Superlattice
एक सुपरलैटिस दो (या अधिक) सामग्रियों की परतों की एक आवधिक संरचना है। आमतौर पर, एक परत की मोटाई कई नैनोमीटर होती है। यह एक निम्न-आयामी संरचना को भी संदर्भित कर सकता है जैसे कि क्वांटम डॉट्स या क्वांटम कुओं की एक सरणी। डिस्कवरी सुपरलैटिस की खोज 1925 की शुरुआत में जोहानसन और लिंडे ने अपने विशेष एक्स-रे विवर्तन पैटर्न के माध्यम से सोने-तांबे और पैलेडियम-तांबे की प्रणालियों पर अध्ययन के बाद की थी। मैदान पर आगे प्रयोगात्मक अवलोकन और सैद्धांतिक संशोधन ब्रैडली और जे, गोर्स्की, बोरेलियस, डेहलिंगर और ग्राफ, ब्रैग और विलियम्स और बेथे द्वारा किए गए थे। सिद्धांत क्रिस्टल जाली में परमाणुओं की व्यवस्था के अव्यवस्थित अवस्था से एक क्रमबद्ध अवस्था में परिवर्तन पर आधारित थे। यांत्रिक गुण जे. एस. कोहलर ने सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की कि उच्च और निम्न लोचदार स्थिरांक वाली सामग्री की वैकल्पिक (नैनो-) परतों का उपयोग करने से, कतरनी प्रतिरोध में 100 गुना तक सुधार होता है क्योंकि विस्थापन का फ्रैंक-रीड स्रोत नैनोलेयर में काम नहीं कर सकता है। इस तरह की सुपरलैटिस सामग्री की बढ़ी हुई यांत्रिक कठोरता की पुष्टि सबसे पहले 1978 में अल-क्यू और अल-अग पर लेहोस्की द्वारा की गई थी, और बाद में कई अन्य लोगों द्वारा, जैसे कि कठोर पीवीडी कोटिंग पर बार्नेट और स्प्रोल द्वारा की गई थी। अर्धचालक गुण यदि सुपरलैटिस अलग-अलग बैंड अंतराल के साथ दो अर्धचालक पदार्थों से बना है, तो प्रत्येक क्वांटम अच्छी तरह से नए चयन नियम स्थापित करता है जो संरचना के माध्यम से चार्ज के प्रवाह की स्थितियों को प्रभावित करता है। दो अलग-अलग अर्धचालक पदार्थों को विकास की दिशा में एक आवधिक संरचना बनाने के लिए एक-दूसरे पर बारी-बारी से जमा किया जाता है। एसाकी और त्सु द्वारा सिंथेटिक सुपरलैटिस के 1970 के प्रस्ताव के बाद से, ऐसे अल्ट्रा-फाइन अर्धचालकों के भौतिकी में प्रगति हुई है, जिन्हें वर्तमान में क्वांटम संरचना कहा जाता है। क्वांटम कारावास की अवधारणा ने पृथक क्वांटम वेल हेटेरोस्ट्रक्चर में क्वांटम आकार के प्रभावों के अवलोकन को जन्म दिया है और सुरंग बनाने की घटना के माध्यम से सुपरलैटिस से निकटता से संबंधित है। इसलिए, इन दोनों विचारों पर अक्सर एक ही भौतिक आधार पर चर्चा की जाती है, लेकिन प्रत्येक में अलग-अलग भौतिकी है जो विद्युत और ऑप्टिकल उपकरणों में अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। सेमीकंडक्टर सुपरलैटिस प्रकार सुपरलैटिस मिनीबैंड संरचनाएँ विषम संरचना प्रकार पर निर्भर करती हैं, या तो प्रकार I, प्रकार II या प्रकार III। टाइप I के लिए चालन बैंड का निचला भाग और संयोजकता उपबंध का शीर्ष एक ही अर्धचालक परत में बनते हैं। प्रकार II में चालन और संयोजकता उपबंध वास्तविक और पारस्परिक दोनों स्थानों में अस्थिर होते हैं, ताकि इलेक्ट्रॉन और छेद अलग-अलग परतों में सीमित हों। टाइप III सुपरलैटिस में सेमीमेटल सामग्री शामिल होती है, जैसे कि HgTe/CdTe। हालांकि चालन उपबंध का निचला भाग और संयोजकता उपबंध का शीर्ष प्रकार III सुपरलैटिस में एक