Квантовые точки

Квантовыми точками называются наноструктуры, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трех направлениях.

Методы создания квантовых точек практически ничем ни отличаются от технологии создания квантовых нитей. Для этого надо только изменить форму вытравливаемой картины в первом случае: вместо щели травить кружок или квадрат наноразмера или, наоборот, форму маски для травления во втором способе делать также в виде маленьких кружков или квадратиков. Ясно, что в общем случае эта форма может быть произвольной. Массив из четырех квантовых точек цилиндрической формы с диаметром примерно 500 нм имеет вид в соответствии с рисунком 6.17. При этом, как уже отмечалось выше, за счет краевых эффектов фактический диаметр точки получается значительно меньше.

Рисунок 6.17 – Массив квантовых точек, полученный методом субмикронной литографии

В результате в квантовой точке, представляющей собой трехмерную потенциальную яму, движение электронов ограничено во всех трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Размеры квантовых точек (можно говорить также о квантовых ящиках) порядка нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два – атом гелия и т.д.

Кроме простого нанесения рисунка на поверхность полупроводника и травления для создания квантовых точек можно использовать естественное свойство материала образовывать маленькие островки в процессе роста. такие островки могут, например, самопроизвольно образоваться на поверхности растущего кристаллического слоя. Существуют и другие технологии приготовления квантовых ям, нитей и точек, которые на первый взгляд кажутся очень простыми. Не нужно, однако, забывать, что речь идет о необычных масштабах – все фигурирующие здесь размеры значительно меньше длины световой волны.

Важным своеобразным физическим эффектом, происходящим только в квантовых точках является одноэлектронное туннелирование. Благодаря тому, что электрическая емкость отдельной точки мала, ее потенциал может сильно изменяться даже в том случае, когда на точку попадает всего один лишний электрон. Действительно, если вначале точка была электрически нейтральной, то добавление заряда q увеличивает ее энергию на q2/2C (С- емкость точки). Поскольку нельзя добавить заряд меньше q, то существует энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы попасть на точку. Если температура низка и электрон не может приобрести энергию, достаточную для преодоления этого барьера, то ток через квантовую точку имеет своеобразный характер. Он не течет непрерывно как струя, а как бы «выкапывает» по одному электрону подобно каплям из неплотно закрытого крана. Причем такое движение возможно только в том случае, когда разность потенциалов превышает определенный порог.

Явление отсутствия тока при приложении напряжения к наноструктуре, содержащей квантовую точку из-за невозможности туннелирования электронов через потенциальный барьер вокруг точки, называют кулоновской блокадой. Минимальное напряжение

, (6.8)