Основи наноелектроніки

Мета курсу: формування у студентів базових знань з фізичних основ і процесів, напрямків розвитку, принципів і методів сучасної наноелектроніки, фізичних властивостей і технології систем зі зниженою розмірністю: напівпровідникових структур з двовимірним електронним газом, квантових ниток і квантових точок, квантово-розмірних та балістичних ефектів, які спостерігаються в таких системах.
Фізичні основи наноелектроніки:

1. Квантові основи наноелектроніки, ефекти розмірного квантування. Характерні модельні задачі квантової механіки.
2. Гетерогенні твердотільні структури: типи і параметри гетероструктур. Зонна інженерія.
3. Твердотільні структури зниженої розмірності. Розподіл густини k- і Е-станів у три-, дво-, одно- і нуль-вимірних квантових структурах. Заповнення станів носіями. Електронні стани в надрешітках. Особливості фононного спектру в низькорозмірних структурах.
4. Електронний транспорт у наноструктурах. Механізми розсіяння і рухливість в структурах низької розмірності. Поперечний і подовжній транспорт у квантових шарах і нитках. Ефект резонансного тунелювання. Сплеск дрейфової швидкості, балістичне перенесення носіїв струму. Електронні властивості надрешіток.
5. Ефект одноелектронного тунелювання. Принцип кулонівської блокади.
6. Квантовий ефект Холла.

Методи формування наноелектронних структур

1. Вступ до нанотехнологій, Основна ідея нанотехнологій, підходи «зверху донизу» та «знизу доверху».
2. Методи нанесення плівок. Хімічне осадження із газової фази. Молекулярно-променева епітаксія, молекулярна збірка з газової фази. Інші методи нанесення наноплівок: рідиннофазна епітаксия, лазерне напилення, використання іонних променів.
3. Методи, що базуються на використанні скануючих зондів. Фізичні основи скануючої зондової мікроскопії. Скануючий тунельний мікроскоп. Атомний силовий мікроскоп. Магніто-силова мікроскопія, електросилова мікроскопія, ближнєпольна оптична мікроскопія. Методи дослідження нанооб'єктів і наноструктур: оптична і нелінійно-оптична мікроскопія, використання електронних і іонних пучків. Атомна інженерія. Паралельні і перпендикулярні процеси. Локальне окислення металів і напівпровідників. Локальне хімічне осадження з газової фази.
4. Нанолітографія. Межі оптичної літографії. Сучасна УФ літографія. Екстремальна УФ літографія. Електронно-променева літографія. Скануюча зондова літографія. Профілізація резистів скануючими зондами, Нанодрук (наноимпрінт). Пір'яна нанолітографія. Порівняння нанолітографічних методів.
5. Процеси, що саморегулюються. Супрамолекулярная хімія. Самоскладення (самовпорядкування). Самоорганізація в об'ємних матеріалах. Нанокристаліти в неорганічних і органічних матеріалах. Золь-гель технологія. Самоорганізація при епітаксії. Методи молекулярного напластовування. Осадження плівок Ленгмюра-Блоджетт.

Наноматеріали та наноструктури:

1. Наноматеріали. Формування наноструктурованих матеріалів. Критерії визначення наноматеріалів: розмір, розмірність і функціональні властивості. Класифікація наноматеріалів і наноструктур: нанокристали, нанокластери, нульвимірні, лінійні, двовимірні і тривимірні наностуктури. Наноструктуровані матеріали. Фрактальні наностуктури. Аерогелі.
2. Поруватий сіліцій: отримання, енергетична діаграма, властивості, використання. Поруватий оксид алюмінію, отримання і наностуктури на його основі. Використання нанопоруватих оксидів.
3. Структури на основі вуглецю: графен, фуллерени, фуллеріти, нанотрубки. Отримання, властивості та використання графену. Класифікація, будова, отримання та використання вуглецевих нанотрубок. Виготовлення і використання нанотрубок з інших напівпровідникових матеріалів.

Електронні властивості наноструктур:

1. Субмікронні польові транзисторні структури, прояви розмірних квантових ефектів.
2. Структури з поперечним транспортом електронів. Надрешітки.
3. Резонансно-тунельні структури, властивості, моделювання, використання у КВЧ-техніці.
4. Вуглецеві наноструктури: графенові структури, транзисторні структури на вуглецевих нанотрубках, неоднорідні нанотрубки, діамондоїди, лінії передачі, антени та інші компоненти з нанотрубок, транзисторні наносенсори.
5. Інтерференційні явища: на магніто- та електростатичному ефекті Ааронова-Бома, Т-транзистор на квантових нитках, транзистор на молекулі бензолу, фотонний ключ.
6. Одноелектронні структури: одноелектронне тунелювання, провідність балістичного контакту, квант провідності, двобар’єрна одноелектронна структура, одноелектронний транзистор.
7. Спінтронні структури. Принципи побудови і різновиди спінових транзисторних структур. Інтегральні логічні елементи і елементи пам'яті на основі спінових транзисторів.
8. Молекулярні наноелектронні структури.