|
|
Одноэлектронное туннелирование
транзистор. При макроскопических размерах прибора ток непрерывен, а дискретность потока электронов проявляется во флуктуациях тока (дробовом шуме). Интересной особенностью описанного устройства является возможность прохождения электронов по наноструктуре, показанной на рис. 14.17, поштучно, т.е. по одному. Для описанной наноструктуры типа полевого транзистора размеры квантовой точки лежат в области единиц нанометров, а поперечное сечение подводящих электродов сравнимо с размерами квантовой точки. Для точек в форме диска или сферы радиусом rемкость выражается следующим образом: C=8ε0εr (диск) (14.11) С=4πε0ε (шар), (14.12)
где ε — диэлектрическая проницаемость окружающей среды, а ε0 = 8,8542 • 10-12 Ф/м — диэлектрическая постоянная вакуума. Для типичного материала подобных наноструктур — GaAs - ε составляет 13,2, что дает очень малое значение С = 1,47 • 10-18 r Фарад для сферической формы, где r - радиус в нанометрах. Электростатическая энергия сферической емкости с зарядом Q при добавлении или отборе электрона изменяется на ΔE ~ e Q/C, что соответствует изменению потенциала на ΔV=ΔE/ Q ΔV=e/C ≈0,109/r Вольт, (14.13) где rвыражено в нанометрах. Для наноструктуры радиусом 10 нм это приводит к изменению потенциала на 11 мВ, что легко поддается измерению. Это изменение достаточно велико и для того, чтобы воспрепятствовать туннелированию следующего электрона. Для наблюдения дискретной природы одноэлектронного переноса заряда на квантовую точку должны быть выполнены два условия. В соответствии с первым, электростатическая энергия квантовой точки в присутствии одного электрона e2/2C должна превосходить тепловую энергию kBT случайных колебаний атомов. Второе состоит в удовлетворении принципа неопределенности Гейзенберга, который в рассматриваемом случае можно сформулировать следующим образом: произведение энергии конденсатора е2/2С и характерного времени его зарядки τ = RTC должно превосходить постоянную Планка ΔEΔt= [e2/(2C)] RTC, (14.14) где RT — туннельное сопротивление потенциального барьера. Эти два условия можно переписать в виде e2/(2C) >>kBT (14.15a) RT>> h/t2 (14.15б) е h/e2 = 25,813 кОм — характерная величина квантового сопротивления. При выполнении этих условий медленное изменение напряжения вызывает ступенчатый рост тока каждый раз, когда напряжение изменяется на величину, задаваемую уравнением (14.13Этот эффект называется кулоновской блокадой,
так как после туннелирования фиксированного (для данного напряжения) количества электронов на островок дальнейшее туннелирование электронов блокируется. Примером системы, в которой осуществляется одноэлектронное туннелирование, является цепочка лиганд-стабилизированых наночастиц Аu55. Количество атомов золота в этих частицах совпадает с одним из так называемых магических структурных чисел для плотноупакованного ГЦК-кластера, подробно описанных в параграфе 2.3.1. Их форма близка к сфере радиусом 1,4 нм. Кластер из 55 атомов золота покрыт изолирующим слоем, называемым лиганд-оболочкой, толщина которой может меняться и обычно составляет около 0,7 нм. Одноэлектронное туннелирование происходит между двумя соседними лиганд-стабилизированными кластерами, а оболочка выступает в качестве потенциального барьера, через который и происходит такое туннелирование. Эксперименты выполнялись на линейных цепочках таких Аи55 кластеров (рис. 14.19). Оказывается, что электрон, попавший в цепочку на одном ее конце, проходит ее солитоноподобным образом. Оценки емкости между частицами дают С ≈10-18 Ф, а сопротивления между ними — RT ≈ 100 МОм (см. V. Gasparian et al. 2000). Приложения Инфракрасные детекторы
Чувствительность детектора выражается в силе тока (в амперах, А) на один ватт (Вт) падающего излучения. На рис. 14.20 показан график зависимости темновой плотности тока от напряжения для GaAs/AlGaAs фотодетектора на переходах «связанное состояние — непрерывная зона», а на рис. 14.21 представлена зависимость чувствительности такого детектора от длины волны для нормального падения и падения под углом 45°. Чувствительность достигает максимума на Лазеры на квантовых точках Инфракрасные детекторы, описанные в предыдущем параграфе, основаны на существовании дискретного спектра энергетических уровней квантовых ям, между которыми и происходят индуцируемые инфракрасным излучением переходы. Работа лазера также