Современные проблемы естествознания
Общий курс для студентов, обучающихся по направлению «Прикладные математика и физика»
- 1. Введение в нанотехнологию (НТ)
- Цели и задачи НТ. Основные понятия и определения. Физические и технологические проблемы и ограничения микроминиатюризации полупроводниковых устройств. Применение методов НТ для уменьшения размеров приборов. Перспективные наноматериалы и направления нанотехнологии. Основные требования по созданию объектов наноэлектроники и нанофотоники. Представление о реализации квантово-размерных эффектов, оценка предельных геометрических величин элементов, где реализуется эффект размерного квантования (квантовые точки, квантовые проволоки, квантовые ямы).
- 2. Иерархическая система математических моделей
- Распределение математических моделей нанообектов по уровням различной подробности описания. Шредингеровские модели. Модели молекулярной динамики на первых принципах. Модели классической молекулярной динамики. Решеточные детерминистические модели и решеточные алгоритмы метода вероятностных асинхронных клеточных автоматов. Модели типа реакция-диффузия. Примеры моделирования.
- 3. Материалы нанотехнологий
Наноструктурные элементы вещества: атомы, молекулы, фуллерены, нанотрубки, кластеры. Квантовые точки - искусственные молекулы. Наноструктурные полимеры.
Материалы на основе наноструктурных элементов: нанокристаллы, нанотрубки, наностержни и их производные. Структурные элементы для наноматериалов более высокого порядка. Углеродные нанотрубки, технология изготовления, структура и свойства. Области применения.
- 4. Свойства наноструктурных материалов
- Механические и тепловые свойства наноструктурных материалов
Механические свойства наноструктур. Тепловые свойства наночастиц и молекулярных кластеров.
Электронные и магнитные свойства наноструктурного твердого телаТеория низкоразмерных электронных систем (Квантовые пленки, проволоки, точки).
Электронный транспорт (туннельный эффект, кулоновская блокада). Свойства наноструктурынх магнитных материалов и частиц. Эмиссионные свойства наноструктур.
Оптические свойства наноструктурного твердого тела - 5. Методы нанотехнологий
- СОЗДАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО ПРИНЦИПУ "СВЕРХУ-ВНИЗ":
Субмикронная литография. Уменьшение размеров элементов методами традиционной планарной технологии за счет разработки, создания и применения экстремальных ультрафиолетовых источников излучения со сверхкороткой длиной волны (13,5 нм) при процессах литографии. Источники экстремального ультрафиолета. Лазерное излучение: взаимодействие с поверхностью и применение в НТ. Лазерная абляция. Многослойные брэгговские зеркала. Резисты на основе неорганических материалов. ДВУФ-нанолитограф. Нанолитография. Электронная, ионная и рентгеновская литографии. Применение "линзы Кумахова" для нанолитографии. Маски и резисты для разных типов литографии. Сравнительный анализ перспектив ультрафиолетовой, электронной, ионной и рентгеновской литографий. Нанопечатная литография. Понятие о литографически-индуцированной самосборке наноструктур.
Атомно-силовая микроскопия
СОЗДАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПО ПРИНЦИПУ "СНИЗУ-ВВЕРХ":Основы теории зародышеобразования. Зародышеобразование в тонких пленках. Понятие критического зародыша. Термодинамическая теория зародышеобразования. Молекулярно-кинетическая теория зародышеобразования.
Механизмы эпитаксии. Гомо- и гетероэпитаксия. Механизмы гетероэпитаксиального роста: Франка-ван-дер-Верме, Фольмера-Вебера, Странски-Крастанова.
Эпитаксиальные методы. Физическое осаждение из паровой фазы (MBE). Получение аморфных, поликристаллических и монокристаллических пленок. Молекулярно-лучевая эпитаксия элементарных полупроводников и полупроводников на основе соединений А3В5, осаждение пленок диэлектриков и металлов. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD): его виды, основные закономерности и методика.
Самоорганизация квантовых точек и нитей. Квантовые точки. Самоорганизованный рост по механизму Странского-Крастанова. Теория самоорганизованного роста квантовых точек. Системы полупроводниковых материалов для выращивания структур с КТ. Рост наноструктур на фасетированных плоскостях. Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков. Массивы вертикально-связанных КТ. Периодические структуры плоских доменов. Структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур с квантовыми точками.
Самоорганизация нанотрубок. Преобразование планарных напряженных гетероструктур в трехмерные, имеющие радиальную симметрию (нанотрубки). Перспективы изготовления электронных приборов с применением нанотрубок.
Локальное анодное окисление металлов.
- 6. Методы исследования наноструктур
-
Растровый электронный микроскоп. Просвечивающий электронный микроскоп. Полевой электронный микроскоп. Полевой ионный микроскоп.
Сканирующий электронный микроскоп. Зондовый сканирующий микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.
- 7. Математические модели некоторых применений нанотехнологий
-
Часть 1. Наноэлектроника. Квантово-механические (шредингеровские) модели наноэлектроники.
Особенности энергетического спектра частиц в системах пониженной размерности. Рассеяние частиц на потенциальной ступеньке. Потенциальный барьер конечной ширины. Интерференционные эффекты при надбарьерном пролете частиц. Частица в прямоугольной потенциальной яме. Особенности движения частиц над потенциальной ямой. Движение частицы в сферически симметричной прямоугольной потенциальной яме. Энергетический спектр и волновые функции линейного, плоского и сферического осциллятора. Энергетические состояния в прямоугольной квантовой яме сложной формы. Структура со сдвоенной квантовой ямой. Прохождение частиц через многобарьерные квантовые структуры. Энергетический спектр сверхрешеток. Классификация полупроводниковых сверхрешеток. Низкоразмерные системы с цилиндрической и сферической симметрией.
Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем пониженной размерности. Энергетический спектр бесконечной прямоугольной потенциальной ямы в однородном электрическом поле. Оценка смещения энергетических уровней под действием электрического поля в прямоугольной КЯ конечной глубины. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр параболической потенциальной ямы. Интерференционная передислокация электронной плотности в туннельно-связанных квантовых ямах. Потенциальная ступенька в однородном электрическом поле. Прохождение частиц через двухбарьерную структуру в электрическом поле. Влияние однородного электрического поля на двухэлектронные состояния в двойной квантовой точке. Энергетический спектр сверхрешетки из квантовых точек в постоянном электрическом поле.
Распределение квантовых состояний в системах пониженной размерности . Особенности распределения плотности состояний в 2D-системах. Зависимость положения уровня Ферми от концентрации электронов и толщины пленки для 2D-систем. Распределение плотности состояний в квантовых проволоках и квантовых точках. Влияние дополнительного пространственного ограничения на энергетический спектр связанных состояний в одномерной ?-образной потенциальной яме. Энергетический спектр мелких примесных состояний в системах пониженной размерности. Влияние размерного квантования на состояния мелкого экситона. Энергетический спектр полупроводниковых пленок типа n-GаАs. Энергетический спектр электронов в размерно-квантовых пленках Gе и Si. Энергетический спектр в полупроводниковых пленках с вырожденными зонами. Энергетический спектр в квантовой точке с параболическим удерживающим потенциалом.
Экранирование электрического поля в структурах пониженной размерности. Приповерхностная область пространственного заряда. Уравнение Пуассона. Разновидности областей пространственного заряда. Решение уравнения Пуассона. Определение зависимости потенциала в области пространственного заряда от координаты. Поверхностное квантование. Экранирование электрического поля в 2D-системах. Особенности экранирования электрического поля в квантовых проволоках.
Квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе. Эксперименты с двумерным электронным газом. Энергетический спектр электронов в постоянном однородном магнитном поле. Проводимость двумерного электронного газа. Дробный квантовый эффект Холла.
Особенности фононного спектра в системах пониженной размерности. Дисперсионные зависимости фононов в полупроводниковых сверхрешетках. Свертка ветвей акустических фононов. Локализация фононов. Интерфейсные фононы.
Транспортные явления. Стационарная дрейфовая скорость. Всплеск во времени дрейфовой скорости при воздействии электрического поля. Баллистический транспорт в полупроводниках и субмикронных приборах. Подвижность электронов в системах с селективным легированием. Особенности электрон-фононного взаимодействия в системах пониженной размерности. Рассеяние электронов в 2D-системах. Особенности рассеяния квазидвумерных электронов в сверхрешетках. ТермоЭДС в квазидвумерных системах. Асимметричные наноструктуры в магнитном поле. Эффект Ааронова - Бома.
Туннелирование через квантово-размерные структуры. Туннелирование через двухбарьерную структуру с квантовой ямой. Вольт-амперная характеристика многослойных структур. Экспериментальное исследование вольт-амперных характеристик двухбарьерных квантовых структур. Диапазон рабочих частот двухбарьерной квантовой структуры.
Тенденции создания нанотранзистора.
Проблемы одноэлектроники. Теоретические основы одноэлектроники. Реализация одноэлектронных приборов. Применение одноэлектронных приборов.
Часть 2. Квантовый компьютер и квантовые вычисления
Введение в квантовые вычисления. Определения и обозначения. Соотношение между классическим и квантовым вычислением. Основные квантовые логические принципы. Понятие кубита. Определение квантового вычисления. Примеры. Квантовые алгоритмы: основные понятия и примеры. Быстрые квантовые алгоритмы.
Проблемы реализации элементной базы квантового компьютера. Твердотельные квантовые компьютеры. Квантовый компьютер на ядерных спинах в кремнии. Квантовый компьютер на электронном спиновом резонансе в структурах Ge - Si. Квантовый компьютер на ионах в ловушках. Примеры ловушек. Храниение, обработка и передача кубитов. Квантовый компьютер и ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Основные принципы работы. Логические вентили на ЯМР.
Учебная литература
- Драгунов В.П., Неизвестный В.А., Гридчин В.А.. Основы наноэлектроники: Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.
- Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. 2007.
- Тататернко Н.И., Кравченко В.Ф. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006.
- Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: Издательство МФТИ. 2001.
- Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия. 2005.
- Полак Л.С., Михайлов А.С. Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах. М.: Наука. 1983.
- Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир. 1979.
- Китаев А., Шень А., Вялый М. Классические и квантовые вычисления. МЦНМО. 1999.
- Квантовый компьютер и квантовые вычисления т.1. под ред. Садовничего В.А. Ижевск: Удмуртский университет. 1999.
- Квантовый компьютер и квантовые вычисления т.2. под ред. Садовничего В.А. Ижевск: Удмуртский университет. 1999.
- Ржанов А.В. Электронные процессы на поверхности полупроводников. М.: Наука. 1971.
- Воробьев Л.Е., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Оптические свойства наноструктур: Учебное пособие. СПб.: Наука. 2001.
- Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург: УрО РАН. 1998.