Потенциальная энергия электрона в кристаллеПотенциальная энергия электрона в кристалле и модель Кронига и Пеннии модель Кронига и Пенни

Зонная структура энергии Зонная структура энергии электронов в кристаллеэлектронов в кристалле

Распределение электроновРаспределение электронов по энергиям и уровеньпо энергиям и уровень Ферми Ферми

§5 §5 ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

§§6 ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ6 ГЕТЕРОСТРУКТУРЫЗонная диаграмма двойной гетероструктурыЗонная диаграмма двойной гетероструктуры

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

Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению уровней Уменьшение толщины слоя материала B приводит к появлению уровней размерного квантования (Ec и Ev - края зоны проводимости и валентной зоны, размерного квантования (Ec и Ev - края зоны проводимости и валентной зоны, соответствено, Ee и Eh - уровни размерного квантования для электронов и соответствено, Ee и Eh - уровни размерного квантования для электронов и дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким дырок). Энергетический спектр определяет спектр излучения структуры и, таким образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона образом, энергия испускаемого при рекомбинации электрона и дырки фотона (E(E11 и E и E22 на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами на схемах слева и справа) определяется уже не только ширинами запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), запрещенных зон материалов A и B, но и шириной слоя (потенциальной ямы), поэтому Eпоэтому E2 2 > E> E11. Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой . Примечание. Уровней энергии для дырки в более мелкой потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как потенциальной яме больше, чем для электрона в более глубокой, так как эффективная масса у дырки больше, чем у электрона. эффективная масса у дырки больше, чем у электрона.

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

Квантовые Квантовые ямы- ямы-

квазидвумерные квазидвумерные структуры,структуры,

нити – нити – квазиодномерные, квазиодномерные,

точки - точки - квазинульмерныеквазинульмерные

§§7 Квантовые точки7 Квантовые точки Это гигантская молекула размером Это гигантская молекула размером

порядка 1 нмпорядка 1 нм Состоит из 10Состоит из 1033 - 10 - 1055 атомов, созданные атомов, созданные

на основе обычных неорганических на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов полупроводниковых материалов Si, InP, Si, InP, CdSeCdSe

Квантовая точка: почему Квантовая точка: почему квазинульмерная?...квазинульмерная?...

«Захватывает» электрон и ограничивает «Захватывает» электрон и ограничивает его движение→это энергетическая его движение→это энергетическая ловушка нанометрового размера!ловушка нанометрового размера!

В чем же суть квантовых В чем же суть квантовых точек?точек?

◊ искусственные аналоги искусственные аналоги атомов водорода, гелия атомов водорода, гелия и других элементови других элементов++их их положительно и положительно и отрицательно отрицательно заряженные ионызаряженные ионы

◊ КТ позволяют КТ позволяют управлять свойствами управлять свойствами квантовых объектов!квантовых объектов!

◊ Возможность Возможность возбуждать в КТ возбуждать в КТ необходимые необходимые электронные состоянияэлектронные состояния

Как выращивают квантовые Как выращивают квантовые точки?точки?

Центральный объект-Центральный объект- гетеронаноструктурыгетеронаноструктуры с с квантовыми ямами и квантовыми сверхрешетками квантовыми ямами и квантовыми сверхрешетками из таких ям на основе арсенида галлия (GaAs) из таких ям на основе арсенида галлия (GaAs) и его твердых растворов разного состава. и его твердых растворов разного состава.

Способы выращивания:Способы выращивания: как часть большого полупроводникового как часть большого полупроводникового

кристалла кристалла синтезировать в виде отдельных наночастицсинтезировать в виде отдельных наночастиц

Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии

Наиболее яркие представители Наиболее яркие представители КТ:КТ:

InGaAs (индий-InGaAs (индий-галлий-галлий-арсенидовые)арсенидовые) КТ→ КТ→ «большие» КТ, «большие» КТ, размер≈50 нм, размер≈50 нм, состоят из≈1 млн. состоят из≈1 млн. атомов In, Ga, атомов In, Ga, AsAs

CdSe(кадмий-CdSe(кадмий-селеновые) селеновые) КТ→размер КТ→размер ≈несколько нм≈несколько нм

Творцы КТ:Творцы КТ:Японские исследователи Японские исследователи Я.АракаваЯ.Аракава и и Х.СакакиХ.Сакаки в в

начале 80-х г.г.→указали роль КТ для начале 80-х г.г.→указали роль КТ для улучшения работы полупроводниковых лазеровулучшения работы полупроводниковых лазеров

1986 год1986 год- первые попытки создания - первые попытки создания полупроводниковых квазинульмерных объектов полупроводниковых квазинульмерных объектов на основе GaAs учеными из на основе GaAs учеными из «Texas «Texas Instruments»Instruments» во главе М.А.Ридом методом во главе М.А.Ридом методом литографии→они получены КТ ≈250 нм.литографии→они получены КТ ≈250 нм.