основана на наличии дискретного спектра уровней, то есть уровней, между которыми могут происходить индуцированные лазерные переходы. Слово лазер (laser) является аббревиатурой от light amplification by stimulated emission, то есть «усиление света при вынужденном излучении». Свет, излучаемый лазером, монохроматичен и когерентен. Сконструировано множество нано-масштабных лазеров на квантовых ямах и квантовых проволоках. В них электроны проводимости локализованы на дискретных энергетических уровнях в одном или двух измерениях соответственно. Гибридные лазеры основаны на «точках в яме», например, квантовых точках InAs, находящихся в квантовой яме из InGaAs. Другая конструкция использует то, что называется InAs квантовыми штрихами, то есть очень короткими квантовыми проволоками, или, с другой точки зрения, вытянутыми в одном направлении квантовыми точками. Этот параграф посвящен обсуждению лазеров на квантовых точках, в которых локализация имеет место по всем трем измерениям. Для работы обычного лазера необходимо наличие среды, содержащей атомы с дискретными уровнями энергии, между которыми могли бы происходить лазерные переходы, а также механизма создания инверсной заселенности уровней, при которой на более высокоэнергетичном уровне накапливается большее количество электронов, чем находится на лежащем ниже. В гелий-неоновом лазере активными являются атомы неона в присутствии атомов гелия, в Nd-YAG твердотельном лазере активные атомы — это замещающие атомы неодима (с концентрацией около 1019 см-3) в кристалле иттрий-алюминиевого граната. В описываемом ниже лазере квантовые точки играют роль активных атомов. На рис. 14.24 показана схема конструкции лазера на квантовых точках на основе диода, выращенного на не показанной на рисунке подложке из GaAs n-типа. Верхний металлический слой контактирует с лежащим под ним слоем арсенида галлия. Между этим верхним контактом и не показанной снизу подложкой находится пара обкладок толщиной 2 мкм из А10,85Ga0,15As между ними расположен волновой канал толщиной 190 нм из А10,05Ga0,95As. Этот волновод играет роль проводника излучаемого света к выходным окнам на границах структуры. Посредине волновода (темная горизонтальная полоса на рисунке, помеченная QD) находится слой GaAs толщиной 30 нм, в котором лежат 12 монослоев квантовых точек из In0,5Ga0,5As с концентрацией 1,5 1010 см-2. На нижней врезке
к рисунку более подробно показана структура волновода. Длина Lс и ширина W может меняться от образца к образцу в диапазоне от 1 до5 мм, a W- от 5 до 60 мкм. Торцы лазера покрыты высокоотражающим (> 95 %) слоем из ZnSe/MgF2, возвращающим большую часть излучения для усиления вынужденной генерации. Свет покидает лазер через боковые стороны структуры. Зависимость выходной мощности лазера от протекающего тока в непрерывном режиме излучения при комнатной температуре показана на рис. 14.24 (для образца размерами Lc= 1,02 мм и W= 9 мкм). При силе тока немного выше порогового значения 4,1 мА, отмеченного на рисунке стрелкой (а), излучение лежит в ближней ИК области на длине волны 1,32 мкм, что показано на врезке. Пороговая плотность тока резко возрастает при температурах выше 200 К, что показано на рис. 14.25 для импульсного режима. Сверхпроводимость Некоторые свойства сверхпроводников аналогичны свойствам квантовых точек, проволок и ям. Это происходит, в частности, из-за того, что масштаб их характерных длин λ и ξ, перечисленных в Таблице 14.6, лежит в нанометровой области. В этой таблице также приведены значения критической температуры Тс, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, то есть его электрическое сопротивление становится равным нулю. Большинство перечисленных в таблице значений λ и ξ лежит в области 200 нм и менее, а некоторые составляют и менее 6 нм. Глубина проникновения λ — это расстояние, на которое внешнее магнитное поле Вfhh может проникать в сверхпроводник I рода. Магнитное поле не проникает в объем сверхпроводника первого рода, а поле большее критического значения Вс вызывает обратный переход сверхпроводника в нормальное состояние. Сверхпроводимость в материале возникает при образовании связанных электронных состояний, называемых купировскими парами, размер которых сравним с длиной когерентности ξ. Таким образом, эти куперовские пары, являющиеся носителями сверхпроводящего тока, можно рассматривать как наночастицы.
