Кіріспе

Кванттық механикадағы ұғым. Кванттық ұңғыма – дискретті энергия мәндеріне ие потенциалдық ұңғыма. Кванттық ұңғыманы көрсету үшін қолданылатын классикалық модель – бастапқыда үш өлшемде еркін қозғалатын бөлшектерді екі өлшемге шектеу, оларды жазық аймақта ұстауға мәжбүрлеу. Кванттық шектеудің әсері кванттық ұңғыманың қалыңдығы тасымалдаушылардың (әдетте электрондар мен тесіктердің) де Бройль толқын ұзындығымен салыстырылатын болғанда пайда болады, бұл "энергиялық субдиапазондар" деп аталатын энергия деңгейлеріне әкеледі, яғни тасымалдаушылар тек дискретті энергия мәндерін ғана қабылдай алады. Кванттық ұңғыма тұжырымын 1963 жылы Герберт Кромер және Жорес Альферов пен Р. Ф. Казаринов дербес түрде ұсынды.

Тарих

Жартылай өткізгіш кванттық ұңғыма 1970 жылы Эсаки мен Цу әзірледі, олар синтетикалық суперрешеттерді де ойлап тапқан. Олар әртүрлі энергиялық тізілімдері бар жартылай өткізгіштердің кезегімен жіңішке қабаттарынан тұратын гетероқұрылымның қызықты және пайдалы қасиеттерге ие болуы мүмкін екенін ұсынды. Содан бері кванттық ұңғыма жүйелерінің физикасын зерттеуге, сондай-ақ кванттық ұңғыма құрылғыларын жасауға көп күш-жігер жұмсалды. Кванттық ұңғыма құрылғыларының дамуына кристалл өсіру технологиясының жетістіктері зор үлес қосты. Өйткені кванттық ұңғыма құрылғыларына жоғары тазалықтағы, ақаулары аз құрылымдар қажет. Сондықтан, осы гетероқұрылымдардың өсуін қатаң бақылауға алу, мұқият реттелген қасиеттері бар жартылай өткізгіш құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді. Кванттық ұңғыма құрылғыларының теориясы заманауи компоненттердің, мысалы, жарықдиодтар мен транзисторлардың өндірісі мен тиімділігінде маңызды жетістіктерге әкелді. Бүгінде мұндай құрылғылар қазіргі заманғы ұялы телефондарда, компьютерлерде және көптеген басқа да есептеу құрылғыларында кеңінен қолданылады.

Өндiру

Кванттық ұңғымалар жартылай өткізгіштерде, мысалы, галлий арсениді, алюминий арсениді сияқты кең жолақты материалдың екі қабаты арасына орналастырылып жасалады. (Басқа мысалдар: екі галлий нитриді қабатының арасында индий галлий нитриді қабаты.) Мұндай құрылымдар молекулалық сәулелі эпитаксия немесе химиялық бу фазалық осаздану арқылы, қабат қалыңдығын моноқабаттарға дейін бақылап өсіріледі. Жұқа металл пленкалары да кванттық ұңғымалық күйлерді қолдай алады, әсіресе металл және жартылай өткізгіш беттерінде өсірілген жұқа металл қабаттары. Вакуумдық металл интерфейсі электронды (немесе тесікті) бір жағынан шектейді, ал жалпы жағдайда жартылай өткізгіш субстраттармен абсолюттік жолақпен, немесе металл субстраттармен проекцияланған жолақпен шектеледі. QW материалдық жүйені өсірудің 3 негізгі тәсілі бар: торға сәйкес, кернеу теңгерілген және кернеулі. Торға сәйкес жүйе: Торға сәйкес жүйеде ұңғыма мен кедергінің тор тұрақтылығы негізгі субстрат материалына ұқсас болады. Суперторлардың ерекшелігі – ұңғымалар арасындағы кедергілердің көршілес ұңғымалардың байланысуы үшін жеткілікті жұқа болуы. Толқындық функциялардың байланысуы үшін тым қалың кедергілері бар қайталамалы кванттық ұңғымалардан құралған периодтық құрылымдар көп кванттық ұңғыма (MQW) құрылымдары деп аталады.

