Зонная теория вещества широко используется для объяснения работы большинства современных электронных приборов. Лежащая в основании данной теории модель позволяет в качественном отношении дать описание наблюдаемых явлений и свойств металлов, диэлектриков и полупроводников. Согласно зонной теории происхождение зон в кристаллах связано с проявлением межчастичных взаимодействий и сопутствующим этому эффекту N-кратным расщеплением атомных уровней. Различие свойств твердых тел проявляется в особенностях формирования энергетических зон как совокупности валентной зоны, запрещенной зоны и зоны проводимости. Характерной особенностью металлов является наличие у них зоны проводимости, в которой электроны могут свободно перемещаться. В модели диэлектрика зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной и электроны не могу свободно перемещаться в объеме вещества. Полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками, и они имеют относительно небольшое число свободных носителей зарядов (электронов и дырок) [6].
С другой стороны, образование вещества основано на присущей микрочастицам (атомам и молекулам) способности к взаимному притяжению, раскрывающему механизм самоорганизации природного вещества [5]. Кристаллам присущ ковалентный характер связывания микрочастиц. Направленный характер ковалентных связей приводит к образованию периодически регулярной пространственной кристаллической решетки. Существенным для такого рода структур представляется то, что межатомные связи у них являются насыщенными, исключающими возникновение в их объеме свободных зарядов.
Структурообразующими элементами ковалентных кристаллов выступают атомы IV группы таблицы Менделеева, которые формируют механически устойчивую тетраэдрическую структуру. Все электроны задействованы на ковалентных связях, и в свободном (несвязанном) состоянии в объеме кристалла их не должно быть по определению. Это в одинаковой мере относится ко всем атомам IV группы, в том числе к германиевым и кремниевым кристаллам. В этом отношении они должны быть отнесены к классу диэлектриков.
У примесных кристаллов также нет условий для возникновения свободных носителей. Введение в объем вещества примесных атомов приводит к частичному разрыву химических связей в окрестности «чужих» атомов, но связь их с решеткой кристалла остается практически неизменной. Примесные атомы образуют в объеме кристалла радикалы, представляющие в электрическом (и соответственно химическом) отношении высокоактивные центры притяжения. Например, трехвалентные атомы приводят к образованию радикалов атомов, принадлежащих решетке кристалла (кремния или германия), а пятивалентные атомы — к образованию радикалов самих примесных атомов. По своей природе радикалы в окружении четырехвалентных атомов выступают в роли акцепторов, но никак не в роли доноров электронов. Существенным представляется то, что радикалы образуют ненасыщенные связи, которые исключают саму возможность возникновения свободных зарядов в объеме кристалла.
Сложилось недопустимое противоречие между принятым в настоящее время зонным описанием твердых тел и современными представлениями о структурообразовании вещества. С одной стороны, умозрительная зонная теория, недостатки которой хорошо известны (например, [15]), а с другой, — достоверно установленные законы структурообразования и однозначное понимание электронного строения кристаллов. Причина обозначенного противоречия видится в отсутствии корректной атомной теории твердого тела и в неудовлетворительном состоянии науки о веществе в целом [11—13]. Понятно, что за этим кроется проблема достоверности принятого на сегодняшний день теоретического описания свойств материалов и как следствие этого проблема понимания принципа работы создаваемых на их основе электронных приборов.
В настоящей работе предлагается авторский подход к описанию тетраэдрических кристаллов как основы описания традиционных (полупроводниковых) нано структур, в том числе систем на основе квантовых точек, исходя из динамической диполь-оболочечной модели атома [11—13].
Согласно диполь-оболочечной модели внешние оболочки атомов представляют совокупность локальных дипольных моментов, образуемых каждым из валентных электронов и остовом атома. Локальные дипольные моменты представляют собой векторы, соединяющие остов атома и электроны, находящиеся в свободных вершинах воображаемого куба, вписанного в сферу с радиусом, равным радиусу атома. Именно число валентных электронов определяет конфигурацию электронной оболочки. У атомов IV группы четыре электрона образуют внешнюю оболочку в виде тетраэдра, вписанного в вершины куба [11—13]. Наблюдаемая у кристаллов совершенная структура всецело обязана электронному строению атомов. Присущая атомам электрическая активность в их свободном (не связанном состоянии) обусловливает их стремление образовывать устойчивые структуры, что находит свое объяснение в модели дипольного строения атомов. Согласно диполь-оболочечной модели валентные электроны атомов IV группы находятся на относительно независимых эллиптических орбитах, и в процессе формирования тетраэдрической решетки попарно объединяются на ковалентных связях. Прочность связей характеризуется энергией ковалентной связи uс, которая у ковалентных кристаллов достаточно велика (у углерода uс=3,68 эВ, у германия uс=2,32 эВ, у кремния ис=1,94 эВ).
