Что делать нанометрологии в этой ситуации, как измерять такие нанобьекты? Надо воспользоваться возможностями квантовой физики. Квантовая физика в микромире наноразмеров оперирует такими понятиями как квантовые ямы, нити, точки.
Квантовая яма - тонкий плоский слой полупроводникового материала (обычно толщиной ~ 1-10 нм), внутри которого потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами. Таким образом, движение электрона ограничено в одном измерении. Движение в направлении, перпендикулярном плоскости квантовой ямы, квантуется, и его энергия может принимать лишь некоторые дискретные значения [ 6. ]
Квантовая нить - объект нитеобразной формы с поперечными размерами, удовлетворяющими условию размерного квантования. Потенциальная энергия электрона в таком объекте ниже, чем за его пределами, и за счет малых поперечных размеров (обычно ~ 1-10 нм) движение электрона ограничено в двух измерениях. Движение вдоль оси нити остается свободным, в то время как движение в других направлениях квантуется, и его энергия может принимать лишь дискретные значения.
Квантовая точка - частица материала с размером, близким к длине волны электрона в этом материале (обычно размером ~ 1-10 нм), внутри которой потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами. Таким образом, движение электрона ограничено во всех трех измерениях [7].
Электронный спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и формально соответствует электронному спектру одиночного атома. Однако реальная квантовая точка может состоять из сотен тысяч атомов. Минимальный и максимальный размеры квантовых точек зависят от того, из каких веществ она создана: например, для системы InAs-AlGaAs - минимальный размер квантовых точек составляет ~ 4 нм, а максимальный размер не должен превышать величины ~ 30 нм.
Квантовая точка - это ловушка для электронов, имеющая столь малый радиус, что размер волновой функции любого электрона сравним с этим радиусом. Поэтому все состояния в ней квантованы, как в атоме или молекуле. Обычно квантовые точки создаются путем наложения электродов на гетероструктуру - "сэндвич" из двух полупроводников: GaAs / (Ga, Al) As.
На границе (интерфейсе) между полупроводниками образуется двумерный электронный газ. Некоторая часть этих электронов улавливается в замкнутую электростатическую ловушку, созданную электродами. Эта ловушка и есть квантовая точка.
Двумерные электроны под действием приложенного напряжения могут туннелировать через квантовую точку по одному. В результате вместо линейной зависимости тока от напряжения, ( как предписывается для макро-области всем известным законом Ома), график вольт-амперной характеристики имеет ступенчатую форму.
Каждая ступенька отвечает туннелированию следующего электрона под действием напряжения. Таким образом, электроны в квантовой точке можно пересчитывать по одиночке! [8].
Рассмотренные понятия являются базовыми положениями квантовой механики - квантовыми структурами. В них движение электронов подчиняется законам квантовой физики - его энергия имеет строго определенные, дискретные значения, а спектр энергий, как и в атоме, квантован. Спектр определяет волновая функция Шредингера, описывающая "жизнь" микрочастицы.
С понятием квантовая яма связано понятие - туннельный эффект - преодоление частицей потенциального барьера в случае, когда ее энергия (остающаяся при этом неизменной) меньше высоты барьера. Это явление имеет квантовую природу, так как подразумевает собой прохождение частицы сквозь область пространства, пребывание в которой запрещено классической механикой, например, перемещение электрона через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два проводника.
Для качественного понимания туннельного эффекта достаточно лишь вспомнить один из основополагающих законов квантовой физики - принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно точно определить положение в пространстве (координаты) и импульс частицы одновременно.
Таким образом, малая неопределенность координат частицы (с точностью до толщины барьера) приводит к неопределенности ее импульса, а следовательно, и кинетической энергии. Соответственно, появляется некоторая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер.
На этом фундаментальном явлении работает сканирующий туннельный микроскоп. Принцип его работы основан на измерении туннельного тока, который возникает между поверхностью исследуемого образца и тонкой иглой, расположенной на сверхмалом расстоянии. Когда игла находится непосредственно над атомом, сила туннельного тока возрастает. Таким образом, при помощи туннельного микроскопа удается буквально ощупывать образцы и исследовать атомную структуру поверхности
Фрагментарно рассмотренные выше проблемы нанотехнологий показывают сложность проблемы вхождения в мир наноразмеров. В настоящее время доказано, что получить информацию о наномире без воздействия на его природу невозможно. Еще сложнее решить другую непростую задачу - измерить с достаточной точностью физические характеристики нановеществ и наносред, не нарушив их первоначального состояния. Как раз эту задачу и призвана решать наука - нанометрология.
