Моделирование процесса взаимной диффузии двухкомпонентной среды

Как известно, самые интересные открытия и технологические новшества  встречаются на стыке разных наук.Бурное развитие высокоточной техники, позволяющей манипулировать нанометровыми объектами, и, что люди наконец-то научились получать полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки), которые представляют собой любопытнейшие структуры.  Говоря в двух словах, квантовая точка - это специальным образом полученный наноразмерный объект, в силу своих малых размеров обладающий не непрерывным, а дискретным энергетическим спектром. Внутри квантовой точки обычно находится несколько электронов, которые удерживаются там электромагнитными полями. Такую конфигурацию электромагнитных полей физики обычно называют потенциальной ямой, из-за того что, однажды "провалившись" в эту яму, электрон без посторонней помощи уже не может оттуда "выбраться". Обычно квантовую точку изображают так, как показано на нашем рисунке (рис. 1).

Как уже говорилось, размеры  квантовой точки настолько ничтожны, что по законам квантовой механики в ней начинают проявляться эффекты  квантования энергетических уровней, на которых могут находиться электроны. Это означает, что электрон, находящийся  внутри квантовой точки, может иметь  не любую энергию, какую ему вздумается, а только одну из набора вполне определенных значений, зависящих от конфигурации точки, ее размеров, окружения и так  далее. Внешний вид квантовых точек также существенно зависит от условий их получения. Как же получить такие маленькие объекты, да еще и нужной нам формы и размеров? 

Существует несколько  методов получения квантовых  точек.

1. метод молекулярно-лучевой эпитаксии
2. мосгидридная газофазная эпитаксия
3. метод коллоидного синтеза

Метод молекулярно – лучевой эпитаксии

Этот метод позволяет  выращивать КТ на тщательно очищенных подложках (рис. 2). В условиях глубокого вакуума на подложку направляют поток атомов или молекул, получаемый испарением вещества со специально подготовленных источников. Если в качестве источников по очереди использовать вещества с различной шириной запрещенной зоны, можно вырастить на подложке характерную «пирамидку».

Этот метод был достаточно хорошо отработан еще при производстве полупроводниковых структур и на данный момент наиболее распространен. Особенно качественные КТ получаются при подборе исходных веществ с наиболее близкими периодами кристаллической решетки. Однако здесь следует отметить, что характерные «пирамидки» растут на подложке, только если периоды кристаллической решетки существенно различаются. В этом случае на границе соприкосновения материалов появляются упругие напряжения, которые заставляют атомы осаждаемого вещества собираться в «капли» и «островки», поскольку такая конфигурация осаждаемого слоя становится более энергетически выгодной, чем равномерное распределение. Свойства получаемой структуры зависят от конкретных условий используемого тех-процесса: степени чистоты материалов, их физико-химических свойств, совершенства кристаллической структуры подложки, температуры, при которой проходит процесс, и т. д.

В большинстве случаев  все эти параметры подбираются  экспериментальным путем. Для серийного производства КТ путем молекулярно-лучевой эпитаксии важно, чтобы геометрические размеры получаемых КТ были по возможности наиболее близкими. На данный момент разработаны техпроцессы, при которых получаемые КТ различаются по размерам всего в пределах 2–3%.

Мосгидридная газофазная эпитаксия

При мосгидридной газофазной эпитаксии (МОСГЭ) гетероструктуры выращиваются в газофазном реакторе при атмосферном давлении. Газовой фазой в таких реакторах обычно является горячий поток водорода, смешанный с атомами осаждаемого вещества. В одном из экспериментов в качестве источников полупроводниковых молекул использовались арсин, а также триметилгаллий или триметилиндий. Для формирования КТ триметилгаллий и арсин подавались в реактор поочередно. Кроме того, в качестве легирующей примеси использовался хлорид углерода ССl4. В результате экспериментов было показано, что в диапазоне температур рабочей области 430…650 °С наиболее качественные гетероструктуры выращивались при рабочей температуре около 580 °С и легировании ССl4. Интенсивность фотолюминесценции таких КТ была на порядок выше, чем у контрольных образцов. Показано, что, изменяя различным образом параметры процесса роста квантовых точек InAs/GaAs, можно в широких пределах управлять параметрами получаемых КТ.

Метод коллоидного синтеза

Метод коллоидного синтеза обладает рядом преимуществ:

• возможность контролировать процесс роста квантовых точек, например с помощью варьирования температурных параметров;
• возможность получать квантовые точки в виде порошка;
• относительно невысокие температуры синтеза;
• метод позволяет синтезировать квантовые точки с небольшим разбросом геометрических параметров (дисперсия среднего размера 5-10 %);
• возможность синтеза квантовых точек с высоким квантовым выходом флуоресценции.

В действительности коллоидный метод  обладает и некоторыми недостатками, например необходимость подбирать эмпирически технологические параметры синтеза, вызванные относительной молодостью данного метода.

В общем метод коллоидного синтеза, основывается на процессе нуклеации (образования зародышей новой фазы из метастабильного состояния). В нагретую дисперсионную среду впрыскивается состав с необходимыми химическими реагентами. В результате его происходит быстра химическая реакция, с образованием зародышей твёрдой фазы из локально пересыщенного раствора. Заметим что дисперсионная среда должны непрерывно подмешиваться, что требует специального реактора. Рост частиц твёрдой фазы осуществляются в соответствии с механизмом созревания Оствальда. Т. е. крупные частицы, которые достигли определённых размеров растут за счёт частиц обладающих меньшим размером. Это означает, что в растворе существует критический размер частиц  , частицы обладающие меньшими размерами ( ) растворяются, а частица обладающие большими размерами ( ) растут, причём критические размеры (в нашем случае критический радиус) непостоянны а увеличиваются с уменьшением пресыщенности раствора. Принцип созревания Оствальда продемонстрирован на рисунке 2.

Созревание Оствальда подобен процессам слияния капель в жидкости, оно относится к диффузионным процессам, поэтому его можно контролировать подбором температуры синтеза.

Квантовые точки — наноматериал с необычайными спектральными характеристиками — найдет применение в молекулярной медицине, биологических исследованиях и даже станет основой наноустройств будущего.Квантовые точки, обычно используемые в дисплеях, также могут передавать изменения температуры в клетке.Точки имеют два слоя – внутреннее ядро селенида кадмия и внешняя оболочка сульфида цинка. Так как квантовые точки биосовместимы, учёные используют их в качестве альтернативы флоуресцентным красителям, чтобы метить и отслеживать клеточные компоненты, чаще всего в пробирках.

Наличие квантовой ямы  и запертых в ней электронов делает КТ необычайно удобным объектом для  целого ряда практических приложений. Прежде всего, здесь нужно упомянуть  использование КТ в светоизлучающих  конструкциях.