Технология обучения квантового-размерного эффекта

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена технологии обучения студентов квантово-размерным эффектам. Сегодня в каждой семье можно увидеть сенсорные телефоны, планшеты, компьютеры и различные современные телевизоры. Микроэлектроника отвечает за то, как эти устройства сделаны и как они работают. Конечно, чтобы понять микроэлектронику, необходимо знать квантовые размерные эффекты. Растет интерес к изучению элементов квантовой физики в формировании новых идей в этой области. Это, в свою очередь, требует разработки инновационных технологий обучения элементам квантовой физики в колледжах.

ABSTRACT

The article is devoted to the technology of teaching students to quantum-size effects. Today in every family you can see touchscreen phones, tablets, computers and various modern TVs. Microelectronics is responsible for how these devices are made and how they work. Of course, to understand microelectronics, one needs to know quantum size effects. There is a growing interest in studying the elements of quantum physics in the formation of new ideas in this area. This, in turn, requires the development of innovative technologies for teaching the elements of quantum physics in colleges.

Ключевые слова: нанотехнология, квантово-размерный эффект, сенсор, нанофизика, наноматериалы, наноструктуры.

Keywords: nanotechnology, quantum size effect, sensor, nanophysics, nanomaterials, nanostructures.

Развитие общества сегодня невозможно представить без достижений физики. Государственный образовательный стандарт и учебные программы ПТУ отражают актуальные проблемы преподавания физики. Выявлена потребность студентов профессиональных колледжей в изучении природных явлений на научной основе. В частности, согласно учебной программе по физике студенты профессиональных колледжей должны знать законы квантовой физики и знать физический ландшафт Вселенной; уметь объяснять природные явления на основе физических законов; уметь применять, представлять и анализировать законы физики. Кроме того, благодаря быстрому развитию науки и технологий, особенно микроэлектроники, появились новые области с добавлением «нано» (10-9), и создаются соответствующие нанотехнологии, наноматериалы, наноструктуры.

Сегодня мы можем видеть сенсорные телефоны, планшеты, компьютеры в каждой семье, различные современные телевизоры в руках молодежи. Как сделаны эти устройства? Каков принцип работы таких устройств? Микроэлектроника отвечает на аналогичные вопросы. Конечно, чтобы понять микроэлектронику, необходимо знать квантовые размерные эффекты. Растет интерес к изучению элементов квантовой физики в формировании новых идей в этой области. Это, в свою очередь, требует разработки инновационных технологий обучения элементам квантовой физики в профессиональных колледжах. В настоящее время для студентов практически нет литературы по нанофизике и нанотехнологиям на узбекском языке. Книги, вышедшие в 2014 году [1,3], пока недоступны для читателей. Эти учебники должны использоваться в академических лицеях, медицинских и технических колледжах. В этой статье описывается технология обучения элементам квантовой физики, в частности связанные с ней квантовые размерные эффекты.

Известно, что слово «квант» впервые было введено в физику в конце 1900-х годов немецким физиком Максом Планком, что означает мельчайший кусок энергии. Следовательно, «квант» - это наименьшее неделимое количество энергии, которое может быть произведено или поглощено, что определяется формулой  (1). В этом случае h = 6,6285 · 10-34 Дж · сек - это постоянная, называемая постоянной Планка, частота n-излучения. Квантовые размерные эффекты определяются как процессы, которые происходят, когда минимальное неделимое количество энергии, которое может быть излучено или поглощено, равно. Другими словами, квантовый размерный эффект - это состояние, при котором произвольный геометрический размер кристалла равен длине волны де Бройля, т.е.

                                                                    (2)

Где P = mv - импульс частицы. В этом случае квантуется движение носителей тока в направлении, геометрический размер которого меньше длины волны де Бройля.

