Мезоскопическая физика - Mesoscopic physics

Физика конденсированного состояния
QuantumPhaseTransition.svg
Фазы  · Фаза перехода  · QCP
Устранение неоднозначности: Эта страница относится к суб-дисциплине физика конденсированного состояния, а не филиал мезомасштабная метеорология занимается изучением погодных систем меньшего размера, чем системы синоптического масштаба.

Мезоскопическая физика является одной из дисциплин физика конденсированного состояния который имеет дело с материалами промежуточного размера. Размеры этих материалов варьируются от наноразмер для количества атомы (например, молекула ) и материалов размером микрометр.[нужна цитата ] Нижний предел также можно определить как размер отдельных атомов. На микрометровом уровне находятся сыпучие материалы. И мезоскопические, и макроскопический объекты содержат много атомов. В то время как средние свойства, полученные из составляющих его материалов, описывают макроскопические объекты, поскольку они обычно подчиняются законам классическая механика, мезоскопический объект, напротив, подвержен тепловым флуктуациям около среднего, и его электронное поведение может потребовать моделирования на уровне квантовая механика.[1][2]

Макроскопическое электронное устройство при уменьшении до мезоразмеров начинает проявлять квантово-механические свойства. Например, на макроскопическом уровне проводимость проволоки непрерывно увеличивается с увеличением ее диаметра. Однако на мезоскопическом уровне проводимость провода равна квантованный: увеличение происходит дискретными или отдельными целыми шагами. Во время исследования мезоскопические устройства конструируются, измеряются и наблюдаются. экспериментально и теоретически чтобы лучше понять физика из изоляторы, полупроводники, металлы и сверхпроводники. Прикладная наука мезоскопической физики изучает возможности создания наноустройств.

Мезоскопическая физика также решает фундаментальные практические проблемы, возникающие при миниатюризации макроскопического объекта, например, при миниатюризации транзисторы в полупроводник электроника. Механические, химические и электронные свойства материалов изменяются по мере приближения их размера к размеру. наноразмер, где процентное содержание атомов на поверхности материала становится значительным. Для объемных материалов размером более одного микрометра процент атомов на поверхности незначителен по сравнению с числом атомов во всем материале. Субдисциплина имела дело в первую очередь с искусственными структурами из металла или полупроводникового материала, которые были изготовлены с помощью технологий, используемых для производства микроэлектроника схемы.[1][2]

Нет жесткого определения для мезоскопическая физика но исследуемые системы обычно находятся в диапазоне 100 нм (размер типичного вирус ) до 1000 нм (размер типичной бактерии): 100 нанометров - это приблизительный верхний предел для наночастица. Таким образом, мезоскопическая физика имеет тесную связь с областями нанопроизводство и нанотехнологии. Устройства, используемые в нанотехнологиях, являются примерами мезоскопических систем. Три категории новых электронных явлений в таких системах - это интерференционные эффекты, эффекты квантового ограничения и эффекты зарядки.[1][2]

Эффекты квантового ограничения

Квантовое ограничение эффекты описывают электроны с точки зрения уровней энергии, потенциальные скважины, валентные полосы, зоны проводимости, а энергия электронов запрещенные зоны.

Электроны в массе диэлектрик материалы (более 10 нм) могут быть описаны энергетическими зонами или уровнями энергии электронов. Электроны существуют на разных уровнях или диапазонах энергии. В объемных материалах эти уровни энергии описываются как непрерывные, потому что разница в энергии незначительна. Поскольку электроны стабилизируются на разных уровнях энергии, большинство из них колеблются в валентные полосы ниже запрещенного уровня энергии, названного запрещенная зона. Эта область представляет собой диапазон энергий, в котором отсутствуют электронные состояния. У меньшего количества есть уровни энергии выше запрещенной зоны, и это зона проводимости.

Эффект квантового ограничения может наблюдаться, если диаметр частицы такой же, как диаметр частицы. длина волны электронного волновая функция.[3] Когда материалы настолько малы, их электронные и оптические свойства существенно отличаются от свойств объемных материалов.[4]По мере того, как материал миниатюризируется до наномасштаба, ограничивающий размер естественно уменьшается. Характеристики больше не усредняются по объему и, следовательно, непрерывны, а находятся на уровне квантов и, следовательно, дискретны. Другими словами, энергия спектр становится дискретным, измеряемым как кванты, а не непрерывным, как в объемных материалах. В результате запрещенная зона утверждает себя: существует небольшое и конечное разделение между уровнями энергии. Такая ситуация дискретных уровней энергии называется квантовое ограничение.

