Физика и химия наноструктур

Профессор  А.М. Шикин

I. Различные типы низкоразмерных структур. Понятие о размерности.

1.1. Тенденция микроминиаторизации современных электронных систем. Переход к законам квантовой физики.

1.2. Примеры низкоразмерных систем, основанных на законах квантовой механики.

1.3. Принципы самоорганизации при построении низкоразмерных систем.

1.4. Понятие о размерности системы. Системы 3D, 2D, 1D и 0D типов.

1.5. Аналоги низкоразмерных систем в природе. Системы на основе различных модификаций углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

1.6. Примеры различного типа искусственно созданных квантоворазмерных систем.

1.6.1. Двумерные структуры. МДП, гетероструктуры, тонкие металлические слои. Дельта-слои, структуры на основе вытравленных или напыленных полосок. Упорядоченные ансамбли квантовых проволок и полосок на ступенчатых поверхностях монокристаллов.

1.6.2. Квази-одномерные структуры и упорядоченные ансамбли квантовых нитей или проволок.

1.6.3. Нуль-мерные системы (системы упорядоченных квантовых точек).

1.7. Факторы, определяющие свойства квантовых объектов.

1.7.1. Влияние параметров межатомного взаимодействия и изменения межатомного расстояния на свойства квантовых объектов.

1.7.3. Влияние количества атомов, составляющий квантовый объект.

1.8. Плотность электронных состояний в системах различной размерности (3D, 2D, 1D, 0D).

 

II. Современные методы формирования низкоразмерных систем.

2.1. Традиционные методы формирования низкоразмерных структур.

2.1.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

2.1.2. Твердофазная эпитаксия.

2.1.3. Химическая лучевая эпитаксия.

2.2. Метод атомной сборки.

2.2.1. Перемещение атомов вдоль поверхности.

2.2.2. Удаление атомов.

2.2.3. Осаждение атомов.

2. 3. Методы самоорганизации низкоразмерных систем.

2.3.1. Использование периодически расположенных ступенек для создания ансамблей      упорядоченных квантовых проволок или полосок.

2.3.2. Использование фасеток для формирования упорядоченных ансамблейквантовых проволок увеличенного диаметра.

2.3.3. Метод химической селективной адсорбции или самоскладывающейся мозаики.

2.3.4. Использование химически модифицированной подложки как шаблона для роста упорядоченных нанокластеров и квантовых проволок.

2.3.5. Использование напряжённых (нескомпенсированных) структур и дислокаций.

2.3.5.1. Эффекты механических напряжений при гетероэпитаксии. Переход от псевдоморфного к дисклокационному росту пленок.

2.3.6. Примеры использования упорядоченной сети дисклокаций для роста ансамблей упорядоченных нанообъектов.

 

III, Размерные ограничения системы. Потенциальный ящик. Дискретность энергетического спектра.

3.1.  Модель потенциального ящика с бесконечными стенками. Дискретность электронного спектра. Дисперсия электронных состояний в различных направлениях.

3.2.  Модель потенциального ящика со стенками (барьером) конечной высоты.

3.2.1. Случай связанного движения. Графическое решение.

3.2.2. Случай несвязанного движения.

3.2.3. Энергетический спектр квантовых состояний и его зависимость от параметров ямы.

 

IV. Экспериментальные особенности спектров квантовых состояний в слоистых металлических системах и основные факторы, определяющие поведение и структуру спектров.

4.1. Экспериментальные особенности записи спектров квантовых состояний в низкоразмерных металлических структурах.

4.2. Анализ экспериментальных спектров квантовых состояний.

4.2.1. Использование модели потенциального ящика для анализа спектров квантовых состояний в пленках простых sp-металлов

4.2.2. Спектры квантовых состояний для металлов с заполненной зоной валентных состояний.

4.3. Двойные потенциальные ямы

4.4. Эффекты “непересечения” в двойных потенциальных ямах.

4.5. Зависимость спектров квантовых состояний от электронной и кристаллической структуры подложки и формируемой пленки

4.6. Влияние подложки на модификацию дисперсионных зависимостей спектров квантовых состояний

 

V. Поверхностные состояния как квази-двумерные состояния и условия их появления.

5.1. Условия появления поверхностных состояний при решении уравнения Шредингера для полубесконечного кристалла.

5.1.1. Случай полубесконечного кристалла со ступенчатым потенциальным барьером на поверхности.

5.1.2. Случай полубесконечного кристалла со слабым периодическим потенциалом.

5.1.3. Решение уравнения Шредингера при комплексном значении волнового вектора.

5.2. Условия существования поверхностных состояний исходя из сшивки волновых функций на границе кристалла

5.3. Примеры экспериментального наблюдения поверхностных состояний.

