95990

КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДЫҢ ФРАКТАЛДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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.

Казахский

2015-10-01

3.38 MB

9 чел.

Қазақстан Республикасының Ғылым және білім министрлігі

Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Тұрғанәлі І.Т.

КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙДЫҢ ФРАКТАЛДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

071900 – «Радиотехника, электроника жәнетелекоммуникациялар» 

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»

071900 – «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


РЕФЕРАТ

РЕФЕРАТ

ABSTRACT


МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ..............................................................................................................4

1. КВАНТТЫҚ ЖІПШЕЛІ КЕУЕКТІ КРЕМНИЙ.........................................5

1.1 Жартылайөткізгіштер. Кеуекті кремний туралы жалпы түсінік 5

1.2 Кванттық өлшемді құрылымдар {Error calculating value!: Bookmark "_Toc389335979" was not found in this document.}

2. НАНОҚҰРЫЛЫМДЫ ОБЪЕКТІЛЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ

2.1 Кеуекті кремнийдің фракталдық қасиеттері

3. САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕЛЕРІ

ҚОРЫТЫНДЫ

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ.....................................................{Error calculating value!: Bookmark "_Toc389336004" was not found in this document.}


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

  1.  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:

  1.  Температура артқан кезде меншікті кедергісі көбейетін металлдардан айырмашылығы жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісі температура артуымен азаяды.
  2.  Екі жартылай өткізгіштің байланысының бір бағытты өткізу қасиеті. Дәл осы қасиет түрлі жартылай өткізгішті құрылғыларды дайындауда пайдаланылады: диодтар, транзисторлар, тириторлар және т.б.
  3.  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.  

n-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі шамамен мынаған тең:

(1.3)

Сурет 1.1. n-типті жартылай өткізгіш

б) 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.

р-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі шамамен мынаған тең:

(1.4)

Сурет 1.2. р-типті жартылай өткізгіш

Алу тәсілдері

Жартылай өткізгішті материалдардың жоғары электрофизикалық сипаттамаларына жетудің қажет шарты бөгде қоспалардан тереңдетіп тазарту болып табылады. Ge және Si жағдайларында бұл мәселе олардың ұшпа қосылыстарын (хлорид, гидрид) синтездеу және ректификация, сорбция, бөлшектік гидролиз бен арнайы термиялық өңдеу тәсілдерін қолдану арқылы қосылыстарды тереңдетіп тазалау жолымен шешіледі. Хлоридтер айрықша тазалауға душар етеді, сосын кремнийлі немесе германийлі талшықтарда қалпына келтірілген өнімдерді отырғызу арқылы алдын ала терең тазалаудан өткен сутекпен жоғары температуралы қайта қалпына келтіру жүргізіледі. Ge және Si тазаланған гидридтерінен термиялық ажырату жолымен бөлінеді. Нәтижесінде 10−7−10−9% деңгейінде  қалдықты электрлі белсенді қоспалардың  жиынтық құрамын аламыз. Аса таза жартылай өткізгішті қосылыстарды алу терең тазалаудан өткен элементтерді синтездеу арқылы орындалады. Қорытынды материалдардағы қалдық қоспалардың жиынтық құрамы әдетте 10−4−10−5% аспайды. Ыдыратушы байланыстардың синтезін жұмыс көлемінде ұшпа компоненттің буларын басқарылатын қысыммен дәнекерленген кварцтық ампулаларда немесе сұйық флюстің (мысалға, аза таза құрғатылған В2О3) астында өткізеді. Синтез процесін көбіне балқытпаның зоналық немесе бағытталған кристаллдау жолымен қосуды қосымша тазалаумен шатастырады.

Жартылай өткізгішті материалдардың монокристаллдарын алу тәсілінің кең тараған түрі — былқытпадан Чохральский (монокристаллдарды өсіру) әдісімен тартып алу. Бұл әдіспен Ge, Si монокристаллдарын, AIIIBV, AIIBVI, AIVBVIтипіндегі қосылыстарын және т.б. алады. Ыдыратуға келмейьін жартылай өткізгішті материалдардың монокристаллдарын тартып алу Н2 атмосферасында, инертті газдар немесе терең вакуум шарттарында өткізеді. Ыдыратылатын қоспалардың (InAs, GaAs, InP, GaP, CdTe, PbTe және т.б.) монокристаллдарын өсіру кезінде. Балқытпаны сұйық флюспен (В2О3) герметизациялайды және шүрпіні флюс арқылы балқытпаға жүктеп және жұмыс көлемінде балқытпаның үстінде инертті газды белгілі бір қысымда ұстай отырып монокристаллдарды тартып алады. Тартып алу процесін әдетте флюс (GaAs, InP, GaP және т.б.) қабатының астында байланыстың алдын ала синтезімен монокристаллдарды өсіру процессін қиыстыра отырып, жоғары қысымдағы камераларда жүзеге асырылады.

Жартылай өткізгішті материалдардың монокристаллдарын өсіру үшін сондай-ақ балқытпаның зоналы және бағытталған әдістерін контейнерде кристаллдау кең қолданылады. Бөлшектейтін қосылыс кезінде қажет болып табылатын стехиометриялық құрам монокристаллдарын алу үшін қбалқытпа үстінде ұшпа компоненттің қысым теңдігін сақтай отырып дәнекерленген кварцтық ампулаларда өткізеді; бұл үшін инертті газдың қысымға қарсы ұсталатын жоғары қысымды камрелар жиі талап етіледі. Қажет кристаллографиялық бағдарлаудың монокристаллдарын алу кезінде бағдарланған сәйкес монокристаллды шүрпілерді пайдаланады.

