Muhammad Al-Xorazmiy nomidagi Toshkent axborot
texnalogiyalari universiteti
Farg’ona filiali Dasturiy injinering va raqamli
iqtisodiyot fakulteti
Axborot xavfsizligi yo’nalishi talabasi
Ro’zimatov Shuhratjonning fizika fanidan tayyorlagan
Referati
Mavzular:
1.Kvant o‘ralar va ularning xususiyatlari.
2.Suyuq kristallar va ularning xususiyatlari.
3.Ultratovush va uning qo’llanilishi.
4.Dia-,para-,ferro- magnetizm tabiati
5.Yarim o‘tkazgich - yarim o‘tkazgich kontakti.
1.Kvant o’ralar
Nanotehnalogiya – bu moddalar bilan ishlashdan alohida atomlarni boshqarishga o’tishi:
nanoo’lchamda moddani ko’plab mehanik, termodinamik , magnit va elektrik
harakteriskalari holati o’zgarib ketadi. Masalan , oltin nanozarralari hajmiy oltin zarralaridan
katalitik, feromagnitik, to’g’rilovchi optik hossalari, o’ziyig’ilishga qodirligi bilan farq qiladi.
Ular yorug’likni yahshi yutadi va sochadi, zaharsiz, kimyoviy stabil, biyomoskeluchi.
Ularning intensiv bo’yashda(tovlanish) hozirda dedektirlash uchun, vizualiyashgan va
biyotibbiyot obektlar miqdorni aniqlashda foydalanilmoqda [1-7]. Oltin nanozarralari butun
boshli asboblar diyagnostika vositalardan tortib har hil turdagi sensorlar, optik tolali va
kampyuter nanosxemalarini[8-9] yaratishda itiqbollidir. Ko’rsatilgan hususiyatlar tufayli
oltin nanozarralari asosiy metodlari va tushunchalari bilan osson tushunarli universal obekt
modili nanofanni tanishtirish uchun qulay rol o’ynashi mumkin,
Zamonaviy texnik tizimlar va vositalarni boshqarish hamda fan va texnikaning rivojlanishi
elektronikaning etakchi tarmoqlaridan biri bo’lgan mikroelektronika hamda endigina paydo
bo’layotgan nanoelektronika sohalarida faoliyat ko’rsatadigan malakali mutaxacsislarni
tayyorlash bilan uzviy bog’liqdir.
Zamonaviy elektronika mahsulotlari bo’lmish integral mikrosxemalar, mikroprostessorlar,
o’ta yuqori chastotali detektorlar, quyosh elementlari, lazerlar, elektron hisoblash mashinalar
va o’ta yuqori xotirali tizimlar va boshqa noyob elektrik asboblarni yaratish yangi
xususiyatga ega bo’lgan yupqa va o’ta yupqa ko’p komponentli qatlamlar tizimlarini
yaratishni taqozo qiladi. Shu boisdan ham keyingi yillarda yupqa va o’ta yupqa qatlamlar
hosil qilish texnologiyasi va fizikasiga bo’lgan e’tibor keskin ortib ketdi.
Yupqa plyonkalar olish va ularning xususiyatlarini o’rganish o’tgan asrning 70 yillardan
boshlab qo’llanilib kelinayotgan an’anaviy usullari mavjud.
Bu usullar bilan olingan plyonkalarning qalinligi asosan bir necha mikrondan o’nlab
mikrongacha bo’lib, ular qattiq jismli elektron asbobsozlikda hozirgi kunda ham
muvaffaqiyatli qo’llanilib kelmoqda. Hozirgi vaqtga kelib yupqa (d 102 103 nm) va o’ta
yupqa (d<100 nm) plyonkalar olishning zamonaviy molekulyar nurli epitaksiya(MNE),
qattiq fazali epitakstiya(QFE), ionlar implatastiyasi va eng zamonaviy (nanoassembler)
usullari orqali hosil qilish mumkin. Zamonaviy usullar yordamida asosan plyonka hosil
qilish o’ta yuqori vakuum sharoitda olib borilishi, o’ta yaxshi tozalangan asos(taglik)lardan
va atom(molekula) manbalaridan foydalanilishi, plyonkalarning mukammalligi(yuqori
darajada tekisligi, bir jinsliligi, silliqligi, monokristalligi) bilan eski (tradistion) usullaridan
tubdan farq qiladi.
