Викладено основи сучасних технології вирощування тонких плівок, квантово-розмірних шарів, квантових ниток, квантових точок, фулеренів і вуглецевих нанотрубок, принципи епітаксії і основні режими гетероепітаксійного росту, можливості використання процесів самоорганізації для формування систем квантових ниток і квантових точок. Розглянуто основні фізичні властивості дво-, одно- і нульвимірних квантових напівпровідникових і вуглецевих структур, питання розмірного квантування і умови спостереження квантово-розмірних явищ, особливості функції густини станів у системах різної вимірності, кінетичні та оптичні характеристики низькорозмірних систем, фізичні явища, які спричиняє зниження вимірності системи - квантовий ефект Холла, квантування провідності балістичних 2D- контактів і вуглецевих нанотрубок, кулонівську блокаду й одноелектронні процеси у резонансо-тунельних структурах, від'ємний диференційний опір надграток тощо. Призначений для студентів технічних та фізичних спеціальностей вищих навчальних закладів. Може бути рекомендований аспірантам і науковим працівникам, що займаються фундаментальними і прикладними дослідженнями в галузі фізики, техніки і технології квантово-розмірних структур. ЗМІСТ ПЕРЕДМОВА................................................................................................................11 ВСТУП...........................................................................................................................15 Розділ І. НАНОТЕХНОЛОГІЇ.....................................................................................19 Глава 1. Технологічні методи вирощування тонких плівок і квантово-розмірних шарів.........................................................................................20 1.1. Засади тонкоплівкових технологій......................................................................20 1.1.1. Фізичне осадження тонких плівок...................................................................21 1.1.2. Хімічне осадження тонких плівок....................................................................27 Контрольні запитання і завдання.................................................................................29 1.2. Вакуумне осадження тонких плівок.....................................................................30 1.2.1. Процеси випаровування у технології осадження тонких плівок з газової фази.................................................................................................................30 1.2.1.1. Випаровування одноатомних систем...........................................................31 1.2.1.2. Випаровування багатокомпонентних систем..............................................33 1.2.1.3. Забезпечення процесу випаровування.........................................................35 1.2.2. Процеси конденсації у технології осадження тонких плівок з газової фази... 36 1.2.2.1. Зародкоутворення у тонких плівка?.............................................................38 1.2.2.1а. Термічна акомодація атомів пари на поверхні підкладки......................39 1.2.2.16. Час життя адсорбованих атомів.................................................................40 1.2.2.2. Моделі зародкоутворення............................................................................42 1.2.2.2а. Капілярна модель.........................................................................................43 1.2.2.26. Атомна модель.............................................................................................47 1.2.2.3. Стійкість конденсації. Часткова і повна конденсація.................................51 1.2.3. Підкладки у тонкоплівкових технологіях......................................................55 Контрольні запитання і завдання..............................................................................57 1.3. Епітаксія тонких плівок з газової фази (ГФЕ)..................................................59 1.3.1. Епітаксія і характер межі розділу "плівка-підкладка"...................................59 1.3.2. Епітаксія і псевдоморфізм...............................................................................63 1.3.3. Режими гетероепітаксійного росту................................................................64 1.3.4. Епітаксія й основні чинники, що її формують..............................................67 1.3.4.1. Орієнтоване зародження.............................................................................68 1.3.4.2. Орієнтований ріст........................................................................................70 1.3.4.3. Коалесценція і рекристалізація........................................................................71 1.3.5. Епітаксія і фонові домішки..................................................................................73 1.3.6. Епітаксія і морфологія та орієнтація поверхні підкладки................................74 Контрольні запитання і завдання..................................................................................75 1.4. Молекулярно-променева епітаксія (МПЕ).............................................................76 1.4.1. Формування молекулярних пучків......................................................................78 1.4.2. Розподіл молекулярних пучків поверхнею підкладки......................................80 1.4.3. Ріст плівки у методі МПЕ.....................................................................................81 1.4.4. Підкладки у методі МПЕ......................................................................................85 1.4.5. МПЕ шарів кремнію та систем А'"ВУ.................................................................86 1.4.6. Легування і контроль параметрів плівок у методі МПЕ...................................91 Контрольні запитання і завдання..................................................................................93 1.5. Газофазна епітаксія з металоорганічних сполук (МОС гідридна епітаксія)......94 1.5.1. МОС гідридна епітаксія і піроліз.........................................................................96 1.5.2. Кристалізація в процесі МОС гідридної епітаксії............................................99 1.5.3. Технологія МОС гідридної епітаксії і робочий тиск газових компонентів....104 1.5.4. Легування в процесі МОС гідридної епітаксії................................................105 Контрольні запитання і завдання................................................................................107 1.6. Рідиннофазна епітаксія (РФЕ)...............................................................................108 1.6.1.