Балқытпаның беттік керілісі мен тығыздықтың сәйкес үйлесіміне ие жартылай өткізгішті материалдардың монокристаллдарын алу үшін бестигельді зоналы балқыту әдісін қолданады. Бұл тәсіл салыстырмалы түрде аса көп емес тығыздыққа және жетерлік тұрғыда балқытпаның беттік керілісіне Si монокристаллдарын алу технологиясын кең падйланылады. Балқытпаның контейнердің қабырғаларымен байланысы болмау осы әдіспен ең таза монокристаллдарды алуға мүмкіндік береді. Әдетте монокристаллды өсіру процессі жартылай өткізді маттреиалдарды зоналық балқытпамен қосымша алдын ала тазалаумен ұйқастырады.

Қиын балқытпалы бөлінетін жартылай өткізгішті қосылыстар (мысалға, CdS, ZnS, SiC, AlN және т.б.) қатарының монокристаллдарын алу үшін газдық фазаның (сублимация мен  химиялық транспортты реакциялар әдісі) кристаллдауын пайдаланады. Егер монокристаллдарды өсіру кезінде талап етілетін стехиометриялық құрамның байланысын алу мүмкін болмай жатса, кристаллдарды жеткіліксіз компонент буларында қосымша өңдеуді жүргізетін пластиналарда кеседі. Көбіне бұл амалды тар зоналы AIIBVIжәне AIVBVIтипіндегі қосылыстардың монокристаллдарында пайдаланады. Мұндағы қосылыстардың өздік нүктелі ақаулары концентрация мен токты тасымалдаушылардың қозғалысына әсер етеді, яғни жоғары электрлік белсенділікті (PbTe, PbxSn1-xTe, CdxHg1-xTe және т.б.) көрсетеді. Сонымен қатар осы әдіс арқылы заряд тасымалдаушылардың концентрациясын кристаллдарда берінеше ретке төмендете аламыз. Жартылай өткізгішті материалдардың (таспалар, шыбықтар, түтіктер) профильденген монокристаллдарын өсіру үшін Степанова әдісін қолданады.

Жартылай өткізгіш материалдарды монокристаллды қабыршағын монокристаллды төсемелердің түрлі типнде алу кең таралған. Мұндай қабыршақтар эпитаксиалды, ал оларды алу процесстері — эпитаксиалы өсіру деп аталады. Егер эпитаксиалы қабыршақ сол заттың төсемесінде өсірілсе, онда алынатын құрылымдар гомоэпитаксиалы; басқа материалдың төсемесінде өсірер болса — гетероэпитаксиалы деп аталады. Жұқа және аса жұқа бірқабатты және көп қабатты түрлі геометриялы құрылымдарды құрамның кең вариациясы мен электрофизикалық қасиеттерін қалыңдығы мен өсірілетін қабаттың бетінде, р-n ауысудың мен гетероауысулардың лездік шектерімен алу мүмкіндігі эпитаксиалы өсіру әдісін микроэлектроника мен интегралды оптикада, тәжірибеде үлкен және жылдам әрекет ететін интегралды схемаларда, сондай-ақ оптоэлектронды құрылғыларда пайдалануға негіздейді.

Жартылай өткізгішті материалдарддың эпитаксиалды құрыллымын алу үшін ұйық, газды фазалы және молекулярлы-түйінді әдістерді пайдаланады. Сұйық эпиактасиялы тәсіл арқылы AIIIBV, AIIBVI, AIVBVIқосылыс түрлері мен қатты балқытпалар негізінде гомо және гетероэпитаксиялы құрылымдарды алады. Еріткіш ретінде әдетте қосылысқа сай келетін ұшпайтын компонентті қолданады. Эпитаксиалы қабатты температураны төмен түсіру бағдарламасында немесе алдын ала салқындатылған балқытпада өсіреді. Осы әдіс арқылы жеке қабаттарының қалыңдығы ~ 0,1 мкмондаған нм гетерошекті ретті ауыспалы қалыңдықты көп қабатты құрылымдарды алса болады.

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-xAs/GaAs, Cu2S/CdS табылады[3].

Қазіргі уақытта түрлі зерттеушілер тобымен нәтижесінде наноқұрылымының сан қилы типтері анықталған қабыршақтың беттік морфологиясын тәжірибелік тұрғыда зерттеулер жүргізіліп жатыр. Наноқұрылым - деп элементтің құрылымды өлшемдерімен ғана емес, сондай-кеңістікте байланысқан орналасуы бар табиғи және жасанды жасалған наноөлшемді объектілерді түсінеді. Наноқұрылымның өлшемдері бірліктен жүздеген нанометрлерге дейін түрленеді. Кеңістіктік бір текті емес облысты наноқұрылымдарда қатты дененің түрлі локализациялануы ықтимал квазибөлшектрін — электрондар, фонондар, кемтіктер және т.б. потенциалды шұңқыр рөлін ойнайды. Ең қызықтырарлық жағдай квазибөлшектердің кеңітіктік облыстарының сызықты өлшемдері өздерінің еркін жүруінен аздауы болуы. Мұндай жағдайда өлшемді кваннтау эффектісі туындайды — квазибөлшектердің рұқсат етілген энергия зонасы зона астында бір немесе екі кеңістікте (кванттық шұңқырлар мен кванттық жіпшелер) локализациялау облысын төментеу кезінде және дискреттік деңгейге үш кеңістікті өлшемді (кванттық нүктелер) азайту кезінде жарықшақтанады. Квазибһлшектердің қозғалысы бір бағытта шектелген жүйелер кванттық шұңқырлар деп аталады, екі бағытта – кванттық жіпшелер (немесе кванттық өткізгіштер), үш бағытта -  кванттық нүктелер.

