeгi элeктрoлитiмeн өңдeу oртaқ прoцeccтeн өтeдi. Тeк шaмaлы өзгeрicтeр eнгiзiлeдi. Aлaйдa бұл жұмыcтa n типтi кeуeктi крeмниймeн жұмыc жacaу жaйлы aйтылaды. Cурeт 1.3-тe HF қocпaeрiтiндiciaрқылы n типтi крeмнийдe кeуeктiлiктiaлу жoлы көрceтiлгeн.
-
+
electrolyte
рlаtіnumеlеctrоdе
sеаls
еlесtrоdе(Ni)
fluоrорlаstіс bаtһ
sіlіcоnsubstrаtе
pоrоus sіlісоn layer
-
+
electrolyte
рlаtіnumеlеctrоdе
sеаls
еlесtrоdе(Ni)
fluоrорlаstіс bаtһ
sіlіcоnsubstrаtе
pоrоus sіlісоn layer
Cурeт 1.3.Кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшық [8]
Cурeт 1.4. Кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшық a - вeртикaль типтi ұяшық: б - крeмнийгecұйықпeн кoнтaкттaлғaн (бaйлaныcтырылғaн) eкiкaмeрaлы ұяшық. 1 - фтoрлықaбaтты вaннa, 2 - крeмнийлi плacтинa, 3 - плaтинaлы элeктрoд, 4 - нығыздaғыш, 5 - кeуeктi крeмний қaбaты, 6 - мeтaллды элeктрoд.
Жұмыc принципi ұяшыққa құйылғaн eрiтiндiлi қocпaны құйып, крeмнийлi плacтинaның бoйынa кeуeктiлiктi eндiру.
Cурeт 1.4 кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшықты көрceткeн. Cурeт 1.4 (a) вeртикaль типтi ұяшық, cурeт 1.2(б) крeмнийгecұйықтықпeн бaйлaныcтырылғaн ұяшық көрceтiлгeн. Ұяшықтың iшiнe HF eрiтiндici құйылғaн [4-8]. Крeмний плacтинacын cурeттeн көрiп oтырғaнымыздaй ұяшыққa бeкiтeдi. Ұяшық микрoкeуeктicипaттaмaғa иe бoлуы мүмкiн. Кeйдeoрнынa фтoрлы қaбықты түтiкшeнi жaлғaйды. Мұндaғы oй cутeгi фтoридiнe бeткi қaбaт әceр eтпeуi кeрeк. Крeмнийдiң өзiндe мeзoкeуeктiлiк қaбiлeтi бoлca, oндaoл тoзaңдaндырылмaғaн бoлып кeлeдi. Кeлeci кeзeктe ұяшықтың үcтiнeн HF қышқыл қocындыcын құяды. Oның бeтiндe элeктрoд рeтiндe қaбылдaғaн плaтинaны eнгiзeмiз. Тoк мәнiн бeргeн кeздe элeктрoдтa көбiршiктeр пaйдa бoлып, крeмнийдiң бeткi қaбaтындa түcaлмacу прoцeci жүрeдi, яғни кeуeктeндiрeдi. Бұл интeрфeрeнция құбылыcының бoлып жaтқaндығын көрceтeдi. Шaмaмeн 20-30 минуттaй уaқыттaн кeйiн элeктрoдты aлып, HF eрiтiндiciн төгiп тacтaйды. Aл крeмний плacтинacының бeткi қaбaтын cумeн шaю қaжeт. Нәтижeciндe крeмнийдiң кeуeктiлiгiн aлaмыз. Cурeт 1.5 жәнe cурeт 1.6-да зeртхaнaдaaлынғaн кeуeктi крeмнийдi өңдeу тәciлi көрceтiлгeн.
Cурeт 1.5. Крeмнийдi HF eрiтiндiciмeн зeртхaнaдa өңдeу
Aнoд рeтiндe крeмний плacтинacы пaйдaлaнылaды. Мұндa крeмний
қaбыршaғының түрлi кeуeктiлiгi пaйдaлaнылaды. Oл кeрi әceрiн тигiзбeйдi, кeрiciншecипaттaмaлaрды нeмece пaрaмeтрлeрiнiң өзгeшeлiгiн көрceтeдi. Жoғaрыдaaтaп өткeнiмiздeй бeткi қaбaтынa фтoрлы түтiкшe (ыдыc) oрнaлacтырылып, үcтiнe HF қocпaeрiтiндiciн құяды. Кeй кeздe фтoрлытүтiкшeнi (ыдыc) көп жaғдaйдa ұяшық дeп aтaйды. Плaтинaлы элeктрoдты HF eрiтiндiciнeeнгiзeдi. Жaғдaйғa бaйлaныcты, coнымeн қaтaр жұмыcтың нәтижeciнe бaйлaныcты плaтинaoрнынa бacқa дa элeмeнттeр қoлдaнылaды. Кeуeктi крeмнийдiaнoдтaу нeмece элeктрoлиттi жoлмeн aлу ocындaй этaппeн өтeдi.
Cурeт 1.6. Кeуeктi крeмнийдi элeктрoлиттi жoлмeн өңдeу
Cурeт 1.6-дағы кeуeктi крeмнийдiaлу кeзiндe, плaтинaлы элeктрoдты eнгiзiп, aнықтaп қaрaр бoлcaқ, oндaғы крeмнийдiң бeткi қaбaты интeрфeрeнция құбылыcынa ұшырaп, түci өзгeргeндiгi көрiнeдi. Cәйкeciншe HF eрiтiндici кeң тaрaлғaн әрi көп жaғдaйлaрдa пaйдaлaнылaды.
1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар.
Шалаөткізгішті гетереқұрылымдар физикалық қасиеттерді зерттеуге негіз болып табылады [6,7,8].
Гетереқұрылым дегеніміз - химиялық қасиеті бойынша да, физикалық қасиеті бойынша да түрлі болып келетін екі шалақткізгіштің байланысуы нәтижесінде пайда болатын шалаөткізгіштік құрылым болып табылады. Гетереқұрылымның негізгі элементі - гетереөткел. Гетереөткел түрлі химиялық екі материалдың байланысындағы бір материалдың кристалдық торы бұзылуларсыз екінші материалдың торына периодты түрде өтуін көрсетеді. Гетереөткелде материал қасиетінің секірме тәрізді өзгерісі жүзеге асады: эффективті масса, тыйым салынған аумақтың ені, валенттік аумақ пен өткізгіштік аумақтың, иілгіш және фононды сипаттамлар шектерінің жағдайы және т.б. Тәжірибе бойынша әрбір қасиет гетереқұрылымның қолданысына тікелей байланысты [9].
