Квантово-размерный эффект

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Квантоворазмерный эффект (квантовый размерный эффект) — изменение термодинамических и кинетических свойств кристалла, когда хотя бы один из его геометрических размеров становится соизмеримым с длиной волны де Бройля электронов. Этот эффект связан с квантованием энергии носителей заряда, движение которых ограничено в одном, двух или трёх направлениях. При ограничении бесконечного кристалла потенциальными барьерами или при создании границ возникают дискретные уровни квантования. В принципе, дискретный спектр возникает в любом ограниченном потенциальными стенками объёме, но практически наблюдается только при достаточно малом размере тела, поскольку эффекты декогеренции приводят к уширению энергетических уровней и поэтому энергетический спектр воспринимается как непрерывный. Поэтому наблюдение квантово-размерного эффекта возможно только если хотя бы один из размеров кристалла достаточно мал. Например, типичным примером квантово-размерного эффекта может служить двойная гетероструктура AlGaAs/GaAs/AlGaAs с двумерным электронным газом, где электроны находящиеся в слое GaAs ограничены высокими потенциальными барьерами AlGaAs, то есть для электронов формируется потенциальная яма, описываемая дном зон проводимости двух материалов, малого размера (обычно порядка 10 нм) и возникают дискретные уровни, которые соответствуют движению электронов поперёк слоя GaAs, хотя продольное движение остаётся свободным. Эти уровни эффективно сдвигают зону проводимости вверх по энергии. В результате изменяется ширина запрещённой зоны GaAs и соответственно происходит сдвиг в синюю область края межзонного поглощения. Аналогично, но с большим изменением запрещённой зоны квантово-размерный эффект наблюдается в квантовых точках, где электрон ограничен по всем трём координатам.

Написание слова «квантоворазмерный» не нормировано, в настоящее время оно отсутствует в словарях, поэтому написания разнятся (дефисное или слитное). Однако по правилам русского языка при подобном словообразовании (в данном случае эффект, связанный с квантовыми — дебройлевскими — размерами, эффект «квантовых размеров») употребляется слитное написание (ср., например, «широкополосный»).

Принцип неопределённости[править | править вики-текст]

Энергия размерного квантования является следствием принципа неопределённости в квантовой механике. Если частица ограничена в пространстве в пределах расстояния L (допустим ограничен вдоль направления z), неопределённость z-компоненты её импульса возрастает на величину порядка \hbar /L. Соответствующее увеличение кинетической энергии частицы дается выражением \Delta E=\hbar^2/2m^{*}L^2, где m^{*} — эффективная масса частицы. Кроме увеличения минимальной энергии частицы квантовый размерный эффект приводит также к квантованию энергии её возбуждённых состояний. Энергии возбуждённых состояний для бесконечного одномерного потенциала прямоугольной ямы выражаются как E_n=\Delta En^2, где n = 1,2,3,…

Литература[править | править вики-текст]

  • Davies John H. The Physics of Low-Dimensional Semiconductors: An Introduction. — 6th reprint. — Cambridge University Press, 2006. — ISBN 0-521-48491-X.

См. также[править | править вики-текст]