Введение к работе
Актуальность работы. Современный научно-технический прогресс несомненно определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом, физики твердого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии. Электроника не только формирует элементную базу всех современных средств приема, передачи и обработки информации, автоматизированных систем управления и т. д., но и, что не менее важно, оказывает колоссальное влияние на области науки и техники, связанные с синтезом и внедрением новых материалов.
Последние достижения науки показывают, что в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей, активно развиваемых в настоящее время. Так, на протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе. В частности, эффективное понижение размерности системы значительно усиливает роль межэлектронных корреляций. В двумерном электронном газе были открыты целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла. При этом оказалось, что элементарные возбуждения, существующие в в условиях, необходимых для наблюдения дробного квантового эффекта Холла, — это квазичастицы которые не существуют в свободном состоянии с электрическим зарядом, равным одной трети заряда электрона. Другим нетривиальным примером является ограничение носителей заряда медно-кислородными плоскостями в слоисто-перовскитных сверхпроводниках, что во многих современных теориях сверхпроводимости рассматривается как причина куперовского спаривания.
Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких искусственных материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготовляются
отдельные слои структуры («зонная инженерия»), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями («инженерия волновых функций»). Наряду с квантово-размерными пла-нарными структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах. При сильном межэлектронном и электрон-фононном взаимодействии в одномерных квантовых проводниках могут существовать квазичастицы с дробным электрическим зарядом, а также носители без спина и носители без заряда. Квантовые точки, обладающие малой ёмкостью и дискретным энергетическим спектром, позволяют наблюдать од-ноэлектронное туннелирование при комнатной температуре и исследовать явления, протекающие в обычных системах на атомном уровне, например эффект Кондо. Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная наноэлектроника).
Перечисленные базовые элементы, такие как квантовые ямы и нити, и наблюдаемые в них явления показывают, насколько физические принципы и явления, лежащие в основе наноэлектроники, отличаются от используемых в микроэлектронике. Таким образом, исследование резонансов и локализованных состояний, возникающих в сложных наноструктурах, является актуальной задачей как для выявления новых фундаментальных физических явлений, так и для разнообразных приборных приложений.
Цель диссертационной работы. Целями диссертационного исследования являлись изучение в открытых квантовых системах взаимодействия электронных резонансов друг с другом и с локализованными состояниями, описание локализованных состояний электронов и дырок, возникающих в точках ветвления квантовых проводников и сложных полимерных молекул.
Для достижения поставленных целей ставились следующие задачи:
Изучить особенности электронного транспорта в инвертированном резонансно-туннельном диоде (барьеры заменены ямами и наоборот) и трёхбарьерной резонансно-туннельной гетероструктуре.
Исследовать особенности низкоэнергетического рассеяния электронов в одномерной квантовой системе, содержащей мелкий уровень. Сделать сравнение с известными результатами рассеяния в трёхмерном случае.
3. На примере разветвителей, структур кольцевой и древовидной геометрии изучить зависимость спектра локализованных состояний электронов и дырок от топологии квантовой системы.
Научная новизна
Показано, что взаимодействие резонансов с континуумом электронных состояний или локализованными состояниями может приводить к коллапсу — слиянию двух резонансов с образованием неединичного максимума пропускания.
Показана возможность существования в одномерных системах двух качественно различных типов резонансов, отличающихся знаком эффективного размера потенциала.
Найдены параметры гетероструктур, формируемых ступенчатым распределением состава, обеспечивающие условия безотражательности в области малых энергий.
В приближении сильной связи показано, что в ветвящихся молекулах и квантовых проводниках существует особый тип электронных и дырочных состояний, локализованных в окрестности точки изменения топологии.
Практическая значимость. В диссертации рассмотрен ряд новых физических эффектов, а именно: новые типы резонансов и локализованных состояний, поиск и исследование которых может стимулировать развитие экспериментальных методов инженерии волновых функций. Полученные результаты также могут быть использованы как для улучшения технологических маршрутов уже существующих элементов, так и для разработки новой элементной базы микроэлектроники. Кроме того, описанные эффекты представляют интерес для фундаментальной науки.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
Описан коллапс резонансов в симметричных резонансно-туннельных гетероструктурах, представляющий собой слияние, при изменении параметров системы, двух резонансов единичной прозрачности в один резонанс с прозрачностью меньшей единицы. В точке коллапса в геометрически симметричной системе возникает асимметрия распределения электронной плотности.
Представлены результаты исследования особенностей низкоэнергетического рассеяния в трёхбарьерной и инвертированной резонансно-туннельных гетероструктурах. Показано, что при определенном соотношении параметров структуры длина рассеяния и «эффективный размер»
потенциала одновременно обращаются в ноль. Это соответствует равенству коэффициента пропускания единице в пределах квадратичной точности по энергии.
3. Описание нового типа локализованных состояний — топологических связанных состояний в ветвящихся квантовых проводниках, которые могут быть сформированы на базе молекулярных структур или двумерного газа в гетероструктурах с помощью потенциальных затворов. В отличие от обычного потенциала область изменения топологии системы создает связанное состояние как для электрона, так и для дырки.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих межрегиональных и международных конференциях:
/ 14-th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St. Petersburg, 2006)
/ Всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2006, 2008).
/ Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School (Moscow, 2007)
/ 14-ая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Москва, Зеленоград, 2007)
/ Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники» (Екатеринбург, 2007; Новосибирск-Томск, 2009)
J The International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2007" (Zveni-gorod, Moscow region, 2007)
/ Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Москва, Зеленоград, 2008)
/ 2-ая всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (Москва, 2009)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из которых 4 — научные статьи [3, 7, 8, 12], а 8 — тезисы докладов на международных, межрегиональных и других научных конференциях. Из 4-х научных статей 3 опубликованы в рецензируемых журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией [7, 8, 12].
Личный вклад автора Все результаты, изложенные в диссертации и сформулированные в положениях выносимых на защиту, получены автором лично.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из четырёх глав, введения и заключения. Объём диссертации составляет 128 страниц печатного текста, в том числе 25 иллюстраций и список литературы из 138 наименований.