Фізико-хімічні основи методу РФЕ...................................................................109 1.6.1.1. Епітаксійне нарощування з рідкої фази і фазні рівноваги........................ 109 1.6.1.2. Епітаксійне нарощування з рідкої фази і концентраційне переохолодження.........................................................................................................112 1.6.1.3. Швидкість росту плівки в умовах РФЕ.......................................................116 1.6.1.4. Легування сторонніми домішками в умовах РФЕ .....................................117 1.6.2. Підкладки в методі РФЕ...................................................................................119 1.6.3. Класифікація способів РФЕ.............................................................................121 1.6.3.1. Ізотермічні способи РФЕ..............................................................................121 1.6.3.2. Неізотермічні способи РФЕ..........................................................................124 1.6.4. Механізм і кінетика кристалізації за РФЕ.......................................................127 1.6.5. Апаратурне забезпечення РФЕ........................................................................130 1.6.6. Морфологія поверхні епітаксійних шарів у процесі РФЕ.............................135 Контрольні запитання і завдання...............................................................................137 Глава 2. Технологічні методи одержання квантових ниток ...................................139 2.1. Літографічний метод створення квантових ниток........................................... 139 2.2. Використання електричного поля для створення квазіодновимірних провідних каналів.......................................................................142 2.3. Використання профільованих поверхонь для створення ісвантових ниток....143 Контрольні запитання і завдання................................................................................152 Глава 3. Технологічні методи одержання квантових точок.....................................153 3.1. Літографічний метод створення квантових точок.............................................153 3.2. Використання процесів самоорганізації для формування ансамблів квантових точок............................................................................................................156 3.2.1. Теоретичні аспекти............................................................................................157 3.2.2. Експериментально-технологічні аспекти........................................................162 3.3. Створення ансамблів квантових точок методами колоїдної хімії...................167 3.4. Зондові нанотехнології.........................................................................................168 Контрольні запитання і завдання................................................................................171 РОЗДІЛ II. КВАНТОВО-РОЗМІРНІ СТРУКТУРИ ТА ЇХНІ ВЛАСТИВОСТІ ... 173 Глава 4. Потенціальна яма і потенціальний бар'єр....................................................174 4.1. Просторові та енергетичні характеристики потенціальної ями......................174 4.2. Характер руху класичних і квантово-механічних частинок у потенціальній ямі..........................................................................................................176 4.3. Квантування енергетичного спектра частинки у потенціальній ямі................178 4.4. Форма потенціальної ями і характер квашування енергетичного спектра........185 4.5. Захоплення квантово-механічних частиною потенціальними ямами різної вимірності...................................................................................................187 4.6. Повний енергетичний спектр квантово-механічної частинки в потенціальній ямі............................................................................................................188 4.7. Тунелювання квантово-механічної частинки крізь потенціальний бар'єр...........190 4.8. Резонансно-тунельні структури...............................................................................196 Контрольні запитання і завдання....................................................................................199 Глава 5. Вимірність системи і густина станів вільних електронів...............................200 5.1. Вимірність системи і "k-об'єм" одного квантового стану вільного електрона... 200 5.2. Алгоритм розрахунку густини станів вільних електронів.....................................202 5.3. Густина станів і квадратичний закон дисперсії.......................................................203 5.4. Густина станів і лінійний закон дисперсії...............................................................209 5.5. Деякі узагальнення і 0D системи..............................................................................213 Контрольні запитання і завдання.....................................................................................215 Глава 6. Енергетичний спектр електронів у сильному магнітному полі. Рівні Ландау.......................................................................................................................217 6.1. 3D системи ................................................................................................................217 6.2. 2D системи ................................................................................................................221 Контрольні запитання і завдання...................................................................................224 Глава 7. Двовимірні структури.......................................................................................225 7.1. Двовимірні кристали.................................................................................................225 7.2. Двовимірні системи: дальній порядок і теплові флуктуації.................................230 7.3. Тонкі кристалічні плівки як квазідвовимірні структури.......................................232 7.4. Двовимірні електрони. Системи з двовимірними електронами..........................237 7.4.1. Двовимірний електронний газ на гетеропереході..............................................238 7.4.2. Двовимірний електронний газ у квантовій ямі...................................................247 7.4.3. Двовимірний електронний газ в інверсійних шарах польових транзисторів.....................................................................................................................250 Контрольні запитання і