Квантовые ямы и их свойства

Определение и квантование уровней

Квантовые ямы — это наноструктуры, в которых движение заряженных частиц (электронов или дырок) ограничено в одном направлении настолько сильно, что возникает квантование энергетических уровней. Обычно квантовая яма создается в тонком слое полупроводника с меньшей шириной, чем длина де Бройля электрона, например, в гетероструктуре.

Возможность движения сохраняется лишь в двух других направлениях, что приводит к двумерной электронной системе с дискретными уровнями энергии вдоль направления ограничения.

Энергетическая структура

Энергетические уровни квантовой ямы можно аппроксимировать решением уравнения Шрёдингера с потенциалом, ограниченным по одному измерению. Собственные значения энергии En формируют набор дискретных подзон:

$$ E_n = E_c + \frac{\hbar^2 \pi^2 n^2}{2 m^* L_z^2} $$

где Ec — дно зоны проводимости, m* — эффективная масса, Lz — ширина квантовой ямы, n — квантовое число.

Подуровни формируют плотность состояний с характерным скачкообразным видом, что влияет на оптические и электронные свойства.

Оптические свойства

Квантовые ямы проявляют уникальные оптические характеристики:

  • Узконаправленные линии поглощения и излучения, соответствующие переходам между дискретными уровнями.
  • Повышенная эффективность люминесценции, обусловленная ограничением пространства и увеличением вероятности рекомбинации.
  • Возможность настройки длины волны излучения изменением ширины ямы.

Эти особенности используются в лазерах с квантовыми ямами и фотодетекторах.

Транспортные свойства

Двумерная природа электронов в квантовой яме приводит к квантовым эффектам в проводимости:

  • Квантование проводимости в виде ступеней при изменении напряжения.
  • Высокая подвижность носителей из-за снижения рассеяния.
  • Эффекты когерентного транспорта и локализации.

Электрон-электронные взаимодействия

В ограниченных структурах усиливается взаимодействие электронов, что может приводить к новым состояниям:

  • Формирование двумерных электронных жидкостей.
  • Появление коллективных возбуждений (плазмонных волн).
  • Влияние на энергетические уровни и магнитные свойства (например, эффект квантового Холла).

Технологические аспекты

Квантовые ямы изготавливаются с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии и других методов осаждения слоев с атомарной точностью. Контроль толщины и состава материалов позволяет управлять физическими свойствами.

Использование квантовых ям лежит в основе современных устройств: лазеров, транзисторов, квантовых точек и сенсоров.

Оглавление