Көбіне типті болып нүктелік, сызықты, беттік және көлемді наноқұрылымдар саналады [7, 8].

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 -3 бoлaтыны aйқын, aл p-типтi крeмнийдiң өлшeмдeрicoғaн caй 1014-1018 -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 1.1-дe HF қocпaeрiтiндiciaрқылы n типтi крeмнийдe кeуeктiлiктiaлу жoлы көрceтiлгeн.

Cурeт 1.1.Кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшық [мына жерге силтеме жасау керек дейди мына суретти кайдан алынганын билмедим жасайын десем]

Cурeт 1.2. 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 1.2 кeуeктi крeмнийдiң қaбыршaғын өңдeугeaрнaлғaн элeктрoлиттiк ұяшықты көрceткeн. Cурeт 1.2 (a) вeртикaль типтi ұяшық, cурeт 1.2(б)  крeмнийгecұйықтықпeн бaйлaныcтырылғaн ұяшық көрceтiлгeн. Ұяшықтың iшiнe HF  eрiтiндici құйылғaн [7]. 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 1.3 жәнe cурeт 1.4-тe зeртхaнaдaaлынғaн кeуeктi крeмнийдi өңдeу тәciлi көрceтiлгeн.

Cурeт 1.3. 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 фтoрлы

түтiкшeнi (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 1.4. Кeуeктi крeмнийдi элeктрoлиттi жoлмeн өңдeу

Cурeт 1.4-тeгi 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.

Гетероқұрылым — жартылай өткізгіш физикада қабатты құрылым төсемесінде өсірілген түрлі шала өткізгіштерді білдіретін, ал жалпы жағдайда тыйым салынған зонаның кеңдігімен айрмашылық жасайтыны түсіндіретін термин. Екі түрлі материал арасында тасымалдаушылардың жоғарылаған концентрациясы мүмкін гетероауысу қалыптасады, және осыдан — құлдилаған екі өлшемді электронды газдың қалыптасуы туындайды. Гомоқұрылымнан айырмашылығы өткізу зонасы мен валенттік зонаның қажетті потенциалды профилін конструкциялауда аса жоғары иілгіштікке ие болады. Өсу үшін екеуін ғана айрықша белгілеп кетуге болатын әдістер біршама:

  •  молекулалық-сәулелік эпитаксия;
  •  МОСVD;

Бірінші әдіс гетероқұрылымдарды прецизионды дәлдікпен (атомды моноқабаттқа дейән дәлме-дәл) өсіруге мүмкіндік береді. Екінші әдіс те бірінші әдіске қарағанда өсу жылдамғы көп және нақытылыққа ие.

ГҚ шектерінде тыйым салынған зона мен диэлектрлік өткізгіштігін  өзгерту Г-да заряд тасымалдаушылардың қозғалысын, оларды рекомбинациясын, сондай-ақ Г ішіндегі жарық ағындарын басқаруға мүмкіндік береді.

Сурет 1. N--р-Pтипті  гетероқұрылымның зоналық диаграммалары: а-в теңдік; б-тура ығысу кезінде; - Ферми деңгейі; -фермидің квази деңгейі.

1.7 Кванттық өлшемді құрылымдар

Наноқұрылымдар — құрылымды элементтердің өлшемдерімен анықталуымен шектелмей, кеңістік өзара байланысып орналасуымен де анықталатын табиғи немесе жасанды жолмен шыққан наноөлшемді объектілердің жиынтығы. Кеңістіктік бір текті емес облысты наноқұрылымдарда қатты дененің түрлі локализациялануы ықтимал квазибөлшектрін — электрондар, фонондар, кемтіктер және т.б. потенциалды шұңқыр рөлін ойнайды. Ең қызықтырарлық жағдай квазибөлшектердің кеңітіктік облыстарының сызықты өлшемдері өздерінің еркін жүруінен аздауы болуы. Мұндай жағдайда өлшемді кваннтау эффектісі туындайды — квазибөлшектердің рұқсат етілген энергия зонасы зона астында бір немесе екі кеңістікте (кванттық шұңқырлар мен кванттық жіпшелер) локализациялау облысын төментеу кезінде және дискреттік деңгейге үш кеңістікті өлшемді (кванттық нүктелер) азайту кезінде жарықшақтанады. Квазибһлшектердің қозғалысы бір бағытта шектелген жүйелер кванттық шұңқырлар деп аталады, екі бағытта – кванттық жіпшелер (немесе кванттық өткізгіштер), үш бағытта -  кванттық нүктелер[1,4].

Сурет 1.3 — 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 1.4 — тыйым 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 1.5 — жартылай өткізгіштің шекараларындағы екі өлшемді электронды газда қалыптасқан кванттық нүктелер.

Сурет 1.6 — Кең тыйым салынған зонаға ие, екі жартылай өткізгіштер арасында бекітілген, тар тыйым салынған зоналы жартылай өткізгіш қабатында қалыптасқан квантық шұңқыр.

Сурет 1.7 — 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.

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 1.8 — 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 1.9). 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 1.9 — 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.

Күй тығыздығы

Электронды жіпшелердің барлық негізгі қасиеттері олардың дисперсия заңымен анықталады, яғни келесі формуламен, энергияның импульске тәуелділігімен анықталады:

(1.5)

m – электрондардың эффективті массасы.

