Общие принципы классификации наноразмерных структур

В настоящее время существует чрезвычайно большое количество физических и биологических объектов, которые, исходя из их размерных характеристик, могут быть отнесены к наноразмерным структурам. В рамках настоящего пособия рассматривается довольно ограниченный класс наноразмерных структур, а именно структур с упорядоченным расположением атомов (их ближайшим аналогом в макромире являются кристаллы с электронной проводимостью). В части практических интересов и целевых установок основные результаты этого раздела более всего относятся к области создания и анализа потенциальных возможностей наноразмерных устройств электронной техники. Тем не менее значительный объем рассмотренных ниже материалов может оказаться полезным и при проведении анализа свойств неупорядоченных (например: веществ с атомной структурой аморфного типа) или квазиупорядоченных (т.е. структур, обладающих хотя бы некоторыми элементами симметрии в расположении атомных группировок, что характерно для значительного круга биологических объектов) нано­структур.

В современной научно-технической практике принято (с некоторой долей условности) подразделять наноразмерные структуры на три класса по критерию пространственной конфигурации [5]:

· квантовая точка – пространственная, нуль-мерная структура (условное обозначение – (0D)), в которой движение носителей зарядов (электронов) ограничено по всем трем геометрическим координатам;

· квантовая проволока – пространственная, одномерная структура (условное обозначение – (1D)), в которой движение носителей зарядов (электронов) ограничено по двум геометрическим координатам, которые направлены по нормали по отношению к направлению раскрытия проволоки;

· квантовая пленка – пространственная, двумерная структура (условное обозначение – (2D)), в которой движение носителей зарядов (электронов) ограничено по одной координате, направленной по нормали к плоскости поверхности структуры.

Относительно приведенных выше определений, использованных при классификации наноразмерных структур, необходимо сделать ряд замечаний общего и частного характера:

а) под термином «пространственная структура» следует понимать тот факт, что в общем случае характеристические размеры наноразмерной структуры (по всем координатам или по некоторым из них) могут по порядку величин быть более чем атомного (характерный размер – 1 ангстрем) масштаба;

б) под словосочетанием «движение ограничено» следует понимать то обстоятельство, что для характеристических размеров структуры должно быть приемлемым условие квантования энергии микрочастиц, представленное в виде выражения (1.23) (последнее означает, что параметр L в выражении (1.23) не должен быть настолько большим, чтобы энергетический спектр микрочастиц можно было бы считать непрерывным);

в) условные обозначения {(0D), (1D), (2D)} относятся к структурам, графическое отображение которых представлено на рис. 1.6;

Рис. 1.6 Графическое отображение структур различной размерности:

{(0D), (1D), (2D)} (индекс «0» при L относится к направлениям
c ограниченным движением)

г) в более общей постановке, речь может идти о факторах ограничения движения микрочастиц других типов (помимо электронов), обусловленных проявлением эффекта квантования энергетических состояний микрочастиц в наноразмерных структурах (с позиции представлений, развитых в разделе № 1, т.е. в потенциальном ящике, имеющем конечную протяженность в соответствии с пунктом (б) настоящих замечаний);

д) на вид функциональной зависимости потенциальной энергии от координат в пределах потенциального ящика (в котором находится микрочастица) не накладывается особых ограничений, однако в последующих материалах предполагается, что эта функция отслеживает фактор упорядоченного расположения атомов, характерного для монокристаллических структур.

Резюмируя вышеизложенное, отметим, что целью дальнейшего рассмотрения является анализ влияния квантовых эффектов на характер движения микрочастиц в пространственных структурах, ограниченных (хотя бы по одной из координат) потенциальными барьерами. В конкретном плане подлежит рассмотрению следующий круг вопросов:

· специфика спектров энергетических состояний микрочастиц, находящихся в пределах пространственно упорядоченных наноразмерных атомных структур, с геометрическими параметрами систем типа: {(0D), (1D), (2D)};

· специфика процессов транспорта носителей заряда в твердотельных структурах, с характеристическими размерами, предполагающими учет факторов размерного и квантово-механического характера.

Указанные моменты играют существенную роль в вопросах создания перспективных электронных и электронно-оптических вычислительных сред (на основе традиционных планарных технологий производства интегральных схем), обладающих чрезвычайно высокой степенью интеграции элементов (10¹³ – 10¹⁵ элементов/см³) и уровнем быстродействия (10¹⁰ – 10¹² Гц).

Освоение оговоренных практических рубежей позволит вплотную приблизить теоретическую и конструкторско-технологическую базу к постановке задач по созданию квантовых компьютеров, которые, благодаря специфике реализации вычислительных операций (этот аспект рассмотрен в разд. 1.3), позволят обеспечить дальнейшее повышение тактико-технических данных вычислительных средств.