Введение в физику наноструктур
IV курс, VIII семестр, специализация «Наносистемы и наноустройства»
Лектор — профессор Сергей Григорьевич Тиходеев (физический факультет МГУ и ИОФ им. А.М. Прохорова РАН).
32 часа
В современной физике конденсированного состояния 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 и изображений, новых технологий обработки и создания новых материалов с необычными свойствами. Настоящий курс является вводным. Будут объяснены основные понятия, использующиеся в этой области. Проиллюстрированы экспериментальные методы изготовления и исследования наноструктур. Приведены примеры теоретических расчетов, включая численные.
Структура курса
Лекция 1.
Микро- и наноструктуризация как основной ресурс развития человечества в XX-XXI столетиях. Закон Мура. Создание первых квантовых наноструктур. Леммы Крёмера.
Лекция 2.
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.
Лекция 3.
Методы изготовления наноструктур. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Жидкостная и газовая эпитаксия. Литографические методы. Использование явлений самоорганизации и взаимодействия с излучением.
Лекция 4, 5.
Теоретические методы описания электронных свойств наноструктур. Метод огибающих. Однозонное, двухзонное и многозонное приближения. Полупроводниковые сверхрешетки. Электронные минизоны. Блоховские осцилляции в сверхрешетках. Полупроводниковые квантовые ямы, нити и точки.
Лекция 6.
Метод матриц переноса и рассеяния для описания квантовых наноструктур. Свойства матрицы рассеяния. Основные квантовые явления, определяющие физические свойства полупроводниковых наноструктур: размерное квантование и туннелирование.
Лекция 7.
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.
Лекция 8.
Приборы наноэлектроники: резонансный туннельный диод, транзистор с высокой подвижностью электронов, светодиоды и лазеры на квантовых наноструктурах, системы с горизонтальным и вертикальным резонатором, квантовый каскадный лазер, приемник ИК на межподзонных переходах гетероструктуры.
Лекция 9.
Способы экспериментального исследования наноструктур: транспортные свойства, оптика (фотолюминесценция и возбуждение фотолюминесценции), магнитооптика, электронная и СТМ микроскопия.
Лекция 10.
Электронные возбуждения в полупроводниковых наноструктурах. Фононы и локализованные носители в наноструктурах.
Лекция 11.
Упругое и неупругое туннелирование электронов. Туннельная спектроскопия. Сканирующий туннельный микроскоп и манипулирование одиночными адсорбированными атомами и молекулами.
Лекция 12.
Экситонный эффект Штарка в квантовых ямах. Оптический эффект Штарка и быстрые оптические нелинейности в наноструктурах.
Лекция 13.
Ближнеполевые эффекты в модулированных системах полупроводник-диэлектрик. Поляризация электромагнитного излучения квантовых нитей и несимметричных квантовых точек. Эффект диэлектрического усиления экситонов.
Лекция 14.
Полупроводниковые микрорезонаторы с квантовыми ямами. Экситон-поляритонные эффекты. Планарные микрорезонаторы. Фотонные нити и точки. Эффект Парселла и наноантенны для оптического диапазона.
Лекция 15.
Оптика наноструктурированных фотонных структур. Фотонные кристаллы. Поляритонные кристаллы.
Лекция 16.
Оптические свойства металлов. Поверхностные плазмоны. Локализованные плазмоны. Металл-диэлектрические фотонные структуры, наноплазмоника и метаматериалы.
Список рекомендованной литературы
Основная литература
- П. Ю, М. Кардона. Основы физики полупроводников. М., Физматлит, 2002.
- Н. Кобаяси. Введение в нанотехнологию, 2-е изд., Бином, 2008.
Дополнительная литература
- В.И. Корольков «От транзистора и гетеролазера к точечным квантовым приборам» (1, 2).
- Г. Г. Зегря «Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона: достижения и проблемы» Соросовский образовательный журнал, т.7, сс. 70-74 (2001).
- Г. Крёмер «Квазиэлектрическое поле и разрывы зон. Обучение электронов новым фокусам», Нобелевская лекция, 2000г.
- Дж. С. Килби «Возможное становится реальным: изобретение интегральных схем», Нобелевская лекция, 2000г.
- Ж.И. Алферов «Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии», Нобелевская лекция, 2000г.