Бұл байланыста түрлі өлшемді электронды жүйелерді өзара салыстырған қызық.: массивті жартылай өткізгіштерді дисперсия заңымен , екі өлшемді құрылымдарды дисперсия заңымен  және кванттық жіпшелер. Келтірілген формулалардың сыртқы ұқсастығына қарамастан электрондар еркін қозғала алатын бағыттардың түрлі сандары дерлік барлық қасиеттерде сапалы айырмашылық туындатады.  Электронды жүйенің маңызды сипаттамасы дисперсия заңымен күй тығыздығын анықтау, яғни энергияның бірлік интерваындағы сандар күйі. Электрондар Паули принципіне бағынатын болғандықтан, күй тығыздығы энергияның қазіргі интервалында орналаса алатын электрондардың максималды санын анықтайды, ал электрондарды энергия бойынша тарату олардың қалған барлық қасиеттерін анықтайды.

Бұл сұрақтың негізі келесідегідей қорытындалады: Паули принципіне бағынбау үшін және түрлі кванттық күйлерге жататындай саналуы үшін екі электронның импульстері қаншалықты айырмашылық жасау қажет. х осьі бойымен үлгі өлшемі болсын. Кванттық механиканың анықталмағандық қатынасынан импульс анықталмағандығы , сәйкесінше импульс мәні айырмашылық жасайтын күйлер әр түрлі деп саналуы мүмкін. Ұқсас талқылаулар электрондар еркін сынды қозғалла алатын басқа да бағыттарға қатысты болады.

Енді G(E)жүйесінің аралық сипаттамасын есептеуге болады — Е қарағанда аз энергияға ие күйдің толық саны. Үш өлшемді жағдайда:

                       (1.6)

V – үлгі өлшемі,  - импульсті кеңістіктің көлемі, яғни Е қарағанда электрон энергиясы  аз болатын  осьтеріндегі облыстар. Бұл облыс радиусты және ,  көлемді шарды көрсетеді, және үш өлшемді жағдайда қорытындылар болсақ:

).

G(E)0 мен Е дейінгі энергиялы барлық күйлердің қосындысымен құрылғаны белгілі. Белгіленген энергияға тау күйдің тығыздығы энергия бойынша Gтуындымен анықталады. Сонымен қатар, әдетте үлгінің аз ғана мөлшерінде есептеулер жүргізуде күй тығыздығын, ал көлемнің бірлігінде әр күйде қарсы спинді екі электрон болатынын білген жөн. Бұл күйдің үш өлшемді тығыздығы үшін қорытынды формуланы береді.

                                                                         (1.7)

Екі өлшемді жағдайда  энергиялы квантты-өлшемді  днңгейлердің әрқайсысы үшін күйдің толық саны , S – үлгі ауданы. Мына жағдайда аудан бірлігіне есесптелетін,  энергиялары күй тығыздығы Е төменінде орналасады.

                                                                         (1.7)

энергиясының әр деңгейі үшін кванттық жіпшенің ұзындығы Lжәне ұзындық бірлігіне күй тығыздығы.

                                                                     (1.9)

Сурет 1.10 — Массивті үшөдшемді жартылай өткізгіште күй тығыздығы (а), екі өлшемді электронды құрылмдарда — кванттық шұңқырлар (б) мен бір өлшемді құрылымдарда — кванттық жіпшелерді (в)

Кванттық жіпшелердің баллистикалық өткізгішітігі

Жіпшелердің ақаулары мен қоспалардың шашырауымен анықталатын электрондардың еркін жүрісінен ұзындығыаз, яғни ұзындығы L болатын қысқа жіпшелер қызығушылық тудыруда. Сондай-ақ электрон контактінің біреуінен ұшып шығып, басқа контактіге соқтығусыз зеңбіректен шыққан снаряд сынды жетіп барады. Мұндай ұқсастық қарастырылып отырған құрылымдарды баллистикалық деп атайтынын көрсетті.

Араларына V кернеу енгізілген, металл контактімен жабдықталған баллистикалық бірөлшемді құрылым болсын делік. Контактілерді химиялық потенциалдармен жәнесипаталатын электронды қойма ретінде қарастырса болады, ондағы . Қарапайымдылық үшін температураны жеткілікті түрде төмен деп санайық, сондықтан қоймадағы электрондар толықтай құлдилайды. Энергия облысында  сол және оң жақ контактілерде түгел толтырылған, сол үшін бұл күйлердегі электрондар тізбекте токты құрай алмайды. Мұндай ток энергетикалық интервалдағы  электрондармен тікелей байланысқан. Бұл жүйеде контактінің сол жағында жіпшеге ұшып баратын электрондар орналасқан, ал оң жақтағы контакті бос тұрады және осы электрондарды қабылдауға бейім болып келеді. Туындайтын токтың көлемін есептейік.

