Кинетические свойства низкоразмерных материалов наноэлектроники в сильных внешних полях (06.09.2010)

Автор: Завьялов Дмитрий Викторович

Завьялов Дмитрий Викторович

КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ В СИЛЬНЫХ ВНЕШНИХ ПОЛЯХ

01.04.04 – физическая электроника

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Волгоград – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Волгоградский государственный педагогический университет»

Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор Крючков Сергей Викторович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Иванченко Владимир Афанасьевич;

доктор химических наук, профессор

Литинский Аркадий Овсеевич;

доктор физико-математических наук,

профессор Сазонов Сергей Владимирович.

Ведущая организация ГОУ ВПО «Волгоградский государственный университет».

Защита состоится 24 ноября 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___» _____________________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Авдеюк О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Исследования физических процессов в квантовых твердотельных структурах во второй половине XX века способствовали не только открытиям фундаментального характера (таким, как, например целочисленный и дробный квантовый эффект Холла), но и стимулировали прогресс электронной инженерии. Одним из направлений работы исследователей всего мира в этой области является создание и изучение новых материалов физической электроники, которые в будущем, возможно, смогут кардинально изменить ее элементную базу. Ярким примером такого рода материалов является графен, который в лабораторных условиях был получен в 2004 году и моментально стал объектом пристального внимания физиков. Это обусловлено, в первую очередь, возможностями его технического применения в электронных устройствах благодаря его высокой проводимости, превышающей проводимость основного материала современной микроэлектроники кремния более чем на порядок. Кроме того, волновое уравнение, описывающее состояние электронов в графене, имеет вид уравнения Дирака, что означает возможность проверить некоторые положения квантовой электродинамики экспериментально, используя графен как своего рода «полигон» для испытаний.

Следует отметить, что графен не единственный за последние два-три десятилетия искусственно созданный материал с необычными электронными свойствами. К таким перспективным с точки зрения физической электроники материалам можно отнести полупроводниковые сверхрешетки (СР), углеродные нанотрубки, квантовые наноструктуры (цилиндры, проволоки, кольца, точки и т.д.). Все они обладают необычными электронными свойствами и активно изучаются во всем мире.

Вышесказанное обуславливает актуальность диссертационной работы, так как основными объектами исследования в ней были практически все перечисленные материалы. А именно, объектами изучения были:

Полупроводниковая сверхрешетка, впервые синтезированная в начале

70-х годов. Практическое применение СР началось уже в 80-х годах, и сейчас мы имеем целый спектр полупроводниковых приборов на основе квантовых СР от диодов и транзисторов с рядом уникальных свойств до различных элементов лазерной техники. Столь широкий спектр применения СР обусловлен разнообразием их физических свойств. Так, например, наличие на вольтамперной характеристике СР участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать квантовую СР в качестве генератора волн субмиллиметрового диапазона. Не менее интересными, а, возможно, и более перспективными, представляются оптические свойства СР. Очень важно, что электромагнитные (ЭМ) волны, распространяющиеся в квантовой СР, становятся существенно нелинейными уже при относительно слабых полях по сравнению с обычными полупроводниковыми материалами. Одним из следствий этого является возможность существования в СР нелинейных периодических и уединенных (солитонов, бризеров) волн, которые могут быть использованы в микроэлектронике в качестве носителей информации. Кроме того, энергетический спектр СР резко анизотропен – движение электронов вдоль ее слоев является квазисвободным, а вдоль оси, наоборот, затруднено и описывается приближением сильной связи. Этот факт позволяет говорить о СР как об объекте с промежуточной размерностью. Действительно, приложение достаточно сильного поля вдоль ее оси приводит к дискретизации продольной части энергетического спектра (штарковское квантование) и СР в этом случае становится набором практически несвязанных двумерных квантовых ям.

Квантовый цилиндр, квантовая нить. Успехи современных технологий синтеза материалов позволяют изготовлять объекты практически любой геометрии и варьировать ширину запрещенной зоны в них в очень широких пределах. Широко обсуждается возможность применения подобных искусственно созданных материалов в электронных приборах – баллистических интерферометрах, оптических фазовых модуляторах, интерференционных модуляторах интенсивности, мостиковых переключателях, направленных ответвителях, цифровых оптических переключателях.

Графен. О перспективных свойствах графена было сказано выше, однако следует добавить, что спектр графена также непараболичен и неаддитивен, что позволяет надеяться на его применение, например, в качестве умножителя частоты. Подобная возможность, кстати, уже реализована лабораторно.

Целью работы является исследование транспортных и оптических свойств вышеперечисленных объектов в условиях воздействия сильных (не сводящихся к возмущениям) электромагнитных полей.

Научная новизна. В диссертации впервые

1. Исследована проводимость основных типов одномерных наноструктур в присутствии сильного электрического поля. Предсказано немонотонное поведение и пороговый характер вольт-амперных характеристик исследуемых систем.

2. Изучен радиоэлектрический эффект в полупроводниковой сверхрешетке в присутствии сильного электрического поля. Предсказаны эффекты смены знака тока увлечения при определенных параметрах внешних воздействий и выявлен осцилляционный характер зависимости радиоэлектрического тока от напряженностей приложенных полей.

3. Исследован ряд эффектов, связанных с распространением в полупроводниковой сверхрешетке нелинейных электромагнитных волн. В частности, предсказано изменение положения порога на зависимости коэффициента поглощения кноидальной электромагнитной волны от ее напряженности при учете примесного поглощения.

4. Предсказаны эффекты взаимного поперечного выпрямления переменных токов в графене. Установлено, что нормальное падение на графен двух взаимно поперечно поляризованных электромагнитных волн в ряде случаев может приводить к возникновению постоянной составляющей тока.

5. Обнаружено, что столкновения электромагнитных солитонов (представляющих интерес для передачи сигналов в устройствах микроэлектроники) в окрестности слоя неоднородности концентрации заряда в СР приобретает неупругий характер.

Методы исследований и достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных, хорошо апробированных методов компьютерного моделирования и теоретической физики, строгим соблюдением пределов применимости используемых подходов, моделей и приближений, непротиворечивостью выводов исследования основным физическим закономерностям, а также предельным переходом обобщающих результатов к ранее известным (частным) результатам. Отдельные результаты из пятой главы диссертации имеют экспериментальное подтверждение [1].

Научная и практическая ценность работы

Представленные в работе новые результаты и установленные закономерности позволяют пополнить сведения об электронных свойствах низкоразмерных материалов современной микро- и наноэлектроники, что может быть использовано в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.


загрузка...