Передмова

Ця книга є результатом узагальнення навчального матеріалу, який автор протягом останніх п’яти років викладає у межах курсу лекцій “Наноструктури і нанотехнології” для студентів старших курсів Національного університету “Львівська політехніка” – майбутніх маґістрів електроніки. Складовою частиною до нього певною мірою увійшов також навчальний посібник “Низькорозмірні структури і надґратки”, опублікований автором три роки тому, який за своєю суттю був коротким вступом до проблеми фізики і технології дискретних структур нанометрового діапазону та їхніх композицій.
Оскільки сьогодні постійно зростає інтерес до структур нанометрового діапазону, технології їхнього отримання, фізичних властивостей і перспектив практичного використання, структур, які, за прогнозами, стануть основою матеріально-технічної бази електроніки нового століття, очевидною стає потреба у навчальному посібнику, в якому відповідний матеріал був би проаналізований, систематизований і достатньо повно відповідно до сучасних уявлень викладений. За задумом посібник повинен бути доступним для студентів як старших, так і молодших курсів, які навчаються в університетах на фізичних і технічних спеціальностях електронного профілю. Тому матеріал посібника викладено і подано так, що математичний апарат в ньому використовується тільки в міру необхідності і в якомога простішому вигляді, щоб не затіняти фізичної суті розглянутих проблем. Та попри те робота з посібником передбачає знайомство Читача з основами термодинаміки, статистичної фізики, квантової механіки, фізики твердого тіла, фізики напівпровідників і діелектриків.
Посібник поділено на чотири розділи. Перший розділ стосується питань технології вирощування тонких плівок, квантово-розмірних шарів, квантових ниток і квантових точок. Він розпочинається аналізом засад тонкоплівкових технологій і дуже стислим оглядом тих технологічних методів, які передували становленню сучасних методик формування квантово-розмірних структур. Це зроблено з тією метою, щоб Читач міг збагнути історичну і наукову логіку цього становлення. Далі подаються фізичні основи процесу осадження тонких плівок у вакуумі, які повинні підготувати Читача до сприйняття суті епітаксійних методик нарощування тонких плівок. Після цього розглядаються загальні принципи газофазної епітаксії і основні режими гетероепітаксійного росту тонких плівок, на основі яких проаналізовано основні на сьогодні технологічні методики вирощування напівпровідникових наноструктур – молекулярно-променевої епітаксії і газофазної епітаксії з металоорганічних сполук. Розглянуто також метод рідиннофазної епітаксії, який хоча і дотично стосується формування наноструктур, але без якого розгляд питання формування епітаксійних шарів був би явно неповним. Під час аналізу технологічних методів формування систем квантових ниток і квантових точок основний акцент робиться на можливостях використання у них процесів самоорганізації. Закінчується розділ розглядом питання зондових нанотехнологій, які вже стають реалією технічного сьогодення і дають змогу керувати поведінкою атомів у технологічному процесі поштучно.
У другому розділі розглянуто питання дискретних низькорозмірних структур – напівпровідникових квантових шарів, ниток і точок – та їхніх фізичних властивостей. Розгляд починається з питання потенціальних ям і бар’єрів, оскільки поведінка носіїв заряду у таких квантово-розмірних структурах – це їхня поведінка в квантових ямах різної вимірності і форми, оточених потенціальними бар’єрами різної висоти і ширини. Далі аналізуються питання густини станів носіїв заряду у системах різної вимірності за різних законів дисперсії та вплив на цю характеристику, як і на енергетичний спектр електронів загалом, квантово сильних магнітних полів. Завдання цих параграфів – підготувати Читача до розуміння тих унікальних властивостей і ефектів, які спостерігаються у низькорозмірних системах і зумовлені їхньою метрикою: квантового ефекту Холла, квантування провідності балістичних 2D контактів,
спектрів екситонного поглинання квантових точок, кулонівської блокади та одноелектронних процесів у резонансно-тунельних структурах, від’ємного диференційного опору надґраток, специфіки і властивостей фулеренів, вуглецевих нанотрубок тощо.
У третьому розділі розглядаються напівпровідникові надґратки. Головна увага звернута на механізми формування одновимірного періодичного потенціалу в таких структурах і тих наслідків, до яких приводить поява такого штучного періодичного потенціалу. Розглядаються практично важливі фізичні властивості напівпровідникових надґраток, серед яких акценти ставляться на оптичних властивостях, які дають змогу використовувати надґратки як ефективні поляризатори і фільтри світла, та на вольт-амперних характеристиках надґраток, які є найважливішою властивістю таких структур і характер яких дає змогу ефективно застосовувати надґратки як підсилювачі і генератори електромагнітного випромінювання дальнього ІЧ діапазону.
Останній, четвертий розділ, стосується наноструктур на основі вуглецю – фулеренів і нанотрубок. Цим нанооб’єктам в останні півтора-два десятиліття приділяється дуже велика увага. За деякими оцінками уже в недалекому майбутньому вони можуть істотно потіснити з його позицій в електроніці, якщо не замінити повністю, її традиційний базовий матеріал – кремній. Тому системне ознайомлення студентів з питаннями технології отримання, структури, стабільності, можливостей ідентифікації, властивостей і перспектив практичного використання фулеренів і вуглецевих нанотрубок видається надзвичайно важливим.
На закінчення хотів би зауважити таке. Специфіка питань, які розглядаються в посібнику, унеможливлює розуміння їхніх деталей без знайомства з першоджерелами, в яких крок за кроком відображено етапи становлення і розвитку цієї надзвичайно динамічної галузі людських знань – нанотехнологій і наноструктур. Ще менш можливо подати хоча би приблизну бібліографію таких видань. Тому в тексті наводяться посилання лише на ті джерела, з яких автор черпав використаний ілюстративний матеріал, а в списку цитованої літератури – переважно оглядові статті, у яких можна знайти багато конкретних посилань на першоджерела.
Світ нанотехнологій і наноструктур розвивається надзвичайно стрімко, а, отже, потреба у підручниках і навчальних посібниках, що стосуються цих питань, з кожним днем зростатиме. Тому автор з вдячністю прийме і врахує всі критичні зауваження і поради щодо удосконалення пропонованого посібника.