Современная электроника №2/2024

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2024 Суть открытия Алексея Екимо - ва заключается в том , что он впер - вые получил микрокристаллы CuCl, « упакованные » в стеклянную матри - цу , у которых наблюдался ярко выра - женный квантово - размерный эффект . В этих образцах спектр экситонного поглощения смещался в зависимости от размеров микрокристаллов . При уменьшении размеров кристаллов от 310 до 25 Å ( ангстрем ) спектр сдвигался в сторону более жёсткого ультрафиоле - тового излучения . Самое простое объ - яснение этого эффекта заключается в том , что электронная волна ограниче - на диаметром шароподобного кристал - ла ( рис . 4). Более подробно о работах Алексея Екимова будет сказано в следующем разделе . Следует подчеркнуть , что термин «Quantum Dots» впервые ввёл в обра - щение Mark Reed в статье , опублико - ванной в 1986 году в журнале «Journal of Vacuum Science & Technology» [18]. Марк Рид на пять лет позже Алек - сея Екимова « обнаружил » эффект ограничения распространения носи - телей заряда по всем трём направле - ниям в полученных им микрокристал - лах GaAs–AlGaAs. По всей видимости , Марк Рид не был знаком с работами Алексея Екимова . Во всяком случае , в своей статье он не ссылается ни на работы Екимова (1981, 1985), ни на работы Луиса Брюса , который впервые синтезировал обособленные коллоид - ные микрокристаллические структу - ры с ограничением 0-DOF в 1983 году . Вероятно , поэтому Марк Рид придумал своим микрокристаллическим структу - рам новое имя «Quantum Dots», кото - рое прижилось в американских науч - ных журналах , а потом укоренилось и в других странах . Позднее в русскоязычной литерату - ре стали использовать один из десят - ков возможных вариантов перевода термина «Quantum Dot» как « кванто - вая точка ». Отметим также , что Нобелевская премия 2023 года по химии в какой - то степени завершает серию , поощ - ряющую открытия трёх основных видов наноматериалов , демонстриру - ющих квантовый размерный эффект . В результате все три типа этих полу - проводниковых микрокристаллов – 2-DOF, 1-DOF, 0-DOF были отмечены Нобелевской премией . Зависимость плотности состоя - ний от энергии в случаях протяжён - ного макрообъекта (Bulk), квантовой плёнки (Quantum Well), квантовой проволоки (Quantum Wire) и кванто - вой точки (Quantum Dot) показаны на рис . 5 [19]. Плотность состояний (Density of State – DOS) является одной из важ - ных характеристик квантово - меха - нических систем , определяющих количество энергетических уровней электронов в единичном интервале энергий . На свойства DOS большое влияние оказывает зонная структура материа - ла . Например , свободные электроны в металлических макрокристаллах име - ют трёхмерную евклидову топологию ( рис . 5, a). В этом случае перемеще - ние носителей заряда не ограничено по направлениям внутри кристалла и зависит от внешнего электромагнит - ного поля . Плотность состояния в мас - сивных кристаллах (Bulk) экспоненци - ально растёт с энергией . Для квантовых листов энергия элек - тронов квантуется в соответствии с переходами через запрещённые зоны . Поэтому график зависимости DOS от энергии выглядит как нарастающая ступенчатая кривая ( рис . 4). Кривая на рис . 4 показывает , что зависимость плотности состояний (Density of States – DOS) от энергии электронов носит для квантовой про - волоки характер мгновенно нарастаю - щих импульсов с плавным спадом до нуля ниже края зоны проводимости (Edge of Conduction Band – EC). Для квантовых точек плотность состояний выглядит как обособленные очень узкие энергетические выбросы ( рис . 5, d). Моделирование процессов в кван - тово - размерных наноматериалах использует крайне сложный метамате - матический аппарат , доступный толь - ко узким специалистам . Поэтому , не вдаваясь в подробности , отметим , что витиеватые квантово - механические концепции позволяют на уровне возможной вероятностной модели объяснить некоторые явления квантовой физики , такие , например , как : электронную структуру сложных молекул и кристаллических матери - алов ; дисперсии энергетических зон ; образование запрещённых зон ; про - исхождение полупроводниковых или изолирующих свойств в объёмных материалах [20]. Подобные модели имеют важное прикладное значение и используют - ся для расчётов режимов работы таких устройств , как современные диоды с ударно - лавинным временем прохож - дения (Impact Avalanche Transit Time – IMPATT) [21]. Более подробную информацию о тео - ретических аспектах переноса зарядов в квантовых проволоках можно най - ти , например , в объёмной монографии , доступной на сайте [22]. Говоря о моделировании процес - сов в наноматериалах , нельзя не упо - мянуть о том , что в настоящее время существуют различные теоретические подходы к этой проблеме . Например , среди физиков - теоретиков уже давно идёт дискуссия о том , как трактовать классический подход « Ферми - жидко - сти », если он встречает серьёзные про - тиворечия при попытках объяснения взаимодействия электронов в кванто - вых проволоках . Например , обычно Рис . 5. Примеры зависимости от энергии плотности состояний электронов в случаях : протяжённого макрообъекта (Bulk); квантовой плёнки (QuantumWell); квантовой проволоки (QuantumWire); квантовой точки (Quantum Dot) 3D Энергия Энергия Энергия Энергия 2D 1D 0D Протяжённый макрообъект Квантовая плёнка Плотность состояний Плотность состояний Плотность состояний Плотность состояний Квантовая проволока Квантовая точка