Hozirgi paytda nanoelektronika rivojlanmoqda, ya’ni elektron asbobsoslikda qalinliklari
o’nlab nanometr (1 nm = 10-9 m) bo’lgan plyonkalarni ishlatish ustida ishlar olib
borilmoqda. Bunday plyonkalar ustma-ust, qatlama-qatlam qilib joylashtirilib aktiv va passiv
elementlar hosil qilishda ishlatilishi mumkin. Fan va texnika rivojlanib uch o’lchamli
tizimlar hosil qilinmoqda. Bunday tizimlarda 1 sm3 hajmda yuz minglab-millionlab yupqa
plyonkali elementlarni joylashtirish mumkin. Ular asosida hosil qilingan integral sxemalar
katta va o’ta kattaintegral mikrosxemalar debataladi.
Demak, kerakli maqsadlarda ishlatilishi mumkin bo’lgan yupqa qatlamlarni hosil qilish,
ularning tarkibini, kristall va elektron tuzilishini, fizik va kimyoviy xususiyatlarini o’rganish
fanning ahamiyatini belgilasa, olingan yupqa plyonkalarning asbob sifatida ishlatilishi uning
xalq ho’jaligida va texnikada qo’llanilishini aks ettiradi.
Ma'lumki, klassik mexanika moddiy zarralarning aniq chiziqlar, ya'ni traektoriyalar bo‘ylab
harakat qilishini miqdoriy qonuniyatlar yordamida o‘rganadi. Bunda zarraning boshlang‘ich
holatini ifodalovchi shartlar ma'lum bo‘lsa, kelgusida uning qanday bo‘lishi ham aniqlanadi.
Oqibat, fanda chuqur iz qoldiradigan va olamning mexanik manzarasini yaratish (barcha
hodisalarni mexanika qonunlari asosida tushuntirish)ga intilish paydo bo‘ldi.
Afsuski, olamni faqat mexanika qonunlari asosida butunlay tushuntirishning iloji yo‘q. Shu
bois, bunday qarashlar o‘zini oqlamadi desak, xato bo‘lmaydi. XIX asr oxiri XX asr
boshlarida matematika sohasida erishilgan yutuqlar (differentsial hisob, Minkovskiy
geometriyasi) tufayli mexanik qonunlarning yangi ko‘rinishlari paydo bo‘ldi. To‘lqin
tenglamalarining otasi Ervin Shryodinger tomonidan yaratilgan mikrozarralarning harakat
(Shryodinger) tenglamalari klassik tasavvurlarga sig‘maydigan natijalarga olib keldi.
Masalan, energiyaning kvantlanishi (klassik mexanikada esa energiya uzluksiz bo‘ladi).
O‘sha davrda bu tenglamalar to‘g‘risida fikr yuritishga jazm qiladigan inson yo‘q edi. Sababi,
bunga ma'lum ma'noda «fandagi shakkoklik» deb ham qaralgan.
Kvant fizikasining asoschilaridan biri M. Plank 1879 yili Myunxenda dissertatsiyasini
himoya qilgandan keyin ustozi Filip fon-Jolliga nazariy fizika bilan shug‘ullanish niyati
borligini aytadi. Ustoz esa o‘z navbatida nazariy fizika poyoniga yetgani, faqat ba'zi xususiy
hollar, boshlang‘ich va chegaraviy shartlarni o‘zgartirib differentsial tenglamalarning
echimini topish qolgani, umuman, bu «istiqbolsiz ish» bilan shug‘ullanish befoydaligini
uqtiradi.
Shunga qaramay, Plank nazariy fizika bilan shug‘ullanishni davom ettirib, 1900 yili
elektromagnit nurlanishning diskret ekanligini kashf qildi. 1905 yilda Eynshteyn tomonidan
elektromagnit maydonning energiyasi diskret strukturaga egaligi, undagi eng kichik zarra
fotonni aniqlaydi, keyinchalik atomning kvant nazariyasi va kvant mexanikaga asos soladi.
U davrda kvant mexanikasi tushunchalarining ilm ahli tomonidan qabul qilinishi juda qiyin
kechdi. Boisi, birinchidan, kichik zarralarning kichik o‘lchamlarda harakat traektoriyasi
degan tushunchaning yo‘qligi, ikkinchidan, Veyner Geyzenberg tomonidan kiritilgan
noaniqlik printsipi edi. Unga ko‘ra, kichik o‘lchamlarda zarrachaning impulsi va
koordinatasi (energiya yoki vaqt)ni bir vaqtda katta aniqlikda o‘lchab bo‘lmaydi.
