Квантовая механика твердотельных наноструктур

Аннотация

В современной физике твердого тела исследование наноструктур является одним из самых интересных и приоритетных направлений. Это объясняется не только фундаментальностью их физических свойств, но и практической важностью этих свойств для создания новых устройств электроники, новых методов хранения, обработки и передачи информации, новых технологий обработки и создания новых материалов с необычными свойствами.

Основное внимание в курсе будет уделено квантовым полупроводниковым наноструктурам, их электронным и оптическим свойствам, методам их исследования и изготовления, основным приборам на их основе. Однако будут рассмотрены и смежные вопросы: методы зондовой туннельной спектроскопии и манипулирования одиночными атомами и молекулами с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Программа курса

Квазиэлектрическое поле и управление зарядами в полупроводнике вариацией его состава. Тройные полупроводники. Полупроводниковые гетеропереходы. A₃B₅, A₂B₆ и Ge/Si системы. Напряженные и ненапряженные гетеропереходы. Гетеропереходы I и II рода. Сверхрешетки и квантовые ямы. Квантовые нити и точки.
Методы изготовления наноструктур. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Жидкостная и газовая эпитаксия. Литографические методы. Использование явлений самоорганизации и взаимодействия с излучением. Использование жертвенных слоев и Принц-технология.
Моноатомная и двухатомная цепочки атомов, основные типы фононов в одномерном случае и в случае объемного кристалла. Оптические фононы и фонон-поляритоны.
Метод матриц переноса и рассеяния для описания электронных свойств квантовых наноструктур. Свойства матрицы рассеяния: унитарность, симметрия по отношению к обращению времени, взаимность. Основные квантовые явления, определяющие физические свойства полупроводниковых наноструктур: размерное квантование и туннелирование.
Полупроводниковые сверхрешетки. Электронные минизоны. Блоховские осцилляции в сверхрешетках. Полупроводниковые квантовые ямы, нити и точки.
Экситоны в полупроводниковых гетероструктурах различной размерности: квантовых ямах, нитях и точках. Экситоны в гетероструктурах с сильно различающимися диэлектрическими проницаемостями слоев: диэлектрическое усиление экситонов.
Способы экспериментального исследования наноструктур: транспортные свойства, оптика (фотолюминесценция и возбуждение фотолюминесценции), магнитооптика, электронная и СТМ-микроскопия.
Приборы наноэлектроники: туннельный диод Эсаки; резонансно-туннельный диод.
Приборы наноэлектроники: транзистор с высокой подвижностью электронов.
Оптические свойства полупроводниковых наноструктур. Электронная плотность состояний. Экситоны в наноструктурах. Диполярные экситоны и непрямые экситоны в двойных квантовых ямах. Бозе-конденсация экситонов. Биэкситоны в наноструктурах.
Приборы наноэлектроники: светодиоды и лазеры на квантовых наноструктурах, системы с горизонтальным и вертикальным резонатором, квантово-каскадный лазер, приемник ИК на межподзонных переходах гетероструктуры.
Упругое и неупругое туннелирование электронов. Туннельная спектроскопия. Сканирующий туннельный микроскоп и манипулирование одиночными адсорбированными атомами и молекулами.

Литература

Основная литература

М. Грундман. Основы физики полупроводников. Нанофизика и технические приложения: пер. с англ. М.: Физматлит. 2012. 771 с.
В. А. Кульбачинский. Физика наносистем. М.: Физматлит. 2022. 768 с.

Дополнительная литература

Н. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела. М.: «Мир». 1979. 2 т., 400+422 стр.
Ю. Питер, М. Кардона. Основы физики полупроводников: пер. с английского. М.: Физматлит. 2002.
E. L. Wolf. Nanophysics and Nanotechnology: An Introduction to Modern Concepts in Nanoscience. 2nd Edition. Wiley, 2006.

Другие спецкурсы программы

Спецкурсы