Жоғарыда айтып кеткеніміздей гетереөткел деп түрлі ортадағы екі шалаөткізгіштің байланысының шегіндегі өткелді айтамыз.
Гетереөткел монокристалды екі шалаөткізгіш арасында пайда болғаны секілді монокристалды және аморфты шалаөткізгіштер арасында да жүзеге асуы мүмкін.
Гетереөткел шегінде щалаөткізгіштің қасиеттері өзгереді. Кей жағдайларда энергетикалық зона құрылымы өзгереді, тыйым салынған аймақтың ені өзгреді және заряд тасушылардың эффективті массасы мен жылжымалылығы өзгеруі мүмкін.
Гетереөткелді изотопты және анизотопты деп бөліп қарастырамыз. Анизотопты өткелдер кемтік пен электрон арасында жүзеге асады. Изотопты өткел бір типті өткізгіштікке ие шалаөткізгіштер арасында пайда болады. Гетереөткелдің түрлі комбинациясы гетереқұрылымды құрастырады. Сурет 1.1-де идеалды (а) және шұғыл (ә) p - n өткелі үшін электрлік зона диаграммасы көрсетілген.
Қазіргі кезде наноқұрылымдарға ие болып келетін нанокластерлі шалаөткізгіштерді зерттеу маңызды болып отыр. Наноқұрылымдар дегеніміз қасиеті тек қана құрылымдық элементтердің көлемімен ғана емес, сонымен қатар олардың кеңістікте ретімен орналасуына байланысты анықталатын табиғи немесе қолдан жасалған наноөлшемді объекттердің жиынтығы болып табылады. Кеңістік бойынша түрлі болып келетін аймақтар наноқұрылымда қатты деденің түрлі квазибөлшектері - электрондар, кемтіктер, фонондар орналасатын потенциалдық шұңқыр рөлін ойнауы мүмкін. Квазибөлшектердің кеңістіктік орналасу аймағының сызықты өлшемі олардың еркін жүріс ұзындығынан кіші болған кездегі жағдай үлкен қызығушылық тудырады. Мұндай жағдайда өлшемдік квантталу эффекті байқалады. Бұл дегеніміз квазибөлшектер бір немесе екі өлшемде (кванттық шұңқыр, кванттық жіпше) төмендеген кезде және дискретті деңгейде орналасу өлшемі үш өлшемде (кванттық нүкте) төмендеген кезде энергиясының рұқсат етілген зонасы жарықшақтанады (сурет 1.5). Квазибөлшектердің қозғалысы бір бағытта шектелген жүйелерді кванттық шұңқыр деп атайды. Квазибөлшектердің қозғалысы екі бағытта шектелген жүйелерді кванттық жіпше, ал квазибөлшектердің қозғалысы үш бағытта да шектелген жүйелерді кванттық нүкте деп атайды.
Сурет 1.7. Наноқұрылмдар типі [5].
(а) - кванттық шұңқырлар, (b) - кванттық жіпшелер, (с) - кванттық нүктелер.
Кванттық шұңқыр -- электронның энергиясы шектеріне қарағанда аз материалдың ішіндегі (әдетте 1-10 нм өлшемді) толқын ұзындығына жуық өлшемді жартылай қткізгіштің бөлшегі, осылайша электрон қозғалысы үш өлшемді кеңістікте де шектеулі болады. Кванттық нүктелерді жасау үшін координатаның үш кеңістігінде де зард тасымалдаушылары бекітілген зоналы үш өлшемді потенциалды шұңқыр көмегімен жүзеге асырылады. Үш өлшемді потенциалды шұңқырдың құрылуын GaAs және AlGaAs арасындағы жартылай өткізгішті гетероауысу мысалынан көрсе болады.
Сурет 1.8. Ттыйым салынған зонаның түрлі ені бар жартылай өткізгіштер арасындағы гетероауысудың қалыптасуы.
Валенттік зонаның электрондары GaAs облысынан AlGaAs зонасына потенциалды саты көмегімен түсе алмайды. GaAs - AlGaAs гетероауысу зонасындағы электрондар екі өлшемді электронды газды құрайды.
Егер тағы бір гетероауысуды қосар болсақ, электрон қозғалыстары барлық кеңістік координаталарында шектелген кванттық шұңқырға қол жеткізе аламыз. Олар үшін жалғыз еркін деңгей ретінде кванттық сәулеленумен өайта орнына келу және кванттық энергияны жұту арқылы өткізгіштік зонаға секіру, яғни өту ғана қалады. Демек бұл кезде кванттық нүте құрылады.
Сурет 1.9. Жартылай өткізгіштің шекараларындағы екі өлшемді электронды газда қалыптасқан кванттық нүктелер.
Сурет 1.10. Кең тыйым салынған зонаға ие, екі жартылай өткізгіштер арасында бекітілген, тар тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш қабатында қалыптасқан квантық шұңқыр.
Сурет 1.11. Тыйым салынған зонаның түрлі енді жартылай өткізгіштер арасындағы кванттық шұңқырдың қалыптасуы.
Кванттық нүктелер үшін материалдар ретінде GaAs бөлек түрлі заттарды пайдаланған қолайлы, сондай-ақ CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, Si және т.б. қолданылуы мүмкін [9-12].
Кванттық нүктелерді алу тәсілдері
Кванттық нүктелерді өндірудің бірнеше тәсілдері бар:
а) Молекулалы-эпитаксиалы әдіс. Мұқият тазаланған төсемелерде кванттық нүктелерді өсіруге мүмкіндік беретін әдіс. Терең вакуум шартында төсемеге арнайы дайындалған түпнұсқалармен затты буландыру арқылы атомдар мен молекулалар ағынын бағыттайды. Егер түпнұсқа ретінде тыйым салынған зонаның түрлі енін кезектестіріп пайдаланса, төсемеде пирамида сипатына сай өсіруге мүмкіндік аламыз.
Сурет 1.12. Молекулалы-сәулелі эпитаксия әдісімен кванттық нүктелерді өсіру сұлбасы.
б) Мосгидридті газды фазалы эпитаксия. Гетероқұрылмдар газды фазалы реакторда атмояфералық қысыммен өсіріледі. Мұндай реакторларда газды фаза ретінде әдетте затқа тұндырылатын араластырылған атомды сутегінің ыстық ағыны пайдаланылады.