Nobel mukofotining laureati Richard Feynman tomonidan yaratilgan kvant mexanika
borasida ko‘pchilik bu murakkab formulalar to‘plamidir, degan fikrda. Olim etuk mutaxassis
sifatida kvant mexanikasining yuksak istiqbolini ko‘ra bilgan. Uning ta'kidlashicha:
«Insonlar kelgusida alohida atomlarni boshqarishni o‘rganib olib, xohlagan narsalarini
yaratishlari (sintez qilishlari) mumkin». Sohaning keyingi rivoji jism zarralari harakatini
o‘lchamning kvantlanishi masalalariga olib keldi. Bunda erkin zarraning harakatini biror-bir
o‘lcham yoki yo‘nalish bo‘yicha chegaralasak, ya'ni kvantlasak, natijada uning harakat
qonunlari erkin zarranikidan butunlay farq qiladi. Kvantlashni davom ettirib, zarraning
harakatini ikki o‘lcham bo‘yicha (bir o‘lchamli tuzilmalar), so‘ngra uni uchala o‘lcham
bo‘yicha ham chegaralasak (nol o‘lchamli tuzilmalar), butunlay yangi hodisalar va
qonuniyatlar namoyon bo‘lar ekan. Xususan, 1987 yili ikki o‘lchamli elektronlar gazida
kvant va kasrli kvant Xoll effektlarining kashf etilishi past o‘lchamli tuzilmalarga qiziqishni
kuchaytirdi. Ikki o‘lchamli tuzilmalarda yorug‘likning katta miqdorda sochilishi va yutilishi,
yupqa pardalarda ulkan magnit qarshiliklar, uglerod asosidagi kvant o‘lchamli yirik
molekulalar, fullurenlarning kashf etilishi va ularning amaliyotda ishlatilish istiqbollari - bu
sohadagi izlanishlarga katta turtki berdi.
O‘lchamli kvantlanishni yarim o‘tkazgichlarda namoyon qilish yuqori texnologiyalar
(molekulyar nurli epitaktsiya) yordamida biror taglik ustida nafaqat kristolografik tuzilishi,
balki kimyoviy tarkibi ham bir-biridan farq qiladigan o‘ta yupqa qatlamlar o‘stirish orqali
amalga oshirildi. Bu sohadagi tadqiqot ishlari o‘tgan asrning 70-yillaridan boshlandi.
E'tiborlisi, asosan uchlangan birikmalar asosida Alx Ga1-x As ikkilangan geteroo‘tishlar
hosil qilish ustida tadqiqotlar olib borildi va natijada 2003 yili nemis olimi Bimberg va rus
olimi J.Alfyorov Nobel mukofotiga sazovor bo‘lishdi. Hozir yarim o‘tkazgichlardagi past
o‘lchamli strukturalar quyidagilarga bo‘linadi:
- kvant nuqtalar (KN) - bu strukturalarning o‘lchamlari mavjud uch yo‘nalish bo‘yicha qator
atomlar orasidagi masofa tartibida bo‘ladi (KNlarni ba'zan sun'iy atomlar deb ham atashadi).
Masshtabiga bog‘liq ravishda struktura nol o‘lcham (0D) yoki uch o‘lchamli (3D)
hisoblanadi. Bu erda D-dimention - o‘lcham, massiv, o‘lchov, kattalik, hajm so‘zlarining
birinchi harfi bo‘lib, uning oldidagi raqam esa tuzilma geometrik o‘lchami tartibini bildiradi;
- kvant simlar (KS) yoki kvant iplar (KI) - bunda strukturalar o‘lchamlari ikki yo‘nalish
bo‘yicha bir necha atomlar orasidagi masofaga teng bo‘ladi, uchinchi yo‘nalish bo‘ylab esa
o‘lcham makroskopik qiymatga ega bo‘ladi (1D);
- kvant devorlar (KD), boshqacha aytganda, kvant chuqurliklar (KCh) -strukturalarning
o‘lchamlari bir yo‘nalish bo‘yicha qator atom oralig‘idagi masofa tartibida bo‘ladi, qolgan
ikki yo‘nalish bo‘yicha esa o‘lcham makroskopik qiymatga ega bo‘ladi (2D).
O‘lchami chegaralangan muhitda elektronlar holati va tashqi ta'sirlarga javobi quyidagicha
kechishi mumkin. Faraz qiling, o‘quvchi bola futbol maydonida turibdi. U uch o‘lcham
bo‘yicha harakat qilishi, to‘rt tarafga yugurishi va yuqoriga sakrashi mumkin. Demak, u X,
Y, Z koordinata o‘qlar bo‘yicha erkin harakat qiladi. Bunga bolaning uchta erkinlik darajasi
bor deyiladi. Yuqoriga harakat qilishi, sakrashini tepadan devor bilan chegaralasak, u faqat
chor atrofga XOY koordinata tekisligida yugurishi mumkin. Bunda bolaning harakati ikki
o‘lchamli bo‘ladi. Bolani ikki yon tomondan ham devorlar bilan to‘sib, harakatni yana
chegaralasak, u faqat oldinga harakat qila oladi. Agar harakati faqat bitta koordinata o‘qi
bilan belgilansa, u bir o‘lchamli deyiladi. Bola harakati old va orqadan chegaralansa, u
harakatlana olmaydi. Bu uning harakati nuqtadan iborat degani.