О состоянии электронов в кристалле можно судить по величине потенциала ионизации и/или по величине электрической проводимости. Кристаллы углерода, германия и кремния имеют одинаковую тетраэдрическую структуру решетки, тем не менее, углерод (алмаз) относят к классу диэлектриков, а германий и кремний — к классу полупроводников. Такое не совсем обоснованное отнесение связано с наблюдаемой у кристаллов германия и кремния относительно высокой собственной проводимости. С другой стороны, достоверно установлено, что образование атомных соединений, молекул и кластеров осуществляется исключительно через посредство ковалентных связей, которые исключают возникновение в объеме вещества свободных зарядов. Этот вывод непосредственно следует из ковалентной структуры кристаллов. Критерием отсутствия в кристалле свободных зарядов могут служить высокие потенциалы ионизации кремния и германия в атомарном состоянии (Ge и Si), которые весьма незначительно изменяются при переходе к связанному молекулярному состоянию (Ge2 и Si2) [1] и кристаллическому состоянию. Об этом также можно косвенно судить по имеющимся экспериментальным величинам работы выхода ив (у кремния и германия ив ≈4,8 эВ [14]). По этим показателям у твердых веществ не может быть свободных электронов даже в ничтожных количествах. С другой стороны, как уже было отмечено, германий и кремний имеют конечную собственную проводимость. Соответствующая наблюдаемой в эксперименте проводимости энергия активация иаравна иа=0,78 эВ у германия ииа=1,1 эВ у кремния.
Противоречие снимается в альтернативной модели электронной проводимости, основанной на гипотезе переноса электронов по межатомным и межмолекулярным связям. Наиболее просто такой механизм проводимости можно представить на примере атомных веществ с ковалентными связями. Благодаря пространственному перекрыванию электронных оболочек валентные электроны могут перескакивать с одной орбиты на другую, преодолевая соответствующий энергетический барьер [10]. Высота этого барьера определяется не энергией ионизации, а энергией связи между соседними электронными орбитами. У кристаллов углерода эта энергия достаточно велика и его проводимость исключительно низка. У кремния и последующих по IV группе атомов энергия существенно меньше углерода, что приводит к возникновению межсвязевой проводимости.
Идея переноса электронов по связям не нова; такой механизм выявлен у большинства биологических молекул [10]; установлено, что подвижность электронов по связям у них в ряде случаев оказывается даже большей, чем проводимость лучших металлов. Электронная проводимость обнаружена в углеродных структурах [16]. По-видимому, она является универсальной и применимой ко всем классам веществ. Данная модель является физически обоснованной и совместимой с хорошо разработанным прыжковым механизмом переноса заряда. Для описания явления проводимости применимы простые кинетические уравнения с характерной для активационных процессов экспоненциальной зависимостью энергии связи иа от температуры; эта энергия представляет активационный барьер, разделяющий между собой близлежащие орбиты валентных электронов. К этому следует добавить еще и то, что у атомов IV группы достаточно большая величина энергии сродства к электрону, которая обеспечивает формирование сигнала обратной связи в системе поддержания динамической устойчивости системы. Существенным для доказательства электронного переноса по связям представляется и тот факт, что энергия связи атомов в димерах, многочастичных кластерах и веществе остаются приблизительно на одном уровне [16], что свидетельствует об отсутствии каких-либо фазовых переходов в процессе формирования структуры вещества. Межсвязевый механизм проводимости атомов IV группы фактически подтверждается высокими величинами теплопроводности и теплоемкости [6]. Перенос электронов по связям близок по своей природе к движению электронов по замкнутым орбитам атомов и позволяет естественным образом объяснить сверхбольшие длины свободного пробега электронов [6, 3] у веществ с самой разной атомно-молекулярной структурой. В этом отношении и явление сверхпроводимости представляется не таким уж загадочным и может рассматриваться как бездиссипационное движение электронов по связям с нулевыми барьерами.