 

VI.  Поверхностные состояния с позиций сил изображения и фазового подхода.

6.1. Потенциал сил изображения.

6.2. Локализация поверхностных состояний в потенциальной яме сил изображения.

6.3. Фазовый подход.

6.4. Взаимосвязь между фазовым подходом и решение уравнения Шредингера для поверхностных состояний.

6.5. Фазовая модель для анализа состояний сил изображения.

6.6. Энергетическая зависимость фаз отражения от электронной структуры твердого тела.

6.7. Графическое решение фазового уравнения.

 

VII.  Применение фазовой модели для анализа спектров квантовых состояний.

7.1. Модификация фазового уравнения для случая тонких пленок.

7.2. Классическая модель аккумуляции фазы, основанная на приближении почти свободных электронов.

7.2.1. Примеры расчета спектров квантовых состояний.

7.2.1.1. Система Ag(100)/Fe(100). Графическое решение.

7.2.1.2. Тонкие слои Ag и Cu на поверхности других монокристаллов: Fe(100), V(100), Co(100). Графическое решение.

7.3. Использование зависимостей спектров кантовых состояний от толщины для получения информации об электронных характеристиках и особенностях электронной структуры формируемых тонких пленок.

7.3.1. Экспериментальные оценки энергетической зависимости суммарной величины фазы (ФС + ФВ).

7.3.2. Экспериментальное построение дисперсии электронных состояний в пленке адсорбируемого металла в направлении роста пленки.

7.4. Ограничение фазовой модели аккумуляции фазы.

 

VIII. Использование элементов модели сильной связи для анализа спектров квантовых состояний.

8.1. Приближение атомной цепочки как модель плёнки изменяемой толщины.

8.2. Решение уравнения Шрёдингера для линейной атомной цепочки.

8.3. Энергетический спектр электронных состояний в приближении атомной цепочки с изменяющимся числом атомов. Связь с дисперсией электронных состояний.

8.4. Использование модели линейной атомной цепочки для анализа экспериментальных спектров квантовых состояний.

8.5. Модификация модели при введении условий на границах атомной цепочки. Использование элементов фазового подхода.

8.6. Расширенная фазовая модель.

8.7. Применение расширенной фазовой модели для анализа реальных спектров квантовых состояний ультратонких слоев благородных металлов.

 8.7.1. Анализ фазового уравнения.

8.7.2. Влияние электронных состояний, отличающихся по типу симметрии волновых функций.

8.7.3. Графическое решение.

8.8. Использование расширенной фазовой модели для определения параметров электронной структуры подложки.

8.9. Взаимосвязь спектров квантовых состояний с объемной структурой материала адсорбируемой пленки.

 

IX.   Влияние квантово-размерных эффектов на магнитные свойства слоистых магнитных систем.

9.1. Магнитные свойства слоистых систем. Эффекты осциллирующего обменного взаимодействия и гигантского магнитного резонанса сопротивления.

9.2. Магнитные свойства систем в зависимости от особенностей их электронной структуры.

9.3. Взаимосвязь между эффектами магнитного взаимодействия между магнитными слоями и квантоворазмерными эффектами.

9.4. Эффекты магнитного взаимодействия в зависимости от особенностей спектров квантовых состояний в реальных системах.

9.4.1. Слоистая система Fe(100)/Ag(100)/Fe(100).

9.5. Спиновая поляризация электронных состояний и ее роль в модуляции магнитных свойств слоистых квази-двумерных систем.

9.6. Электронная структура для состояний с различным направлением спина.

9.6.1. Потенциальный профиль слоистых магнитных систем для состояний с различным направлением спина.

9.7. Роль спиновых состояний в эффектах осциллирующего магнитного взаимодействия и гигатского магнитного резонанса сопротивления.

 

X.  Эффекты размерной модуляции электронной структуры в латеральных периодических сверхструктурах.

10.1. Системы с латеральным упорядочением 1D квантовых объектов на ступенчатых поверхностях.

10.2. Ступенчатые поверхности монокристаллов благородных металлов.

10.3.  Модификация электронной структуры при введении периодического потенциала

10.1 Разделение эффектов латерального размерного квантования и периодической сверхструктуры в зависимости от величины вектора латеральной трансляции. Экспериментальное наблюдение эффектов и их разделение для поверхностных состояний.

10.2 Иллюстрирование модели Кроннинга-Пенни и её модификация для анализа процессов латерального размерного квантования. Зависимость от высоты барьеров и  их периодичности.

 

XI.  Эффекты спиновой поляризации электронных состояний в квази-двумерных системах.

11.1. Эффекты спин-орбитального взаимодействия, приводящие к спиновой поляризации поверхностных состояний на поверхности монокристаллов благородных металлов.