Yuqorida keltirilgan to‘rt holatda bolaning tashqi ta'sirga beradigan javobini tasavvur qilib
ko‘ring. Birinchi holda u erkin, ikkinchisida sakrashga da'vat qilinsa-da, bunga imkoni yo‘q,
uchinchi vaziyatda esa faqat oldinga va orqaga harakat qila oladi. Tashqi da'vat uni yon
tomonga undasa-da, buning iloji bo‘lmaydi. To‘rtinchi holatda harakati butunlay cheklangan,
u faqat etarli bo‘lgan tashqi kuchlar ta'siridagina devorlardan oshishi mumkin, kuch etarli
bo‘lmasa, o‘z holatini o‘zgartira olmaydi. Barcha holda ham bolaning tashqi ta'sir yoki
da'vatlarga javobi turlicha, ba'zan esa g‘ayritabiiy bo‘lib, u o‘z vaziyatidan kelib chiqib,
javob beradi va hatto kutilmagan harakatlar qiladi. Elektron ham bolaga o‘xshab o‘zini
yuqorida tasvirlanganidek tutadi.
Chegaralangan tuzilmalarda zarracha yoki elektron energiyasini o‘z holatidan kelib chiqib
o‘zgartirdi, potentsial to‘siq (devor)larni engish uchun etarlicha energiya berilsagina oshib
o‘tadi, aks holda, energiya qancha katta bo‘lmasin, natija kuzatilmaydi. Oqibatda elektron
energiyasining uzluksiz ortishiga imkon bermay, sakrab, faqat ma'lum miqdorda
o‘zgarishiga olib keladi, fan tilida esa bu kvantlanish deb ataladi.
Mazkur hodisalar yordamida ko‘plab zamonaviy elektron asboblar va qurilmalar yaratish
mumkin. Ularga yarim o‘tkazgichli lazerlar, fotoelementlar, turli datchiklar, sensorlar,
tranzistorlar, doimiy xotira qurilmalari, DVD disklar, shuningdek, kvant kompyuterning
asosi bo‘lgan uch o‘lchamli kvant hodisalarga asoslangan mikrosxemalarni kiritish mumkin.
Quyida bu qurilmalar, magnit molekulalar, ularni olish va ishlab chiqarish usullari bilan
shug‘ullanuvchi yangi soha - «nanotexnologiya» bilan kengroq tanishamiz.
Magnit molekulalar
Tarkibida nodir Yer elementlari va o‘tish guruhi metallari ionlari bo‘lgan molekulyar
kristallarga magnit molekulyar nanoklasterlar deyiladi. Bu kristallarning tarkibiy qismi
bo‘lgan molekulalar murakkab tuzilishga ega. Ular qo‘shimcha ichki erkinlik darajasi -
magnit momentiga ega. Aynan shu magnit momenti ularning xossalariga xilma-xillik
bag‘ishlaydi va ularni tashqi magnit maydoni yordamida boshqarishga imkon beradi. Aytish
joiz, magnetizm mohiyatan kvant mexanik hodisadir. Mendeleev jadvalining ko‘pgina
elementlari atomlari, elektron spinlari kompensatsiyalanmaganligi tufayli magnit momentiga
ega. Ular orasida o‘tish guruhi metallari (Fe, Co, Ni, Mn va b.), lantanoidlar (nodir er
elementlari va aktanoidlar) eng ko‘p e'tiborga molikdir. Odatda molekulalar diamagnitdir,
ammo ba'zida, masalan, kislorod molekulalari bundan istisno bo‘lishi ham mumkin.
Makroskopik moddalarning magnit xossalari unchalik oddiy emas, chunki alohida atom yoki
molekulalarning magnit momentlari murakkab darajada. Alohida atomlarning magnit
xossalari juda yaxshi tushunarli. Hozirga qadar, tarkibida o‘tish guruhi yoki nodir Yer
elementlari atomlari mavjud bo‘lgan magnit kristallarning xossalari batafsil o‘rganilgan
bo‘lsa-da, qator savollar ochiq qolmoqda.