в) Коллоидты синтез әдісі. Коллоидты синтез арқылы квантық нүктелерді жинау сұық фазада жүзеге асырылады. Мысалы, коллоидты синтез үшін CdSe, кадмий диметилі мен селен опасын триалкилфосфинде ерітеді, соңынан алынған қоспаны 3500 С температураға дейін қыздырылған триалкилфосфинге себеді. Өндірудің соңғы сатысында алынған нанокристаллдардың жоғарғы жағын кең тыйым салынған зоналы материалмен (мысалға ZnS немесе CdS) бүркейді.
Коллоидыты синтез әдісінің артықшылығы кванттық нүктелерді қажет көлемде өндіру болып табылады.
Квантттық нүктелерді басқа да тәсілдермен алса болады: литография, электрохимиялық кристаллдау әдісі.
Кванттық нүктелерді алу
Кванттық шұңқыр мен ондағы бекітілген электрондар кванттық нүктелерді тәжірибелік қолдануда ыңғайлы объекті ретінде қарастырады. Кванттық нүктелер жартылай өткізгішті лазерлерде пайдаланылады. Кванттық нүктелі лазерлер үлкен күшейту коэффициентіне, жоғары жұмыс температурасына ие, оларға токтың аз табалдырықты тығыздығы керек. Кванттық нүктелердің негізінде жарықтығы көтерілген жарықтық диодтарды жасап шығаруға болады, сонымен қатар сәулелену спектрін корригирлейтін жарық көзінің арнайы жабынын дайындауға болады. Кванттық нүктелерді заманауи жартылай өткзгіштер қолданысын тапқан барлық салады пайдалану болады, мысалға жоғары өнімді күн батареяларында, фотодиодтарда, фотодетекторларда, бір электронды транзисторларда.сондай-ақ кванттық нүктелер медицина саласында (зақымдалған қан тамырларды диагноздау, аневризмде, ісікті клеткаларда) пайдаланылады. Кванттық нүктелерді пайдалануды зерттеудің болашағы бар бағыты ретінде олардың негізіндегі кванттық компьютерлерді санаса болады [6].
Кванттық жіпшелер
Кванттық жіпшелер заряд тасымалдаушылар қозғалысы екі бағытта да шектелген жартылай өткізгішті құрылымдарды көрсетеді. Сондыөтан энергия кванттық сипаттамаға ие.
Электрондар қозғалысы бір бағытта шектелген жартылай өткізгішті қрылымдарда осы координата бойымен кванттық эффектілер пайда бола бастайды. Нәтижесінде электрондардың еркін қозғалысы үш өлшемдіден көптеген электронды қаситтерін түбегейлі өзгерттетін және Холлдың кванттау эфекттісіне себеп болатын екі өлшемдіге айналады. Дегенмен, қазіргі уақытта кванттық жіпшелердің физикалық қасиеттері жақсы зерттелмеген болып табылады.
Кванттық жіпшлерді дайындау әдістері
Кванттық жіпшелерді дайындаудың көптеген әдістері екі электронды газ жүйесінде (ереже бойынша гетероқұрылым негізінде) осы немесе өзге жол арқылы электрондар қозғалысы тағы бір бағытта шектелуіне негізделеді. Ол үшін бірнеше тәсіл бар.
Олардың бірі -- литографиялық техника көмегімен тар жолақты тура "кесу" (сурет 1.13). Сонымен қатар электрондар энергиясын кванттау байқалатын ені жүз ангстрем электрондаы жіпшелерді алу үшін аса жоғары рұқсат етілетін литографиялық техниканың талабына сай келетін дәл осындай енді жолақты жасау міндетті емес. Өңделген жазықтың бүйір шекараларында жартылай өткізгіштің бос беті сынды қосылыс қабаттарын құрайтын беттік күйлер пайда болады. Бұл қабат өткізетін арнаның қосымша тарылуын шақырады, нәтижесінде кванттық эффектті микронның оннан бір бөлшегі ретті -- үлкен енді жолақтардан байқауға болады.
1 - кең тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш, 2 - тар тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш, 3 - металлды бекітпе.
Сурет 1.13. Шоттки бекітпесінің саңылауында (б) немесе құрылымның өзінің (а) тар жолағын өңдеу есебінен субмикроннды литография көмегімен алынған кванттық жіпшелі жартылай өткізгішті гетероқұрылымдар.
Өзгеше жолды тұтынса да болады. Жартылай өткізгішті құрылымның бетін жартылай өкізгіш Шоттки контактісі мен тар саңылауға ие металлды электродпен бүркейді. Егер гетерошекара беттік қабатқа жақын орналасса, яғни қосылу қабатында орналасқан бола, онда екі өлшемді электрондар саңылау астындағы тар облыстан бөлек қалған барлық шекараларда болмайды. Мұндай бір өлшемді құрылым қосымша артықшылыққа ие: бекітпеде кернеуді өзгерте отырып, кванттық жіпшенің эффективті ені мен ондағы тасымалдаушылардың концентрациясын басқара аламыз.
Кванттық жіпшелерді қолдану
Кванттық жіпшелерді түрлі құрылымдар үшін тәжірибелік приборларда қолдану әлі толық зерттелмеген. Оның бір бөлігі шалаөткізгішті лазерлермен байланысты.
Генерация ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Тұрғанәлі І.Т.
КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДЫҢ ФРАКТАЛДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
мамандығы
Алматы 2015
Қазақстан Республикасының Ғылым және білім министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жіберілді
__________ Кафедра меңгерушісі Приходько О. Ю.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДЫҢ ФРАКТАЛДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
5В071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
мамандығы бойынша
Орындаған Тұрғанәлі І.Т.
Ғылыми жетекшілер
ф.-м.ғ.д., профессор Жаңабаев З.Ж.
Оқытушы Хамзина А.Г.
Норма бақылаушы Толегенова А.А.
Алматы, 2015
РEФEРAТ
Диплoмдық жұмыc 40 бeттeн, 29 cyрeттeн жәнe 20 қoлдaнылғaн әдeбиeттің aтayлaрынaң тұрaды.
Нeгізгі cөз тіркecтeр мeн тeрминдeрдің тізімі: кeyeкті крeмний, наноқұрылым, гетероқұрылым, фрактал.
Диплoмдық жұмыcтың мaқcaты наножіпті кeyeкті крeмнийдің фракталдық қacиeттeрін зeрттeп, oның вoльт-aмпeрлік cипaттaмacын, өткізгіштігін зeрттey бoлып тaбылaды.
