Размерное квантование в полупроводниках

Размерное квантование возникает при ограничении движения электронов и дырок в полупроводниках в одном или нескольких измерениях до нанометрового масштаба, сопоставимого с длиной де Бройля частиц. В этом случае энергия электрона перестаёт быть непрерывной, формируются дискретные энергетические уровни. Эффект становится особенно выраженным, когда размер наноструктуры сравним с радиусом Бора экситона в материале.

Ключевые моменты:

• Энергетическая структура переходит от зонной модели к уровневой.
• Уменьшение размера частицы приводит к увеличению разрыва запрещённой зоны.
• Квантовые эффекты проявляются в спектральных, оптических и электронных свойствах материала.

Квантовые точки

Квантовые точки представляют собой нанообъекты с ограничением движения носителей в трёх измерениях. Они обладают дискретными энергетическими уровнями, аналогичными атомным. Свойства:

• Энергия возбуждения обратно пропорциональна квадрату радиуса квантовой точки.
• Спектральная линия излучения может быть точно настроена изменением размера частицы.
• Сильное увеличение плотности состояний на определённых уровнях способствует улучшению оптических и электронных характеристик.

Квантовые проволоки и наноленты

Квантовые проволоки ограничивают движение носителей в двух измерениях. Электронные уровни формируют подзоны вдоль длины проволоки. Особенности:

• Возникает анизотропия проводимости: вдоль проволоки носители подвижны, в поперечном направлении движение квантовано.
• Энергетический спектр представлен множеством субзон с разрывами между ними, зависящими от поперечного размера.

Наноленты представляют собой частные случаи квантовых проволок с шириной, позволяющей проявляться двумерным квантовым эффектам. Они активно изучаются для создания транзисторов и фотонных устройств с высокой плотностью упаковки.

Квантовые ямы

Квантовые ямы формируются при ограничении движения носителей в одном измерении, создавая двумерные электронные газовые системы. Особенности:

• Уровни энергии образуют субзоны вдоль свободного направления движения.
• Квантовые ямы активно используются в лазерных структурах и фотодетекторах за счёт контролируемой эмиссии фотонов.
• Эффективная масса носителей и их подвижность зависят от толщины ямы и материала барьера.

Размерные эффекты на электронные свойства

Увеличение запрещённой зоны: С уменьшением размеров наночастиц энергия перехода между валентной и зоной проводимости увеличивается, что приводит к сдвигу поглощения и эмиссии в сторону более коротких волн.

Изменение плотности состояний: Для трёхмерных квантовых объектов плотность состояний непрерывна; для двумерных – ступенчатая; для одномерных – с пиками Ван Хова; для наноразмерных квантовых точек – дискретная.

Квантовые туннельные эффекты: В сверхмалых структурах возможно прохождение носителей через энергетические барьеры без классической активации, что используется в туннельных диодах и фотонных устройствах.

Оптические проявления квантового ограничения

Квантовое ограничение приводит к сдвигу спектров поглощения и излучения. Эффект особенно заметен в квантовых точках: уменьшение размера частицы вызывает синее смещение спектра.

Плотная упаковка уровней энергии в наноструктурах также повышает вероятность рекомбинации электронов и дырок, что увеличивает интенсивность фотолюминесценции.

Применение размерного квантования

• Фотонные источники: Лазеры на квантовых ямах с узконаправленным спектром.
• Оптоэлектроника: Светодиоды и фотодетекторы с регулируемым спектром поглощения.
• Нанокатализ: Повышенная активность носителей в квантовых точках способствует ускорению каталитических реакций.
• Энергетика: Наноструктуры для солнечных батарей с улучшенным захватом солнечного спектра.

Факторы, влияющие на выраженность квантового эффекта

1. Размер наночастиц: Основной параметр, определяющий сдвиг энергетических уровней.
2. Форма и геометрия: Сферические, проволочные или пленочные структуры демонстрируют различные плотности состояний.
3. Материалы и состав: Эффективная масса носителей и диэлектрическая проницаемость влияют на радиус экситона и силу квантового ограничения.
4. Температура: Повышение температуры размазывает дискретные уровни и снижает контраст квантового эффекта.

Размерное квантование является фундаментальным фактором, определяющим уникальные физико-химические свойства наноматериалов и открывающим новые возможности для их применения в химии, оптоэлектронике и нанотехнологиях.