Gap shundaki, bu materiallarda mavjud uzoq magnit tartib alohida atomlarning magnit
xossasi hissalarining oddiy superpozitsiyasi emas. Magnit tartiblanish - bu jamoaviy kvant
mexanik hodisa bo‘lib, uning asosida Pauli printsipi bilan bog‘liq atom spinlari orasidagi
o‘ziga xos ta'sirlashuv yotadi. Bu almashinuv ta'sirlashuvi deyiladi.
Almashinuv ta'sirlashuvi moddaning makroskopik sohalarida spinlarning parallel
joylashuvini (ferromagnetizm), panjaraning qo‘shni tugunlarida antiparallel joylashuvi
(antiferromagnetizm) yoki magnit tartiblanishning boshqa murakkab shakllarini yuzaga
keltirishi mumkin. Magnetik klasterlar yoki magnit molekulalar alohida atomlarning
mikroskopik magnetizmini va kristall holda amorf jismlarning makroskopik magnetizmini
birlashtiruvchi bo‘g‘imdir. Shuning uchun ular ba'zan mezoskopik magnitlar deb ham
yuritiladi. Mezoskopik atamasi o‘rta, oraliq ma'nosini bildirib, modda makroskopik jism
sifatida shakllanmagan, biroq alohida atom emas, balki atomlar majmuasi bo‘lganda ularning
xossalarini tavsiflashda ishlatiladi.
Ana shunday xossalarga ega molekulalar o‘tish guruhi elementlari ishtirokida qurilgan (Fe,
Mn va b.) yuqori spinli metaloorganik molekulalar yoki magnit molekulalar deb ham ataladi.
Ta'kidlash lozim, bu molekulalarning uyg‘unligi va mukammalligi kishini hayratda
qoldiradi!.. Misol tariqasida oddiy Fe10 klasterlarni ko‘rib chiqaylik. Bu - xlor, kislorod va
uglerod ionlari bilan o‘ralgan o‘nta Fe3+ ionlari, ular orasidagi ta'sirlashuv antiferromagnit
xarakterga ega. Shu sabab, molekulaning asosiy holatida spini nolga teng S=0. Fe10 magnit
klasterini bir molekula doirasidagi antiferromagnetik deyish mumkin.
Mn6 marganets xalqasi bundan-da murakkab tuzilgan. Bu klaster Mn2+ ionlari va organik
radikallar ketma-ket joylashgan halqasimon uzilmadan iborat. Mn2+ ionlari spinlari (S=5/2)
va R radikallar spinlari (S=1/2) o‘zaro kuchli antiferromagnit ta'sirlashuv bilan bog‘langan,
shuning uchun Mn6 klasteri ferrimagnetik, ya'ni kompensatsiyalanmagan butun spinli
struktura ekan. Agar Mn2+ ionlarining barcha spinlari yuqoriga, radikallarniki pastga
yo‘nalsa, unda molekulaning to‘liq spini S=12 ga teng.
Bu kabi katta spinli klasterlar tabiatda kam uchrab, ular asosan laboratoriyalarda sintezlanadi.
Yangi magnit materiallarni yaratish uchun «qurilish g‘ishtlari» sifatida katta qiziqish
uyg‘otadi.
Ba'zi magnit klasterlarining (Mn2, Fe va b.) ajoyib xossalaridan biri molekulyar bistabillikdir.
Bunda magnit molekula ma'lum yo‘nalishda magnit momenti orientatsiyasi bilan farq
qiluvchi ikki holatda bo‘lishi mumkin. Mazkur holatlar orasidagi o‘tish tashqi magnit
maydoni bilan amalga oshiriladi. Boshqacha aytganda, bunday molekula tabiiy xotira
elementidir. Molekulalar orasidagi masofa ~10 nm bo‘lganda, ular yordamida xotiraga
axborot yozish zichligi 100 gigabit/sm.2 dan yuqori bo‘lgan bo‘lar edi.
XX asrning oxirgi o‘n yilligida olingan dastlabki real eksperimental natijalar katta bahs-
munozaralarga sabab bo‘ldi, yangi ilmiy yo‘nalish - kvant informatikani paydo etdi. Natijada
axborotni uzatish va qayta ishlash texnikasida inqilobiy o‘zgarishlar kuzatildi.
Magnit tuzoq yordamida tutib olingan elektron, spinining magnit maydoni yo‘nalishiga
proektsiyasi faqat ikki qiymatdan bittasini SZ=+1/2 va SZ=-1/2 qabul qilishi mumkin. Bu
informatikada qo‘llaniladigan mantiq: «1» va «0» deb qaralishi mumkin.
