Наноструктурные материалы. 
Наноэлектроника

Зонная инженерия

Наноструктурные материалы формируются на основе наночастиц и обладают рядом уникальных свойств, обусловленных присутствием наночастиц в материале. Объекты на основе наноструктурных материалов имеют, как правило, хотя бы один из размеров в интервале от 100 до 1 нм и менее. При достижении размеров нанометрового масштаба возникает новое качество. Подавляющее большинство новых физических явлений на наномасштабах проистекает из волновой природы частиц, поведение которых подчиняется законам квантовой механики. Например, при уменьшении размеров образца из полупроводника хотя бы по одной координате до размеров порядка или меньше длины волны де Бройля носителей заряда эта структура становится резонатором, а спектр носителей заряда — дискретным. Возникло новое качество. Используя методы «зонной инженерии» и «инженерии волновых функций», можно конструировать квантоворазмерпые структуры с заданным электронным спектром и требуемыми оптическими, электрическими и другими свойствами. Поэтому наноструктурные материалы удобны для приборных применений. К наноструктурным материалам могут быть отнесены как традиционные консолидированные объекты на основе металлов, сплавов, оксидов, полупроводников, карбидов, боридов, нитридов и т. п., так и нанополупроводники, нанополимеры, нанодисперсии (коллоиды), наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллы и панокластеры, углеродные наноструктуры, нанопористые материалы, биоматериалы. Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от свойств аналогичных материалов в массивном состоянии. Например, у наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных, теплои электропроводных свойств. Для особо мелких образцов материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону ее уменьшения.

Проблематика наноструктурных материалов представляет собой междисциплинарное направление, в развитии которого принимают участие физики, химики, материаловеды, технологи, биологи.

Наноструктурные материалы по количеству измерений можно классифицировать следующим образом:

• • нульмерные — квантовые точки, сфероидные наночастицы;
• • одномерные — квантовые проводники, нанотрубки;
• • двумерные — тонкие пленки, поверхности раздела;
• • трехмерные — многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры.

Методами зонной инженерии создается ряд квантовых структур, обладающих уникальными свойствами.

Квантовые ямы — структуры, в которых существует размерное квантование движения носителей заряда в одном направлении. Квантовые ямы формируются в обычных полупроводниках и в гетероструктурах. Основные физические явления в квантовых ямах: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный), при специальном приготовлении квантовых ям достигается высокая подвижность электронов. Основные методы получения квантовых ям на гетероструктурах — металлоорганическая газовая и молекулярно-пучковая эпитаксия.

Квантовые проволоки представляют собой структуры, в которых движение носителей заряда квантовано уже в двух направлениях. Основные физические явления в квантовых проволоках: квантование проводимости, сильно коррелированный электронный транспорт. Первые квантовые проволоки выполнялись на основе квантовых ям посредством создания потенциального рельефа с помощью двух затворов, расположенных над квантовой ямой. Квантовые проволоки получают методами зонной инженерии и ряда технологических процессов.

Квантовые точки — нанообъекты, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трех направлениях. Они имеют дискретный энергетический спектр. Основные физические явления в квантовых точках — одиоэлектронные и однофотонные явления. Методы зонной инженерии те же, что и для квантовых ям. Используемые технологические процессы — спонтанный рост квантовых точек по механизму Странски — Крастанова или использование прецизионной литографии для создания квантовых точек из квантовых ям.

Структуры с туннельно-прозрачными барьерами представляют собой системы квантовых ям и сверхрешеток. В таких структурах, содержащих много квантовых ям и разделенных туннельно-прозрачными барьерами, наблюдаются резонансное туннелирование, а также формирование минизонного спектра в сверхрешетках. Технология выращивания этих структур аналогична технологии создания квантовых ям.

Фотонные кристаллы — структуры, обладающие зонным спектром для фотонов. Зонная инженерия фотонных кристаллов позволяет создать полное отражение света в определенном диапазоне частот, а также резонансные фотонные состояния. Существует несколько технологий формирования структур фотонных кристаллов.