Т. о., для веществ с ковалентными связями характерны следующие энергетические величины: 1) энергия связиис между атомами, которая характеризует механическую прочность и устойчивость вещества в целом; 2) энергия связиив электронов с остовом атома (соответствующая измеряемой величине потенциала ионизации), которая характеризует степень локализации электронов на атомах и соответственно вероятность наличия в объеме кристалла свободных электронов; 3) энергия активациииа межорбитальных барьеров, которая характеризует подвижность электронов на связях. Каждая из этих энергетических величин отвечает за разные аспекты взаимодействия каждого из электронов с его ближайшим окружением в кристалле. В рамках гипотезы проводимости вдоль химических связей удается снять обозначенное выше противоречие между высокой подвижностью электронов и отсутствием свободных электронов в объеме кристалла. Электроны перемещаются по связям как по рельсам, которые в свою очередь жестко встроены в регулярную структуру кристалла.
Как было отмечено выше, тетраэдрические кристаллы атомов IV группы находят широкое применение при создании приборов вычислительной техники. В свете новых представлений о природе и механизмах проводимости в кристаллах существенным образом изменяется и понимание физических основ работы полупроводниковых приборов вычислительной техники, в том числе и так называемых квантовых точек (КТ). С точки зрения зонной теории введение в объем кристалла примесных атомов с заданной электронной конфигурацией приводит к разрыву связей в окрестности примесных атомов и возникновению свободных носителей зарядов (электронов и дырок). Эта концепция генерации свободных зарядов в кристаллах лежит в основе понимания большинства современных приборов электронной техники. В частности, такие материалы с нормированным числом примесей применяются для создания квантовых точек. Предполагается, что это достигается в результате «пространственной локализации» свободных зарядов с помощью искусственно вводимых непроницаемых (диэлектрических) барьеров [17, 8]. Такого типа квантовые точки рассматриваются в качестве структурных элементов для построения кубитов, лежащих в основе интенсивно обсуждаемых в настоящее время квантовых компьютеров [2].
С точки зрения атомной теории полупроводников бессмысленно говорить о пространственной локализации электронов, поскольку они в своем исходном состоянии уже локализованы на межатомных связях. Пространственные ограничения в объеме ковалентного кристалла приводят лишь к уменьшению числа атомов, участвующих в образовании межатомных связей, но их относительная плотность по всему объему кристалла остается неизменной. В собственных полупроводниках проводимость относительно невелика и определяется относительно большими энергетическими барьерами иа. Введение в кристалл примесных атомов приводит к разрыву химических связей между атомами решетки и атомами примеси и возникновению радикалов, но не электронов (дырок). Радикалы как высокоактивные центры выступают в роли своеобразных терминалов инжекции электронов в сеть межатомных связей, а также в роли стимуляторов подвижности электронов. Природа высокой электрической активности радикалов заключается в их дипольном строении. Дипольный момент одноэлектронного радикала представляет собой валентный электрон, жестко связанный с остовом атома. Такой диполь создает вокруг себя электрическое поле, которое обеспечивает притяжение к себе электронов в процессе организации структуры вещества и которое обеспечивает перенос электронов из внешней цепи и их транспорт в сеть межатомных связей полупроводника. Примеси с разной валентностью могут выступать либо как доноры радикалов и ненасыщенных связей (например, атомы V группы), либо как атомы с дефицитом химических связей (например, атомы III группы). В обоих случаях образуются одноэлектронные радикалы: в первом случае радикалы атомов примеси, а во втором — радикалы атомов основного вещества.
Единственным типом носителей заряда в полупроводниках являются электроны на связях. Во внешнем электрическом поле они могут перемещаться по межатомным связям, проявляя тем самым наблюдаемое у полупроводников свойство проводимости. В ограниченных объемах (в «квантовых точках») они ведут себя как некоторая совокупность слабо связанных между собой радикалов, оптические спектры которых близки к спектрам свободных атомов. В пределе локализации одного атома-радикала имеет место атомная «квантовая точка», которая по своим характеристикам близка к параметрам свободного атома. Управление такими «квантовыми точками» становится возможным благодаря наличию у них электрического дипольного момента. Начальная ориентация диполя «квантовой точки» зависит от ближнего атомного окружения и может варьироваться в широких пределах соответствующим выбором подложки или матрицы. Оперативное управление пространственным положением дипольного момента осуществляется с помощью внешнего электрического поля.