ही अर्धचालक परत में बनता है, जो प्रकार I सुपरलैटिस के समान है, प्रकार III सुपरलैटिस के बैंड अंतराल को लगातार अर्धचालक से शून्य बैंड अंतराल सामग्री और नकारात्मक बैंड अंतराल के साथ अर्धधातु में समायोजित किया जा सकता है। अर्धकालिक सुपरलैटिस के एक अन्य वर्ग का नाम फिबोनाची के नाम पर रखा गया है। एक फिबोनाची सुपरलैटिस को एक आयामी क्वासिक्रिस्टल के रूप में देखा जा सकता है, जहां या तो इलेक्ट्रॉन हॉपिंग ट्रांसफर या ऑन-साइट ऊर्जा एक फिबोनाची अनुक्रम में व्यवस्थित दो मान लेती है। अर्धचालक सामग्री अर्धचालक सामग्री, जिसका उपयोग सुपरलैटिस संरचनाओं को बनाने के लिए किया जाता है, को तत्व समूहों, IV, III-V और II-VI द्वारा विभाजित किया जा सकता है। जबकि समूह III-V अर्धचालकों (विशेष रूप से GaAs/AlxGa1-xAs) का व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है, समूह IV विषम संरचनाओं जैसे कि सिक्सजीई1-x प्रणाली को बड़े जाली बेमेल के कारण महसूस करना बहुत अधिक कठिन है। फिर भी, सबबैंड संरचनाओं का तनाव संशोधन इन क्वांटम संरचनाओं में दिलचस्प है और इसने बहुत ध्यान आकर्षित किया है। जी. ए. ए./ए. एल. ए. प्रणाली में जी. ए. ए. और ए. एल. ए. के बीच जाली स्थिरांक में अंतर और उनके तापीय विस्तार गुणांक का अंतर दोनों ही कम हैं। इस प्रकार, एपिटैक्सियल वृद्धि तापमान से ठंडा होने के बाद कमरे के तापमान पर शेष तनाव को कम किया जा सकता है। पहली संरचनात्मक सुपरलैटिस को जी. ए. ए./ए. एल. एक्स. जी. ए. 1-एक्स. ए. सामग्री प्रणाली का उपयोग करके महसूस किया गया था। एक बार जब दोनों क्रिस्टल संरेखित हो जाते हैं तो एक ग्राफीन/बोरॉन नाइट्राइड प्रणाली एक अर्धचालक सुपरलैटिस बनाती है। इसके आवेश वाहक कम ऊर्जा अपव्यय के साथ विद्युत क्षेत्र के लंबवत चलते हैं। एच-बीएन में एक षट्कोणीय संरचना है जो ग्राफीन के समान है। सुपरलैटिस में व्युत्क्रम समरूपता टूट गई है। स्थानीय रूप से, स्थलवैज्ञानिक धाराएं लागू धारा की ताकत में तुलनीय होती हैं, जो बड़ी घाटी-हॉल कोणों का संकेत देती हैं। उत्पादन सुपरलैटिस का उत्पादन विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके किया जा सकता है, लेकिन सबसे आम हैं आणविक-बीम एपिटैक्सी (एमबीई) और स्पटरिंग। इन विधियों के साथ, परतों का उत्पादन केवल कुछ परमाणु अंतराल की मोटाई के साथ किया जा सकता है। सुपरलैटिस को निर्दिष्ट करने का एक उदाहरण [] 20 है। यह लौह (फे) की 20 ए. और वैनेडियम (वी) की 30 ए. की द्वि-परत को 20 बार दोहराता है, इस प्रकार 1000 ए. या 100 एन. एम. की कुल मोटाई प्राप्त करता है। अर्धचालक सुपरलैटिस के निर्माण के साधन के रूप में एमबीई प्रौद्योगिकी का प्राथमिक महत्व है। एम. बी. ई. प्रौद्योगिकी के अलावा, धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प निक्षेपण (एम. ओ.