Сверхрешетки и их электронные свойства

Определение и структура

Сверхрешетки — искусственные или природные структуры, образованные чередующимися слоями двух или более материалов с различными физическими свойствами. Обычно толщина слоев лежит в нанометровом диапазоне, что позволяет контролировать электронные, оптические и магнитные свойства.

В металл-металл или металл-полупроводник сверхрешетках периодичность и состав слоев задаются при помощи методов молекулярно-лучевого эпитаксиального роста (MBE), химического осаждения из паровой фазы (CVD) и других тонкопленочных технологий.

Квантовые эффекты и зона Бриллюэна

Периодическая структура сверхрешетки приводит к формированию зоны Бриллюэна с меньшим вектором обратной решетки, чем у исходных материалов. Вследствие этого возникают:

• Зонные структуры с минизонами.
• Квантовые резонансы и бреши в спектре.
• Изменение плотности состояний электронов.

Электронные волны испытывают дифракцию на периодической потенциале, что формирует новые условия для переноса заряда и взаимодействий.

Квантовые ямы, провалы и проволоки

При уменьшении толщины слоев сверхрешетки электронные состояния квантово ограничиваются:

• В одном измерении — квантовые провалы (quantum wells).
• В двух измерениях — квантовые проволоки.
• В трех измерениях — квантовые точки.

Это приводит к дискретизации уровней энергии и изменению оптических и транспортных свойств.

Электронный транспорт

Сверхрешетки демонстрируют уникальные электронные свойства:

• Туннельный эффект между слоями.
• Резонансный туннельный ток.
• Зависимость проводимости от направления тока (анизотропия).
• Эффекты когерентного транспорта и интерференции.

Эти свойства используются в разработке новых транзисторов, фотодетекторов и других наноустройств.

Влияние спиновых взаимодействий

В магнитных сверхрешетках (например, Fe/Cr, Co/Cu) реализуются эффекты спин-зависимого транспорта:

• Гигантский магниторезистивный эффект (GMR), основанный на изменении сопротивления в зависимости от ориентации магнитных слоев.
• Спиновые волны и спин-туннельный эффект.

Это положило начало развитию спинтроники — области, изучающей манипуляцию спиновым состоянием электронов.

Оптические свойства

Измененная зонная структура сверхрешеток приводит к специфическим оптическим резонансам:

• Усиление или подавление поглощения при определенных длинах волн.
• Специфические спектры фотолюминесценции.
• Возможность создания лазеров с узкополосным спектром.

Теоретические модели

Для описания электронных свойств сверхрешеток применяются:

• Модель потенциальных ям с периодическим потенциалом.
• Зонная теория в рамках теории Блохевых функций.
• Квантово-механическое моделирование с учетом обменных и корреляционных взаимодействий.

Применение сверхрешеток

• Высокоскоростные электронные приборы.
• Магнитные сенсоры и элементы спинтроники.
• Квантовые компьютеры.
• Оптоэлектроника и фотоника.