Кроме того, эффекты квантового ограничения состоят из изолированных островков электронов, которые могут образовываться на структурированной границе раздела между двумя различными полупроводниковыми материалами. Электроны обычно ограничиваются дисковыми областями, называемыми квантовые точки. Как отмечалось выше, ограничение электронов в этих системах значительно изменяет их взаимодействие с электромагнитным излучением.[5][6]

Поскольку уровни энергии электронов квантовых точек являются дискретными, а не непрерывными, добавление или вычитание всего нескольких атомов в квантовую точку приводит к изменению границ запрещенной зоны. Изменение геометрии поверхности квантовой точки также изменяет энергию запрещенной зоны, опять же из-за небольшого размера точки и эффектов квантового ограничения.[5]

Эффекты интерференции

В мезоскопическом режиме рассеяние на дефектах, таких как примеси, вызывает интерференционные эффекты, которые модулируют поток электронов. Экспериментальным признаком мезоскопических интерференционных эффектов является появление воспроизводимых флуктуаций физических величин. Например, проводимость данного образца колеблется по-видимому случайным образом в зависимости от флуктуаций экспериментальных параметров. Однако та же самая картина может быть восстановлена, если экспериментальные параметры возвращаются к исходным значениям; фактически наблюдаемые закономерности воспроизводятся в течение нескольких дней. Они известны как универсальные колебания проводимости.

Мезоскопическая динамика с временным разрешением

Эксперименты с временным разрешением в мезоскопической динамике: наблюдение и исследование в наномасштабе конденсированная фазовая динамика такие как образование трещин в твердых телах, разделение фаз и быстрые колебания жидкого состояния или в биологически значимой среде; и наблюдение и изучение на наномасштабе сверхбыстрой динамики некристаллических материалов.[7][8]

Связанный

использованная литература

  1. ^ а б c Научно-технический словарь. Словарь научных и технических терминов Макгроу-Хилла. 2003. McGraw-Hill Companies, Inc.
  2. ^ а б c «Мезоскопическая физика». Энциклопедия науки и техники Макгроу-Хилла. McGraw-Hill Companies, Inc., 2005. Answers.com, 25 января 2010 г. http://www.answers.com/topic/mesoscopic-physics-1
  3. ^ Cahay, М. (2001). Квантовое ограничение VI: наноструктурированные материалы и устройства: материалы международного симпозиума. Кахай, М., Электрохимическое общество. Пеннингтон, Нью-Джерси: Электрохимическое общество. ISBN  978-1566773522. OCLC  49051457.
  4. ^ Хартмут, Хауг; Кох, Стефан В. (1994). Квантовая теория оптических и электронных свойств полупроводников (3-е изд.). Сингапур: World Scientific. ISBN  978-9810220020. OCLC  32264947.
  5. ^ а б Квантовые точки В архиве 01.02.2010 в Wayback Machine. 2008 г., Evident Technologies, Inc.
  6. ^ Санчес Д., Бюттикер М. (2004). «Магнитополевая асимметрия нелинейного мезоскопического переноса». Phys. Rev. Lett. 93 (10): 106802. arXiv:cond-mat / 0404387. Bibcode:2004PhRvL..93j6802S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.93.106802. PMID  15447435.
  7. ^ Барти, Антон; и другие. (22.06.2008). «Сверхбыстрая однократная дифракционная визуализация наноразмерной динамики». Природа Фотоника. 2 (7): 415–419 (2008). CiteSeerX  10.1.1.712.8451. Дои:10.1038 / nphoton.2008.128.
  8. ^ «Исследование позволяет получать изображения в сверхбыстрое время» (Исследование опубликовано в онлайн-выпуске журнала Nature Photonics). Наука в Интернете. Факты о File, Inc. United Press International. 2008-06-25. п. 01. Получено 2010-01-25.

внешние ссылки