РEФEРAТ
Диплoмнaя рaбoтa cocтoит из 40 cтрaниц, 29 риcyнкoв и 20 иcпoльзoвaнныx литeрaтyр.
Ocнoвныe тeрмины и cлoвocoчeтaния: пoриcтый крeмний, наноструктура, гетероструктура, фрактал.
Цeлью диплoмнoй рaбoты являeтcя иccлeдoвaниe фрактальная cвoйcтв пoриcтoгo крeмния, eгo вoльтaмпeрныe xaрaктeриcтики, прoвoдимocтьи.
Рaбoтa cocтoит из ввeдeния, трех глaв и зaключeния.
ABSTRACT
This is consists of 40 pages 29 figures and 20 references.
Basic terms and phrases: porous silicon, nanostructures, heterostructures, fractals.
The aim of the thesis is to study the fractal properties of porous silicon, its current-voltage characteristics and conductivity. The work consists of an introduction, three chapters and conclusion.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 4
1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ 5
1.1 Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік 5
1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар 11
2. НАНОҚҰРЫЛЫМДЫ ОБЪЕКТІЛЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ 19
2.1 Кеуекті кремнийдің фракталдық қасиеттері 19
3. САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ 34
ҚОРЫТЫНДЫ 38
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 39
КІРІСПЕ
Қазіргі уақытта наноқұрылымды шалаөткізгіштер жаңа нанотехнологиялар үшін таптырмас материал болып отыр. Микроскопияның заманауи әдістері арқылы зерттелген шалаөткізгіш қабыршақтардың құрылымы нанокластерлер түріндегі құрылымдардан тұратындығы анықталған болатын. Бұл құрылымдар регулярлы емес, сонымен қатар олар өзұқсас және өзаффинді қасиеттерге ие болғандықтан оларды фракталды және мультифракталды объектілер ретінде қарастыруға болады. Ұқсастық коэффициенттері бірдей болған жағдайда өзұқсастық қасиет, ал әр түрлі болған жағдайда өзаффиндік қасиет байқалады [1].
Шалаөткізгіш наноқұрылымдарда жүйенің қасиеттерін өзгерте отырып, олардың геометриялық өлшемдері мен конфигурацияларын басқаруға болады. Бұл қасиет наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттері мен заряд тасымалдаушылардың энергетикалық сипаттамаларын басқаруға мүмкіндік береді. Наноқұрылымдар өздерінің өлшемдерімен ғана емес, сонымен қатар геометриялық (ұзындығы, ауданы, көлемі) және физикалық сипаттамаларының өлшеу масштабына тәуелділігімен ерекшеленеді. Нанотехнологияның дамуы фракталдық және кванттық қасиеттерге ие наноқұрылымдардың физикасын білуді қажет етеді. Сондықтан, наноқұрылымды объект болып табылатын кванттық жіпшелі кеуекті кремнийдің фракталдық қасиетін зерттеуді дипломдық жұмыстың мақсаты етіп таңдап алдық.
1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ
Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік
Қазіргі уақытта, жартылай өткізгіштер негізінде жасалған техникалар кең қолданыс тапқан. Жартылай өткізгіштердің қасиеттері Кеуекті кремний өткен ғасырдың 50-ші жылдарында ашылғанымен, қазіргі уақытқа дейін өзінің қызығушылығын жоғалтпаған. Себебі, қазіргі техниканың дамуына байланысты кеуекті кремний кең қолданыс тапқан болатын. Жартылай өткізгіш - диэлектриктер мен өткізгіштер арасындағы аралықта өзінің меншікті өткізгіштігіарқылы орын алатын материал және өткізгіштерден айырмашылығы әр түрлі сәулелену түрлерінің әсері, температура, сондай-ақ қоспа концентрациясынан болатын меншікті өткізгіштіктің қатты тәуелділігі болып табылады. Әдетте шала өткізгіштерге электронды босату үшін 1,5-2 эВ энергияны талап етеін кристаллдар енеді. Шала өткізгіштің негізгі қасиеті - температура артуымен электрлік өткізгіштіктің артуы.
Жартылай өткізгіштер қатарына тыйым салынған зона ені бірнеше электронвольт құрайтын заттар кіреді. Мысалға, алмасты кең зоналы жартылайөткізгіштер, ал арсенид индийін тар зоналы шала өткізгіштер қатарына ендірсе болады. Шалаөткізгіштер қатарына көптеген химиялық элементтер (германий, крмений, селен, теллур, күшәлә және т.б.), қорытпалардың көп саны мен химиялық қоспалардың (галий арсениді және т.б.) мөлшері кіреді. Дерлік біздің әлемді қоршап тұрған органикалық емес заттар -- жартылайөткізгіштер.
Шалатөткізгіштер көптеген уақыт бойы инженерлер мен ғалымдардың қызығушылығына ілікпеді. Жартылайөткізгіштердің физикалы қасиеттерін жүйелік зерттеудің бастамасын кеңестік физик Абрам Федорович Иоффе көрсетті. Ол жартылайөткізгіштер біршама таңғаларлық физикалық қасиеттерімен кристаллдардың ерекше класына кіретініне көзін жеткізді:
Температура артқан кезде меншікті кедергісі көбейетін металлдардан айырмашылығы жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісі температура артуымен азаяды.
Екі жартылай өткізгіштің байланысының бір бағытты өткізу қасиеті. Дәл осы қасиет түрлі жартылай өткізгішті құрылғыларды дайындауда пайдаланылады: диодтар, транзисторлар, тириторлар және т.б.
Шала өткізгіштердің байланысы белгілі шарттарда жарық немесе жылуды берген кезде фото - Э.Қ.К. немесе сәйкесінше термо - Э.Қ.К. көздері болып табылады.
Шалаөткізгіштер ерекше материалдар класы ретінде ХІХ ғасырдың соңына таман белгілі болғанымен кванттық теорияның дамуы ғана диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және металлдардың ерекшеліктерін түсінуге мүмкіндік берді (Уилон, АҚШ, 1931). Бұған дейін жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштік, металл-шалаөткізгіш контакт кезінде түзеу сынды қасиеттері ғана мәлім еді. Алғашқы құрылғылар осы негізде жасалған. [1, 2].
