Кіріспе

Екі немесе одан көп материалдың қабаттарының кезеңдік құрылымы. Супертор – екі (немесе одан көп) материалдың қабаттарынан тұратын кезеңдік құрылым. Әдетте, бір қабаттың қалыңдығы бірнеше нанометрді құрайды. Бұл термин кванттық нүктелер тізбегі немесе кванттық құдықтар сияқты төмен өлшемді құрылымдарды да білдіруі мүмкін.

Ашылу

Суперторлар 1925 жылдың басында Йоханссон мен Линде алтын-мыс және палладий-мыс жүйелерін зерттеу барысында, олардың ерекше рентгендік дифракциялық суреттері арқылы табылды. Брэдли мен Джей, Горски, Борелиус, Делингер мен Граф, Брэгг пен Уильямс және Бет осы сала бойынша одан әрі тәжірибелік байқаулар жасады және теориялық түзетулер енгізді. Теориялар кристалл торындағы атомдардың ретсіз күйден реттелген күйге өтуіне негізделген.

Механикалық қасиеттері

Дж.С. Кёлер теориялық тұрғыдан, жоғары және төмен серпімділік константаларына ие материалдардың кезектесетін (нано) қабаттарын қолдану арқылы, қиылысқа қарсы кедергі 100 есеге дейін артатынын болжады, себебі Фрэнк-Рид дислокацияларының көзі наноқабаттарда жұмыс істей алмайды. Мұндай супертор материалдарының механикалық беріктігінің жоғарылауы алғаш рет 1978 жылы Лехоцкий Al Cu және Al Ag материалдарында растады, ал кейіннен Барнетт және Спроуль сияқты басқа да ғалымдар қатты PVD жабындарында растады.

Жартылай өткізгіштің қасиеттері

Егер суперкешек әртүрлі энергия тізімдері бар екі жартылай өткізгіш материалдан жасалса, әр кванттық ұңғыма зарядтардың құрылым арқылы өту шартына әсер ететін жаңа таңдау ережелерін белгілейді. Екі түрлі жартылай өткізгіш материалдар өсу бағытында периодтық құрылымды қалыптастыру үшін біріншеден кейін біріне тікелей жабылады. 1970 жылы Эсаки және Цу синтетикалық суперрешеттерді ұсынғаннан бері, қазір кванттық құрылымдар деп аталатын мұндай өте ұсақ жартылай өткізгіштер физикасы саласында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Кванттық шектеу тұжырымы оқшауланған кванттық ұңғыма гетероқұрылымдарында кванттық өлшемдік эффектілерді байқауға мүмкіндік берді және туннельдік құбылыстар арқылы суперрешеттермен тығыз байланысты. Сондықтан бұл екі идея көбінесе бір физикалық негізде талқыланады, бірақ әрқайсысының электрлік және оптикалық құрылғыларда қолдануға болатын ерекше физикалық қасиеттері бар.

Жартылай өткізгіштің суперкешіктерінің түрлері

Суперторлық шағын жолақты құрылымдар гетероқұрылымның түріне байланысты, I, II немесе III типте болады. I типте өткізгіштік жолағының ең төменгі нүктесі және валенттілік кіші жолағының ең жоғарғы нүктесі бірдей жартылай өткізгіш қабатында қалыптасады. II типте өткізгіштік және валенттілік кіші жолақтары нақты және кері кеңістікте ығысқан болады, сондықтан электрондар мен тесіктер әртүрлі қабаттарда шектеледі. III типті суперторлар HgTe/CdTe сияқты жартылай металл материалдарды қамтиды. III типті суперторда өткізгіштік кіші жолағының ең төменгі нүктесі мен валенттілік кіші жолағының ең жоғарғы нүктесі I типті супертор сияқты бірдей жартылай өткізгіш қабатында қалыптасса да, III типті суперторлардың жолақтық аралығын жартылай өткізгіштен бастап, нөлдік жолақтық аралыққа және теріс жолақтық аралыққа дейін үздіксіз реттеуге болады, сондай-ақ жартылай металға дейін өзгертуге болады. Квазипериодты суперторлардың тағы бір класы Фибоначчи атауымен белгіленеді. Фибоначчи суперторын бір өлшемді квазикристалл ретінде қарастыруға болады, онда электрондық секіру немесе атомдық энергия Фибоначчи тізбегі бойынша орналасқан екі мәнді қабылдайды.