Егер электрон  импульске, сәйкесінше  жылдамдыққа ие болса, онда оның үлесі  тең болады. Толық токты І алу үшін  дейінгі интервалындағы электрондар жіпшелерінің энергиясының үлесін қосу керек:

                                                                                              (1.10)

                                                                                  (1.11)

Егер  айырмасы аз болса, көрсетілген электрондар  энергиялы зоналарда ғана болады, ал олардың импульстері  импульсіне таяу интервал ұзындығында орналасады. Яғни Δртең болатын Δр∙L/(2πћ) интервалындағы түрлі электронды күйде және алдыңғы формуладан  (N – химиялық потенциалдан деңгейінен төмен орналасқан, яғни электрондарды құрайтын деңгейлер саны) алса болады. Сонымен баллистикалық кванттық жіпшенің өткізгіштігі:

                                                                                                (1.12)

Тағы бір маңызды сұраққа назар аудару керек. Жүйеде аяқталу өткізгіштігінің болуы, оған V кернеуін қосқан кезде жүйеде ток ағып өтеді және  уақыт бірлігіне тең энергияны бөліп алу құбылысы жүзеге асырылады. Джоуль-Ленц эффектісінің бұл ұқсастығы өткізгіште орындалады. Бірақ баллистикалық жіпшелерде электронды соқтығысулар болмайды. Жылулық шығындар жіпшелерде емесе, керісінше контактілерде, яғни екі контактіде де бірдей жүзеге асады. Электрондардың құлдилаған жүйесінде электрондар Ферми деңгейіне ауысатыны мәлім. Басқаша айтқанда ішкі тізбектегі сол жақ контактіге келіп түсетін барлық электрондар  энергиясына ие. Контактіден жіпшеге  энергия интервалындағы электрондар өтеді, яғни орташа энергиямен ауысады. Осылайша егер сол жақ контактіде электрондар таралуы тең деп санайтын болсақ және уақыт бойынша өзгермейді дейтін болсақ, онда ішкі тізбектен шығатын әр электрон контактіде таралу есебінен криталлдық торға орташа мәнмен  тең энергиясын беруі тиіс. Ұқсас жағдай бірінші контактіде болады. Оған жіпшеден  дейінгі энергиялы электрондар келіп түседі. Теңдікке келе отырып, олар  мәніне дейін “сууы” тиіс және ол арқылы орташа мәнге тең энергияны бреуі қажет:

.

Егер температура жеткілікті түрде төмен болса, онда электрондар аз энергиямен күйді толтырады. Паули принципіне сай әр күйде қарама-қарсы спинді екі электрон орналаса алады. Мүмкін күйлердің толық санын өткізгіштік үшін орындалған формула секілді санауға болады. Әзірге электрондар санын жіпше ұзындығынан n бірлікке  аз екенін көрсету жеңіл, оларды бәрі де бірінші кванттық деңгейде орналаады және жіпше өткізгіштігі . Концентрация көретілген мәннен асқан бойда, электрондардың кей бөліктерін екінші деңгейде орналастыруға тура келеді және өткізгіште бұл деңгейдің үлесін көрсететін қосымша мүше пайда болады. Өзгеше айтқанда өткізгіштік секірмелі түрде артады. Мұндай секірулер электрондар кезекті деңгейді толтыра бастағанда жүзеге асады. Жалпы σ (n) тәуелділігі сатылы түрде болуы тиіс, ал осы атылардың биіктігі универсалды көлемге  тең.

Егер жіпше жеткілікті түрде қысқа және жоғары сапалы болмаса, онда электрон контакті мен контакті арасындағы жолда қоспада немее жіпше ақауында шашырауы ықтимал. Мұндай шашыраулар серпімді болып келеді, яғни энергияның өзгеруінсіз қалады. Егер электрон ол кванттық деңгейде  қалса, серпінді шашырауды бір ғана жолмен орындауға болады: жіпшенің оь бойымен импульті ауыстыру арқылы, яғни қатаң түрде артқа қайтраып. Әрине, токтың бұл жағдайда төмендейтіні мәлім. Егер электрон үшін N-деңгейдің ықтималдылығы  секілді шағылуға тең болса, баллистикалық жіпшенің өткізгіштік формуласының орнына келесіні аламыз:

                                                                             (1.13)

Өткізгіштің квантталуы суреттелген тәжірибелік зерттеулер қысқа жіпшелерде әдетте жіпше ретінде емес, керісінше нүктелік контакт деп аталатын, яғни жеткілікті екі өлшемді электронды газдыңүлкен ауданын өзара қосатын тар қосқышпен орындалатын құрылымдарда жүзеге асырылады. Ресми түрде енімен салытыруға келетін ұзындыққа ие бұл жіпше соңғысы аө көлемге ғана ие болады. Кванттау келесідей құрылымдарда өткізілуі тиіс.

Сурет 1.11 – Кванттық жіпше өткізгіштігінің тәжірибелік тәуелділігі. Бекітпедегі кернеу таымалдаушылардың концентрацияын анықтайды.

Кванттық жіпшелерді пайдалану

Осындай құрылымдарды пайдаланудың тәжірибелік құрылғы ретінде пайдалану мүмкіндікті арттырмасы белгілі. Мұндай жүйеге жартылай өткізгішті лазерлермен байланысқан облыстар енеді.

Лазердің жұмысы үшін генерация режимінде резонаторда жарықтың күшеі толық шығынға қарағанда артық болуы керек. Резонаторда толық шығындарды теңдестіру кезінде генерациялау табалдырығына жету үшін белсенді облысты лазермен инжекциялау қажет, зонаның шектері маңында күй тығыздығы артқан сайын тасымалдаушылар азаяды. Бұл дегеніміз шектік токты азайту (мейлінше аз ғана шамада орындалуы тиіс инжекциялы лазерлердің маңызды сипаттамаларын) үшін күй тығыздығы жоғары құрылымдарға ие болу керек. Кванттық жіпшелерде лазерлердің жақсаруы үлкен сипаттамалар күй тығыздығының шексіздікке ұмтылу еебінен болатынын күтуге болады. Әлбетте, шынайы құрылымдарда тасымалдаушылардың шашырау есебінен кванттық деңгейдің кеңеюі әсерінен күй тығыздығы оңғы мәнге ие болады, дегенмен жоғары сапалы кванттық жіпшелерде табалдырыты токтың одан әрі төмендеуін күтсе болады.