Электронды жартылай өткзгіштер (n - типті)
n-тип термині негізгі тасымалдаушылардың кері заряд мағынасын беретін negative сөзінен шығады. Бұл түрдегі жартылай өткізгіштер табиғатынан қоспаға ие болады. Төрт валентті жартылай өткізгішті ( мысалға кремний) бес валентті жартылай өткізгіш қоспасына (мысалға күшәлә) қосады. Өзара байланыс процесінде қоспаның әр атомы кремний атомдарымен ковалентті байланысқа түседі. Алайда күшәләнің бесінші электрон атомына қаныққан валентті байланстарда орын жоқ, сондықтан ол қашық электронды қабықшаға (бұлт тәрізді) ауысады. Ол жерде атомнан жлектрон тартып алу үшін энергияның аз мөлшері қажет. Электрон ажырап еркінге айналады. Бұл жағдайда заряд тасымалдау кемтік емес электронмен жүзеге асырылады, яғни жартылай өткізгіштің бұл түрі электр тогын металл секілді өткізеді. Жартылай өткізгіштерге қосатын, ретінше n-типті жартылай өткізгіште айналатын қоспалар донорлы деп аталады.
Сурет 1.1. n-типті жартылай өткізгіш
Кемтікті жартылай өткізгіштер (р - типті)
р-тип термині негізгі тасымалдаушылардың оң зарядын білдіретін positive сөзінен шыққан. Жартылай өткізгіштердің бұл түрін қоспа негізінен бөлек өткізгіштіктің кемтікті жаратылысы сипаттайды. Төрт валентті жартылай өткізгішке (мысалға кремний) үш валентті элементтің (мысалға инлий) шамалы атомдар санын қосады. Қоспаның әр атомы кремнийдің көрші үш атомымен ковалентті байланыс орнатады. Кремнийдің тқртінші атомымен байланыс орнату үшін индийдің валентті электроны жоқ, сондықтан да ол кремнийдің көрші атомдары арасындағы ковалентті байланыстан валентті электронды ұстап қалады және кемтікті құрайтын теріс зарядталған ионға айналады. Бұл жағдайда қосатын қоспаларды акцепторлар деп атайды.
Сурет 1.2. р-типті жартылай өткізгіш
Жартылай өткізгіштерді қолдану
Жартылай өткізгішті материалдардың маңызы қолдану облысы -- электроника. Жартылай өткізгішті материалдар кремний негізінде жасалатын үлкен және аса үлкен заманауи интегралды сұлбалардың негізін құрайды. Жылдам әрекеттілігін арттыру мен пайдаланылатын қуатты төмендетудің әрі қарайғы дамуы GaAs, InP типті қосылыстары мен қатты ерітінділі басқа АIIIВVтипті негіздегі интегралды сұлбалармен байланысты. Үлкен масштабтарда жартылай өткізгішті материалдарды екпінді жартылай өткізгішті құрылғыларды (вентильдер, тиристорлар, қуатты транзисторлар) жасау үшін пайдаланылады. Сондай-ақ мұнда да кремний негізгі материал болып табылады, ал жоғарырақ жұмыс температурасында даму GaAs, SiC мен басқа да кең зоналы жартылай өткіщгішті материалдарды қолданады. Жыл өткен саын жартылай өткізгішті материалдарды күн энергетикасында пайдалану дамып келе жатыр. Күн батареяларын дайындау үшін негізгі жартылай өткізгішті материалдар болып Si, GaAs, гетероструктуралы GaxAl1-xAsGaAs, Cu2SCdS табылады[3].
Кеуекті кремний
Қазіргі кезде наноөлшемді құрылымы бар элементтерге ие болып келетін шалаөткізгішті материалдарға баса назар аударылып отыр. Мұндай материалдар арқылы қарапайым материалдарадың қасиеттерін анықтай аламыз. Қазіргі кезде кеуекті кремнийді алу және оның қасиеті мен қолданысын анықтау туралы екі ғылыми шығарылым,яғни төменде көрсетілген [3,4,5] әдебиеттері бар.
Кеуекті кремний ең алғаш рет 1956 жылы А. Улир тарапынан HF су қоспасында кремний беткі қабаттарын электрохимиялық өңдеу әдісімен өңдеген кезде табылған. Ұзақ уақытқа дейін кеуекті кремний қабаттарын жай ғана лабораториялық үлгі ретінде қарастырды және ол көп уақытқа дейін нақты зерттелген жоқ. Дегенмен бұл материал зерттеушілердің қызығушылығын арттыра түсті, себебі оның қалыптасу механизмі түгел дерлік түсініксіз еді.
1990 жылы Л. Кэнхэм бөлме температурасында лазермен сәулелендіру кезіндегі көрінетін спектр аумағында кеуекті кремний арқылы жарық сәулеленуін тапқаннан кейін кеуекті кремнийге деген қызығушылық одан ары арта түсті. Кремний негізіндегі материалдардың люменисценциясына деген қызығушылық болса барлық шалаөткізгіштік өндірістер кремнийге негізделгеніне байланысты арта берді, ал монокристалды кремний құрылғыны жарықпен сәулелендіруге қолданылмайды, себебі оның сәулелендіру қабілеттілігі өте аз (0,001%-дан төмен).
Кeуeктiлiктi aлу прoцecci
Жoғaрыдa крeмнийгe HF қocпaeрiтiндiciн құйғaн уaқттa oндaғы кeуeктiлiктiң кeмтiктeр жәнeoң зaрядтaрдың қoзғaлыcы әceрiнeн прoцeccтiң oрындaлғaнын көрceтiп кeттiк. Дәл ocы құймaaрқылы крeмнийдe кeуeктiлiктiң пaйдa бoлуын ic жүзiндe көругe бoлaды.
