Современная электроника №2/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2024 Рис . 2. Структура «QW» с множественными квантовыми ямами (Multiple QuantumWell structure – MQW): a) структуры с множественными квантовыми ямами ; b) крупный план структуры MQW; c) двухмерная топология перемещения зарядов в «Q-Well»; d) зонная структура квантовых ям В 2010 году за открытие и исследова - ние нового наноматериала « графена » Нобелевская премия была присужде - на Константину Новосёлову и Андрею Гейму . Квантово - размерные наноматериалы Квантово - размерный ( КРЭ ) эффект (Quantum-Confined Effect – QCE) опи - сывает изменение термодинамиче - ских , кинетических и оптических свойств кристалла , когда хотя бы один из его геометрических размеров ста - новится соизмеримым с длиной вол - ны де Бройля , определяющей длину свободного пробега носителей заря - да . В частности , КРЭ связан с кванто - ванием энергии носителей заряда , дви - жение которых ограничено в одном , двух или трёх направлениях . Запрет на « свободное » перемещение носителей заряда принято оценивать с помощью «Degrees of Freedom – DOF». Отдельная группа , включающая двухмерные 2-DOF (Quantum Wells), одномерные 1-DOF (Quantum Wire, Carbon Nanotubes) и нульмерные 0-DOF (Quantum Dots) полупровод - никовые микрокристаллы , получила название « квантово - размерные нано - материалы ». Для этого класса переста - ют работать простые законы физики макромира , и расчёт их основных элек - тродинамических параметров может быть выполнен только с использова - нием элементов квантовой механики . Квантовые колодцы (Quantum Wells) и нанолисты (2-DOF – Nanosheets) относятся к двухмерным наноматериалам , которые представля - ют собой плоский отрезок кристалли - ческой структуры , состоящий из одного слоя атомов или молекул определённо - го вещества , в которых перенос заря - дов разрешён только в плоскости XY ( индекс «2 DOF»). В русскоязычной литературе так - же используется другой перевод тер - мина «Nanosheets» – нанолист . Про - цесс переноса электронов в тонких наноплёнках часто называют «Two- Dimensional Electron Gas – 2DEG». В материале квантовой плёнки элек - троны удерживаются в так называемых квантовых ямах «QuantumWell – QW» и не могут перемещаться в вертикаль - ном направлении . Следует отметить , что в англоязычной литературе значе - ние термина QW зависит от контекста . В смысле « квантовой плёнки » англий - ский термин QW переводится , когда речь идёт о типе наноматериала . Тер - мин « квантовая яма », который также является одним из вариантов перевода «QuantumWell – QW», означает энерге - тическую потенциальную яму , которая ограничивает возможность движения частиц в одном из направлений систе - мы координат ( рис . 2). Как правило , на практике использу - ется схема , в которой квантовая плён - ка , имеющая узкую запрещённую зону , размещена между двумя полупроводни - ками с широкой запрещённой зоной . На рис . 2 показана структура «QW» с множественными квантовыми яма - ми (Multiple Quantum Well Structure – MQW) для микрокристалла (Quantum Well) GaAs/AlGaAs, который выращен на подложке GaAs. Тонкая плёнка GaAs с узкой зоной проводимости заключена между двумя полупроводниками с широкой зоной проводимости AlGaAs [4]. За последние десятилетия были получены различные варианты двух - мерных нанолистов с толщиной в диа - пазоне от 0,4 до 5 нм , таких , например , как : дихалькогенид переходного метал - ла (Transition Metal Dichalcogenide); чёр - ный фосфор (Black Phosphorus); дисуль - фид молибдена (Molybdenum Disulfide 2D-MoS 2 ) и другие . Нанометровая тол - щина этих структур накладывает запрет на перемещение электронов в верти - кальном по отношению к плоскости кристалла направлении [5]. Особый интерес представляют двух - мерные моноэлементные керамиче - ские наноматериалы , полученные на основе объёмного кристалла , извест - ного под общим термином «MAX – Xenes» (MXenes). Сделанные из карбидов и нитридов таких металлов , как титан , эти нано - плёнки обладают хорошей проводи - мостью и большой объёмной ёмко - стью . На сегодняшний день получены образцы многочисленных микрокри - сталлов класса «MXenes», среди кото - рых можно назвать такие как борофен , силицен , германен , станен , фосфорен , арсенен , антимонен , висмутен и тел - лурен [6, 7]. Интерес к наноплёнкам особенно вырос после того , как в 2004 году учё - ные российского происхождения из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новосёлов впер - вые в мире получили в своей лабора - тории уникальные образцы графена (Graphene) [8]. Возможность существования графе - на , который является двухмерным кри - сталлом с гексагональной решёткой , состоящим из одного слоя атомов угле - рода , была теоретически предсказана ещё в 1947 году [9]. Зона проводимости E c2 E v1 E v2 E c (z) E v (z) E g1 GaAS AlGaAS AlGaAS E g2 E c1 a b d c Валентная зона Направление распространения (z)