Основные причины необычных свойств нанообъектов
Область наноразмеров – это область действия законов квантовой механики. Свойства и характеристики наноматериалов и наноустройств могут существенно отличаться от свойств и характеристик обычных материалов и традиционных приборов и устройств микроэлектроники. На квантовом уровне возникают принципиально новые возможности по сравнению с классическими системами, например возможности реализации квантовых алгоритмов вычислений и создания квантового компьютера.
С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах характеризуется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелированиячерез потенциальные барьеры.
Квантовое ограничение. Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться по любому направлению. Если же в твердотельной структуре, размер которой по меньшей мере в одном из направлений L, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны, то в этом направлении возможно распространение только волн с длиной кратной геометрическим размерам структуры. На рис. 16 проиллюстрирована такая ситуация на примере квантового шнура, у которого ограничены размеры a и b. Разрешенные значения волнового вектора для одного направления задаются соотношением
|
|
|
K = 2p/ln = np/L
где n = 1,2,3,… и L может принимать значения a и b в соответствии с рис. 18. Для соответствующих им электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, т.е. имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль квантового шнура электроны могут двигаться с любой энергией. Запирание электрона с эффективной массой m* в соответствии с принципом неопределенности приводит к увеличению его импульса и кинетической энергии на величину DE
Следовательно, квантовое ограничение сопровождается увеличением минимальной энергии запертого электрона, а также дополнительным квантованием энергетических уровней, соответствующих его возбужденному состоянию; спектр электрона становится дискретным. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от свойств объемных материалов.
Интерференция. Взаимодействие электронных волн может сопровождаться интерференцией, которая аналогична наблюдаемой для световых волн. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что благодаря наличию у электрона заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.
|
|
|
Рис. 18. Квантовоограниченная в двух направлениях наноразмерная структура
Туннелирование. Классические частицы, обладающие энергией Е, встречая на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должны отразиться от этой преграды (рис. 19). Однако электрон, как волна, проходит через эту преграду (рис.19). Вероятность туннелирования вычисляется с помощью уравнения Шредингера.
Эта вероятность тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией электрона и высотой барьера.
Рис. 19. Частица с энергией E и потенциальный барьер высотой U, U > E.
а — случай классической частицы, б — туннелирование электрона
Есть и другие причины необычного поведения наноматериалов. Это и значительная роль зернограничных и “приповерхностных” атомов, и низкие координационные числа на поверхности, в углах ступенек, уступов нанообъектов, и размерные эффекты, обусловленные рассеиванием, рекомбинацией и отражением на границах наночастиц, и самоорганизация и самосборка атомов в наносистемах, а также ряд других.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 417; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!