 |  | |
 УДК 504.062 Использование квантовых объектов для создания энергосберегающих технологий
Лёдова А.В., студент, Ефимов В.Г., к.т.н., доцент Донецкий национальный технический университет
Рассмотрены квантовые объекты: квантовые точки, квантовые нити, квантовые ямы, квантовые гетероструктуры. Проанализирована возможность использования квантовых объектов для создания лазеров с целью энергосбережения и ресурсосбережения, способствующих снижению выбросов парниковых газов.
Одной из основных экологических проблем человечества в настоящее время является проблема изменения климата, для решения которой требуется поиск новых альтернативных источников энергии, энерго- и ресурсосберегающих технологий. В настоящее время особое внимание современной научной общественности обращено к поиску новых квантовых объектов с уникальными свойствами [1], которые могли бы обеспечить существенное ресурсосбережение и энергосбережение. Одними из важнейших квантовых объектов с точки зрения фундаментальных, экспериментальных и прикладных исследований являются квантовые точки, квантовые нити, квантовые ямы, квантовые гетероструктуры. Поскольку на основе подобных квантовых объектов создаются совершенно новые материалы, обладающие уникальными свойствами, необходимыми для создания альтернативных источников энергии, внедрение квантовых объектов в технологический процесс требует знаний их электронной структуры и физических свойств. Квантовые объекты: точки, нити, гетероструктуры отличаются тем, что их физические свойства определяются квантовыми эффектами, которые описываются законами квантовой механики. Квантовые эффекты, а именно, необычное поведение электронов, атомов, молекул, которое кажется совершенно необъяснимым, странным, невозможным с точки зрения здравого смысла, по сравнению с тем, что справедливо в повседневном мире и для законов классической механики, оказывается возможным там, где действуют законы квантовой механики. Для реализации законов квантовой механики необходимо, чтобы характерные размеры квантовых объектов были сопоставимы с нанометровыми. Именно поэтому электроника, которая занимается разработкой электронных приборов, принцип работы которых базируется на квантовых эффектах, называется наноэлектроникой [2]. До недавнего времени логика развития полупроводниковой электроники была такова, что интегральные схемы, становясь все более и более сложными, объединяли все большее число элементов, поэтому энергосбережение и ресурсосбережение обеспечивалось путём увеличения плотности размещения транзисторов, диодов и других элементов за счет уменьшения их размеров. Но сейчас один такой квантовый объект как, например, туннельный контакт способен заменить целую интегральную микросхему, состоящую из множества транзисторов, резисторов и конденсаторов [3,4]. И он является прорывным элементом в плане энергосбережения. Более того квантовые точки, ямы, нити, структуры, несмотря на свои весьма миниатюрные размеры, наноразмеры, способны накапливать большие энергии, в результате чего их при определенных условиях можно использовать в качестве лазеров. В чем же состоит отличие между выше перечисленными квантовыми объектами? Квантовой ямой называется такой квантовый объект, в котором движение зарядов ограничено только в одном направлении. В качестве квантовой ямы может выступать очень тонкая, порядка нескольких десятков нанометров плёнка проводника или полупроводника. В квантовой нити заряженные частицы ограничены в движении уже не в одном, а в двух направлениях сразу, а в квантовых точках движение заряженных частиц ограничено в пространстве во всех трёх направлениях. Квантовой структурой, такой как туннельный контакт, называют наноструктуру, которая состоит из двух проводящих металлических электродов, разделённых между собой очень тонким слоем диэлектрика, толщиной в несколько нанометров. Схематически туннельный контакт изображен на рис. 1. С точки зрения классической механики, диэлектрик, расположенный между двумя металлами представляет собой стену, так называемый «потенциальный» барьер для электронов, через который они не могут пройти из одного электрода в другой. Поэтому через такой контакт электрический ток течь не может. Однако, поскольку барьер очень тонкий, электроны как бы «просачиваются» через него из одного электрода в другой, тем самым создавая электрический ток. Это явление называется туннелированием и оно возможно только в квантовых структурах пока толщина диэлектрического слоя остается нанометровой. Такой туннельный контакт заменяет целый ряд обычных, полупроводниковых транзисторов [5].
Рис.1 - Энергетическая диаграмма туннельного контакта с параметрами. Заштрихованные области - электроды.
Наиболее успешно квантовые структуры используются для создания лазеров. Уже сегодня эффективные квантовые устройства на квантовых ям и кантовых точках применяются в волоконно-оптических линиях связи. Принцип работы любого лазера основывается на том, что, во-первых, необходимо создать инверсную заселённость энергетических уровней, это означает, что на более высоком энергетическом уровне должно находиться больше электронов, чем на нижнем. В то время как в состоянии теплового равновесия ситуация обратная. Во-вторых, каждому лазеру нужен оптический резонатор, который запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме. Чтобы сделать из квантовой ямы лазер, её подсоединяют к двум проводящим электродам, которые обеспечивают непрерывный поток электронов в яму [2]. Из одного электрода электроны поступают в зону проводимости ямы, далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, электроны будут излучать порцию энергии, называемую квантом. Затем через валентную зону электроны, излучившие кванты, уходят во второй электрод. Порция квантов или другими словами, электромагнитного излучения, генерируемая лазером должна быть сконцентрирована в рабочей области прибора. Для этого показатель преломления внутренних слоев должен быть больше, чем внешних, т.е. внутренняя область является волноводом. На границах волновода наносятся зеркала, которые образуют резонатор. Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществом по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Поскольку изменяя параметры, а именно, толщину квантовой ямы, можно добиться того, чтобы затухание электромагнитной волны в оптической связи было минимальным. Лазеры на квантовых структурах очень экономны. Их питают гораздо меньшие токи, чем полупроводниковые лазеры и дают больше света на единицу потребляемой энергии. Также большой интерес представляют лазеры на квантовых точках. Таким образом, использование квантовых объектов для создания лазеров является важным элементом энергосбережения и ресурсосбережения, позволяющим снизить энергоемкость российской экономики в соответствии со стратегией социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года. Реализация проектов будет способствовать снижению эмиссии парниковых газов.
Библиографический список 1. Пономарёв Л.И. Под знаком кванта. М.: учебное пособие. - М.: Физматлит, 2007. – 384 с. 2. Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? // Соросовский образовательный журнал. №5. – 1997. - С. 80 – 86. 3. Хачатуров А. И. Качественный анализ спин–зависимого туннелирования в контактах ферромагнитный металл – изолятор – ферромагнитный металл / А. И Хачатуров // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2005. – T. 82. - № 10. – C. 728-733. 4. Khachaturova T.A. Volt-Ampere Characteristics of Tunnel Junctions from Ferromagnetic Materials // Advanced Materials and Technologies. – 2017. –Т. №3. – С.47-51. 5. Хачатурова Т. А. Отрицательная дифференциальная проводимость туннельных структур металл-диэлектрик-металл / Т. А. Хачатурова, А. И. Хачатуров // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2008. – Т. 134. - № 5. – С. 1006-1012.
| ||
 |  |