Жартылай өткізгіш материалдар

Үстірткілі құрылымдарды жасау үшін қолданылатын жартылай өткізгіш материалдар элементтік топтарға – IV, III V және II VI – бөлінеді. III V топтағы жартылай өткізгіштер (әсіресе GaAs/AlxGa1−xAs) кеңінен зерттелгендіктен, SixGe1−x жүйесі сияқты IV топтағы гетероқұрылымдарды іске асыру әлдеқайда қиын, себебі оларда торшалардың үлкен сәйкессіздігі байқалады. Дегенмен, осы кванттық құрылымдардағы субшағылыс құрылымдарының кернеуге тәуелді өзгерістері қызығушылық тудырып, көп назар аударуда. GaAs/AlAs жүйесінде GaAs және AlAs арасындағы тор тұрақтысының айырмашылығы да, олардың жылулық кеңею коэффициенттерінің айырмашылығы да шамалы. Сондықтан, эпитаксиялық өсу температурасынан салқындағаннан кейін бөлме температурасында қалған кернеуді азайтуға болады. Алғашқы композициялық үстірткілі құрылым GaAs/AlxGa1−xAs материалдық жүйесін пайдалану арқылы жасалды. Графен/бор нитрид жүйесінде екі кристалл бір-біріне сәйкес келгенде жартылай өткізгіштің үстірткілі құрылымы пайда болады. Оның заряд тасымалдаушылары электр өрісіне перпендикуляр қозғалады, энергияның жоғалуы өте аз. h BN графенге ұқсас гексагонды құрылымға ие. Үстірткілі құрылымда инверсиялық симметрия бұзылған. Жергілікті жағдайда топологиялық тоқтар қолданылған токқа шамалас күшке ие, бұл үлкен аңғарлық Холл бұрыштарының болуын көрсетеді.

Өндіріс

Суперторлар әртүрлі техникалар қолданып жасалуы мүмкін, бірақ ең көп таралғандары молекулалық сәулелі эпитаксия (МСЭ) және шашырату. Бұл әдістермен тек бірнеше атомдық қашықтықтағы қалыңдыққа ие қабаттар жасауға болады. Суперторды белгілеу мысалы – []20. Ол 20Å темір (Fe) және 30Å ванадий (V) қабаттарын 20 рет қайталайды, соның нәтижесінде жалпы қалыңдығы 1000Å немесе 100 нм болады. Жартылай өткізгіш суперторларды жасау құралы ретінде МСЭ технологиясы ең маңыздысы. МСЭ технологиясынан басқа, металл-органикалық химиялық бу фазалық осаздану (МОХФО) InGaAsP қоспалары сияқты төртінші-бесінші топ элементтерінен тұратын суперөткізгіш суперторларды дамытуға да үлес қосты. Жаңа техникаларға газ көздерін ультражоғары вакуум (УЖВ) технологиясымен қолданудың үйлесімі кіреді, мысалы, металл-органикалық молекулаларды бастапқы материал ретінде пайдалану және арсин және фосфин сияқты гибридтік газдарды қолданатын газ көзді МСЭ. Жалпы айтқанда, МСЭ – бұл екілік жүйелерде үш температураны қолдану әдісі, мысалы, үшінші-бесінші топ қосылыстары үшін субстрат температурасы, үшінші топтың бастапқы материалының температурасы және бесінші топ элементтерінің температурасы. Дайындалған суперторлардың құрылымдық сапасын рентгендік дифракция немесе нейтрондық дифракция спектрлері арқылы тексеруге болады, олар сипаттамалық спутниктік шыңдарды қамтиды. Қабаттасумен байланысты басқа да әсерлер: алып магниттік кедеріс, рентгендік және нейтрондық айналар үшін реттелетін шағылыстыру, нейтрондық спин поляризациясы және серпімділік және акустикалық қасиеттердегі өзгерістер. Құрамына байланысты супертор магниттік, оптикалық немесе жартылай өткізгіш деп аталуы мүмкін.

Ванье функциялары

Блох функциялары анылымы бойынша бүкіл суперкешікте кеңейтілген (делокализацияланған). Бұл электр өрістері қолданылғанда немесе суперкешіктің шекті ұзындығының әсерлері ескерілгенде қиындықтар тудыруы мүмкін. Сондықтан, жақсы локалдастырылған негізгі күйлердің басқа жиынтықтарын пайдалану көбінесе тиімді. Жеке кванттық құдықтардың өзіндік күйлерін пайдалану тартымды таңдау болар еді. Алайда, мұндай таңдаудың маңызды кемшілігі бар: сәйкес күйлер екі түрлі Гамильтондықтардың шешімдері болып табылады, олардың әрқайсысы екінші құдықтардың болуын ескермейді. Осылайша, бұл күйлер ортогональды емес, бұл қиындықтар тудырады. Әдетте, бұл тәсілде байланыс (жұптасу) көшу Гамильтондық арқылы бағаланады. Осы себептерге байланысты Ванье функциялары жиынтығын пайдалану ыңғайлырақ.

Ваньер-Старк сатысы

Электр өрісін F суперкешік құрылымына қолдану Гамильтонианға қосымша скалярлық потенциал eφ(z) = −eFz енгізеді, бұл трансляциялық инвариантты бұзады. Осы жағдайда, толқындық функциясы ψ және энергиясы E0 болатын өзіндік күй берілгенде, ψj толқындық функцияларына сәйкес келетін күйлер жиынтығы Гамильтонианның энергиясы Ej = E0 − jeFd болатын өзіндік күйлері болып табылады. Бұл күйлер энергия және нақты кеңістікте тең аралықта орналасқан және Ванниер-Старк баспалдағы деп аталады. Шеңбердің шексіздігі үшін потенциал шектелмеген, бұл үздіксіз энергия спектрін білдіреді. Дегенмен, осы Ванниер-Старк баспалдақтарының ерекше энергия спектрін тәжірибе жүзінде анықтауға болады.

Көлік

Заряд тасымалдағыштардың суперкешіктегі қозғалысы жеке қабаттардағыдан өзгеше: заряд тасымалдағыштардың жылдамдығы жоғары жиілікті құрылғылар үшін тиімді, ал жартылай өткізгіш лазерлерде ерекше оптикалық қасиеттер пайдаланылады. Егер металл немесе жартылай өткізгіш сияқты өткізгішке сыртқы кернеу қолданылса, әдетте электр тогы туындайды. Бұл ток мөлшері материалдың энергиялық аймақ құрылымымен, шашырау процестерімен, қолданылатын өріс күшімен және өткізгіштің тепе-теңдік күйіндегі тасымалдағыштар таралуымен анықталады. Суперкешіктердің ерекше түрі – супержолақтар, олар аралықтармен бөлінген суперөткізгіш элементтерден тұрады. Әр мини-аймақта суперөткізгіштік реттік параметр, суперөткізгіштік саңылау деп аталатын, әртүрлі мәндерге ие болады, нәтижесінде көп саңылаулы, екі саңылаулы немесе көпжолақты суперөткізгіштік пайда болады. Соңғы кезде Феликс және Перейра Фибоначчи тізбегі бойынша графин hBN-нің периодты және квазипериодты суперкешіктеріндегі фонондар арқылы жылу тасымалын зерттеді. Олар когерентті жылу тасымалының (толқын сияқты фонондар) квазипериодтылықтың артуымен төмендегенін хабарлады.

Басқа өлшемдер

Екі өлшемді электрондық газдар (2DEG) тәжірибелер үшін кеңінен қолжетімді болғаннан кейін, зерттеу топтары 2D жасанды кристалдар деп аталатын құрылымдар жасауға тырысты. Идеясы – екі жартылай өткізгіштің арасындағы интерфейске (яғни z бағыты бойынша) шектелген электрондарды қосымша модуляциялық потенциалға түсіру болып табылады. Жоғарыда сипатталған классикалық суперрешеттерге (1D/3D, яғни 3D кеңістікте электрондардың 1D модуляциясы) қарағанда, бұл әдетте гетероқұрылым бетін өңдеу арқылы жүзеге асырылады: тиісті пішіндегі металл қақпасын орнату немесе жорылу (эчинг) жасау. Егер V(x,y) амплитудасы Ферми деңгейінен үлкен болса (мысал ретінде), суперрешеттегі электрондар шаршы торлы атомдық кристалдағы электрондар сияқты қозғалуы керек (мысалы, бұл "атомдар" n, m бүтін сандар болатын координаталарда орналасады). Айырмашылық – ұзындық және энергия масштабтарында. Атомдық кристалдардың тор тұрақтылары 1 Å шамасында, ал суперрешеттердікі (a) технологиялық шектеулерге (мысалы, гетероқұрылым бетін пішіндеу үшін қолданылатын электронды сәулелі литография) байланысты бірнеше жүз немесе мың есе үлкен. Суперрешеттерде энергия да сәйкесінше кішірек болады. Қарапайым кванттық механикалық шектелген бөлшек моделін пайдалану бұл қатынасты ұсынады. Бірақ бұл тек шамамен берілген нұсқау, ал қазіргі таңдаулы графенмен (табиғи атомдық кристал) және жасанды графенмен (суперрешет) жасалған нақты есептеулер, сипаттамалық жолақтың ені тиісінше 1 эВ және 10 мэВ шамасында екенін көрсетеді. Әлсіз модуляция режимінде шамалаушылық тербелістері немесе фракталдық энергия спектрлері (Хофштадтер көбелегі) сияқты құбылыстар пайда болады. Жасанды екі өлшемді кристалдарды 2D/2D жағдайы ретінде қарастыруға болады (2D жүйенің 2D модуляциясы), ал басқа да комбинациялар тәжірибелік түрде қолжетімді: кванттық сымдар массиві (1D/2D) немесе 3D/3D фотондық кристалдар.

Қолданбалар

Палладий-мыс жүйесінің суперрешеті жоғары өнімділік қорытпаларында электр өткізгіштігін арттыру үшін қолданылады, мұндай өткізгіштік реттелген құрылыммен қамтамасыз етіледі. Механикалық күшін және жоғары температурадағы тұрақтылығын жақсарту үшін күміс, рений, родий және рутений сияқты қосымша легирлеуші элементтер қосылады. Бұл қорытпа зондтық карталардағы зондтық инелерге қолданылады.