Для объяснения этого явления рассмотрим движение электронов в тонком металлическом или тонком слое полупроводника толщиной L (рис. 1). В этом случае можно предположить, что электроны существуют в потенциальной зоне, ширина которой L вдоль оси Z и энергетическая высота равна работе выхода электронов. Если электроны в тонком слое свободно перемещаются по поверхности, они не могут двигаться вдоль оси Z, иначе они не будут принадлежать тонкому слою. Энергия электронов в такой потенциальной среде квантуется согласно законам квантовой механики. Остается самое дискретное значение E_n, n - это набор целых чисел. Такие дискретные значения энергии называются уровнями размерного квантования.

Рисунок 1. Движение электронов в тонком металлическом или тонком слое полупроводника толщиной L

Есть два, один даже нульмерный тип, в зависимости от образования квантово-размерных эффектов. В большинстве случаев учащимся трудно понять физическую природу квантовых или квантово-размерных эффектов. Это негативно сказывается на их восприятии этих концепций. Имея это в виду, рассмотрим следующий пример, чтобы подробно понять механизм проявления квантовых размерных эффектов.

Известно, что частица в космосе может свободно перемещаться по осям XYZ (рис. 2а). Он может изменять состояние частицы на уровни E_x, E_y, E_z. Если мы произвольно ограничим движение частицы по оси Z, например, частица будет свободно перемещаться по осям XY, меняя свое положение на уровни E_x, E_y (рис. 2b). Такое состояние частицы называется двумерным эффектом. Если ограничить движение частицы по произвольной, например, оси ZY, она будет свободно перемещаться только по оси X (рис. 2c). В этом случае он только изменяет состояние частицы на E_x-уровни. Такое состояние частицы называется одномерным эффектом. Кроме того, если ограничить движение частицы по всем осям, она вообще не сможет двигаться (рис. 2d). Такое состояние частицы называется нульмерным эффектом. Следовательно, возникновение размерного эффекта зависит от движения частицы по осям X YZ.

Сегодня можно получить различные квантованные структуры, используя современные технологии. В них движение носителей тока ограничено во всех направлениях. В этом случае отсутствует непрерывно изменяемый предел в энергетическом спектре, зоны состоят из набора уровней энергии дискретного значения. Они представлены тремя дискретными квантовыми числами n ,m, l как в атоме. n = 1,2,3,…, ∞ - числовые значения, которые называются простыми квантовыми числами. l = 1,2,3,…, n-1, которое называется орбитальным квантовым числом. m = -l, ..- 2, -1,0,1,2, ... l - числовые значения, которые называют магнитным квантовым числом. E = E_nml можно сохранить в поле зрения. В этом случае, как и в атоме, уровни энергии могут быть идентичными, т. Е. Двойными, и характеризоваться хотя бы одним квантовым числом. Такие системы называются нульмерными электронными структурами или квантованными точками.

Рисунок 2. Перемещение частицы

Таким образом, в структурах, где геометрический размер носителей тока по крайней мере в одном направлении меньше длины волны де Бройля, энергетический спектр носителей тока резко изменяется по своей природе, становясь частично или полностью дискретным. Процессы размерного квантования спектра существенно изменяют электронные, оптические, кинетические, механические свойства системы, а также постоянную Холла, магнетизм.

Уместно привести пример работы сенсорных телефонов при формировании у студентов представлений о применении таких тонкопленочных слоев. На таких примерах он позволяет студентам правильно сформировать мировоззрение о наноструктуре.

Студенты также узнали на уроках химии, что состояния электронов меняются в соответствии с этими квантовыми числами в зависимости от материала тонких пленок, в которых наблюдаются квантово-размерные эффекты. Конечно, учителя физики должны использовать это эффективно. В целом, преподавание физики и химии требует специальных методических разработок в системе образования по вопросам специфики и общности передачи учащимся свойств атомов веществ.

Список литературы:

1. Олимов Л.О. Основы нанофизики. Ташкент, New Age Generation, 2014. 140 стр.
2. Стандарт и учебная программа ПТУ.
3. Тешабоев А. Т., Зайнобиддинов С. З., Исмоилов К. А., Эрматов Ш. А., Абдуазимов В. А. Физика, химия и технология наночастиц. Ташкент, «Тафаккур бустони» 2014.