Реферат- Введение в наноэлектронику. Введение в наноэлектронику. Методы зондовой нанотехнологии. 1 Физические основы зондовой нанотехнологии

• Название: Методы зондовой нанотехнологии. 1 Физические основы зондовой нанотехнологии
• Анкор: Реферат- Введение в наноэлектронику
• Дата: 18.11.2022
• Размер: 3.55 Mb.
• Имя файла: Введение в наноэлектронику.rtf
• Тип: Документы; #796308
• страница: 15 из 15

.8 Одноэлектронный механический транзистор

В наноэлектронике разработано устройство "механического" транзистора, способного передавать "поштучно" электроны из одной цепи в другую.

На проводники подается регулируемое по частоте переменное напряжение от генератора, вытравленного на одной подложке с "транзистором". Переменный ток приводит в действие изолированный и заземленный механический маятник, на конце которого находятся два утолщения (молоточка). В создании колебательных движений, подчиняясь электромагнитному эффекту, участвует "молоточек", находящийся между контактами генератора, но в соприкосновение с ними он не входит. Роль транзисторного "перехода" играет второй "молоточек", один из контактов - исток, а другой - сток. В цепь сток-исток включен источник тока и измерительный прибор. Колеблясь, маятник касается стока, и благодаря туннельному эффекту переносится один электрон. Удар в исток пересылает электрон дальше по цепи.

С прикладной точки зрения механический "транзистор" привлекателен для космической электроники, где радиоактивное излучение вносит много помех, вызывая спонтанные переходы в полупроводниковых слоях, а маятнику такое излучение не страшно. Очень выгодно использовать его в обычной вычислительной электронике (нет утечки и тепловых шумов). Если транзистор выключен, то он действительно выключен (сток и исток разделены физически).

6. Спинтроника

.1 Волновые явления в магнитоупорядоченных средах

Спинволновая электроника представляет собой направление в наноэлектронике, в котором изучаются эффекты и явления в магнитоупорядоченных континуальных средах, а также создание приборов и устройств обработки и хранения информации.

Под спином понимается собственный момент количества движения элементарных частиц атома или атомарного ядра. Спин имеет квантовую природу и не связан с перемещением частицы как целого.

Спинтроника объединяет области исследований и разработок на эффектах переноса спинов в качестве носителей информации.

В соответствии с квантово-механическим представлением, элементарная частица в атоме характеризуется собственным или спиновым, и орбитальным механическими моментами. Собственные значения спинового момента частицы на некоторую ось принимают значения .

Орбитальный механический момент имеет классическую природу, однако подчиняется законам квантования и поэтому может принимать значения от 1 до .

Со спиновым механическим моментом связан спиновый магнитный момент по формуле (17).
,
где - спиновой магнитный момент;

- магнитомеханическое отношение для спина электрона.

Магнитомеханическое отношение для спина находится по формуле (18).
,
где - множитель Ланде (фактор магнитного расщепления);

- скорость света, .

С орбитальным механическим моментом связан орбитальный магнитный момент по формуле (19).

где - орбитальный магнитный момент;

- магнитомеханическое отношение для орбитального момента.

Магнитомеханическое отношение находится по формуле (20).
,
где .

Полный механический момент электрона есть векторная сумма спинового и орбитального момента, а полный магнитный момент - магнитных моментов.

Магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых моментов всех электронов, входящих в атом, и спинового магнитного момента ядра.

В твердом теле атомы (ионы) находятся в узлах кристаллической решетки. Между ними имеет место электрическое и магнитное взаимодействие. Электрическое взаимодействие на пять порядков больше магнитного. Оба типа взаимодействия подчиняются закону обратных квадратов и являются дальнодействующими.

Кроме указанных взаимодействий имеет место сильное обменное взаимодействие, которое носит чисто квантовый характер. Энергия обменного взаимодействия минимальна. Известно, что система всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, в этом и заключается явление магнитной упорядоченности в магнитных кристаллах. В равновесном состоянии спины стремятся выстроиться либо параллельно, либо антипараллельно.

Энергия обменного взаимодействия по порядку величины значительно больше энергии магнитного взаимодействия, поэтому последнее играет сравнительно малую роль в магнитной упорядоченности, однако, обменные силы являются короткодействующими и действуют на значительно меньших расстояниях, чем магнитные.

Магнитное упорядочение заключается в существовании определенной закономерности расположения элементарных магнитных моментов атомов, ионов, электронов.

Известны вещества, обладающие в отсутствие внешнего магнитного поля упорядоченной магнитной структурой - ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).

Ферромагнетики обладают спонтанной параллельной ориентацией элементарных магнитных моментов, приводящей к намагниченности. Ответственными за эту ориентацию являются обменные силы. Атомы этих элементов имеют незаполненные электронами внутренние оболочки, в которых возникает нескомпенсированный магнитный момент. Спиновая часть этого момента сохраняется при вхождении элемента в состав вещества. Орбитальная часть этого момента сильно подавляется и не играет заметной роли. Это вещества со спиновым магнетизмом.

В антиферромагнетиках имеет место "шахматная" упорядоченность. В этом случае каждый магнитный момент окружен антипараллельными моментами. В итоге суммарный магнитный момент будет мал.