Термоэлектрлік

Кванттық ұңғымалар термоэлектрлік құрылғылар ретінде энергия жинаудың үміт беретін тәсілін көрсетті. Оларды жасау оңай деп есептеледі және бөлме температурасында жұмыс істеу мүмкіндігі бар. Ұңғымалар орталық қуысты екі электрондық резервуарға қосады. Орталық қуыс резервуарларға қарағанда жоғары температурада ұсталады. Ұңғымалар белгілі бір энергияға ие электрондардың өтуіне мүмкіндік беретін сүзгілер ретінде әрекет етеді. Әдетте, қуыс пен резервуарлар арасындағы температура айырмашылығының артуы электрон ағыны мен шығыс қуатын арттырады. Тәжірибелік құрылғы 1 К температура айырмашылығында шамамен 0,18 Вт/см² шығыс қуатын берді, бұл кванттық нүктелік энергия жинағыштан шамамен екі есе көп. Қосымша бостандық дәрежелері үлкен токтарға мүмкіндік берді. Оның тиімділігі кванттық нүктелік энергия жинағыштардан сәл төмен. Кванттық ұңғымалар белгілі бір деңгейден жоғары энергияға ие кез келген электрондарды өткізеді, ал кванттық нүктелер тек белгілі бір энергияға ие электрондарды ғана өткізеді. Ұңғыма тереңдігіне сәйкес келетін энергияға ие фотондар ұңғымаларға сіңіріліп, электрон-тесік жұптарын жасайды. Бөлме температурасында, осы фотожасалынған заряд тасымалдаушылардың жеткілікті жылу энергиясы бар, ол қайта бірігу жылдамдығынан гөрі ұңғымадан тез шығуға мүмкіндік береді. Молекулалық сәулелі эпитаксия немесе химиялық бумен жабыну сияқты қабаттама бойынша жинау әдістерін қолдана отырып, күрделі көп қималы кванттық ұңғыма күн элементтерін жасауға болады. Сондай-ақ, жасушаның үстіне қосылған металл немесе диэлектрлік нанобөлшектер, түсетін жарықты көп кванттық ұңғыманың ішкі қабатында шектелген бүйірлік таралу жолдарына шашырату арқылы фотосіңіруді одан әрі арттырады екені көрсетілді.

Бір буыны бар күн батареялары

Кәдімгі фотоэлектрлік күн элементтері үшін олар өндіретін қуат диодтағы фототок пен кернеудің көбейтіндісі болып табылады. Жартылай өткізгіштер өзінің энергиялық қашықтығынан жоғары энергиясы бар фотондарды ғана сіңіретіндіктен, кішкентай энергиялық қашықтығы бар материал күн сәулесінің спектрінің көбірек бөлігін сіңіреді, нәтижесінде үлкен ток пайда болады. Ашық тізбектегі ең жоғары кернеу материалдың энергиялық қашықтығымен шектеледі. Кәдімгі күн элементтерінің тиімділігінің теориялық ең жоғары шегі 31% деп есептелді, ал ең жақсы кремний құрылғылары 25% оңтайлы шегіне жетеді. Зерттеушілердің пікірінше, нәтижедегі арту, сіңіру спектріне төмен энергиялы фотондарды қосу арқасында жаңа заряд тасымалдаушылар мен фототоктың пайда болуы, кванттық құдықтарда тұтқындалған заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясынан туындаған кернеудің төмендеуінен басым. Тағы да зерттеулер фототоктың артуы сіңіру спектрінің қызылға қарай жылжуымен тікелей байланысты екенін көрсетті. Екіншіден, деформация салдарынан ауыр және жеңіл тесіктердің дегенерациясы болады. Күшті қысылған материалда ауыр тесіктер (hh) жоғары энергиялық күйге көшеді. Созылған материалда жеңіл тесіктер (lh) жоғары энергиялық күйге көшуі мүмкін. Адам энергияның hh және lh арасындағы айырмасын, қима деформациялық потенциалы, , деформация, , және серпімділік коэффициенттері арқылы есептеуге болады, ал энергияның өткізгіштік және валенттік қабаттарының арасындағы айырманы бағалау үшін Андерсон ережесі қолданылады.