Лк11 Применения наноматериалов и нанотехнологий

Оптические свойства нанокластеров наносистем и наноматериалов.

конструирование материала с заданным набором значений энергии и оптическим спектром, квантовые ямы, проволоки и точки,

 

Квантовые ямы, проволоки и точки,

Квантовые яма – образец, один размер которого лежит в нанодиапазоне, а два других в микродиапазоне и выше. Пример (графен, монослой, нанослой на подложке, нанопленка)

Примером квантовой ямы является двумерная полупроводниковая структура состоящая из трех слоев. Пленка арсенида галлия нанометровой толщины с зоной (1,4 эв), окружена с обеих сторон слоями алюмината арсенида галлия с с более широкой запрещенной зоной(2 эв) при .В результате возникает профиль потенциальной энергии. близкий к по форме к прямоугольному с высотой барьера 0,4 эв для электронов и для дырок 0,2 эВ. См рис мартин 129. В направлении оси z движение электронов ограничено и квантуется, в плоскости остается свободным. Поэтому волновая функция электронов в квантовой яме принимает вид

Энергия электронов квантуется по оси

. .

Где - ширина квантовой ямы

Квазинепрерывные значения волновых векторов определяются периодическими граничными условиями. , где -размер образца в плоскости.

Плотность состояний для двумерной электронной системы в интервале электроны располагаются в подзоне с . В интервале электроны располагаются в двух подзонах и и плотность состояний удваивается. График полной плотности состояний в зависимости от роста энергии имеет ступенчатый характер с постоянной величиной ступеньки по оси ординат и энергии по оси абцисс. Ступенчатый характер функции подтверждается прямыми измерениями оптического поглощения.см рис мартин 133.+

Квантовая проволока –образец, два размера которого лежат в нанодиапазоне и один в микродиапазоне и выше.пример (нанопроволока, молекула ДНК)

В квантовых проволоках электронный газ свободно движется по оси .По двум другим направлениям движение электронов ограничено и квантуется. Двумерное уравнение Шредингера имеет вид

, где

Полная энергия электрона в квантовой проволоке для двумерного прямоугольного потенциала бесконечной длины следующая

.

В случае квантовых проволок энергетические уровни соответствующие поперечному движению описываются двумя квантовыми числами. Значения уровней энергии для электронных состояний возрастают при уменьшении толщины квантовых проволок.

Плотность состояний одномерного электронного газа

Представляется в виде узкого пика: слева это прямая , справа асимптота .мартинрис142.+

Учитывая, что получаем

где -групповая скорость

Электрический ток в одномерной системе

Квантовая точка – это образец (нанокристаллл), все три размера которого лежат в нанодиапазоне. Пример (нанокластер). Примеры показаны на рис Пул199. Структуры получают нанолитографией. Реальные вантовые точки содержат большое число атомов до10⁴-10⁶. Энергетический спектр соответствует трехмерному потенциальному ящику.

Уравнение Шредингера имеет вид

Волновыми фикциями являются стоячие волны

и энергетические уровни

Функция плотности состояний квантовой точки представляет собой набор пиков дельта функций .Квантовой точке отвечает неэвидистантный дискретный спектр , атомной системе энергия . Плотность энергетических со стояний для квантовых ям,проволок и точек рисИгнат384. Квантовые точки создаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Спонтанное формирование массивов вертикально связанных квантовых точек-нанкластеров осуществляется в режиме Странского –Крастанова. См в лекции мол.луч. эпитакс.

Энергия Ферми для электронных систем с низкой размерностью приведена в табл

 

табл

	Электронная система			Энергия Ферми
Квантовая проволока	одномерная		1D
Квантовая яма	двумерная		2D
Квантовая точка	трехмерная		3D

 

Нанофотоника - наука о взаимодействии света с веществом в нанометровом диапазоне, который короче длины световой волны.

Три направления исследований в нанофотонике являются основными:

1.Изучение процессов, вызванных в веществе при возбуждении пучком света сфокусированным до нанометрового размера.

2.Исследование оптических свойств линейных и нелинейных наноразмерных частиц.

3.Химические превращения инициируемые светом в термодинамически устойчивых наноразмерных частицах.

Создание волноводов из легированного эрбием кремния, и усиление в пористом кремнии. игнатов.

Главный недостаток кремниевой оптоэлектроники низкий коэффициент усиления сигнала и эффективность светового усиления отдельными чипами.

На основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрный и эффективный нанорезонатор, позволяющий локализовать мощные электромагнитные поля в малых объемах в течении длительного времени. Изготовление и исследование свойств оптических наноразмерных оптических резонаторов, является направлением развития фотоники, представляет большую практическую и научную ценность.