Ферриты, или ферримагнетики, обладают аналогичной спонтанной "шахматной" упорядоченностью. Вследствие различия моментов, направленных в разные стороны, имеет место значительный результирующий магнитный момент. Эти вещества получили еще одно название - магнитный диэлектрик.

В магнитоупорядоченных кристаллах спины взаимодействуют между собой двояким образом: или это обычное магнитное диполь-дипольное взаимодействие, или имеет место обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия вызывают два рода упругих сил в магнитном диэлектрике - магнитные и обменные силы. Первые являются дальнодействующими. Во взаимодействии принимают участие сразу много узлов кристаллической решетки, и его часто называют коллективным. В ближнем порядке между соседними атомами имеет место обменное взаимодействие. Обменные силы являются короткодействующими и хорошо описывают коротковолновые возмущения узлов кристаллической решетки. В этом случае смещения соседних узлов кристаллической решетки достаточно велики и обменные силы выступают на первый план.

Таким образом, длинноволновые возмущения вызывают магнитные силы, или магнитную упругость, а коротковолновые возмущения - обменные силы, или обменную упругость. Наличие двух типов возмущения порождает возможность генерации и распространения двух видов волн - спиновых магнитостатических волн и спиновых обменных волн. Волны первого типа называют магнитостатическими, а второго типа - спиновыми.

Рассмотрим ситуацию, когда в основном состоянии все магнитные моменты атомов параллельны и направлены в одну сторону вдоль внешнего магнитного поля . Если вывести крайний вектор из положения равновесия, то магнитный момент атома начнет прецессировать вокруг магнитного поля . При этом возникнет высокочастотное магнитное поле, которое воздействует на следующий магнитный момент, принуждая его к прецессии. Такое возбуждение пойдет по следующим магнитным моментам. В результате вдоль цепочки магнитных векторов побежит фазовая волна возмущения.

Если длина волны значительно больше размеров кристаллической решетки, то в магнитоупорядоченных структурах могут распространяться медленные волны. Волны этого типа называют магнитостатическими волнами (МСВ). Эти волны способны переносить энергию в результате диполь-дипольного взаимодействия.

Если длина волны возмущений примерно равна размерам кристаллической решетки, то такие волны обусловлены обменным взаимодействием, а волны этого типа носят название спиновых волн (СВ). Энергия в такого типа волнах переносится благодаря обмену.

Итак, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной упорядоченности, или элементарное возбуждение. Квазичастицы, соответствующие спиновой волне, называются магнонами.

Практический интерес представляет поверхностная магнитодипольная волна, или поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). Ее групповая скорость совпадает по знаку с фазовой скоростью, их энергия и фаза перемещаются в одну и ту же сторону.

.2 Приборы на МСВ

нанолитография микроскоп лазер электроника

Линии задержки (ЛЗ) представляют собой устройства для временной задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их формы.

Одна из конструкций линии задержек изображена на рисунке 23.



Рисунок 23 - Структура линии задержки: 1 - подложка из гадолиний-галлиевого граната; 2 - пленка из железо-иттриевого граната; 3 - микрополосковая линия; 4 - управляющий экран; 5 - подложка из оксида алюминия; 6 - выход компланарной линии; 7 - вход компланарной линии
Одним из направлений, связанных с разработкой бездисперсионных перестраиваемых линий задержки на МСВ в широкой полосе частот, является использование каскадных схем. Это последовательно включенные две линейно перестраиваемые ЛЗ с взаимно обратными характеристиками. Такие конструкции позволяют в определенных пределах модулировать по величине полную задержку сигнала.

Весьма интересное применение магнитостатические волны нашли в фильтрах СВЧ-сигналов. Фильтры на МСВ способны легко перестраиваться по спектральному диапазону за счет изменения внешнего магнитного поля.

Структура спин-клапанного транзистора изображена на рисунке 24.


Рисунок 24 - Структура спин-клапанного транзистора
Электронный ток от эмиттера к коллектору возникает при достижении определенной величины напряжения смещения между ними. Конструктивной особенностью коллектора является наличие в нем квантовой ямы, которая формируется за счет гетероперехода GaAs/AlGaAs. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся генерацией фотонов.

Управление таким транзистором осуществляется за счет прохождения электронов через ферромагнитные слои Со и NiFe. При приложении внешнего поля в несколько сотен гаусс спины электронов, эмитированных коллектором, поляризуются определенным образом в слое кобальта. Слой NiFe намагничивается в том же параллельном направлении и не препятствует прохождению электронов с заданной ориентацией спинов.

Если уменьшить значение магнитного поля на порядок, то вследствие остаточной индукции векторы намагниченности слоев Со и NiFe будут антипараллельны. Это вызовет снижение величины электронного тока.

Заключение

Результатом написания реферата являются полученные знания об основах наноэлектронике, применяемых технологиях, перспективных разработках и устройствах. Был рассмотрен ряд наноэлектронных приборах, имеющих в своей основе различные физические явления и эффекты.

Полученная информация является важной для понимания перспектив электроники и путей ее развития.

Библиографический список

. Щука, А.А. Наноэлектроника / А.А. Щука. - М.: Физматкнига, 2007. - 464 с.

. СТО ЮУрГУ 17-2008 Стандарт организации. Учебные рефераты. Общие требования к содержанию и оформлению / Т.И. Парубочая, Н.В. Сырейщикова, В.А. Смолко, Л.В. Винокурова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 40 с.