Полупроводниковые сверхрешетки. Синтез, структура, свойства. Сипатов А.Ю. НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра физики металлов и полупроводников План доклада: 1.Введение. 2.Синтез и структура сверхрешеток. 3.Взаимодиффузия в сверхрешетках. 4.Фотолюминесценция сверхрешеток. 5.Электрические свойства сверхрешеток. 6.Магнитные свойства сверхрешеток. 7.Заключение

Конец ХХ века: Высокотемпературная сверхпроводимость Сверхрешетки Фуллерены Спинтроника ХХI век: Нанотехнологии Физика конденсированного состояния:

В 2000 г. в США принята долгосрочная президентская комплексная программа финансирования нанотехнологий (в 2001 г. – 460 млн. долларов, в 2004 г. – 1 млрд., г – 1,2 млрд. долларов в год.). В гг. подобные программы приняты в Евросоюзе, Японии, Китае, Южной Корее и др. Средства, выделенные на нанотехнологии, млрд. $

Полупроводниковые сверхрешетки (СР) Эффекты: 1.Размерное квантование. 2.Резонансное туннелирование. Применение: 1.Микроэлектроника. 2.Оптоэлектроника. 3.СВЧ-техника. 4.Спинтроника год – Л.Есаки, И.Живер (резонансное туннелирование); 1985 год – К.Клитцинг (квантовый эффект Холла); 1998 год – Р.Лафлин, Х.Штёрмер, Д.Тсу (дробный квантовый эффект Холла); 2000 год - Ж.Алферов, Г.Кремер, Д.Колби (полупроводниковые гетероструктуры для опто-електроники); 2007 год - А. Ферт, П. Грюнберг (гигантское магнетосопротивление). Нобелевские премии:

Эффекты в СР Размерное квантование.Резонансное туннелирование.

Требования : 1. Послойный рост используемых материалов друг на друге. 2. Различие их запрещенных зон. 3. Нулевое несоответствие периодов их решеток f = 0. Проблемы: 1. Одномерные СР 2. СР с несоответствием слоев (f 0) дефекты структуры. GaAs - Ga x Al 1-x As

a, нмE g, эВ T m C T к, К (Т N ), K PbS PbSe PbTe SnTe YbS YbSe YbTe EuS EuSe (4.6) EuTe (9) МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ 1 - камера 2 - подложкодержатель 3 - нагреватель 5 - подлоложка 7 - заслонки 8 - испаряемые вещества 9 - электронная пушка 10 - перегородка 11 - лодочка 4 - термопара 6 - кварцевый резонатор Методы исследований 1.Электронная микроскопия 2.Рентгеновская дифракция 3.Нейтронная дифракция 1.Фотолюминесценция 2.Гальвано-магнитные измерения 3.SQUID - магнетометрия 4.Ферромагнитный резонанс

ЭПИТАКСИЯ ХАЛЬКОГЕНИДОВ РЗМ YbS-PbSe (f = 7.9 %) YbS-PbS (f = 4.8 %) YbSe-PbSe (f = 4.1 %)

ДИСЛОКАЦИИ НЕСООТВЕТСТВИЯ D ДН = b/f f = (a 1 + a 2 )/a YbSe-PbSe (f = 4.1 %) СРf, %D, нм EuS-PbS YbTe-SnTe EuSe-PbSe YbSe-PbS EuTe-PbTe PbTe-SnTe EuS-PbSe PbSe-PbS SnTe-PbS EuSe-PbS YbSe-PbSe EuSe-PbTe YbS-PbS PbTe-PbSe EuTe-PbSe EuS-PbTe YbS-PbSe PbTe-PbS YbSe-PbTe EuTe-PbS YbS-PbTe

РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКЦИЯ 2 на отражение на просвет 2 СРf, %D, нм h c, нм h m, нм EuS-PbS YbTe-SnTe EuSe-PbSe YbSe-PbS EuTe-PbTe PbTe-SnTe EuS-PbSe PbSe-PbS SnTe-PbS EuSe-PbS YbSe-PbSe EuSe-PbTe YbS-PbS PbTe-PbSe EuTe-PbSe EuS-PbTe YbS-PbSe PbTe-PbS YbSe-PbTe EuTe-PbS YbS-PbTe

ТИПЫ СВЕРХРЕШЕТОЧНЫХ НАНОСТРУКТУР 1. Одномерные (композиционные) сверхрешетки (f 0, h < h c ) 2. Двумерные (дислокационные) сверхрешетки (f > 2%, h > h c ) 3. Трехмерные (композиционно-дислокационные) сверхрешетки AAABBB ECEC EVEV A B

ВЗАИМОДИФФУЗИЯ В СР PbSe-PbS Т,КСРМассивные кристаллы D, см 2 /сек DbDb DmDm n-типi-типp-тип D = D 0 exp(E a /kT), X 2 ~ 4Dt Для быстрой диффузии: D 0 = см 2 /с; Е а = 0.95 эВ. Для медленной диффузии: D 0 = см 2 /с; Е а = 1.78 эВ. D(523К) = см 2 /сек, X = 0.48 нм (1 час при Т = 523 К)

ВЗАИМОДИФФУЗИЯ В СР СРf, % H (h 1 +h 2 ), нм T, KD,cм 2 /cD 0, cм 2 /c E а, эВ D 523 K X, нм PbSe-PbS (9+9) 20 (14+6) PbTe-PbSe ( ) EuS-PbS (4+4) EuS-PbSe ( ) 11.5(10+1.5) 8.6 (6+2.6) EuSe-PbS (7+7) EuSe-PbSe (8+7) 13 (7+6) 16 (8+8) PbTe-PbS8.3 Не перемешиваются до 750 К EuS-PbTe7.7 Не перемешиваются до 750 К EuS-PbSe

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СР СР EuS-PbS/(111)BaF 2 PbS/(001)KClСР EuS-PbS/(001)KCl = 1.06 мкм

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ТРЕХМЕРНЫХ СР PbSe-PbS

РЕЗОНАНСНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ (СП) 2 /kTc ~ 10

СРf, %D ДН, нмТ с, К APbTe-SnTe PbSe-PbS PbTe-PbSe PbTe-PbS BYbS-PbS YbS-PbTe CEuS-PbSe EuS-PbTe EuS-PbS0.5нет ДНнет СП DYbS-YbSe нет СП YbS-EuS5.37.7нет СП СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ СР

МАГНИТНЫЕ СР Металлические СР

ДИФРАКЦИЯ НЕЙТРОНОВ d PbS, нмJ 1, мДж/м AFM-пик в магнитном поле

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Использование многослойных пленок с несоответствием параметров решеток слоев в широких пределах позволяет не только существенно расширить круг возможных сверхрешеточных материалов, но и создавать одно- двух- и трехмерные сверхрешеточные наноструктуры с новыми уникальными свойствами.