Сондай-ақ кванттық жіпшелерді сезімтал сенсорларды жасау үшін қолдану өте тиімді.

Кванттық жәпшелерді әрі қарай зерттеу бақа да құрылғылық пайдаланудың болашағы бар екенін көрсетеді [7].

1.3 Фракталдар

Жартылай өткізгішті қабықшаларға нанокластерлі құрылым сәйкес. Жұқа қабыршақтарды заманауи микроскоптардың көмегімен зерттеу иерархиялық ұқсастыққа ие екенін, яғни фракталды құрылмға ие болатынын көрсетті. Салыстырмалы түрде ертеректе математикада көлемді объектінің үлгісі алынды, алайда сызықтыға ай келетіні белгілі болды. Кей ғалымдарға ені белгісіз сызықты түсінігіне үйренісу қиын болды, сондықтан олар бөлшектік кеңістікке ие геометриялық формалар мен құрылымдарды зерттеуге кірісті. Үздіксіз қисықтар орнына өз туындыларына сынған немесе өте көп кесілген қисықтар келді. Мұндай қиықтардың жарқын мыалы ретінде броундық қозғалытардың траекториясын айтса болады. Сонымен ғылымда фракталдар ұғымы пайда болды.

Қазіргі уақытта «фракталдар» ұғымын анықтайтын терминнің біртекті анықтамаы жоқ. Божокин бойынша фракталдар деп геометриялық обьектілер аталады: өте қатты кесілген формасына ие және өзіне ұқсас қаиеттерге ие  сызықтар, беттік қабаттар, кеңістіктік денелер жатады. Фрактал ұғымы латынның fractus сөзінен шыққан және бөлшектікғ сынған деп аударылады. Өзіне ұқсату фракталдардың негізгі сипаттамасы сынды, масштабтың кең диапазонында бір қалыпты орналасуын айтады. Яғни фракталдың фрагменттерін ұлғайту кезінде үлкенге ұқсап кетуі ықтимал. Идеалды жағдайда мұндай өзіне ұқсатуда фрактал обьектісі созылуға сай инвариантты болып келеді, яғни дилатационды симметрия сай келеді. Ол фракталдың негізгі геометриялық ерекшеліктерінің масштабын ұлғайтқанда өзгермеуін шамалайды. Өзіне дәлме дәл ұқсату тұрақты фракталдар ғана тән екенін ескере кеткен жөн. Егер құрудың детерминделген әдісі орнына кездейсоқтықтың (мысалға, клатердің диффузионды өсуінде, электрлік бұзу және т.б.) кей элементтерін құру алгоритмін пайдаланса, онда аталмыш кездейсоқ фракталдар туындайды. Олардың тұрақтыдан негізгі айырмашылығы өзіне ұқсату қасиеттері барлық статистикалық тәуелсіз обьектіні жүзеге асыру бойынша сәйкес орташаландырудан кейін әділетті болып саналуы. Мұнда фракталдың ұлғайтылған бөлігі шығыс фрагментке ғана тең емес, алайда статистикалық сипаттамалар сай келеді.

Ал Лаверьге сүйенсек [16], фрактал – масштабты әр кішірейту кезінде бір фрагмент қайта қайталанатын геометриялық фигура. Бұл қасиетке ие және нәтижесінде қарапайым рекурсивті жосық (сызықты түрлену комбинациясы) алынатын фракталдарды конструктивті фракталдар деп атайды. Осылайша конструкциялы фракталдар — бұл нәтижеінде ұқсастықтың сызықты (аффинді) сығатын шағылулары алынатын жиынтық. Нәтижелеуші сығатын шағылулар тұрақты қозғалмайтын «нүкте» – фракталға ие болады.

Конструкциялы фракталдар қатарында фракталдарға ұқсас жиынтық байқалды. Ережеге сай, ұқсас жиынтық сызықты динамикалық жүйелерде (динамикалық фракталдар) туындайды. Олардың құрылымы конструкциялық фракталдардағы жағдайлардағыдай қарапайым емес және олар масштабты инварианттыққа тек жақын ғана болуы мүмкін [17]. Осыған байланысты Мандельборт фракталдың келесі анықтамасын ұсынды: фрактал деп қандай да бір бүтінге сәйкес бөліктен құралатын құрылымды айтады [18]. [19]  кітапта термин былайша түсіндіріледі: фрактал деп геометриялық обьектілер аталады — қатты тілімденген форма ие және өзіне ұқсату қасиеті бар — сызықтар, беттер, кеңістіктік денелер.

Жоғарыда келтірілген анықтамаларға сай өзара ұқсастық фракталдың сипаттамалық қасиеті ретіндепайдаланылады. М. Шредер жазуы бойынша: өзіне ұқсату немесе сәйкестілік маштаб немесе өлшемін өзгерту кезінде табиғаттың көптеген заңдары мен бізді қоршаған әлемнің сансыз құбылыстарына тиесілі болып келеді. Сондай-ақ өзіне ұқсату — біздің әлемде қалыпты түрлендіру рөлін ойнайтын және біздің оған жетуге ұмтылатын талпынысымыздың негізінде жататын симметрияның маңызды бір түрі[20].