-सी. वी. डी.) ने सुपरकंडक्टर सुपरलैटिस के विकास में योगदान दिया है, जो आई. एन. जी. ए. ए. एस. पी. मिश्र धातु जैसे चतुर्थक III-V यौगिक अर्धचालकों से बने हैं। नई तकनीकों में अति उच्च निर्वात (यूएचवी) तकनीकों के साथ गैस स्रोत प्रबंधन का एक संयोजन शामिल है जैसे कि स्रोत सामग्री के रूप में धातु-कार्बनिक अणु और आर्सिन () और फॉस्फिन () जैसी संकर गैसों का उपयोग करके गैस-स्रोत एमबीई विकसित किया गया है। आम तौर पर एमबीई द्विआधारी प्रणालियों में तीन तापमानों का उपयोग करने की एक विधि है, जैसे, सब्सट्रेट तापमान, समूह III का स्रोत सामग्री तापमान और III-V यौगिकों के मामले में समूह V तत्व। उत्पादित सुपरलैटिस की संरचनात्मक गुणवत्ता को एक्स-रे विवर्तन या न्यूट्रॉन विवर्तन स्पेक्ट्रा के माध्यम से सत्यापित किया जा सकता है जिसमें विशिष्ट उपग्रह शिखर होते हैं। प्रत्यावर्ती परत से जुड़े अन्य प्रभाव हैंः विशाल चुम्बकीय प्रतिरोध, एक्स-रे और न्यूट्रॉन दर्पणों के लिए ट्यूनेबल परावर्तनशीलता, न्यूट्रॉन स्पिन ध्रुवीकरण, और लोचदार और ध्वनिक गुणों में परिवर्तन। इसके घटकों की प्रकृति के आधार पर, एक सुपरलैटिस को चुंबकीय, ऑप्टिकल या अर्धचालक कहा जा सकता है। एक आवधिक सुपरलैटिस की योजनाबद्ध संरचना नीचे दिखाई गई है, जहाँ ए और बी संबंधित परत मोटाई ए और बी (अवधिः) की दो अर्धचालक सामग्री हैं। जब ए और बी अंतरपरमाण्विक अंतराल की तुलना में बहुत छोटे नहीं होते हैं, तो इन तेजी से बदलती क्षमताओं को मूल थोक अर्धचालकों की बैंड संरचना से प्राप्त एक प्रभावी क्षमता द्वारा प्रतिस्थापित करके एक पर्याप्त अनुमान प्राप्त किया जाता है। प्रत्येक अलग-अलग परतों में 1डी श्रोडिंगर समीकरणों को हल करना सीधा है, जिनके समाधान वास्तविक या काल्पनिक घातांक के रैखिक संयोजन हैं। एक बड़ी बाधा मोटाई के लिए, सुरंग बनाना असंबद्ध फैलाव रहित अवस्थाओं के संबंध में एक कमजोर गड़बड़ी है, जो पूरी तरह से सीमित भी हैं। इस मामले में फैलाव संबंध, ब्लॉच प्रमेय के आधार पर आवधिक रूप से अधिक, पूरी तरह से साइनसॉइडल हैः और प्रभावी द्रव्यमान परिवर्तन संकेत देते हैंः मिनीबैंड के मामले में, यह साइनसॉइडल चरित्र अब संरक्षित नहीं है। केवल मिनीबैंड में ऊपर (वेववेक्टरों के लिए बहुत आगे) वास्तव में शीर्ष 'संवेदी' होता है और प्रभावी द्रव्यमान परिवर्तन संकेत करता है। मिनीबैंड फैलाव का आकार मिनीबैंड परिवहन को गहराई से प्रभावित करता है और विस्तृत मिनीबैंड को देखते हुए सटीक फैलाव संबंध गणना की आवश्यकता होती है। एकल मिनीबैंड परिवहन के अवलोकन की शर्त किसी भी प्रक्रिया द्वारा इंटरमिनिबैंड हस्तांतरण की अनुपस्थिति है। थर्मल क्वांटम के. बी. टी. पहले और दूसरे मिनीबैंड के बीच ऊर्जा अंतर की तुलना में बहुत छोटा होना चाहिए, यहां तक कि लागू विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में भी। ब्लॉच बताता है कि एक आदर्श सुपरलैटिस के लिए समतल तरंगों के उत्पादों और एक जेड-निर्भर फलन द्वारा आइगेनस्टेट अवस्थाओं के एक पूर्ण समूह का निर्माण किया जा सकता है जो आइगेनवेल्यू समीकरण को संतुष्ट करता है। जैसा कि और सुपरलैटिस अवधि d के साथ आवधिक कार्य हैं, आइगेनस्टेट ऊर्जा के साथ ब्लॉच अवस्था हैं। k2 में प्रथम क्रम विक्षोभ सिद्धांत के भीतर, ऊर्जा प्राप्त होती है। अब, कुएँ में एक बड़ी संभावना प्रदर्शित करेंगे, ताकि क्वांटम कुएँ का प्रभावी द्रव्यमान कहाँ है, दूसरे पद को प्रतिस्थापित