Для сверхпроводников второго рода существуют два критических значения магнитного поля, BС1 < ВC2, и три области в пространстве значений магнитного поля с различным поведением. В малых магнитных полях Вapp <B С1 материал ведет себя как сверхпроводник первого рода и полностью выталкивает магнитное поле, а в больших магнитных полях Вapp > ВC2 материал возвращается в нормальное состояние. В промежуточных полях ВC1 < Вapp < BC2 поле проникает в объем образца в виде трубок магнитного поля, магнитный поток в каждой из которых равен кванту магнитного потока Ф0=h/(2e)=2.0678 x 10-15 Тл м2 (14.16) У каждого вихря существует внутренняя часть, радиус которой составляет ξ. Магнитное поле в ней практически постоянно. Во внешней области радиусом λ поле падает с расстоянием от центра вихря. На большом расстоянии поле спадает по экспоненциальному закону ехр(—r/ λ). Длина вихря равна толщине образца, обычно имеющей порядок сантиметров. Вихри, наблюдаемые с торца, образуют двумерную гексагональную решетку, схематически показанную на рис. 14.27. Центры внутренних областей вихрей находятся друг от друга на расстоянии d, величина которого в поле, близком к Вс1, близка к глубине проникновения λ, а в поле BC2 — к длине когерентности ξ. Вихри можно рассматривать как магнитный аналог квантовых проволок в том смысле, что они ограничивают один квант магнитного потока в поперечном направлении, но не лимитируют длину. Поперечные размеры внутренней области вихря лежат в нанометровом диапазоне, а длина, как правило, в макроскопическом. Две области сверхпроводника, разделенные тонким слоем изолирующего материала, образуют джозефсоновский переход. Эффект Джозефсона состоит в том, что электрический ток через переход может течь и в отсутствие электрического и магнитного полей. Емкость сверхмалого джозефсоновского перехода площадью 0,01 мкм2 и толщиной 0,1 нм можно оценить величиной С =ε0A/d = 10-15 Ф, а изменение потенциала при туннелировани одного электрона через барьер — Δ V= е/С = 0,16 мВ, что составляет существенную долю типичных значений напряжения на джозефсонов-ском переходе. Это может оказаться достаточным для запирания дальнейшего туннелирования электронов через переход, то есть для возникновения кулоновской блокады. На рис. 14.27 показана кулоновская лестница, образующаяся на вольтамперной характеристике джозефсоновского перехода на основе зернистой пленки свинца. Из этого рисунка видно, что особенности лестницы видны гораздо лучше, если рассматривать график производной тока по напряжению, а не самого тока. Такая кулоновская лестница для сверхпроводника аналогична гораздо более выраженной лестнице на рис. 14.27 для одноэлектронного туннелирования на квантовых точках.
Глава 15   ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...  ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...  Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
Для извлечения какой-либо пользы из обсуждавшихся выше изолированных квантовых точек, проволок и ям необходимо сопряжение их друг с другом, с их окружением или с электродами, способными добавлять или отбирать у них электроны. На рис. 14.16 показана изолированная квантовая точка, или островок, связанная посредством туннелирования с двумя токопроводами: источником электронов и стоком, которые могут обмениваться электронами с внешней цепью. Приложение напряжения Vsd вызывает ток I. Основной вклад в сопротивление вносит процесс электронного туннелирования с истока на квантовую точку и с точки на сток. На рис. 14.17 показана модифицированная цепь с емкостной связью, подведенной к квантовой точке. Приложение напряжения Vg к затвору позволяет регулировать сопротивление R активной области квантовой точки, а, следовательно, влиять на ток I, текущий между истоком и стоком. Такое устройство работает как управляемый напряжением полевой
Переходы между энергетическими уровнями квантовых точек, лежащие в инфракрасной области спектра, такие как показаны на рис. 14.20 и 14.21, используются в инфракрасных фотодетекторах Занятые и незанятые локализованные состояния лежат в ямах, а инфракрасные переходы обозначены вертикальными стрелками. Падающее инфракрасное излучение перебрасывает электроны в зону проводимости, а возникающий из-за этого электрический ток является мерой интенсивности инфракрасного излучения.
длине волны 9,4 мкм. На рис. 14.22 показана зависимость этой пиковой чувствительности от приложенного напряжения смещения. Рабочее напряжение смещения в 2 В при получении экспериментальных кривых на рис. 14.21 было выбрано из-за того, что, как хорошо видно на рис. 14.22, чувствительность при этом напряжении достигает максимума, а, следовательно, слабо зависит от напряжения. Рабочий диапазон длин волн такого детектора находится между 8,5 и 10 мкм.