Фракталдардың жүз жылдай уақыт алдын математикалық әдебиеттерде пайда болуы математикалық ойлардың даму тарихында қайғылы жеккөрініштікпен қарсы алғаны назар аударуға тұрарлықтай. Бір әйгілі математик, Шарль Эрмит, оларды құбыжық деп атағаны да рас. Шектен асқанда, жалпы көзқарас оларды нағыз ғалымдар үшін емес, керісінше математикалық елестермен тері пайдаланатын зерттеушілер үшін ғана қызығушылық тудыратын патологиятты іспетті қабылдады.

Бенуа Мандельборттың күш салу нәтижесінде мұндай көзқарастар өзгерді және фракталды геометрия құрметті қолданбалы ғылым ретінде көзге түсті. Мандельборт 1919 жылы ұсынылған Хаусдорфтың фракталды (бөлшектік) өлшемділігіне сүйене отырып, фрактал терминін қолданысқа енгізді. Оның бірінші кітабы жарық көруіне дейін біршама жыл алдын Мандельборт құбыжықтардың пайда болуын және табиғаттағы басқа да патологияларды зерттеуге кірісті. Ол бос саналған беделсіз Кантора жиыннтығы, Пеано қисығы, Вейерштрасс функциясы мен мағынасыз деп саналған көптеген түрдегі қуыстарды зерттеуге күш салды. Ол және оның шәкірттері біршама жаңа фракталдарды ашты, мысалға, жүрек соғыы мен өзен деңгейінің флуктуациясы, таулы және орманды ландшафттарды модельдеу үшін фракталды броундық қозғалыстар. Оның кітабы жарыққа шығуымен фракталды геометрияның қосымшасы жаңбырдан кейінгі саңырауқұлақтар тәрізді пайда бола бастады. қолданбалы ғылым сынды таза математикаға қатысы мол болды. Тіпті киноиндустрия да шет қалып қоймады. Миллиондаған адамдар фракталдар көмегімен конструкцияланған ландшафтты «Жұлдызды көшу 2: хан қаһары»фильмін сүйісіне тамашалады.

Геометриялық фракталдар

Бұл класстағы фракталдар ең көрнектлері саналады. Екі өлшемді жағдайда генератор аталмыш кей бұрмаланулар (немесе үш өлшемді жағдайдағы беттер) көмегімен алынады. Алгоритмнің әр қадамы сайын бұрмалануды құрайтын әр кесінділер сәйкес масштабта бұрмалану-генераторына алмастырылады. Іс-әрекетті шексіз қайталау нәтижесінде геометриялық фракталдар алынады.

Осындай фракталды объектілердің бірі – триадты Кох қисығын қарастырайық. Қисықты құру бірлік ұзындықтың кесіндісінен басталады (сурет 1.16) – бұл Кох қисығының 0-дік буыны. Әрі қарай әр бөлім (нөлдік буында бір кесінді) сурет 1.16-да белгіленген n=1 арқылы түрлендірілетін элементке алмастырылады. Мұндай алмастыру нәтижесінде Кох қисығының келесі буыны пайда болады. 1-ші буына – бұл төрт тура сызықты бөлімнің қисығы, әрқайсысының ұзындығы 1/3 болады. 3-ші буынды алу үшін дәл оы әрекеттер қайталанады – әр бөлім кішірейтілген түрлендіруші элементке алмастырылады. Сонымен, әр келесі буынды алу үшін алдыңғы буынның барлық бөлімін кішіретйілген түрлендіруші элементпен алмастыру шарт. n-ші буынның қисығы кез-келген соңғы n кезінде алдыңғы фрактал деп аталады. Сурет 1.16-да қисықтың бес буыны келтірілген. Шекіздікке ұмтылған n кезінде Кох қисығы фракталды обьекті болып кетеді.

Сурет 1.16 — Кохтың триадалы қисығын құру

Компьютерлік графикада геометриялық фракталдарды ағаштар, бұтақтар, жағалаулы сызықтарды алу кезінде пайдаланнылады. Екі өлшемді геометриялық фракталдар көлемді текстураларды (обьектінің бетіндегі суретті алу үшін) құру үшін қолданылады.

Алгебралық фракталдар

Бұл фракталдардың ең үлкен тобы. Оларды n-өлшемді кеңістіктерде бейсызық процесстер көмегімен алады. Бейсызық итерационнды процессті дискретті динамикалық жүйе ретінде түсіндіре отырып, мына жүйелердің терминология теорияларын пайдаланса болады: фазалық портрет, орнатылған процесс, аттрактор және т.б. Бейсызық динамикалық жүйелер бірнеше тұрақты күйлерге ие екені мәлім. Итерацияның сандарынан кейінгі динамикалық жүйе орналасуы оның бастапқы күйіне тәуелді. Сондықтан әр тұрақты күй (немесе басқаша – аттрактор) қарастырылатын соңғы күйге түсетін жүйе бастапқы күйлердің кей облыстарына ие. Осылайша, жүйенің фазалық кеңістігі аттрактордың тартылу облыстарына бөлінеді. Егер екі өлшемді кеңістік фазалы болып табылса, тартылу облыстарын түрлі түстермен бояу арқылы осы жүйенің түсті фазалық портретін (итерациялық процестің) алса болады. Түсті таңдау алгоритмін өзгерту арқылы бапшыл көп түсті түйінді күрделі фракталды бейнелерді алса болады. Математиктер үшін анайы алгоритмдер көмегімен өте күрделі езбесіз, яғни жылдамырақ құрылымдарды туындату кездейсоқтық болды.