11.1.1. Модель спиновой поляризации для двумерного газа свободных электронов.

11.1.2. Анализ экспериментального спин-орбитального расщепления поверхностных состояний благородных металлов.

11.2.   Влияние латерального потенциала. Эффекты гигантского спин-орбитального расщепления.

11.3. Эффекты индуцированной спиновой поляризации поверхностных состояний в адсорбированных слоях металлов.

11.4. Спин-орбитальное расщепление квантовых состояний в плёнках благородных металлов, индуцированное подложкой.

11.5. Эффекты спин-орбитального расщепления для поверхностных состояний магнитных металлов.

 

XII. Кластеры как нуль-мерные системы.

12.1. Различные типы кластеров различных размеров и системы упорядоченных кластеров, однородных по размерам

12.2. Использование принципа самоорганизации при формировании однородных и упорядоченных систем нанокластеров

12.3. Размерное квантование электронной структуры в кластерах

12.4. Модификация атомной и электронной структуры нанокластеров при изменении их размеров

12.4.1. Внутренняя атомная структура малых нанокластеров.

12.4.2. Изменение электронных свойств кластеров в зависимости от размеров. Металличность нанокластеров.

12.5. Изменение температуры плавления в кластерах малых размеров

12.6. Магнитные свойства кластеров.

12.7. Поверхностные свойства кластеров и их роль в каталитической активности

кластеров.

12.8. Каталитическая активность нанокластеров Au и факторы ее определяющие. Зависимость от размеров кластеров.

 

Список обязательной литературы

1. К.Оура, В.Г.Лифшиц, А.А.Саранин, А.В.Зотов, М.Катаяма «Введение в физику поверхности». М., Наука, 2005.

2. А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков “Физика низкоразмерных систем”, С.- Петербург, Наука, 2001..

3. А.М. Шикин "Формирование, электронная структура и свойства низкоразмерных структур на основе металлов", С.-Петербург, ВВМ, 2011.

4. И.В. Абаренков и др. "Простейшие модели в квантовой механике", СПбГУ, 2004.

5. M. Milun et al., Rep. Progr. Phys. 65, 99, 2002.

6. А.М. Шикин, В.К. Адамчук, ФТТ 50, 1121, 2008.

7. А.Г. Рыбкин "Электронная энергетическая и спиновая структура тонких слоев металлов, индуцированная спин-орбитальным взаимодействием", Диссертация СПбГУ, 2010.

8. S. Huefner "Photoelectron Spectroscopy. Principles and Applications", Springer Verlag, Berlin, 1995.

9. F.J. Himpsel, J.E. Ortega, G.J. Mankey, R.F. Willis “Magnetic quantum wells”, Adv, Phys. 47, 511, 1998.

10. T.C. Chiang “Photoemission studies of quantum well states in thin films” Surf. Sci. Rep. 39, 181, 2000.

11. N. Memmel “Monitoring and modifying properties of metal surfaces by electronic surface states” Surf. Sci. Rep. 32, 93, 1998..

12. A. Mugarza et al., J. Phys. Condenc. Matter 18, S27, 2006..

13. S.Roth “One-dimensional metals”, VCH, New York, 1995.

14. H.J. Freund, Surf. Sci. 500, 271, 2002..

15. U. Heiz et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 33, R85, 2000.

16. О.А. Петрий, Г.А. Цирлина “Размерные эффекты в электрохимии”, УФН, 70, 330, 2001.

17. Н.Ф. Уваров, В.В. Болдырев “Размерные эффекты в химии гетерогенных систем”, УФН, 70, 307, 2001.

 

Список дополнительной литературы

1.  M.C. Desjouqueres, D. Spanjuard “Concepts in Surface Physics”, Springer, Berlin.

2.  Z.Q. Qiu, N.V. Smith “Quantum well states and oscillatory magnetic interlayer coupling” J. Phys: Condenc. Matter, 14, R 169, 2002.

3.  J. Shen. J. Kirschner “Tailoring magnetism in artificially structured materials: the new frontier”, Surf. Sci. 500, 300, 2002..

4. M.F. Crommie et al., Science 262, 218, 1993.

5.  R. Hoffmann “Solid and surfaces: a chemist’s view of bonding in extended structures”, VCH New York, 1988..

6. А. Зотов и др., Природа 4, 11, 2006.

7. J.J. Paggel et al., Science 283, 1709, 1999.

8. A. Mugarza et al., Phys. Rev. B 67, 081404 (R), 2003.

9. C. Didiot et al., Surf. Sci. 600, 3917, 2006. 

10. Я.Е. Воробьёв, Е.Л. Ивченко, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин “Оптические свойства наноструктур”, С.- Петербург, Наука, 2001.