Туннелирование

 

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Это было названо туннелированием. Схематически оно представлено на рис. 4. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду. Соответствующая волновая функция, а через нее и вероятность туннелирования рассчитываются из уравнения Шрёдингера

Эта вероятность тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера.

Рис. 4. Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный барьер высотой U, U > E

 

 

Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

 

Другим специфическим проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады (рис. 5). Чтобы объяснить этот термин, рассмотрим иллюстрируемый рис. 5 пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл. В качестве наглядной иллюстрации параллельно проводится аналогия с каплей, отрывающейся от края трубки. Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние.

Рис. 5. Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады

 

 

При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Таким образом, перенос заряда в такой структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

 

5. Наночастицы (нанообъекты) и наноматериалы

 

 

Наночастицу, которую иногда называют нанообъектом, принято рассматривать как конгломерат или агрегатную частицу, состоящую примерно из тысячи атомов и являющуюся частью объемного материала.

 

Нанотехнология имеет дело с процессами, протекающими на так называемом "наноуровне". При этом в зависимости от позиции исследователя нанотехнология может рассматривать в качестве своего объекта как с самим нанообъекты, так и материалы на их основе.

 

Чтобы подчеркнуть тот факт, что тот или иной материал обладает определенным комплексом свойств именно благодаря наличию в нем нанообъектов, такие материалы зачастую называют наноматериалами. Собственно говоря, в ряде случаев это вполне оправдано, поскольку основные физико-химические характеристики целого ряда материалов действительно определяются свойствами содержащихся в них нанообъектов.

 

 

В настоящее время нанотехнология считается одним из наиболее перспективных направлений в совершенствовании свойств материалов и создании материалов с заданным комплексом свойств, поэтому наноматериалы иногда называют "контролируемым упорядочением нанообъектов".

 

 

Из всего множества нанообъектов наиболее известными являются углеродные нанотрубки, открытые в 1991 г. Они обладают интересными оптическими, химическими и механическими свойствами, в частности, проявляют свойства великолепных полупроводников.

 

В настоящее время основными направления в деятельности создателей новых композитных материалов можно считать наномасштабный молекулярный дизайн полимеров, синтез дендримеров и сложных блок-сополимеров.

 

 

Нанотрубки

 

 

Нанотрубки - перспективный материал для электронной промышленности и оптоэлектроники. В настоящее время кремниевые нанотрубки исследуются множеством исследовательских групп как многообещающий материал для производства плоских экранов, теплопоглотителей, микросхем, сенсоров и электронных пушек.

 

 

Рис. 1. Углеродная нанотрубка

 

 

 

Однако, современные методы позиционирования углеродных нанотрубок не позволяют размещать их на подложке с большой точностью. Точное позиционирование для обеспечения интеграции на кристалле большого числа углеродных нанотрубок потребует новых подходов.

 

Классификация нанотрубок

 

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проиллюстрировано на рисунке.

По значению параметров (n, m) различают

- прямые (ахиральные) нанотрубки

- «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m

- зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0

- спиральные (хиральные) нанотрубки

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m), деленное на 3, дает целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».