Другой распространенный способ построения квантовых точек основан на применении Si/Ge композиций [4]. Ожидаемая локализация зарядов в этом случае достигается путем формирования пирамидок из атомов Ge на поверхности кристалла Si путем задания нормированного температурного режима образца. Принято считать, что благодаря разрушению структуры на границе с подложкой Si возникают свободные электрические заряды, которые оказываются локализованными под куполами германиевых пирамидок. Однако, надо иметь в виду, что сама поверхность пирамидок является дефектом по отношению к своей объемной структуре; она выступает источником собственных ненасыщенных связей и дополнительных радикалов в объеме и на границах пирамидок, которые по своей природе не совместимы со свободными зарядами. Предположение о наличии свободных зарядов в объеме пирамидок вступает в прямое противоречие с исходной идеей о локализации зарядов в искусственно замкнутых объемах. Как следствие этого, все последующие расчеты параметров квантовых точек становятся формальными, не отражающими реальные физические процессы.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Согласно атомной теории пирамидки на поверхности кристалла следует рассматривать как небольшие нарушения исходной атомной структуры кристалла. Атомы, образующие пирамидки, остаются жестко связанными между собой, и нет видимых причин и механизмов для возникновения в таких системах свободных зарядов. Дискретность наблюдаемых в эксперименте энергий, надо полагать, обязана квантовым проявлением поверхностных радикалов адатомов, рестатомов и структурных дефектов на поверхности пирамидок и на границах германий-кремний [9].
Следуя гипотезе межсвязевой проводимости, структуры типа островков или пирамидок локализуют не свободные заряды, а дипольные моменты радикалов и поверхностных дефектов. Стягивая гипотетические островки на поверхности кристалла Si вплоть до единичного атома Ge, можно получить естественные «квантовые точки», которые локализацию электрона в объеме атома (радикала) обеспечивают по определению. Атом представляет собой естественную «квантовую точку», удовлетворяющую всем предъявляемым к ним требованиям. Такое понимание природы «квантовых точек» позволяет оптимизировать их свойства и параметры и расширить фронт исследований в этой области, используя для этих целей другие атомы и/или молекулы. Например, применение атомов III группы, адсорбированных на поверхности ковалентных кристаллов, позволяет создать ориентированные диполи радикалов благодаря точному сопряжению пары связей каждого из адатомов подложки, имеющие тетраэдрические углы, с парой связей тригональной структуры адсорбированных трехвалентных атомов.
На основе атомных «квантовых точках» могут быть созданы простые логические элементы, например, переключатели. В основе их построения лежит понимание электронного строения атомов как систему разнонаправленных дипольных моментов, через посредство которых можно управлять пространственным положением атома. Наиболее приемлемыми для этой цели являются атомы I, V—VII групп таблицы Менделеева, у которых локальные дипольные моменты образуют результирующий ненулевой дипольный момент. Фиксация ориентаций (¯) орбиты атома (радикала) достигается соответствующим выбором подложки, атомный рельеф которой формирует энергетический барьер иб. Управление состоянием атома осуществляется путем наложения на атом внешнего электрического поля Е, с помощью которого диполь р перебрасывается из одного фиксированного положенияв другое ¯при условии рЕ³иб. Дипольные моменты атомов намного (на 3—4 порядка) больше магнитных моментов, что обеспечивает высокую эффективность управления атомами. Благодаря возможности задания достаточно больших барьеров иб, у таких систем можно прогнозировать хорошее отношение сигнал/шум в широком диапазоне температур и внешних воздействий. При этом исходное состояние атома и его линейчатый спектр сохраняются в данной системе практически не возмущенными. Дипольное строение атомов позволяет осуществить простой способ формирования устойчивых двухуровневых атомных элементов. У многих простейших молекул энергия связи между составляющими их атомами относительно невелика, что позволяет управлять переходами атом «молекула с помощью относительно небольших электрических полей.