Magnit molekulalarning yuqorida tilga olingan xossalari kvant kompyuterlarini yaratish,
kvant telekommunikatsiya va kriptografiyada katta qiziqish uyg‘otmoqda.
Nano nima?
Keyingi o‘n yillikda jahon jamoatchiligi lug‘at boyligiga «nano» so‘zi kirib keldi. Xo‘sh,
«nano» nima? Qisqa qilib aytganda, nano milliarddan bir qismdir.
Nanotexnologiya tushunchasi uchun tugal va aniq ifoda yo‘q, ammo mavjud
mikrotexnologiya asosida bu o‘lchamlarni nanometrdagi texnologiya deb yuritish mumkin.
Shuning uchun mikrodan nanoga o‘tish bu moddani boshqarishdan atomni boshqarishga
o‘tish demakdir. Sohaning rivoji deganda esa asosan uchta yo‘nalish tushuniladi:
- o‘lchami atom va molekulalar o‘lchamlari bilan solishtirarli elektron sxemalarni tayyorlash;
- nanomashinalarni loyihalash va ishlab chiqish;
- alohida atom va molekulalarni boshqarish va ulardan alohida mikroob'ektlarni yig‘ish.
Bu yo‘nalishdagi izlanishlar ancha vaqtdan buyon olib borilmoqda. 1981 yilda tunnelli
mikroskop yaratilib, alohida atomlarni ko‘rish mumkin bo‘ldi. Shundan buyon texnologiya
sezilarli takomillashtirildi. Bugun bu yutuqlarni kundalik hayotda ishlatamiz: lazerli
disklarni ishlab chiqarish, jumladan, DVD disklardan nanotexnologik usulsiz foydalanish
mumkin emas.
Soha taraqqiyotidagi asosiy bosqichlarni bir eslab ko‘raylik.
1959 yil. Nobel mukofoti sohibi Richard Feynman kelajakda alohida atomlarni boshqarib,
odam har qanday moddani sintez qilishi mumkinligini bashorat qildi.
1981 yil. Binig va Rorer tomonidan moddalardan atomlar darajasida ta'sir qila oladigan
skanerlovchi tunnel mikroskopning yaratilishi.
1982-85 yillar. Sistemalarda atomar aniqlikka erishildi.
1986 yil. Atom quvvatli mikroskop yaratilib, u tunnel mikroskopidan farqli ravishda har
qanday, masalan, tok o‘tkazmaydigan material bilan ham ta'sirlasha oladi.
1990 yil. Alohida atomlarni boshqarishga erishildi.
1994 yil. Sanoatda nanotexnologik usullarning qo‘llanila boshlanishi.
Nanorobotlar davri boshlanyaptimi?
Ko‘pgina mutaxassislar mikrotexnologiya tarixi Richard Feynmanning 1959 yili Amerika
fiziklar jamiyatida o‘qigan mashhur ma'ruzasidan so‘ng boshlangan degan fikrda. U
mikrotexnologiya potentsialini boy bo‘yoqlarda tasavvur etadi. Ma'ruzalarida kompyuterlar,
axborotni saqlash qurilmalari, elektron qismlar va robotlar mitti holatda tasvirlangan edi.
Feynmanning mikroelektronika borasidagi bashoratlari tez (aniqrog‘i, 1960-70 yillarga
keliboq) amalga oshdi. 1980 yilda esa etakchi universitetlar va davlat laboratoriyalarida
nisbatan arzon usullarda mitti mexanik detallar yaratila boshlandi. Buning uchun
mikroelektromexanik sistemalar (MEMS) texnologiyasi ishlab chiqildi.
Amalda MEMSning ilk tijorat mahsuloti paydo bo‘lishi uchun 30 yil kerak bo‘ldi. Keng
tarqalgan dastlabki MEMS texnologiyalari tezlanish sensorlari xorijda har bir avtomobilga
o‘rnatilib, to‘qnashuvni payqash va havo yostiqchasini ishga tushirish uchun ishlatilardi.
Hozir yiliga 50 millionta bu kabi sensorlar ishlab chiqariladi. Shuningdek, «Sandiya» firmasi
ham samarali mikroskopik sensorlar yarata boshladi. 1990 yili yaratilgan avtonom robot
MARV 1 kub dyuym hajmda bo‘lgan, 2000 yilga kelib esa uning o‘lchamlarini 4 marta
kichiklashtirishga imkon tug‘ildi. Bu kabi robotlar kompyuter orqali boshqariladi,
bajaradigan vazifalari esa turli-tuman. Ishlab chiqaruvchilarning fikricha, ularning asosiy
vazifalari bomba va minalarni, xavfli biologik, kimyoviy va radioaktiv moddalarni qidirib
topish hamda zararsizlantirishdan iborat. Shu bilan birga, robotlardan inson faoliyatini
nazorat qilish, razvedkada va boshqa maqsadlarda foydalanish mumkin.
