Nanofotonik qurilmalarning xarakteristika va parametrlari

|
Nanofotonik qurilmalarning xarakteristika va parametrlari
|
Sana | 28.06.2024 | Hajmi | 136,86 Kb. | | #266147 |
Nanofotonik qurilmalarning xarakteristika va parametrlari
1970-yillarning boshlarida. yarimo'tkazgichlar fizikasida yangi narsalar paydo bo'ldi yo'nalish - har xil shakllangan geterostrukturalarni o'rganish yarim o'tkazgichlarning tarkibi va xossalari. Ayniqsa qiziqarli nanoheterostrukturalar bo'lib chiqdi. Ular yupqa plyonkalardan foydalanadilar nanometr qalinligi, bir xil qalinlikdagi ingichka iplar va nanometr atomlar ansambllari. Chunki nanometr o'lchamlarida ular paydo bo'ladi kvant effektlari, bu tizimlar kvant quduqlari deb ataldi, kvant iplari va kvant nuqtalari. Ular asosan elektron holatlarning zichligi bilan makroskopik jismlardan farq qiladi, chunki nano o'lchamdagi yarimo'tkazgichli tuzilmalarda cheklangan elektronlar harakati.
1.2-rasm. Energiya holatlarining zichligi: 1 - uch o'lchovli qattiq jismlar; 2 - kvant qudug'i; 3 - iplar; 4 - ball.
Rasmda ko'rinib turganidek. 1.2 dan boshlab kvant effektlari paydo bo'ladi kvant quduqlari, ya'ni. elektronlar harakati nanometr bilan chegaralanganda kamida bitta o'lchamdagi o'lchamlar. To'xtamasdan kvant quduqlari va kvant iplarining eng qiziqarli xususiyatlari va ilovalari, Keling, bugungi kunda deb hisoblangan kvant nuqtalariga murojaat qilaylik hisoblashning molekulyar element bazasiga alternativalaridan biri qurilmalar. Kvant nuqtalari ba'zan deyiladi (ko'pincha mashhur nashrlar) sun'iy atomlar bilan. Ammo kvant nuqta atomlar to'plami, barcha uch fazoviy o'lchamlarda nano o'lchamli o'lchovlar. Bunday tizimda elektronlarning harakati bo'lishi mumkin eng oddiy kvant mexanik modeli bilan taxmin qilingan, to'rtburchaklar potentsialidagi zarracha sifatida tanilgan maydon".
Shunday qilib, diskret spektr kvant nuqtasiga mos keladi, umumiy ko'rinishi bo'yicha atom tizimining spektriga o'xshash. Kvantda nuqta bitta elektrondan katta songacha bo'lgan elektronni o'z ichiga olishi mumkin elektronlar, ularning taqsimlanishi Pauli printsipi bilan belgilanadi. Kvant nuqtalari molekulyar nurli epitaksiya yordamida yaratiladi. Buning uchun yaxshi tayyorlangan yuzaga bir modda püskürtülür. substratning tuzilishiga yaqin tuzilishga ega. Püskürtme kerak qo'shilmasligi uchun yuqori vakuumda sodir bo'ladi xorijiy aralashmalarning hosil bo'lgan ob'ekti. Püskürtme tezligi qat'iy nuqsonlarning oldini olish uchun sozlanishi tuzilmalar. Kvant nuqtalarining o'z-o'zidan paydo bo'lishi Stranski-Krastanov rejimi tizim misolida yaxshi o'rganilgan InAs/GaAs. Birinchi monomolekulyar InAs qatlami o'sganda Kristal panjara konstantalaridagi farqlar tufayli GaAs yuzasi elastik kuchlanishlar paydo bo'ladi. Püskürtme davom etsa, farqlar birinchi qatlam yuzasida o'sish (u deyiladi "namlash" qatlami) notekis bo'lishi foydali bo'ladi moddaning taqsimlanishi, lekin individual "tomchilar" shakllanishi.
Shunday qilib, kvant nuqtalarining xususiyatlariga ega piramidalar paydo bo'ladi, ulardan biri rasmda ko'rsatilgan. Sifat jihatdan bu piramidalar bo'lishi mumkin asosiy yarimo'tkazgich yuzasidagi nuqsonlar deb hisoblanadi; buning natijasida tarmoqli tuzilishida nopoklik darajasi paydo bo'ladi – yuqoriroq valentlik zonasi (teshiklar) va o'tkazuvchanlik zonasi ostida (elektronlar), ikkalasi ham shaklda ko'rsatilgan. Nopoklik zonasi darajasiga mos keladigan darajalar o'tkazuvchanlik, diskret spektr bilan tavsiflanadi, ya'ni ular mos keladi kvant nuqtasi.