करना उचित लगे। वानियर फ़ंक्शन परिभाषा के अनुसार ब्लॉच फ़ंक्शन पूरे सुपरलैटिस पर डीलोकलाइज़ किए जाते हैं। यदि विद्युत क्षेत्रों को लागू किया जाता है या सुपरलैटिस की सीमित लंबाई के कारण प्रभावों पर विचार किया जाता है तो यह कठिनाइयाँ पैदा कर सकता है। इसलिए, यह अक्सर आधार अवस्थाओं के विभिन्न समूहों का उपयोग करने में सहायक होता है जो बेहतर स्थानीयकृत होते हैं। एक आकर्षक विकल्प एकल क्वांटम कुओं के आइगेनस्टेट का उपयोग होगा। फिर भी, इस तरह के विकल्प में एक गंभीर कमी हैः संबंधित अवस्थाएं दो अलग-अलग हैमिल्टनियन का समाधान हैं, जिनमें से प्रत्येक दूसरे कुएं की उपस्थिति की उपेक्षा करता है। इस प्रकार ये अवस्थाएँ ऑर्थोगोनल नहीं हैं, जो जटिलताएँ पैदा करती हैं। आमतौर पर, इस दृष्टिकोण के भीतर स्थानांतरण हैमिल्टनियन द्वारा युग्मन का अनुमान लगाया जाता है। इन कारणों से, वानियर कार्यों के समूह का उपयोग करना अधिक सुविधाजनक है। वानियर-स्टार्क सीढ़ी सुपरलैटिस संरचना में एक विद्युत क्षेत्र F को लागू करने से हैमिल्टनियन एक अतिरिक्त स्केलर क्षमता eφ (z) = −eFz प्रदर्शित करता है जो अनुवादात्मक अपरिवर्तनीयता को नष्ट कर देता है। इस मामले में, तरंग फलन और ऊर्जा के साथ एक आइगेनस्टेट दिए जाने पर, तरंग फलन के अनुरूप अवस्थाओं का समूह ऊर्जा Ej = E0−eFd के साथ हैमिल्टनियन के आइगेनस्टेट होते हैं। ये अवस्थाएँ ऊर्जा और वास्तविक स्थान दोनों में समान रूप से फैली हुई हैं और तथाकथित वैनियर-स्टार्क सीढ़ी का निर्माण करती हैं। अनंत क्रिस्टल के लिए क्षमता सीमित नहीं है, जो एक निरंतर ऊर्जा स्पेक्ट्रम का तात्पर्य है। फिर भी, इन वानियर-स्टार्क सीढ़ियों के विशिष्ट ऊर्जा स्पेक्ट्रम को प्रयोगात्मक रूप से हल किया जा सकता है। परिवहन एक सुपरलैटिस में चार्ज वाहकों की गति अलग-अलग परतों की तुलना में अलग होती हैः चार्ज वाहकों की गतिशीलता को बढ़ाया जा सकता है, जो उच्च आवृत्ति वाले उपकरणों के लिए फायदेमंद है, और अर्धचालक लेजर में विशिष्ट ऑप्टिकल गुणों का उपयोग किया जाता है। यदि किसी चालक पर बाहरी पूर्वाग्रह लागू किया जाता है, जैसे कि धातु या अर्धचालक, तो आमतौर पर एक विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। इस धारा का परिमाण सामग्री की बैंड संरचना, प्रकीर्णन प्रक्रियाओं, लागू क्षेत्र शक्ति और चालक के संतुलन वाहक वितरण द्वारा निर्धारित किया जाता है। सुपरलैटिस का एक विशेष मामला जिसे सुपरस्ट्रिप्स कहा जाता है, स्पेसर द्वारा अलग की गई सुपरकंडक्टिंग इकाइयों से बना होता है। प्रत्येक मिनीबैंड में सुपरकंडक्टिंग ऑर्डर पैरामीटर, जिसे सुपरकंडक्टिंग गैप कहा जाता है, एक मल्टी-गैप, या टू-गैप या मल्टीबैंड सुपरकंडक्टिविटी का उत्पादन करते हुए अलग-अलग मान लेता है। हाल ही में, फेलिक्स और परेरा ने फिबोनाची अनुक्रम के अनुसार ग्राफीन-एचबीएन के आवधिक और अर्ध-आवधिक सुपरलैटिस में फोनॉन द्वारा तापीय परिवहन की जांच की। उन्होंने बताया कि अर्ध-आवधिकता में वृद्धि के साथ सुसंगत तापीय परिवहन (तरंग जैसे फोनोन) के योगदान को दबा दिया गया था। दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैसों (2डी. ई. जी.) के प्रयोगों के लिए आम तौर पर उपलब्ध होने के तुरंत बाद, शोध समूहों ने ऐसी संरचनाएं बनाने का प्रयास किया जिन्हें 2डी कृत्रिम क्रिस्टल कहा जा सकता है। इसका विचार दो अर्धचालकों (अर्थात दो अर्धचालकों) के बीच एक इंटरफेस तक सीमित इलेक्ट्रॉनों को विषय बनाना है। z-दिशा के साथ) एक अतिरिक्त मॉड्यूलेशन क्षमता के लिए। ऊपर वर्णित शास्त्रीय सुपरलैटिस (1डी/3डी, जो कि 3डी थोक में इलेक्ट्रॉनों का 1डी मॉड्यूलेशन है) के विपरीत, यह आमतौर पर विषम संरचना सतह का उपचार करके प्राप्त किया जाता हैः एक उपयुक्त रूप से पैटर्न वाले धातु द्वार या नक़्क़ाशी जमा करना। यदि फर्मी स्तर की तुलना में V (x, y) का आयाम बड़ा है (उदाहरण के लिए), तो सुपरलैटिस में इलेक्ट्रॉनों को वर्गाकार जाली वाले परमाणु क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉनों के समान व्यवहार करना चाहिए (उदाहरण के लिए, ये "परमाणु" स्थितियों () पर स्थित होंगे जहां n, m पूर्णांक हैं)। अंतर लंबाई और ऊर्जा तराजू में है। परमाणु क्रिस्टलों के जाली स्थिरांक 1 ए के क्रम के होते हैं जबकि सुपरलैटिस (ए) के स्थिरांक कई सौ या हजारों बड़े होते हैं जैसा कि तकनीकी सीमाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है (जैसे। इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी का उपयोग विषम संरचना सतह के प्रतिरूपण के लिए किया जाता है)। सुपरलैटिस में ऊर्जाएं तदनुसार छोटी होती हैं। सरल क्वांटम-यांत्रिक रूप से सीमित-कण मॉडल का उपयोग करने से पता चलता है। यह संबंध केवल एक मोटा गाइड है और वर्तमान में सामयिक ग्राफीन (एक प्राकृतिक परमाणु क्रिस्टल) और कृत्रिम ग्राफीन (सुपरलैटिस) के साथ वास्तविक गणना से पता चलता है कि विशेषता बैंड की चौड़ाई क्रमशः 1 ई. वी. और 10 एम. ई. वी. के क्रम की है। कमजोर मॉडुलन () के शासन में, समतुल्यता दोलन या फ्रैक्टल ऊर्जा स्पेक्ट्रा (हॉफस्टैडर तितली) जैसी घटनाएं होती हैं। कृत्रिम द्वि-आयामी क्रिस्टल को 2डी/2डी केस (2डी प्रणाली का 2डी मॉडुलन) के रूप में देखा जा सकता है और अन्य संयोजन प्रयोगात्मक रूप से उपलब्ध हैंः क्वांटम तारों (1डी/2डी) या 3डी/3डी फोटोनिक क्रिस्टल की एक सरणी। अनुप्रयोग पैलेडियम-तांबा प्रणाली के सुपरलैटिस का उपयोग उच्च प्रदर्शन वाले मिश्र धातुओं में उच्च विद्युत चालकता को सक्षम करने के लिए किया जाता है, जो क्रमबद्ध संरचना द्वारा अनुकूल है। बेहतर यांत्रिक शक्ति और उच्च तापमान स्थिरता के लिए चांदी, रीनियम, रोडियम और रुथेनियम जैसे मिश्र धातु तत्वों को जोड़ा जाता है। इस मिश्र धातु का उपयोग प्रोब कार्ड में प्रोब सुइयों के लिए किया जाता है। III-V सेमीकंडक्टर ट्यूब-आधारित नैनोस्ट्रक्चर वैनियर फंक्शन संदर्भ एच. टी. में क्यू-पीटी प्रकार का क्रम भी देखें। ग्राहन, "सेमीकंडक्टर सुपरलैटिस", विश्व वैज्ञानिक (1995)। मोर्टेन जग्ड क्रिस्टेंसन, "एपिटैक्सी, थिन फिल्म्स एंड सुपरलैटिस", रिजो नेशनल लेबोरेटरी, (1997)। सी. हमागुची, "बेसिक सेमीकंडक्टर फिजिक्स", स्प्रिंगर (2001)। आगे पढ़ना संघनित पदार्थ भौतिकी स्पिनट्रॉनिक्स