Ionlar implantasiyasi va kvant tuzilmalar
Ionlar implantatsiyasi - bu asos material taglik (masalan, kremniy)ga boshqa element
(masalan, Ge, Mn, Fe, Ni) ionlarini bombardimon qilib kiritishdir.
Bunda taglikka mo‘ljallangan miqdorda begona atomlarni ionlar energiyasi va dozasini
boshqarish orqali kiritiladi. Kiritilgan katta miqdordagi va nomuvozanatdagi atomlar o‘z-
o‘zidan tashkillashish jarayonlari tufayli katta sondagi 10 000 tagacha atomlarning bir
nuqtadagi birikmalari - nanoklasterni hosil qiladi va ular kvant xususiyatlilar deyiladi.
Keyingi yillarda yarim o‘tkazgichlar sirtida KNlarni ionlar implantatsiyasi usuli yordamida
hosil qilish va ularning xossalarini o‘rganish shiddat bilan rivojlanmoqda. Jumladan,
jahondagi ko‘plab ilmiy markazlarda kremniy kristaliga germaniy ionlarini implantatsiya
qilish yordamida KNlar hosil bo‘lishi, ularning shakli va xossalarga ta'sirini o‘rganishga
bag‘ishlangan qator ilmiy ishlar mavjud.
Hozirgi zamon elektron texnikasining asosiy materiali bo‘lib hisoblangan kremniy
kristallarida bunday ob'ektlarni hosil qilish juda istiqbolli masala hisoblanadi. Kremniy
kristaliga kiritiladigan aralashmalar miqdori ularning kremniydagi eruvchanligi bilan
chegaralangan. Bu chegarani o‘zgartirish uchun qo‘llaniladigan usullardan biri ionlar
implantatsiyasi usulidir. O‘tish guruhiga kiruvchi elementlar atomlarini kremniyga kiritish
ularning fizik va rekombinatsion parametrlarini tubdan o‘zgartirib yuboradi. Shu tufayli,
bunday aralashmalar kiritilayotgan kremniy namunalari o‘ta sezgir datchiklar sifatida xalq
xo‘jaligining turli sohalarida ishlatiladi. Bunday aralashmalardan tashkil topgan KNlarni
hosil qilish ham, albatta, amaliy jihatdan juda qiziqarlidir.
Ionlar implantatsiyasi yordamida kremniy kristaliga kiritilgan Fe+ va Mn+ ionlarining
KNlarni hosil qilish sharoitlari va ularning elektrofizik va fotoelektrik xossalarga ta'sirini
o‘rganishga bag‘ishlangan qator tajribalar o‘tkazilgan. Haqiqatdan ham, KNga ega bo‘lgan
bunday namunalarda spektrning yaqin va o‘rta infraqizil sohasida anomal ravishda katta
bo‘lgan foto sezgirlik, turli xil tok noturg‘unliklari, gigant magnit qarshiligi va shunga
o‘xshash juda ko‘p qiziqarli hamda amaliy jihatdan istiqbolli natijalar olingan. Ular temir
hamda o‘tish guruhiga kiruvchi elementlar atomlarining ionlashgan holatida murakkab
molekulalar (masalan: Mn6, Mn12, Fe8, Fe10 va h.k.), ya'ni KNlar hosil bo‘lishi bilan
tushuntiriladi.
Darhaqiqat, so‘nggi davrlarda o‘tish guruhi elementlari - Fe, Co, Ni, Mn kabilarning ma'lum
sharoitlarda kislorod, vodorod va uglerod atomlari bilan o‘zaro ta'sirlashib o‘z-o‘zidan
tashkillanish jarayonlari tufayli juda katta spinga ega bo‘lgan (S=12) ulkan magnit
molekulalarning hosil bo‘lishi, ularning magnit xossalarini o‘rganish jadal sur'atlar bilan
amalga oshirilmoqda. Bunday molekulalar maxsus texnologiya yordamida olingan, ularning
magnit xossalari juda past haroratlarda namoyon bo‘lishi aniqlangan. Bundan tashqari,
mazkur turdagi molekulyar sistemani tashkil qiluvchi magnit molekulalar (ular KNlar ham
deb ataladi) to‘lqin funktsiyalari korrelyatsiyasini ta'minlashning murakkabligi, ya'ni
ularning xossalarini bashorat qilish qiyinligi tufayli ularni amaliyotda ishlatish muammolari
hanuz hal etilmagan.