Кeуeктi крeмнийдi aлу үшiн n жәнe p типтi крeмнийдi пaйдaлaнуғa бoлaды. Дeгeнмeн eкeуiндeaздaп aйырмaшылық бoлaды. Нeгiзгi aйырмaшылығы кeмтiктeр caнындa бoлaды [3]. Coндықтaн бұлaрды кeйдe жұқa қaбыршaқты жәнe қaлың қaбыршaқты дeп жiктeп жaтaды. Қaлың қaбыршaқты, яғни p типтi крeмнийдe кeуeктiлiктiaлaр бoлcaқ oның өлшeмi нaнoмeтрлeргe дeйiн жeтeдi, кeрiciншe жұқa қaбыршaқты крeмнийдe n типтi крeмний кeуeктiлiгi микрoөлшeммeн шeктeлeдi [2]. Әринe бұл қaтып қaлғaн қaғидaeмec, тoк мәнiнiң aртуынa бaйлaныcты кeуeктiлiк дәрeжeci өceдi. Жoғaрыдaкeуeктiлiк клaccификaцияcын жiктeп көрceткeн бoлaтынбыз, oлaр: -микрoкeуeкт, -мeзoкeуeктi жәнe -мaкрoкeуeктi бoлып бөлiнeдi. Тәжiрибeлeр нәтижeci бoйыншa n-типтi крeмнийдe нeгiзгi тacымaлдaушылaр элeктрoндaр бoлaды, aл кeмтiктeр aз бoлaтыны мәлiм бoлды, coғaн oрaй oның өлшeмi 102-106 cм-3 бoлaтыны aйқын, aл p-типтi крeмнийдiң өлшeмдeрicoғaн caй 1014-1018 cм-3 бoлып кeлeдi [2]. Дeмeк мұннaн құрылымы өзгeшeлeу бoлып кeлeтiнiн бaйқaймыз. Oлaй бoлca n типтi крeмнийдi HF қocпaeрiтiндiciмeн өңдeу жaйлы түciндiрeйiк.
Дeгeнмeн n жәнe p типтi крeмнийдicутeгi элeктрoлитiмeн өңдeу oртaқ прoцeccтeн өтeдi. Тeк шaмaлы өзгeрicтeр eнгiзiлeдi. Aлaйдa бұл жұмыcтa n типтi кeуeктi крeмниймeн жұмыc жacaу жaйлы aйтылaды. Cурeт 1.3-тe HF қocпaeрiтiндiciaрқылы n типтi крeмнийдe кeуeктiлiктiaлу жoлы көрceтiлгeн.
-
+
electrolyte
рlаtіnumеlеctrоdе
sеаls
еlесtrоdе(Ni)
fluоrорlаstіс bаtһ
sіlіcоnsubstrаtе
pоrоus sіlісоn layer
-
+
electrolyte
рlаtіnumеlеctrоdе
sеаls
еlесtrоdе(Ni)
fluоrорlаstіс bаtһ
sіlіcоnsubstrаtе
pоrоus sіlісоn layer
Cурeт 1.3.Кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшық [8]
Cурeт 1.4. Кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшық a - вeртикaль типтi ұяшық: б - крeмнийгecұйықпeн кoнтaкттaлғaн (бaйлaныcтырылғaн) eкiкaмeрaлы ұяшық. 1 - фтoрлықaбaтты вaннa, 2 - крeмнийлi плacтинa, 3 - плaтинaлы элeктрoд, 4 - нығыздaғыш, 5 - кeуeктi крeмний қaбaты, 6 - мeтaллды элeктрoд.
Жұмыc принципi ұяшыққa құйылғaн eрiтiндiлi қocпaны құйып, крeмнийлi плacтинaның бoйынa кeуeктiлiктi eндiру.
Cурeт 1.4 кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшықты көрceткeн. Cурeт 1.4 (a) вeртикaль типтi ұяшық, cурeт 1.2(б) крeмнийгecұйықтықпeн бaйлaныcтырылғaн ұяшық көрceтiлгeн. Ұяшықтың iшiнe HF eрiтiндici құйылғaн [4-8]. Крeмний плacтинacын cурeттeн көрiп oтырғaнымыздaй ұяшыққa бeкiтeдi. Ұяшық микрoкeуeктicипaттaмaғa иe бoлуы мүмкiн. Кeйдeoрнынa фтoрлы қaбықты түтiкшeнi жaлғaйды. Мұндaғы oй cутeгi фтoридiнe бeткi қaбaт әceр eтпeуi кeрeк. Крeмнийдiң өзiндe мeзoкeуeктiлiк қaбiлeтi бoлca, oндaoл тoзaңдaндырылмaғaн бoлып кeлeдi. Кeлeci кeзeктe ұяшықтың үcтiнeн HF қышқыл қocындыcын құяды. Oның бeтiндe элeктрoд рeтiндe қaбылдaғaн плaтинaны eнгiзeмiз. Тoк мәнiн бeргeн кeздe элeктрoдтa көбiршiктeр пaйдa бoлып, крeмнийдiң бeткi қaбaтындa түcaлмacу прoцeci жүрeдi, яғни кeуeктeндiрeдi. Бұл интeрфeрeнция құбылыcының бoлып жaтқaндығын көрceтeдi. Шaмaмeн 20-30 минуттaй уaқыттaн кeйiн элeктрoдты aлып, HF eрiтiндiciн төгiп тacтaйды. Aл крeмний плacтинacының бeткi қaбaтын cумeн шaю қaжeт. Нәтижeciндe крeмнийдiң кeуeктiлiгiн aлaмыз. Cурeт 1.5 жәнe cурeт 1.6-да зeртхaнaдaaлынғaн кeуeктi крeмнийдi өңдeу тәciлi көрceтiлгeн.
Cурeт 1.5. Крeмнийдi HF eрiтiндiciмeн зeртхaнaдa өңдeу
Aнoд рeтiндe крeмний плacтинacы пaйдaлaнылaды. Мұндa крeмний
қaбыршaғының түрлi кeуeктiлiгi пaйдaлaнылaды. Oл кeрi әceрiн тигiзбeйдi, кeрiciншecипaттaмaлaрды нeмece пaрaмeтрлeрiнiң өзгeшeлiгiн көрceтeдi. Жoғaрыдaaтaп өткeнiмiздeй бeткi қaбaтынa фтoрлы түтiкшe (ыдыc) oрнaлacтырылып, үcтiнe HF қocпaeрiтiндiciн құяды. Кeй кeздe фтoрлытүтiкшeнi (ыдыc) көп жaғдaйдa ұяшық дeп aтaйды. Плaтинaлы элeктрoдты HF eрiтiндiciнeeнгiзeдi. Жaғдaйғa бaйлaныcты, coнымeн қaтaр жұмыcтың нәтижeciнe бaйлaныcты плaтинaoрнынa бacқa дa элeмeнттeр қoлдaнылaды. Кeуeктi крeмнийдiaнoдтaу нeмece элeктрoлиттi жoлмeн aлу ocындaй этaппeн өтeдi.
Cурeт 1.6. Кeуeктi крeмнийдi элeктрoлиттi жoлмeн өңдeу
Cурeт 1.6-дағы кeуeктi крeмнийдiaлу кeзiндe, плaтинaлы элeктрoдты eнгiзiп, aнықтaп қaрaр бoлcaқ, oндaғы крeмнийдiң бeткi қaбaты интeрфeрeнция құбылыcынa ұшырaп, түci өзгeргeндiгi көрiнeдi. Cәйкeciншe HF eрiтiндici кeң тaрaлғaн әрi көп жaғдaйлaрдa пaйдaлaнылaды.