ВВ «Bell Laboratories»«Bell Laboratories» достигли 30-45 нм достигли 30-45 нм..30-е г.г.30-е г.г.- идея самоорганизации КТ, высказанная - идея самоорганизации КТ, высказанная

Странски и КрастановСтрански и Крастановым.ым.90- г.г.90- г.г.- группа академика Ж.И.Алферова в - группа академика Ж.И.Алферова в

сотрудничестве с группой профессора сотрудничестве с группой профессора Д.Бимберга из Берлина продемонстрировала Д.Бимберга из Берлина продемонстрировала эффективную работу лазера на InGaAs/GaAs КТэффективную работу лазера на InGaAs/GaAs КТ

Самоорганизация КТСамоорганизация КТМетод самоорганизации (Метод самоорганизации (метод Странски—Крастановаметод Странски—Крастанова))→ при → при

некоторых условиях во время осаждения вещества на некоторых условиях во время осаждения вещества на гладкую поверхность могут образовываться островки.гладкую поверхность могут образовываться островки.

Изображение КТ PbSe на поверхности слоя PbTe

Изображение поверхности слоя СКТ InAs/ GaAs

Самоорганизованный рост

Светлое будущее КТСветлое будущее КТинжекционные инжекционные

полупроводниковые полупроводниковые лазеры для волоконно-лазеры для волоконно-оптических линий оптических линий связисвязи

использование КТ для использование КТ для оптоэлектронной оптоэлектронной памяти нового типа или памяти нового типа или в спинтроникев спинтронике

КТ в роли источников КТ в роли источников единичных фотонов единичных фотонов квантовой квантовой криптографиикриптографии

Схема инжекционного полупроводниковоголазера на СКТ

Излучение света на квантовых Излучение света на квантовых точкахточках

новый вид оптоэлектронных устройств, новый вид оптоэлектронных устройств, который может привести к созданию который может привести к созданию качественно новых плоских дисплеев, качественно новых плоских дисплеев, способных заменить ЖК. Излучение света способных заменить ЖК. Излучение света с 25-ти кратным улучшением с 25-ти кратным улучшением излучательной способности!излучательной способности!

Поверхность органического светодиода на КТ

Двойные квантовые точкиДвойные квантовые точки

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

«Физический минимум» на начало XXI века«Физический минимум» на начало XXI века МакрофизикаМакрофизика1.1. Управляемый ядерный синтез. Управляемый ядерный синтез. 2.2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость. 3.3. Металлический водород. Другие экзотические вещества. Металлический водород. Другие экзотические вещества. 4.4. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и

некоторые другие эффекты). некоторые другие эффекты). 5.5. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в

полупроводниках, переходы металл—диэлектрик, волны зарядовой и полупроводниках, переходы металл—диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика). спиновой плотности, мезоскопика).

6.6. Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах. сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.

7.7. Физика поверхности. Кластеры. Физика поверхности. Кластеры. 8.8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. 9.9. Фуллерены. Нанотрубки. Фуллерены. Нанотрубки. 10.10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. 11.11. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные

аттракторы. аттракторы. 12.12. Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры. Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры. 13.13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра. 14.14. Квантовые компьютеры.Квантовые компьютеры.

МикрофизикаМикрофизика15.15. Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая

хромодинамика. Кварк-глюонная плазма. хромодинамика. Кварк-глюонная плазма. 16.16. Единая теория слабого и электромагнитного Единая теория слабого и электромагнитного

взаимодействия. W–+- и Z0-бозоны. Лептоны. взаимодействия. W–+- и Z0-бозоны. Лептоны. 17.17. Стандартная модель. Великое объединение. Стандартная модель. Великое объединение.

Суперобъединение. Распад протона. Масса Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи. нейтрино. Магнитные монополи.

18.18. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры. Коллайдеры.

19.19. Несохранение СР-инвариантности. Несохранение СР-инвариантности. 20.20. Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных

электромагнитных полях. Фазовые переходы в электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме. вакууме.

21.21. Струны. М-теория. Струны. М-теория.

АстрофизикаАстрофизика22.22. Экспериментальная проверка общей теории Экспериментальная проверка общей теории

относительности. относительности. 23.23. Гравитационные волны, их детектирование. Гравитационные волны, их детектирование. 24.24. Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь

между космологией и физикой высоких энергий. между космологией и физикой высоких энергий. 25.25. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды. 26.26. Черные дыры. Космические струны(?). Черные дыры. Космические струны(?). 27.27. Квазары и ядра галактик. Образование галактик. Квазары и ядра галактик. Образование галактик. 28.28. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее Проблема темной материи (скрытой массы) и ее

детектирования. детектирования. 29.29. Происхождение космических лучей со сверхвысокой Происхождение космических лучей со сверхвысокой

энергией. энергией. 30.30. Гамма-всплески. Гиперновые. Гамма-всплески. Гиперновые. 31.31. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.