Мезоскопическая физика — это раздел физики конденсированного состояния , который занимается материалами промежуточного размера. Размеры этих материалов варьируются от наномасштаба для количества атомов (например, молекулы ) до размеров материалов, измеряемых микрометрами . [1] Нижний предел также может быть определен как размер отдельных атомов. В микроскопическом масштабе это объемные материалы. Как мезоскопические, так и макроскопические объекты содержат много атомов. В то время как средние свойства, полученные из составляющих материалов, описывают макроскопические объекты, поскольку они обычно подчиняются законам классической механики , мезоскопический объект, напротив, подвержен влиянию тепловых флуктуаций вокруг среднего значения, и его электронное поведение может потребовать моделирования на уровне квантовой механики . [2] [3]
Макроскопическое электронное устройство, уменьшенное до мезоскопического размера, начинает проявлять квантово-механические свойства. Например, на макроскопическом уровне проводимость провода непрерывно увеличивается с его диаметром. Однако на мезоскопическом уровне проводимость провода квантуется : увеличение происходит дискретными или отдельными целыми шагами. В ходе исследований мезоскопические устройства конструируются, измеряются и наблюдаются экспериментально и теоретически с целью углубления понимания физики изоляторов , полупроводников , металлов и сверхпроводников . Прикладная наука мезоскопической физики занимается потенциалом создания наноустройств.
Мезоскопическая физика также занимается фундаментальными практическими проблемами, которые возникают при миниатюризации макроскопического объекта, как в случае миниатюризации транзисторов в полупроводниковой электронике. Механические, химические и электронные свойства материалов изменяются по мере приближения их размера к наномасштабу, где процент атомов на поверхности материала становится значительным. Для объемных материалов размером более одного микрометра процент атомов на поверхности незначителен по отношению к числу атомов во всем материале. Субдисциплина в основном имела дело с искусственными структурами из металла или полупроводникового материала, которые были изготовлены с помощью методов, используемых для производства микроэлектронных схем. [2] [3]
Не существует строгого определения для мезоскопической физики , но изучаемые системы обычно находятся в диапазоне от 100 нм (размер типичного вируса ) до 1 000 нм (размер типичной бактерии): 100 нанометров являются приблизительным верхним пределом для наночастицы . Таким образом, мезоскопическая физика тесно связана с областями нанопроизводства и нанотехнологии . Устройства, используемые в нанотехнологии, являются примерами мезоскопических систем. Три категории новых электронных явлений в таких системах - это эффекты интерференции, эффекты квантового ограничения и эффекты зарядки. [2] [3]
Эффекты квантового ограничения описывают электроны в терминах уровней энергии, потенциальных ям , валентных зон , зон проводимости и запрещенных зон электронов .
Электроны в объемных диэлектрических материалах (больше 10 нм) можно описать энергетическими зонами или уровнями энергии электронов. Электроны существуют на разных энергетических уровнях или полосах. В объемных материалах эти уровни энергии описываются как непрерывные, поскольку разница в энергии незначительна. Поскольку электроны стабилизируются на различных уровнях энергии, большинство из них вибрируют в валентных зонах ниже запрещенного уровня энергии, называемого запрещенной зоной . Эта область представляет собой диапазон энергий, в котором не существует электронных состояний. Меньшее количество имеет уровни энергии выше запрещенной зоны, и это зона проводимости.
Эффект квантового ограничения можно наблюдать, когда диаметр частицы имеет ту же величину, что и длина волны волновой функции электрона . [4] Когда материалы настолько малы, их электронные и оптические свойства существенно отклоняются от свойств объемных материалов. [5] По мере того, как материал миниатюризируется до наномасштаба, ограничивающий размер естественным образом уменьшается. Характеристики больше не усредняются по объему и, следовательно, непрерывны, а находятся на уровне квантов и, таким образом, дискретны. Другими словами, энергетический спектр становится дискретным, измеряемым как кванты, а не непрерывным, как в объемных материалах. В результате запрещённая зона заявляет о себе: существует небольшое и конечное разделение между уровнями энергии. Эта ситуация дискретных уровней энергии называется квантовым ограничением .
Кроме того, эффекты квантового ограничения состоят из изолированных островков электронов, которые могут быть сформированы на структурированном интерфейсе между двумя различными полупроводниковыми материалами. Электроны обычно ограничены дискообразными областями, называемыми квантовыми точками . Ограничение электронов в этих системах значительно изменяет их взаимодействие с электромагнитным излучением, как отмечено выше. [6] [7]
Поскольку уровни энергии электронов квантовых точек являются дискретными, а не непрерывными, добавление или вычитание всего нескольких атомов к квантовой точке имеет эффект изменения границ запрещенной зоны. Изменение геометрии поверхности квантовой точки также изменяет энергию запрещенной зоны, опять же из-за малого размера точки и эффектов квантового ограничения. [6]
В мезоскопическом режиме рассеяние на дефектах, таких как примеси, вызывает эффекты интерференции, которые модулируют поток электронов. Экспериментальной сигнатурой эффектов мезоскопической интерференции является появление воспроизводимых флуктуаций физических величин. Например, проводимость данного образца колеблется, по-видимому, случайным образом в зависимости от флуктуаций экспериментальных параметров. Однако ту же самую картину можно проследить, если экспериментальные параметры циклически возвращаются к своим исходным значениям; фактически, наблюдаемые закономерности воспроизводятся в течение периода в несколько дней. Они известны как универсальные флуктуации проводимости .
Эксперименты с временным разрешением в мезоскопической динамике: наблюдение и изучение в наномасштабах динамики конденсированной фазы , такой как образование трещин в твердых телах, разделение фаз и быстрые колебания в жидком состоянии или в биологически значимых средах; а также наблюдение и изучение в наномасштабах сверхбыстрой динамики некристаллических материалов. [8] [9]