завдання..................................................................................253 Глава 8. Фізичні властивості систем з двовимірними електронами.........................254 8.1. Квантовий ефект Холла..........................................................................................254 8.2. Цілочисловий квантовий ефект Холла..................................................................264 8.3. Метрологічні застосування квантового ефекту Холла.........................................273 8.4. Дробовий квантовий ефект Холла........................................................................275 8.5. Балістичні 2D контакти і квантування їхньої провідності...................................284 Контрольні запитання і завдання.................................................................................290 Глава 9. Одновимірні структури...................................................................................292 9.1. Одновимірні кристали. Перехід Пайєрлса............................................................292 9.2. Неможливість співіснування різних фаз в одновимірних структурах..............295 9.3. Одновимірний електронний газ. Особливості розсіювання одновимірних носіїв заряду....................................................................................................................297 9.4. Природні квазіодновимірні електронні системи..................................................298 Контрольні запитання і завдання................................................................................299 Глава 10. Нульвимірні структури...............................................................................300 10.1. Поглинання світла квантовими точками...........................................................300 10.1.1. Квантові точки великого радіуса.....................................................................303 10.1.2. Квантові точки малого радіуса........................................................................304 10.2. Кулонівська блокада та одноелектронні процеси...............................................307 Контрольні запитання і завдання.................................................................................317 Розділ НІ. НАПІВПРОВІДНИКОВІ НАДҐРАТКИ...................................................319 Глава 11. Класифікація надграток..............................................................................322 11.1. Композиційні надґратки......................................................................................322 11.2. Леговані надґратки..............................................................................................332 11.3. Композиційні леговані надґратки.......................................................................336 Контрольні запитання і завдання.................................................................................339 Глава 12. Енергетичний спектр надграток..................................................................340 12.1. Мінізонна енергетична структура надграток.....................................................340 12.2. Енергетичні характеристики надграток..............................................................345 12.3. Перехід "напівметал - напівпровідник" у надґратках........................................352 Контрольні запитання і завдання.................................................................................355 Глава 13. Фізичні властивості надграток.....................................................................356 13.1. Густина станів у надґратках..................................................................................356 13.2. Концентрація вільних носіїв заряду у надґратках..............................................361 13.3. Оптичні властивості надґраток...........................................................................366 13.3.1. Внугрішньозонні переходи...............................................................................370 13.3.2. Міжзонні переходи............................................................................................374 13.4. Електропровідність надграток............................................................................378 13.5. Вольт-амперні характеристики надґраток..........................................................381 13.6. Високочастотна провідність надґраток у сильному електричному полі. Підсилення і генерування електромагнітних хвиль..................................................389 Контрольні запитання і завдання................................................................................394 Розділ IV. СТРУКТУРИ НА ОСНОВІ ВУГЛЕЦЮ...................................................395 Глава 14. Деякі вступні відомості про вуглець і його структури...........................395 14.1. Електронна структура і хімічні зв'язки..............................................................395 14.2. Структура алмазу.................................................................................................401 14.3. Структура графіту................................................................................................402 14.4. Лінійні структури і моноциклічні кільця..........................................................404 Контрольні запитання і завдання...............................................................................405 Глава 15. Фулерени......................................................................................................406 15.1. Історія відкриття фулеренів................................................................................406 15.2. Структура фулеренів...........................................................................................412 15.3. Формування фулеренів.......................................................................................417 15.4. Стабільність фулеренів.......................................................................................420 15.5. Ідентифікація фулеренів.....................................................................................423 15.6. Похідні фулеренів...............................................................................................436 15.6.1. Фулериди..........................................................................................................437 15.6.2. Фулерити..........................................................................................................442 15.7. Одержання фулеренів та їхніх похідних............................................................449 Контрольні запитання і завд