Сурет 1.17 — Мандельборт жиынтығы

Стохасты фракталдар

Фракталдардың тағы да бір белгілі класы ретінде егер итерациялы процессте кездейсоқ түрде оның қандай да бір параметрлерін өзгертетін болса ол жағдайда алынатын фракталдар стохаты деп аталады. Сонымен қатар табиғиға ұқса – симметриялы емес ағаштар, кесілген жағалаулық сызықтар және т.б. обьектілер алынады. Екі өлшемді стохасты фракталдар рельефті аймақты және теңіздің бетін модельдеуде пайдаланылады [20 – 21 – 22].

Қолданылған әдебиеттер тізімі

1. З.Ж.Жаңабаев, Н.И.Ильясов, Н.И.Темірқұлова. Бейсызық физика практикумы. «Қазақ университеті» 2003ж.

2. Кардона М. Основы физики полупроводников. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 560 с.

3. Физический факультет Московский государственный университет(МГУ) имени М. В. Ломоносова

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.

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. 5. 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.

4. 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.

6. Mandelbrot B.B., Passoja D.E., Paullay A.J. Fractal character of fracture surfaces of metals // Nature. − 1984. - Vol. 308. - P. 721-722.

8. А. Я. ШИК. Квантовые нити. –Санкт-Петербургский технический университет

9. ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractal Properties of Nanostructured Semiconductors // Physica B: Condensed Matter. – 2007. - Vol. 391, № 1. -P. 12-17.

10.Piotzonero L., Tosatti E. Fractals in Physics. – Elsiever Science, 1986. – 274 p.

11.ZhanabaevZ.Zh., GrevtsevaT.Yu. Fractal Properties of Surfaces of Nanostructured Semiconductor Films // Eurasian Physical Technical Journal. – 2006. - Vol. 3, № 2(6). - P. 38-44.

12. 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.

13.Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки: Что это такое? // Соросовский Образовательный Журнал. 1997.№5. С.80-86.

14. http://www.iasj.net/iasj?func=fulltext&aId=41668 структура и эл.свойства пористого кремния

akmaralmirauan@mail.ru

PAGE   \* MERGEFORMAT 0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64422. МОДЕЛЮВАННЯ ТА ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЛАСТИФІКАЦІЇ КОНДИТЕРСЬКИХ МАС 354 KB
  Одним з найбільш перспективних напрямів вирішення цієї проблеми є математичне моделювання технологічних процесів для визначення фізико-хімічних і реологічних показників напівфабрикатів на всіх стадіях виробництва.
64423. Особливості успадкування кількісних ознак донорів короткостебловості жита озимого та їх використання в селекції 276.5 KB
  Згідно з поставленою метою вирішували такі завдання: встановити особливості фенотипової і генотипової мінливості успадковуваності фенотипових і генотипових кореляцій та селекційну цінність ознак донорів короткостебловості...
64424. Ефективність мультипробіотику «Симбітер-2» при дисбактеріозі ротової порожнини у хворих на вторинну адентію 666 KB
  Мета оцінка стану мікробіоценозів екологічної ніші ротової порожнини при вторинній адентії та розробка підступів щодо їх корекції з використанням мультипробіотику...
64425. ОЦІНКА ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ КУЗОВА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛЯ У ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ УМОВАХ 475.73 KB
  Після проведення такого кваліфікованого ремонту автомобіля з малим пробігом за допомогою сучасних технологій досвідчений автоексперт не може визначити чи проводився ремонт кузова досліджуваного автомобіля.
64426. Створення вихідного матеріалу та гібридів соняшнику з підвищеним вмістом гліцеридів пальмітинової кислоти в олії 408.5 KB
  Оптимальним вирішенням важливого наукового завдання щодо створення гібридів соняшнику з підвищеним вмістом гліцеридів пальмітинової кислоти є генетичне поліпшення культури що дозволяє одержувати високоякісні олії...
64427. ВІТРАЖ ЦИВІЛЬНОЇ БУДІВЛІ ЯК ФАКТОР ЗМІНИ ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ ПРИМІЩЕННЯ ЗА ЛІТНІХ УМОВ 787.5 KB
  Нерідко в приміщеннях з вітражами виникають дискомфортні умови в літній період такі як підвищена температура внутрішнього повітря висока температура поверхонь світлопрозорого огородження негативний вплив на людину теплового опромінювання з боку вітража.
64428. Поліпшення діяльності підприємств автосервісу на основі оптимізації виробничих процесів 252 KB
  За сучасних умов робота підприємств автосервісу ПАС має бути спрямована на найбільш повне задоволення споживачів шляхом надання різноманітних якісних послуг які б позбавили споживача від усіх проблем пов’язаних з використанням автомобіля за прийнятну для споживачів ціну.
64429. Покращення діяльності підприємств автосервісу на основі оптимізації виробничих процесів 157.5 KB
  Необхідність філософського аналізу ціннісних установок особистості в освітньому процесі полягає не тільки в тому аби втілити до досліджень філософії новий аспект а й тому що такий аналіз освіти перебуває...
64430. ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОНКУРЕНТОСПРОМОЖНОСТІ ПРОДУКЦІЇ АПК УКРАЇНИ НА ЗОВНІШНІХ РИНКАХ 303 KB
  В сучасних умовах посилення глобалізації світових господарських зв’язків питання забезпечення конкурентоспроможності продукції АПК у сфері зовнішньої торгівлі належить до пріоритетних завдань національного економічного розвитку.