1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар.
Шалаөткізгішті гетереқұрылымдар физикалық қасиеттерді зерттеуге негіз болып табылады [6,7,8].
Гетереқұрылым дегеніміз - химиялық қасиеті бойынша да, физикалық қасиеті бойынша да түрлі болып келетін екі шалақткізгіштің байланысуы нәтижесінде пайда болатын шалаөткізгіштік құрылым болып табылады. Гетереқұрылымның негізгі элементі - гетереөткел. Гетереөткел түрлі химиялық екі материалдың байланысындағы бір материалдың кристалдық торы бұзылуларсыз екінші материалдың торына периодты түрде өтуін көрсетеді. Гетереөткелде материал қасиетінің секірме тәрізді өзгерісі жүзеге асады: эффективті масса, тыйым салынған аумақтың ені, валенттік аумақ пен өткізгіштік аумақтың, иілгіш және фононды сипаттамлар шектерінің жағдайы және т.б. Тәжірибе бойынша әрбір қасиет гетереқұрылымның қолданысына тікелей байланысты [9].
Жоғарыда айтып кеткеніміздей гетереөткел деп түрлі ортадағы екі шалаөткізгіштің байланысының шегіндегі өткелді айтамыз.
Гетереөткел монокристалды екі шалаөткізгіш арасында пайда болғаны секілді монокристалды және аморфты шалаөткізгіштер арасында да жүзеге асуы мүмкін.
Гетереөткел шегінде щалаөткізгіштің қасиеттері өзгереді. Кей жағдайларда энергетикалық зона құрылымы өзгереді, тыйым салынған аймақтың ені өзгреді және заряд тасушылардың эффективті массасы мен жылжымалылығы өзгеруі мүмкін.
Гетереөткелді изотопты және анизотопты деп бөліп қарастырамыз. Анизотопты өткелдер кемтік пен электрон арасында жүзеге асады. Изотопты өткел бір типті өткізгіштікке ие шалаөткізгіштер арасында пайда болады. Гетереөткелдің түрлі комбинациясы гетереқұрылымды құрастырады. Сурет 1.1-де идеалды (а) және шұғыл (ә) p - n өткелі үшін электрлік зона диаграммасы көрсетілген.
Қазіргі кезде наноқұрылымдарға ие болып келетін нанокластерлі шалаөткізгіштерді зерттеу маңызды болып отыр. Наноқұрылымдар дегеніміз қасиеті тек қана құрылымдық элементтердің көлемімен ғана емес, сонымен қатар олардың кеңістікте ретімен орналасуына байланысты анықталатын табиғи немесе қолдан жасалған наноөлшемді объекттердің жиынтығы болып табылады. Кеңістік бойынша түрлі болып келетін аймақтар наноқұрылымда қатты деденің түрлі квазибөлшектері - электрондар, кемтіктер, фонондар орналасатын потенциалдық шұңқыр рөлін ойнауы мүмкін. Квазибөлшектердің кеңістіктік орналасу аймағының сызықты өлшемі олардың еркін жүріс ұзындығынан кіші болған кездегі жағдай үлкен қызығушылық тудырады. Мұндай жағдайда өлшемдік квантталу эффекті байқалады. Бұл дегеніміз квазибөлшектер бір немесе екі өлшемде (кванттық шұңқыр, кванттық жіпше) төмендеген кезде және дискретті деңгейде орналасу өлшемі үш өлшемде (кванттық нүкте) төмендеген кезде энергиясының рұқсат етілген зонасы жарықшақтанады (сурет 1.5). Квазибөлшектердің қозғалысы бір бағытта шектелген жүйелерді кванттық шұңқыр деп атайды. Квазибөлшектердің қозғалысы екі бағытта шектелген жүйелерді кванттық жіпше, ал квазибөлшектердің қозғалысы үш бағытта да шектелген жүйелерді кванттық нүкте деп атайды.
Сурет 1.7. Наноқұрылмдар типі [5].
(а) - кванттық шұңқырлар, (b) - кванттық жіпшелер, (с) - кванттық нүктелер.
Кванттық шұңқыр -- электронның энергиясы шектеріне қарағанда аз материалдың ішіндегі (әдетте 1-10 нм өлшемді) толқын ұзындығына жуық өлшемді жартылай қткізгіштің бөлшегі, осылайша электрон қозғалысы үш өлшемді кеңістікте де шектеулі болады. Кванттық нүктелерді жасау үшін координатаның үш кеңістігінде де зард тасымалдаушылары бекітілген зоналы үш өлшемді потенциалды шұңқыр көмегімен жүзеге асырылады. Үш өлшемді потенциалды шұңқырдың құрылуын GaAs және AlGaAs арасындағы жартылай өткізгішті гетероауысу мысалынан көрсе болады.
Сурет 1.8. Ттыйым салынған зонаның түрлі ені бар жартылай өткізгіштер арасындағы гетероауысудың қалыптасуы.
Валенттік зонаның электрондары GaAs облысынан AlGaAs зонасына потенциалды саты көмегімен түсе алмайды. GaAs - AlGaAs гетероауысу зонасындағы электрондар екі өлшемді электронды газды құрайды.
Егер тағы бір гетероауысуды қосар болсақ, электрон қозғалыстары барлық кеңістік координаталарында шектелген кванттық шұңқырға қол жеткізе аламыз. Олар үшін жалғыз еркін деңгей ретінде кванттық сәулеленумен өайта орнына келу және кванттық энергияны жұту арқылы өткізгіштік зонаға секіру, яғни өту ғана қалады. Демек бұл кезде кванттық нүте құрылады.
Сурет 1.9. Жартылай өткізгіштің шекараларындағы екі өлшемді электронды газда қалыптасқан кванттық нүктелер.
Сурет 1.10. Кең тыйым салынған зонаға ие, екі жартылай өткізгіштер арасында бекітілген, тар тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш қабатында қалыптасқан квантық шұңқыр.
Сурет 1.11. Тыйым салынған зонаның түрлі енді жартылай өткізгіштер арасындағы кванттық шұңқырдың қалыптасуы.
Кванттық нүктелер үшін материалдар ретінде GaAs бөлек түрлі заттарды пайдаланған қолайлы, сондай-ақ CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, Si және т.б. қолданылуы мүмкін [9-12].