Kvant tuzilmalarning qo‘llanilishi
Hozirdanoq kvant tuzilmalar elektronikaning barcha jabhalarida keng qo‘llanila boshlangan.
Xususan, kvant tuzilmalar asosida yaratilgan o‘ta yuqori chastotali tunnel diodlar,
tranzistorlar, yarim o‘tkazgichli lazerlar, turli datchiklar va sensorlar, kvant kompyuterlar
uchun mikroprotsessorlar zamonaviy elektronikaning asosi bo‘lib hisoblanmoqda.
Rezonansli tunnel diod - klassik zarracha, to‘liq energiyasi potentsial to‘siq energiyasidan
katta bo‘lsagina undan oshib o‘tadi, kichik bo‘lsa zarracha to‘siqdan qaytadi va teskari
tomonga harakatlanadi. Kvant zarracha esa boshqacha harakatlanadi: uning energiyasi etarli
bo‘lmasa ham to‘siqni to‘lqin kabi engib o‘tishi mumkin. To‘liq energiyasi potentsial
energiyadan kam bo‘lsa ham to‘siqni oshmasdan o‘tish ehtimoli mavjud ekan. Bu kvant
hodisa «tunnel samarasi» nomini oldi va u rezonansli tunnel diodida foydalaniladi.
Kvant chuqurliklari asosidagi lazerlar
Kvant tuzilmalar lazerlar tayyorlashda muvaffaqiyatli qo‘llanilmoqda. Bugungi kunda kvant
chuqurliklar asosida yaratilgan samarali lazer qurilmalari iste'molchilar bozoriga etib bordi
va tolali-optik aloqada muvaffaqiyatli qo‘llanilmoqda. Qurilmalar tuzilishi va ishlashi
quyidagicha: birinchidan, har qanday lazer uchun energetik sathlarning invers zichlanishini
oshirish lozim. Boshqacha aytganda, yuqori energetik sathda quyi sathdagiga qaraganda
ko‘proq elektronlar joylashishi kerak bo‘lib, termik muvozanat holati paytida buning aksi
bo‘ladi. Ikkinchidan, har bir lazerga optik rezanator yoki elektromagnit nurlanishni ishchi
hajmga to‘playdigan qaytargichlar sistemasi zarur.
Kvant chuqurlikni lazerga aylantirish uchun uni elektronlar kiruvchi va chiqib ketuvchi ikki
kontaktga ulash lozim. Kontakt orqali elektron o‘tkazuvchanlik zonasiga kirgan elektron
sakrab, o‘tkazuvchanlik zonasidan valent zonasiga o‘tadi va ortiqcha energiyasini kvant,
ya'ni elektromagnit to‘lqin shaklida nurlantiradi. Keyin valent zonadan boshqa kontakt orqali
chiqib ketadi. Kvant mexanikasida nurlanish chastotasi (5) shart bilan aniqlanishi ma'lum.
Bu yerda Es1, E v1 mos holda o‘tkazuvchanlik zonasi va valent zonadagi birinchi energetik
sathlar energiyasi.
Lazer hosil qilgan elektromagnit nurlanish asbobning markaziy ishchi sohasida to‘planishi
lozim. Buning uchun ichki qatlamlarning sindirish ko‘rsatkichi tashqarinikidan katta bo‘lishi
kerak. Ichki soha to‘lqin uzatgich vazifasini o‘taydi deyish ham mumkin. To‘lqin uzatgich
chegaralariga qaytaruvchi oynalar o‘rnatilib, ular rezonator vazifasini bajaradi.
Kvant chuqurliklar asosidagi lazerlar oddiy yarim o‘tkazgichli lazerlarga qaraganda qator
afzalliklarga ega. Ularga quyidagilarni kiritish mumkin: generatsiyalanayotgan lazer
chastotasini boshqarish imkoni, optik nurlanishda befoyda so‘nishning kamligi, invers
zichlanishni hosil qilish elektron gazlarda osonligi tufayli kam tok talab qilinadi va ko‘proq
yorug‘lik beriladi. Shu tufayli ularning foydali ish koeffitsienti 60 foizgacha etadi.
Hozirda ham kvant chuqurliklar asosida lazerlar tayyorlash bo‘yicha dunyoning ko‘pgina
laboratoriyalarida keng qamrovli ishlar olib borilmoqda. Aynan tolali-optik aloqada
qo‘llanilayotgan lazerlar yaratishdagi xizmatlari uchun 2003 yili rus olimi J. Alfyorovga
Nobel mukofoti berilgan edi.
|