К сожалению, уровень средств манипулирования отдельными атомами сегодня остается еще слишком низким и не позволяет перейти к практической реализации элементов вычислительной техники на атомной элементной базе. Более реальным в этом отношении представляется использование молекул в качестве структурных элементов. На молекулярном уровне природой также заложена возможность создания простых и эффективных систем с переключением энергетических уровней. Одним из показательных примеров может служить триггерный элемент на основе перехода «молекула — молекулярный ион». Например, у двухатомных молекул с ковалентной (двухэлектронной) связью энергетическое состояние определяется энергией связи и2. Ионизация молекулы приводит к образованию молекулярного иона с одноэлектронной ковалентной связью с энергией и1. У молекулярного водорода Н2 и2 =4,7 эВ, а у молекулярного иона водорода Н+2и1=2,8 эВ. Эти энергетические состояний устойчивы и могут служить основой для построения систем с переключением. Выбор элементов, реализующих переход молекула — молекулярный ион весьма большой (это молекулы, образованные атомами щелочных металлов, радикалы с выделенными ковалентными связями и т. д.). «Монтаж» молекулярных систем проще, чем атомных элементов и во многом близок к классическим схемным решениям, основанным на методах литографии.
Молекула представляет идеальную естественную квантовую точку. Она имеет потенциальную яму с практически отвесными стенками, на дне которой прочно удерживаются электроны на связи. Управление энергетическим состоянием системы осуществляется обычным способом, подачей импульса соответствующей полярности и амплитудой, достаточной для разрыва одной ковалентной связи и перевода молекулы в другое устойчивое состояние, соответствующее молекулярному иону.
В качестве двухуровневых элементов цифровой техники также могут быть применены дипольные молекулы типа СО, NO, HCl, H2O и т. п. Дипольный момент имеют ионы с незамкнутыми оболочками и радикалы, которые в принципиальном отношении также могут выступать в роли двухуровневых элементов. Конструктивно они могут быть организованы на подложке с заданным распределением потенциала или с помощью метода матричной изоляции [7]. В качестве примера реализации такого устройства можно предложить модель ячейки атомного кубита, представляющую прототип модели Кейна [2], но построенную на молекулярных элементах. Такая модель удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к гипотетическим кубитам [2, 8].
Анализпоказывает, что зонная методология теории твердого тела, на которую в настоящее время опирается построение элементов вычислительной техники, включая квантовые точки, ошибочна в своих основаниях и требует своего радикального пересмотра. Перспективным на сегодняшний день можно считать атомно-молекулярное направление, для которого предложено научное обоснование [11—13]. Концептуальной основой новой физики твердого тела должна стать теория электронного строение атомов, одной из характерных особенностей которой является дипольное строение атомов.Осознание необходимости смены парадигмы в физике твердого тела открывает путь к практическому освоению атомно-молекулярного уровня вещества и построению элементной базы наноэлектроники на принципиально новой концептуальной основе.
Список литературы:
Бацанов С. С. Экспериментальные основы структурной химии. — М.: Издательство стандартов, 1986. — 432 c.
Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. — М.— Ижевск: Изд-во РХД, 2001. — 352 c.
Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах. — М.: Мир,1982. — 270 c.
Двуреченский А. В.и др. Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем с квантовыми точками// Физика низких температур, 2004, т. 30, № 11. С. 1—11.
Каплан И. Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. — М.: Наука, 1982. — 312 c.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. — М.: Наука, 1978. — 792 c.
Крейдок С., Хинчклиф А. Матричная изоляция. — М.: Мир, 1978. — 174 c.
Наноэлектроника. / Под редакцией А. А. Орликовского. — М.: Изд-во МГТ им. Баумана, 2009.
Оура К. и др. Введение в физику поверхности. — М.: Наука, 2006. — 490 c.
Петров Э. Г. Физика переноса зарядов в биосистемах. — Киев: Наукова думка, 1984. — 368 c.
Потапов А. А. Наука о веществе. Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 24. № 1. С. 1—45. Potapov A. A. Science of substance. Butlerov communications. 2011. Vol. 24. № 1. P. 1—45.
Потапов А. А. Электронное строение атомов. — М. — Ижевск: Изд-во РХД, 2009. — 264 c.
Потапов А. А. Ренессанс классического атома. — М.: Издательский дом «Наука», 2011. — 444 c. Потапов А. А. Ренессанс классического атома. Физические основы электронного строения атомов. — LAMBERTAcademic Publishing, 2011. — 444 p.
Ривьере Х. Работа выхода. Измерения и результаты. В кн.: Поверхностные свойства твердых тел. — М.: Мир, 1972. — 432 c.
Самсонов Г. В. и др. Электронная локализация в твердом теле. — М.: Наука, 1976. — 339 c.
Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: КомКнига, 2006. — 592 c.
Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. —М.: Техносфера, 2003. — 336c.
Щука А. А. Наноэлектроника. — М.: Физматкнига, 2007. — 464 c.