Введение
Периодическая структура слоев двух или более материалов. Суперрешетка – это периодическая структура слоев двух (или более) материалов. Обычно толщина одного слоя составляет несколько нанометров. Также этот термин может применяться к структурам более низкой размерности, таким как массив квантовых точек или квантовых ям.
A superlattice is a periodic structure of layers of two (or more) materials. Typically, the thickness of one layer is several nanometers. It can also refer to a lower dimensional structure such as an array of quantum dots or quantum wells.
Открытие
Суперрешетки были открыты в начале 1925 года Йоханссоном и Линде в результате изучения систем золото-медь и палладий-медь по их особым дифракционным картинам рентгеновских лучей. Дальнейшие экспериментальные наблюдения и теоретические разработки в этой области были выполнены Брэдли и Джеем, Горским, Борелиусом, Делингером и Графом, Брэггом и Уильямсом, а также Бете. Теории основывались на переходе в расположении атомов в кристаллических решетках от неупорядоченного состояния к упорядоченному.
Механические свойства
Теоретически, Дж. С. Кёлер предсказал, что использование чередующихся (нано)слоев материалов с высокими и низкими упругими константами может увеличить сопротивление сдвигу до 100 раз, поскольку источник дислокаций Фрэнка-Рида не может функционировать в нанослоях. Повышенная механическая твердость таких сверхрешеток была впервые подтверждена Лехоцким в 1978 году на сплавах AlCu и AlAg, а позднее – другими исследователями, такими как Барнетт и Спраул, на твердых PVD-покрытиях.
Свойства полупроводников
Если суперрешетка состоит из двух полупроводниковых материалов с разными ширинами запрещенной зоны, то каждый квантовый колодец устанавливает новые правила отбора, влияющие на условия протекания заряда через структуру. Два различных полупроводниковых материала осаждаются поочередно друг на друга, формируя периодическую структуру в направлении роста. С момента предложения Эсаки и Цу в 1970 году о синтетических суперрешетках достигнут значительный прогресс в физике таких ультратонких полупроводников, которые в настоящее время называют квантовыми структурами. Концепция квантового ограничения привела к наблюдению квантовых размерных эффектов в изолированных квантовых гетероструктурах и тесно связана с суперрешетками посредством туннельного эффекта. Поэтому эти две идеи часто рассматриваются на одной и той же физической основе, однако каждая из них обладает собственной физикой, полезной для применения в электрических и оптических приборах.
Типы полупроводников сверхсетки
Структуры минизон суперрешеток зависят от типа гетероструктуры – I, II или III типа. В гетероструктурах I типа дно зоны проводимости и верх валентной подзоны формируются в одном и том же полупроводниковом слое. В гетероструктурах II типа зоны проводимости и валентной подзоны сдвинуты друг относительно друга как в реальном, так и в обратном пространстве, в результате чего электроны и дырки локализованы в разных слоях. Суперрешетки III типа включают полуметаллические материалы, такие как HgTe/CdTe. Хотя в суперрешетках III типа, как и в I типа, дно зоны проводимости и верх валентной подзоны формируются в одном и том же полупроводниковом слое, ширина запрещенной зоны в суперрешетках III типа может непрерывно изменяться от полупроводниковой до нулевой и до полуметаллической с отрицательной шириной запрещенной зоны. Другой класс квазипериодических суперрешеток назван в честь Фибоначчи. Суперрешетку Фибоначчи можно рассматривать как одномерный квазикристалл, в котором либо перескок электрона, либо энергия на узле принимают два значения, расположенных в последовательности Фибоначчи.
Полупроводниковые материалы
Полупроводниковые материалы, используемые для создания суперрешеток, можно разделить на группы IV, III–V и II–VI. В то время как полупроводники группы III–V (особенно GaAs/AlxGa1−xAs) были широко изучены, гетероструктуры группы IV, такие как система SixGe1−x, гораздо сложнее реализовать из-за значительной разницы параметров решетки. Тем не менее, модификация подзонной структуры под воздействием деформации представляет интерес в этих квантовых структурах и привлекает большое внимание. В системе GaAs/AlAs как разность между параметрами решетки GaAs и AlAs, так и разность их коэффициентов теплового расширения невелики. Таким образом, остаточное напряжение при комнатной температуре можно минимизировать после охлаждения от температур эпитаксиального роста. Первая композиционная суперрешетка была создана с использованием материальной системы GaAs/AlxGa1−xAs. Система графен/нитрид бора формирует полупроводниковую суперрешетку при выравнивании двух кристаллов. Её носители заряда движутся перпендикулярно электрическому полю с незначительной диссипацией энергии. h-BN имеет гексагональную структуру, аналогичную графену. Суперрешетка обладает нарушенной инверсионной симметрией. Локально топологические токи сопоставимы по величине с приложенным током, что свидетельствует о больших углах Холла долин.
Производство
Суперрешетки могут быть получены с использованием различных методов, но наиболее распространенными являются молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) и магнетронное распыление. С помощью этих методов можно создавать слои толщиной всего в несколько атомных расстояний. Примером спецификации суперрешетки является []20. В ней описывается бислой из 20 Å железа (Fe) и 30 Å ванадия (V), повторяемый 20 раз, что дает общую толщину 1000 Å или 100 нм. Технология MBE как средство изготовления полупроводниковых суперрешеток имеет первостепенное значение. Помимо технологии MBE, металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MO CVD) внесло вклад в разработку сверхпроводящих суперрешеток, которые состоят из четвертичных полупроводниковых соединений III-V групп, таких как сплавы InGaAsP. Новые методы включают в себя комбинацию работы с газовыми источниками и технологиями сверхвысокого вакуума (UHV), такими как металлоорганические молекулы в качестве исходных материалов, а также газофазную MBE с использованием гибридных газов, таких как арсин и фосфин. В общем, MBE – это метод, использующий три температуры в бинарных системах, например, температуру подложки, температуру исходного материала групп III и V в случае соединений III-V. Структурное качество полученных суперрешеток может быть проверено с помощью спектров рентгеновской или нейтронной дифракции, содержащих характерные спутниковые пики. Другие эффекты, связанные с чередующимся слоями, включают гигантский магнитосопротивление, настраиваемую отражательную способность для рентгеновских и нейтронных зеркал, поляризацию спина нейтронов и изменения эластичных и акустических свойств. В зависимости от природы его компонентов, суперрешетка может называться магнитной, оптической или полупроводниковой.
Функции Ванье
По определению, функции Блоха делокализованы по всей суперрешетке. Это может вызывать трудности при приложении электрических полей или при рассмотрении эффектов, связанных с конечной длиной суперрешетки. Поэтому часто бывает полезно использовать другие наборы базисных состояний, которые лучше локализованы. Заманчивым выбором было бы использование собственных состояний отдельных квантовых ям. Однако, такой выбор имеет серьезный недостаток: соответствующие состояния являются решениями двух различных гамильтонианов, каждый из которых не учитывает присутствие другой ямы. Таким образом, эти состояния не ортогональны, что создает осложнения. Обычно, в этом подходе связь оценивается с помощью гамильтониана переноса. По этим причинам более удобно использовать набор функций Ванье.
Лестница Ванниер-Старк
Приложение электрического поля F к структуре суперрешетки приводит к появлению в гамильтониане дополнительного скалярного потенциала eφ(z) = −eFz, который нарушает трансляционную инвариантность. В этом случае, для заданного собственного состояния с волновой функцией и энергией , множество состояний, соответствующих волновым функциям , является собственными состояниями гамильтониана с энергиями Ej = E0 − jeFd. Эти состояния равноотстоящи как по энергии, так и в реальном пространстве и формируют так называемую лестницу Ванниера — Старка. Потенциал не ограничен для бесконечного кристалла, что подразумевает непрерывный энергетический спектр. Тем не менее, характерный энергетический спектр этих лестниц Ванниера — Старка может быть экспериментально разрешен.
Транспорт
Движение носителей заряда в суперрешетке отличается от движения в отдельных слоях: подвижность носителей заряда может быть увеличена, что полезно для высокочастотных устройств, а специфические оптические свойства используются в полупроводниковых лазерах. При приложении внешнего напряжения к проводнику, такому как металл или полупроводник, обычно возникает электрический ток. Величина этого тока определяется зонной структурой материала, процессами рассеяния, величиной приложенного поля и равновесным распределением носителей заряда в проводнике. Особый случай суперрешеток, называемых суперполосами, состоит из сверхпроводящих элементов, разделенных спейсерами. В каждой минизоне параметр упорядочения сверхпроводимости, называемый сверхпроводящим интервалом, принимает различные значения, что приводит к многоинтервальной, двух- или многополосной сверхпроводимости. Недавно Феликс и Перейра исследовали теплоперенос фононами в периодических и квазипериодических суперрешетках графена hBN, построенных в соответствии с последовательностью Фибоначчи. Они сообщили, что вклад когерентного теплопереноса (фононы, подобные волнам) уменьшался с увеличением квазипериодичности.
Другие измерения
Вскоре после того, как двумерные электронные газы (2DEG) стали широко доступны для экспериментов, исследовательские группы начали создавать структуры, которые можно было бы назвать 2D искусственными кристаллами. Идея заключается в воздействии на электроны, локализованные на границе между двумя полупроводниками (то есть вдоль направления z), дополнительным потенциалом модуляции. В отличие от классических суперрешеток (1D/3D, то есть одномерной модуляции электронов в трехмерном объеме), описанных выше, этого обычно достигают путем обработки поверхности гетероструктуры: нанесением металлического затвора с заданным рисунком или травлением. Если амплитуда V(x,y) велика (например) по сравнению с уровнем Ферми, электроны в суперрешетке должны вести себя аналогично электронам в атомном кристалле с квадратной решеткой (в этом примере эти "атомы" будут располагаться в точках, где n и m – целые числа). Различие заключается в масштабах длины и энергии. Постоянные решетки атомных кристаллов составляют порядка 1 Å, в то время как постоянные суперрешеток (a) на несколько сотен или тысяч раз больше, что определяется технологическими ограничениями (например, литографией электронным пучком, используемой для создания рисунка на поверхности гетероструктуры). Соответственно, энергии в суперрешетках меньше. Использование простой квантово-механической модели частицы в ограниченной области предполагает, что это соотношение является лишь приблизительным ориентиром, и фактические расчеты с современным графеном (естественным атомным кристаллом) и искусственным графеном (суперрешеткой) показывают, что характерные ширины зон составляют порядка 1 эВ и 10 мэВ соответственно. В режиме слабой модуляции наблюдаются такие явления, как осцилляции комменсурабельности или фрактальные энергетические спектры (бабочка Хофштадтера). Искусственные двумерные кристаллы можно рассматривать как случай 2D/2D (двумерная модуляция двумерной системы), а другие комбинации также доступны экспериментально: массив квантовых проводов (1D/2D) или 3D/3D фотонные кристаллы.
Приложения
Сверхрешетка системы палладий-медь используется в высокоэффективных сплавах для достижения более высокой электропроводности, что обусловлено упорядоченной структурой. Для повышения механической прочности и стабильности при высоких температурах в сплав дополнительно вводят такие легирующие элементы, как серебро, рений, родий и рутений. Этот сплав применяется для изготовления зондовых игл в карт-зондах.