Новые наноматериалы. Получение, свойства и применение

1. Новые наноматериалы Получение, свойства и применение

Филатов Дмитрий Олегович
доктор физико-математических наук
техник Научно-образовательного центра
«Физика твердотельных наноструктур»
Нижегородского государственного университета им.
Н.И.Лобачевского

2. Композитные материалы

Гранулы наполнителя
в матрице связующего
Материал
Бетон
Асфальт
Наполнитель
Гравий
Песок
Связующее
цемент
Битум
Победит
WС
W
Композитные материалы имеют уникальные свойства,
отличные как от свойств материала гранул, так и от
свойств связующего

3. Нанокомпозитные материалы

Размер гранул
< 1 мкм
Единица
Множитель
обозначение
миллиметр
микрометр
нанометр
10-3
10-6
10-9
мм
ангстрем
10-10
Å
м
нм

4. Содержание лекции

Металлические наночастицы в
диэлектрических плёнках
Самоформирующиеся
полупроводниковые квантовые точки
Коллоидные квантовые точки

5. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

А. Методы формирования
1. Ионная имплантация
Энергия ионов
30 – 500 кэВ
E = eV
e 1,6 10-19 Кл
1 эВ 1,6 10-19 Дж

6. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

А. Методы формирования
2. Взаимодействие ионов с твёрдым телом
Проективный пробег ионов Rp
Профили распределения B
при имплантации в Si

7. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

А. методы формирования
3. Рост наночастиц в ходе отжига
Е.М.Лифшиц
1915-1985
В.В.Слёзов
1930-2013

8. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

А. методы формирования
2. Послойное осаждение с последующим отжигом
SiO2
Au
SiO
2
подложка
Отжиг
SiO2
подложка
Методы осаждения
- Электронно-лучевое
осаждение
-Магнетронное осаждение
Температура отжига 500 –
1000 C

9. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

А. методы формирования
2. Послойное осаждение с последующим отжигом
ПЭМ изображение поперечного
среза массива наночастиц Au
(номинальная толщина 1 нм) в SiO2
Наночастицы Au в каждом слое
сосредоточены практически в
одной плоскости

10. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

Б. Электронные свойства наночастиц
1. Зонная диаграмма НЧ Au в матрице SiO2
0
уровень
вакуума
E
X
А
Ec
Электроны в наночастице Au
находятся в потенциальной яме
EF
x
SiO2
Au
А – работа выхода электрона из Au
Х – сродство к электрону SiO2
Eс – дно зоны проводимости Sio2
EF – уровень Ферми в Au
Высота потенциального барьера
Ec EF A X 4,5B

11. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

Б. Электронные свойства наночастиц
2. Электрическая ёмкость наночастицы
q
(1) - определение ёмкости
U
q
U (2)
C
- 0 D (3) - ёмкость шара
С 2
C
3,9 - проницаемость
К.К. Лихарев
Р. 1933
- 10 19 Ф м - электрическая постоянная
0 8,85
D 1нм, С 2,2 10 19 Ф
q e 1,6 10 19 Кл, U 0,75 B

12. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

В. Применение. Нано-флэш память
1. Транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП)
Зонная диаграмма МОП-структуры

13. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

В. Применение. Нано-флэш память
2. МОП-транзистор с плавающим затвором

14. 1. Металлические наночастицы в диэлектрических плёнках

В. Применение. Нано-флэш память
3. ПЭМ изображение МОП-структуры с наночастицами Au
HfO2 2,3 нм
SiO2 1,4 нм
Si 001
Формы вещества:
Au
-Монокристалл (Si)
- аморфная (SiO2, HfO2)
SiO2
-- Нанокристаллы Au
4 нм

15. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

А. Формирование в ходе эпитаксии
1. Определение эпитаксии
Рост эпитаксиальной плёнки на поверхности
монокристаллической подложки
Эпитаксия – режим роста кристалла,
когда структура подложки
определяет структуру плёнки
Гомоэпитаксия – вещества подложки
и плёнки одинаковы
Гетероэпитаксия – вещества
подложки и плёнки различны
Механизм ван-дер-Мерве

16. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

А. Формирование в ходе эпитаксии
2. Механизм Странски-Крастанова
Эпитаксия InAs/GaAs(001)
Послойный рост по механизму
ван-дер-Мерве
Переход от слоевого роста к
формированию наноостровков

17. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

А. Формирование в ходе эпитаксии
3. Форма квантовых точек InAs/GaAs(001)
Схема упорядочения КТ InAs/
GaAs(001) в плоскости подложки
СТМ изображение квантовой точки
InAs/GaAs(001)

18. Квантовая механика

Классическая механика
Квантовая механика
Механическое состояние частицы
Радиус-вектор r
Импульс p
волновая функция p(r)
вероятность обнаружить частицу
в объёме dr3: | p(r)|2dr3
v
Уравнение движения
dpзакон Ньютона
2-й
уравнение Шрёдингерa
F
dt
p mv
t 0 0, r 0, v0
Hˆ
t
2
p
ˆ
Hˆ
U r - Гамильтониан
2m
- оператор импульса
p i
r
i

19. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

Б. Энергетический спектр квантовых точек
1. Уровни энергии в квантовой яме
L
Ec
Ee2
решение для бесконечно глубокой ямы
2
1 x
cos x
L
L
Ee1
EgGaAs
EgInAs
Eh1
Eh2
Одномерная зонная диаграмма
квантовой ямы
Стационарное уравнение Шрёдингера
Hˆ x E x
2 x
Ev
En
2
2
sin
x
L
L
2
hn
2me L2
n 1,2,... -- квантовые числа
me – эффективная масса электрона

20. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

Б. Электронные свойства квантовых точек
2. Волновые функции размерно-квантованных состояний
Электронов и дырок в квантовых точкях InAs/GaAs(001)
Поверхности равной
плотности вероятности
2
0,65
Каждое состояние имеет
индекс из 3-х квантовых
чисел
| n1 , n2 , n3

21. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

В. Оптические свойства квантовых точек
1. Фотолюминесценция
Фотовозбуждение. Энергия фотона
hv EGaAs
Энергия кванта люминесценцц
hvPL E gInAs Ee1 Eh1
hvPL
Ee1 , Eh1 L 2
Управляя размерами КТ, можно
управлять энергией кванта
излучения

22. 2. Самоформирующиеся полупроводниковые квантовые точки

Г. Применение квантовых точек
1. Полупроводниковый лазер
LASER: Light
Amplification by
Stimulated Emission
of Radiation
Ж.И.Алфёров
Р. 1930
Ec
Схема структуры
полупроводникового лазера на
квантовых точках
Eм

23. 3. Коллоидные квантовые точки

А.Формирование коллоидных квантовых точек
1. Дробление
2. Зарождение в жидкой фазе
Квантовые точки ZnS/CdSie
Ядро (core) CdSe
Оболочка (shell) ZnS

24. 3. Коллоидные квантовые точки

Б.Оптические свойства коллоидных КТ
1. Фотолюминесценция квантовых точек core-shell
hvex
hvPL
Зонная диаграмма
Схема оптических переходов

25. 3. Коллоидные квантовые точки

Б.Оптические свойства коллоидных КТ
2. Диапазоны энергий квантов фотолюминесценции КТ

26. 3. Коллоидные квантовые точки

В.Применение в биологии и медицине
1. Метод флуоресцентных маркеров
Флуоресцентное изображение
клетки

27. Междисциплинарные исследования

Применение физических методов в биологии
Оптическая микроскопия
Антони ван Левенгук
1632-1723
Микроскоп Левенгука