1.3-rasm. (a) yarimo'tkazgich kvantining eksperimental amalga oshirilishi nuqta; (b) kvantni o'z ichiga olgan yarimo'tkazgichning tarmoqli tuzilishi nuqta
Nanoklasterlar va ular asosida tashkil etilgan nanomateriallar ularni noyob qiladigan bir qator xususiyatlarga ega optik va elektr o'tkazuvchanlik xususiyatlari. nanometr o'lchami, tarmoqli tuzilishga ega bo'lgan massiv qattiq jismdan individual holatga o'tish elektron darajalar va erkin yo'lni cheklash klaster sirtining ta'siri tufayli tashuvchilar tanlov qoidalarini o'zgartiradilar rejimi va yangi optik o'tishlar, o'zgarishlar paydo bo'lishiga olib keladi o'tish energiyalari, floresan vaqtining o'zgarishi va luminesans, osilatorlarning kuchini oshirish. Yana bir muhim omil nanomateriallarning xususiyatlarini aniqlash matritsa va atrof-muhit, in klasterlar joylashgan. Nanomateryallarga asoslanib, bu mumkin yorug'lik bilan sozlanishi diodlar va o'zgaruvchan uzunlikdagi lazerlarni ishlab chiqarish to'lqinlar, shuningdek, optik uchun bir qator chiziqli bo'lmagan optik nanosistemalar konvertorlar.
Matritsadagi nanoklasterlarning tartibini belgilaydi doimiy bo'lgan fotonik kristallarni yaratish imkoniyati ko'rinadigan yorug'likning to'lqin uzunligi bilan taqqoslanadigan panjara. Metall va yarim o'tkazgichlarning optik xususiyatlari sezilarli darajada farq qiladi, bu o'tkazuvchanlik zonasining, valentlik zonasining turli joylarida ifodalanadi zonasi va Fermi darajasi. Shu munosabat bilan o'lcham effektlari farqlanadi metallar va yarimo'tkazgichlarning nanoklasterlari. Ayniqsa kuchli normal sharoitda bo'lgan moddalarning nanozarrachalarini o'rgandi yarimo'tkazgichlar. Ko'pgina tadqiqotlar elektronga tegishli dan foydalanish bilan izohlanadigan bunday zarralarning xossalari kvant nuqtalari. Germaniy yoki kremniy nanozarrachalarining o'zlari bunday qilmaydi yarimo'tkazgichlardir. Sin nanopartikul qachon hosil bo'lishi mumkin geliy oqimida kremniy substratning lazer bug'lanishi. Fotoliz bilan neytral klasterlar nuri ultrabinafsha lazer klasterlari ionlashadi va ularning massasi zaryadga nisbati bilan o'lchanadi massa spektrometri yordamida.
Yarim o'tkazgich materiallar nanozarralarining optik xususiyatlari va volumetrik material keskin farq qiladi. Optik spektrlar yutilishlar sezilarli darajada ko'k tomonga siljiydi (to'lqin uzunligining kamayishi) zarracha o'lchamlarining kamayishi bilan. bilan fotonlar energiya tarmoqli oralig'iga teng yoki undan katta yarimo'tkazgich, elektron-teshik juftlarini yaratishi mumkin. Elektron va teshiklar bir-biridan mustaqil ravishda harakatlanadi. Ba'zi hollarda Kulon o'zaro ta'siri tufayli elektron va teshik mumkin yangi elektr neytralni hosil qilib, "birgalikda" qoling kvazizarra - qo'zg'alish. Eksitonlar elektr o'tkazuvchanligiga ta'sir qilmaydi moddalar, chunki ular elektr zaryadiga ega emas. Chiqish eksitonlar kvant quduqlarida sezilarli darajada osonlashadi, chunki organik mintaqada lokalizatsiya bir-birining ta'sirini kuchaytiradi elektronlar va teshiklarning to'lqin funktsiyalari. Eng oddiy model tasvirlaydi eksiton elektron va panjara ichida aylanadigan teshikka o'xshaydi Kulon ta'sirida umumiy massa markaziga nisbatan diqqatga sazovor joy. Eksitonlarning ikkita asosiy turi mavjud:
1. To'lqin funksiyalarining bir oz o'xshashligi bo'lgan qo'zg'alishlar elektronlar va teshiklar. Bunday qo'zg'alishlarning o'lchamlari bir nechta panjara parametrlari. Agar qo'zg'alishlar zaif bog'langan bo'lsa elektron-teshik juftlari, ular Wannier-eksitonlar deb ataladi Motta. Wannier-Mott qo'zg'alish tizimlari ko'pchilikka xosdir yarimo'tkazgichlar.