Кванттық нүктелерді алу тәсілдері
Кванттық нүктелерді өндірудің бірнеше тәсілдері бар:
а) Молекулалы-эпитаксиалы әдіс. Мұқият тазаланған төсемелерде кванттық нүктелерді өсіруге мүмкіндік беретін әдіс. Терең вакуум шартында төсемеге арнайы дайындалған түпнұсқалармен затты буландыру арқылы атомдар мен молекулалар ағынын бағыттайды. Егер түпнұсқа ретінде тыйым салынған зонаның түрлі енін кезектестіріп пайдаланса, төсемеде пирамида сипатына сай өсіруге мүмкіндік аламыз.
Сурет 1.12. Молекулалы-сәулелі эпитаксия әдісімен кванттық нүктелерді өсіру сұлбасы.
б) Мосгидридті газды фазалы эпитаксия. Гетероқұрылмдар газды фазалы реакторда атмояфералық қысыммен өсіріледі. Мұндай реакторларда газды фаза ретінде әдетте затқа тұндырылатын араластырылған атомды сутегінің ыстық ағыны пайдаланылады.
в) Коллоидты синтез әдісі. Коллоидты синтез арқылы квантық нүктелерді жинау сұық фазада жүзеге асырылады. Мысалы, коллоидты синтез үшін CdSe, кадмий диметилі мен селен опасын триалкилфосфинде ерітеді, соңынан алынған қоспаны 3500 С температураға дейін қыздырылған триалкилфосфинге себеді. Өндірудің соңғы сатысында алынған нанокристаллдардың жоғарғы жағын кең тыйым салынған зоналы материалмен (мысалға ZnS немесе CdS) бүркейді.
Коллоидыты синтез әдісінің артықшылығы кванттық нүктелерді қажет көлемде өндіру болып табылады.
Квантттық нүктелерді басқа да тәсілдермен алса болады: литография, электрохимиялық кристаллдау әдісі.
Кванттық нүктелерді алу
Кванттық шұңқыр мен ондағы бекітілген электрондар кванттық нүктелерді тәжірибелік қолдануда ыңғайлы объекті ретінде қарастырады. Кванттық нүктелер жартылай өткізгішті лазерлерде пайдаланылады. Кванттық нүктелі лазерлер үлкен күшейту коэффициентіне, жоғары жұмыс температурасына ие, оларға токтың аз табалдырықты тығыздығы керек. Кванттық нүктелердің негізінде жарықтығы көтерілген жарықтық диодтарды жасап шығаруға болады, сонымен қатар сәулелену спектрін корригирлейтін жарық көзінің арнайы жабынын дайындауға болады. Кванттық нүктелерді заманауи жартылай өткзгіштер қолданысын тапқан барлық салады пайдалану болады, мысалға жоғары өнімді күн батареяларында, фотодиодтарда, фотодетекторларда, бір электронды транзисторларда.сондай-ақ кванттық нүктелер медицина саласында (зақымдалған қан тамырларды диагноздау, аневризмде, ісікті клеткаларда) пайдаланылады. Кванттық нүктелерді пайдалануды зерттеудің болашағы бар бағыты ретінде олардың негізіндегі кванттық компьютерлерді санаса болады [6].
Кванттық жіпшелер
Кванттық жіпшелер заряд тасымалдаушылар қозғалысы екі бағытта да шектелген жартылай өткізгішті құрылымдарды көрсетеді. Сондыөтан энергия кванттық сипаттамаға ие.
Электрондар қозғалысы бір бағытта шектелген жартылай өткізгішті қрылымдарда осы координата бойымен кванттық эффектілер пайда бола бастайды. Нәтижесінде электрондардың еркін қозғалысы үш өлшемдіден көптеген электронды қаситтерін түбегейлі өзгерттетін және Холлдың кванттау эфекттісіне себеп болатын екі өлшемдіге айналады. Дегенмен, қазіргі уақытта кванттық жіпшелердің физикалық қасиеттері жақсы зерттелмеген болып табылады.
Кванттық жіпшлерді дайындау әдістері
Кванттық жіпшелерді дайындаудың көптеген әдістері екі электронды газ жүйесінде (ереже бойынша гетероқұрылым негізінде) осы немесе өзге жол арқылы электрондар қозғалысы тағы бір бағытта шектелуіне негізделеді. Ол үшін бірнеше тәсіл бар.
Олардың бірі -- литографиялық техника көмегімен тар жолақты тура "кесу" (сурет 1.13). Сонымен қатар электрондар энергиясын кванттау байқалатын ені жүз ангстрем электрондаы жіпшелерді алу үшін аса жоғары рұқсат етілетін литографиялық техниканың талабына сай келетін дәл осындай енді жолақты жасау міндетті емес. Өңделген жазықтың бүйір шекараларында жартылай өткізгіштің бос беті сынды қосылыс қабаттарын құрайтын беттік күйлер пайда болады. Бұл қабат өткізетін арнаның қосымша тарылуын шақырады, нәтижесінде кванттық эффектті микронның оннан бір бөлшегі ретті -- үлкен енді жолақтардан байқауға болады.
1 - кең тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш, 2 - тар тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш, 3 - металлды бекітпе.
Сурет 1.13. Шоттки бекітпесінің саңылауында (б) немесе құрылымның өзінің (а) тар жолағын өңдеу есебінен субмикроннды литография көмегімен алынған кванттық жіпшелі жартылай өткізгішті гетероқұрылымдар.
Өзгеше жолды тұтынса да болады. Жартылай өткізгішті құрылымның бетін жартылай өкізгіш Шоттки контактісі мен тар саңылауға ие металлды электродпен бүркейді. Егер гетерошекара беттік қабатқа жақын орналасса, яғни қосылу қабатында орналасқан бола, онда екі өлшемді электрондар саңылау астындағы тар облыстан бөлек қалған барлық шекараларда болмайды. Мұндай бір өлшемді құрылым қосымша артықшылыққа ие: бекітпеде кернеуді өзгерте отырып, кванттық жіпшенің эффективті ені мен ондағы тасымалдаушылардың концентрациясын басқара аламыз.
Кванттық жіпшелерді қолдану
Кванттық жіпшелерді түрлі құрылымдар үшін тәжірибелік приборларда қолдану әлі толық зерттелмеген. Оның бір бөлігі шалаөткізгішті лазерлермен байланысты.
Генерация ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz