Потенциальная энергия электрона в кристалле и модель Кронига и Пенни

Зонная структура энергии электронов в кристалле
Распределение электронов
по энергиям и уровень
Ферми

§5 ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

§6 ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
Зонная диаграмма двойной гетероструктуры

a - одномерная прямоугольная потенциальная яма, U(x) - потенциальная энергия; b - прямоугольная потенциальная яма отличается от случая a только большей шириной s.

Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению уровней размерного квантования (Ec и Ev - края зоны проводимости и валентной зоны, соответствено, Ee и Eh - уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона (E1 и E2 на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому E2 > E1. Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как эффективная масса у дырки больше, чем у электрона.

Схематическое изображение первого в мире полупроводникового лазера (полоскового), работавшего в непрерывном режиме при комнатной температуре (Алферов, 1970).

Квантовые
ямы- квазидвумерные структуры,
нити – квазиодномерные,
точки - квазинульмерные

§7 Квантовые точки
Это гигантская молекула размером порядка 1 нм
Состоит из 103 - 105 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe
Квантовая точка: почему квазинульмерная?...
«Захватывает» электрон и ограничивает его движение→это энергетическая ловушка нанометрового размера!

В чем же суть квантовых точек?
искусственные аналоги атомов водорода, гелия и других элементов+их положительно и отрицательно заряженные ионы
КТ позволяют управлять свойствами квантовых объектов!
Возможность возбуждать в КТ необходимые электронные состояния

Как выращивают квантовые точки?
Центральный объект- гетеронаноструктуры с квантовыми ямами и квантовыми сверхрешетками из таких ям на основе арсенида галлия (GaAs) и его твердых растворов разного состава.
Способы выращивания:
как часть большого полупроводникового кристалла
синтезировать в виде отдельных наночастиц
Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии

Наиболее яркие представители КТ:
InGaAs (индий-галлий-арсенидовые) КТ→ «большие» КТ, размер≈50 нм, состоят из≈1 млн. атомов In, Ga, As
CdSe(кадмий-селеновые) КТ→размер ≈несколько нм

Творцы КТ:
Японские исследователи Я.Аракава и Х.Сакаки в начале 80-х г.г.→указали роль КТ для улучшения работы полупроводниковых лазеров
1986 год- первые попытки создания полупроводниковых квазинульмерных объектов на основе GaAs учеными из «Texas Instruments» во главе М.А.Ридом методом литографии→они получены КТ ≈250 нм.
В «Bell Laboratories» достигли 30-45 нм.
30-е г.г.- идея самоорганизации КТ, высказанная Странски и Крастановым.
90- г.г.- группа академика Ж.И.Алферова в сотрудничестве с группой профессора Д.Бимберга из Берлина продемонстрировала эффективную работу лазера на InGaAs/GaAs КТ

Самоорганизация КТ
Метод самоорганизации (метод Странски—Крастанова)→ при некоторых условиях во время осаждения вещества на гладкую поверхность могут образовываться островки.

Изображение КТ PbSe на поверхности слоя PbTe
Изображение поверхности слоя СКТ InAs/ GaAs Самоорганизованный рост

Светлое будущее КТ
⌖инжекционные полупроводниковые лазеры для волоконно-оптических линий связи
⌖использование КТ для оптоэлектронной памяти нового типа или в спинтронике
⌖КТ в роли источников единичных фотонов квантовой криптографии
Схема инжекционного полупроводникового
лазера на СКТ

Излучение света на квантовых точках
⌖новый вид оптоэлектронных устройств, который может привести к созданию качественно новых плоских дисплеев, способных заменить ЖК. Излучение света с 25-ти кратным улучшением излучательной способности!
Поверхность органического светодиода на КТ

Двойные квантовые точки
Схематическое представление профиля потенциала для электронов ( а ) и дырок ( b ) вдоль направления роста цепочек QD. Эта конфигурация позволяет селективно создавать/разрушать электрон-дырочные пары (экситоны) в точках a и b . Однако, ширина энергетического барьера между точками (50 Е) такова, что предотвращает одночастичное туннелирование и в то же время допускает важное кулоновское взаимодействие между точками.

«Физический минимум» на начало XXI века
Макрофизика
Управляемый ядерный синтез.
Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.
Металлический водород. Другие экзотические вещества.
Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).
Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл—диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).
Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.
Физика поверхности. Кластеры.
Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.
Фуллерены. Нанотрубки.
Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.
Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры.
Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.
Квантовые компьютеры.

Микрофизика
Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-глюонная плазма.
Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W–+- и Z0-бозоны. Лептоны.
Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.
Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.
Несохранение СР-инвариантности.
Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.
Струны. М-теория.