2. Izolyatorlarga xos va o'lchamga ega bo'lgan qo'zg'alishlar panjara konstantasiga yaqin, ya'ni Frenkel qo'zg'olonlari deb ataladi. Ular elektron teshik juftlari bilan kuchli yoki chambarchas bog'langan.
Eksitonning bog'langan holatlariga mos keladigan energiyalar yarimo'tkazgichli tarmoqli bo'shlig'ida, chegara ostida joylashgan o'tkazuvchanlik zonalari.
Qo'zg'alishning yutilish spektri taxmin qilingan cho'qqilarga ega tenglama. Eksitonlar past haroratlarda barqarorroq va fononlar ta'sirida parchalanmaydi. Optik spektr mis oksidi Cu2O ning yutilishi rasmda ko'rsatilgan. Bu spektrni ko'rsatadi qo'zg'atuvchi moddalarning so'rilishi.
Nanozarrachalar kamayganda nima sodir bo'lishi ayniqsa qiziq elektron-teshik juftining radiusi bilan taqqoslanadigan o'lchamlarga yoki kichikroqlari. Ikkita holat mumkin, ular zaif va deb ataladi kuchli lokalizatsiya. Zaif lokalizatsiya rejimida zarracha radiusi qo'zg'alish radiusidan kattaroq, lekin qo'zg'alish harakat maydoni cheklangan, bu yutilish spektrining ko'k siljishiga olib keladi.
Zarracha radiusi elektron teshik juftining orbital radiusidan kichik bo'lsa, elektron va teshik harakatlari mustaqil bo'lib, eksiton mavjud bo'lishni to'xtatadi. Elektron va teshikning o'z to'plamlari bor energiya darajalari. Bu, shuningdek, ko'k siljishiga olib keladi va yangi assimilyatsiya chiziqlarining paydo bo'lishi.
Nanozarrachalar va makroskopik qattiq moddalar yorug'likning tarqalishi va yutilishining bir qator xususiyatlariga ega. Bu xususiyatlar ko'p sonli tajribalarda eng aniq namoyon bo'ladi zarralar. Shunday qilib, kolloid eritmalar va granüler plyonkalar bo'lishi mumkin o'ziga xos optik xususiyatlar tufayli intensiv rangga ega nanozarrachalar Optik xususiyatlarni o'rganish uchun klassik ob'ekt dispers muhit - oltinni o'z ichiga olgan eritma. Ko'proq Faraday oltinning kolloid eritmasi rangi o'xshashligiga e'tibor qaratdi va oltin plyonkalar va tarqoq strukturani taklif qildi.
Yorug'lik nozik taneli metall plyonkalar tomonidan so'rilganda yutilish cho'qqilari ularning spektrining ko'rinadigan qismida mavjud bo'lmagan holda paydo bo'ladi massiv metallar (metalllarda, elektronlar tomonidan optik yutilish o'tkazuvchanlik keng to'lqin uzunliklarida sodir bo'ladi). Masalan, Diametri 4 nm bo'lgan Au zarralarining donador plyonkalari aniq maksimal yutilish 560 dan 600 nm gacha. Absorbtsiya spektrlari Ag, Cu, Mg, In, Li, Na, K nanozarralari ham maksimal qiymatga ega optik diapazon. Granüler plyonkalarning yana bir xususiyati ko'rinadigan hududdan o'tish paytida yorug'lik yutilishining pasayishi hisoblanadi spektrdan infraqizilgacha (radiatsiyaning uzluksiz yutilishi metall plyonkalar ortib borayotgan to'lqin uzunligi bilan ortadi). O'lchamlari kattaligi nanozarrachalar uchun optik xususiyat effektlari katta ahamiyatga ega to'lqin uzunligidan sezilarli darajada qisqaroq va 10...15 nm dan oshmaydi.
|
| |