В случае металлов, где уровень Ферми находится в центре полосы, а соответствующий интервал между уровнями энергии очень мал, электронные и оптические свойства более близки к свойствам континуума, даже при относительно небольших размерах (десятки или сотни атомов). В полупроводниках уровень Ферми лежит между двумя полосами, так что края полос доминируют в низкоэнергетическом оптическом и электрическом поведении. Оптические возбуждения через зазор сильно зависят от размера, даже для кристаллитов размером до 10 000 атомов. Для изоляторов ширина запрещенной зоны между двумя полосами уже слишком велика в объемной форме. Такой же эффект квантового размера известен и для наночастиц металлов; однако для того, чтобы наблюдать локализацию энергетических уровней, размер должен быть значительно меньше 2 нм, так как расстояние между уровнями должно превышать тепловую энергию (26 МэВ). В металле зона проводимости заполнена наполовину, а плотность энергетических уровней настолько высока, что заметное разделение энергетических уровней в зоне проводимости (внутриполосный переход) наблюдается только тогда, когда наночастица состоит из
100 атомов. Если размер наночастицы металла достаточно мал, непрерывная плотность электронных состояний разбивается на дискретные энергетические уровни. Расстояние δ между энергетическими уровнями зависит от энергии Ферми металла EF и от числа электронов в металле, N, как указано:
 (1)
Где: энергия Ферми EF обычно составляет порядка 5 эВ в большинстве металлов. Например, дискретный уровень электронной энергии в наночастицах металлов наблюдался при измерениях поглощения наночастиц золота в дальнем инфракрасном диапазоне. Когда диаметр нанопроволок или наностержней уменьшается ниже длины волны де Бройля, ограничение размера также будет играть важную роль в определении уровня энергии, как и для нанокристаллов. Например, край поглощения нанопроволок Si имеет значительное синее смещение с резкими дискретными характеристиками, а кремниевые нанопроволоки также демонстрируют относительно сильную «полосовую» фотолюминесценцию. 4.7 Технология наноэлектроники Технология наноэлектроники связана с характеристикой, манипулированием и изготовлением электронных устройств на наноуровне. Но наноэлектронное устройство – это очень маленькие устройства, позволяющие преодолеть ограничения по масштабу. Наноэлектроника содержит некоторые ответы на вопрос о том, как мы могли бы увеличить возможности электронных устройств при одновременном снижении их веса и энергопотребления. 4.7.1 Свойства электронов в наноструктурах
Электронные свойства материалов изменяются, когда электроны ограничены структурами, которые меньше расстояния между событиями рассеяния (т. Е. среднего свободного пробега) электронов в нормальных твердых телах. В этом разделе мы обсудим, что происходит с электронами, которые ограничены одномерными структурами (т. Е. сужениями или “проводами”) и нульмерными структурами (т. Е. малыми частицами). Двумерное удержание будет рассмотрено в полупроводниковых гетероструктурах. В качестве предварительного условия для этого материала мы начнем с широкого обзора проводимости в нормальных твердых телах, включая модель металлов со “свободными электронами” и теорию зонной структуры электронных состояний в периодических твердых телах. Огромные различия в электронных свойствах материалов Электрические свойства материалов сильно различаются. Мы рассматриваем электрические свойства с точки зрения сопротивления: медные провода, которые передают электрическую энергию, имеют низкое сопротивление, а стеклянные изоляторы, поддерживающие линии электропередачи, имеют очень высокое сопротивление. Сопротивление зависит от геометрии, и более существенной величиной является удельное сопротивление ρ. Например, стержень из материала длиной L и площадью поперечного сечения A имеет сопротивление
 (2)
ρ является чисто материальным свойством, имеющим единицы Ω-м. Размеры некоторых распространенных материалов приведены в табл.2. (Здесь единицами измерения являются Ω-м, но Ω-см чаще используются в полупроводниковой промышленности.) Немногие физические величины различаются так сильно, как сопротивление: диапазон между медью и резиной составляет почти 24 порядка величины. Только часть электронов в данном материале участвует в проводимости электричества. Например, только один из 29 электронов в каждом атоме меди в медном проводе может свободно переносить ток. Мы увидим, что эти электроны движутся очень быстро – около 106 м/с. Однако они также рассеиваются очень часто – в среднем примерно каждые 40 нм в меди. Чистый ток переносится медленным дрейфом этого случайно рассеянного облака электронов. Скорость дрейфа зависит от падения напряжения на медном проводе, но для небольших напряжений, падающих на типичных выводах прибора (доля вольта на метр при большом токе), она составляет долю миллиметра в секунду. Несмотря на то, что они находятся в меньшинстве, эти “свободные электроны” придают металлам замечательные свойства. В дополнение к их способности пропускать электрические токи, падающие оптические поля приводят свободные электроны в движение, которое противостоит падающему полю, переизлучая свет как отражение, что объясняет оптическую отражательную способность большинства металлов. Большинство элементов в периодической системе элементов являются металлами, и только те немногие, которые находятся справа или справа от диагонали B-Si-As-Te-At, являются полупроводниками или изоляторами. С другой стороны, большинство соединений являются изоляторами. Таким образом, оксиды металлов являются изоляторами (например, Al2O3) или полупроводниками (такими как Cu2O — причина, по которой можно создавать хорошие электрические контакты с частично окисленными медными проводами). Мы увидим, что это невероятное изменение электронных свойств материалов имеет свое происхождение в их квантово-механической зонной структуре.
Таблица 2 - Удельное сопротивление различных материалов при 20°C
4.8 Электроны в наноструктурах и квантовые эффекты В электронных свойствах сыпучих материалов преобладает рассеяние электронов. Это действует как сила трения, так что электрон движется со “скоростью дрейфа”, так что сила, обусловленная приложенным полем (поле = падение напряжения на единицу расстояния, сила = заряд × поле), просто равна силе трения. Поскольку ток пропорционален скорости дрейфа электронов, мы можем видеть, почему ток пропорционален напряжению в большинстве проводников (т.е. Соблюдается закон Ома). События рассеяния, которые способствуют сопротивлению, происходят со средними свободными путями, которые обычно составляют десятки нм во многих металлах при разумных температурах. Таким образом, если размер структуры имеет тот же масштаб, что и средняя длина свободного пробега электрона, закон Ома может не применяться. Перенос может быть полностью квантовым на наноуровне. Другое явление наноразмерного масштаба возникает, если структура настолько мала, что добавление к ней электрона приводит к значительному сдвигу энергии (по сравнению с кBT).
Заключение В данной работе я рассказал о том как и где применяются нанотехнологии в электронике. О том, каким образом взаимодействуют среды натехнолигий и производства электронных систем. Конечно, области применения нанотехнологий в этой области многогранны, но я постарался раскрыть одни из основных моментов взаимодействия данных сфер науки.
Список использованных источников
Нанотехнологии в электронике / А. Медведев
THE ROLE OF NANOTECHNOLOGY IN ELECTRONIC PROPERTIES OF MATERIALS / DR. Magy Mohamed Kandil
|
Скачать 316.55 Kb.