Lesbók Morgunblaðsins - 12.10.1991, Blaðsíða 12

RANNSOKN I R I HASKOLA ISLANDS
Umsjón: Hellen M. Gunnarsdóttir
Tvívíð
rafeindakerfí
Ihjarta hverrar tölvn, örgjörvanum, geta verið milljón-
ir örsmárra smára sem notaðir eru til þess að stýra
rafstraumi í gegnum rafrásir hans. Flestir þessara
smára eru settir saman úr tveimur þunnum lögum.
Annað lagið er einangrandi glerkennt kísiloxíð og
Tvívíð rafeindakerfi hafa
verið mikið rannsökuð,
bæði vegna tæknilegra
möguleika og eins hafa
þau orðið leikvöllur fyrir
grunnrannsóknir á
eiginleikum íjöl-
eindakerfa, sem lúta
lögmálum skammta-
fræðinnar.
Eftir VIÐAR
GUÐMUNDSSON
hitt er lag hálfleiðandi kísilkristalls. í gegn-
um tvö rafskaut, merkt S og D á mynd 1,
er rafstraumur sendur eftir hálfleiðandi lag-
inu. Þriðja rafskautið, merkt G, er fest við
kísiloxíð lagið sem getur ekki leitt raf-
straum. Hleðslan á því skauti getur hinsveg-
ar dregið rafstrauminn í gegnum kísilkrist-
allinn að samskeytum laganna eða haldið
honum frá þeim og einnig ráðið styrk
straumsins. Rafeindimar við skilflötinn geta
hreyfst nokkuð óhindrað samsíða honum,
en ekki þvert á hann. Rafeindalagið verður
því örþunnt (nokkrar frumeindastærðir á
þykkt) og því er talað um tvívítt rafeinda-
kerfi. Það kom mönnum á sjötta og sjöunda
áratugnum þó á óvart þegar mælingar
sýndu að rafeindakerfið hagar sér að flestu
leyti eins og rafeindir í nákvæmlega
tvívíðum gerviheimi sem aðeins er hægt að
rannsaka í reiknilíkönum eðlisfræðinnar.
Til dæmis berast þrýstibylgjur sem örva
má með ljósi á allt annan hátt í þrívíðu en
í tvívíðu rafeindakerfi. Þessi munur var stað-
festur í mælingum 1976.
Tvívíð rafeindakerfi hafa síðan verið mik-
ið rannsökuð, bæði vegna tæknilegra mögu-
leika og eins hafa þau orðið leikvöllur fyrir
grunnrannsóknir á eiginleikum fjöleinda-
kerfa sem lúta lögmálum skammtafræðinn-
ar. Skammtafræðin getur einmitt lýst því
hvernig rafeindir virðast bæði hafa eigin-
leika agna og bylgja, og hvernig orka þeirra
tekur aðeins viss gildi þegar að þeim er
þrengt. I raun hafa hagnýtar rannsóknir
og grunnrannsóknir haldist í hendur og leitt
til margra óvæntra uppgötvana í þessum
kerfum. Til dæmis fann Klaus von Klitzing,
nú við Max-Plarick stofnunina í Stuttgart,
1980 að visst viðnám tvívíðra rafeindakerfa
tekur aðeins stök nákvæm gildi þegar kerf-
ið er mælt í segulsviði við lágt hitastig mjög
nærri alkuli. Stærð viðnámsins tengist að-
eins hleðslu rafeindanna og ljóshraðanum
ásamt fasta Plancks h. Það er nákvæmt upp
á einn hluta af milljarði og er óháð öðrum
eiginleikum smárans eins og lögun og hrein-
leika kristallsins. Haustið 1985 fékk Klaus
von Klitzing Nóbelsverðlaunin fyrir upp-
málmrafskaut
r\
Skumm tap unktar. Ofarlega í þeim er örþuimt rafeindalag.
götvun sína og frá áramótum 1990 eru
þessi kerfi notuð sem alþjóðlegur viðnáms-
staðall.
Upp úr 1980 komst verulegur skriður á
framleiðslu tvívíðra rafeindakerfa í öðrum
kristöllum. Nú er algengt að þau sé við
skilflöt gallín-arsen (GaAs) og Gallín-álars-
en kristalla (AlGaAs). Sá fyrmefndi er hálf-
leiðandi en sá seinni er einangrandi. Munur-
inn er hins vegar sá að bæði þessi efni eru
kristallar með næstum eins kristalsgrind.
Það verður því miklu minna um óreglur við
skilflötinn og rafeindirnar geta því ferðast
allt að tíu þúsund sinnum hraðar samhliða
honum en í kísilsmára. Þessir gallín-arsen
kristallar eru látnir vaxa frumeindalag fyrir
frumeindalag í þar til gerðum vélum (sam-
eindaúðurum). Vextinum má stjóma og í
eitthvert lag má t.d. bæta fmmeindum ann-
arrar tegundar til þess að stýra eiginleikum
smárans. Hér hafa einmitt kennileg eðlis-
fræði og tilrauna eðlisfræði hálfleiðara sam-
einast í þeirri tækni að framleiða smára
með vissa fyrirfram þekkta eiginleika.
Mikil vinna hefur verið lögð í að sníða
t.d. einvíð eða svokölluð núllvíð kerfí út úr
þessum tvívíðum rafeindakerfum bæði
vegn'a tæknilegra nota og forvitni manna.
í grófum dráttum er teiknað mynstur ofan
á einangrandi kristallinn með bleki sem
sýra getur ekki ætt burt. Kristallinn er síðan
settur í sýrubað sem ætir þann hluta hans
niður fyrir skilflöt hálfleiðarans sem ekki
var varinn með bleki. Þannig er hægt að
útbúa ræmur sem em svo grannar að raf-
eindirnar í þeim geta einungis hreyfst
óhindrað í eina átt. Núllvíð kerfí eru útbúin
sem hringlaga deplar í reglulegu mynstri.
Þessir deplar eru nefndar skammtapunktar
eða skammtadeplar (sjá mynd 2) þar sem
rafeindirnar í þeim geta ekki ferðast lengur
fijálsar, og samkvæmt skammtafræðinni
getur orka þeirra aðeins tekið stijál föst
gildi. I raun eru þessir skammtapunktar
eins og tvívíðar gervifmmeindir þar sem
rafeindafjöldi þeirra er eins og þekkist fyrir
venjulegar þrívíðar fmmeindir. Tæknilegt
notagildi þessara kerfa verður nefnt síðar.
Á Raunvísindastofnun er stundaðar bæði
kennilegar rannsóknir og gerðar tilraunir á
tvívíðum rafeindakerfum og skammta:
punktum. Um tvö verkefni er að ræða. í
öðm þeirra hefur verið kannað með tölvulík-
önum hvað gerist þegar kristallinum við
skilflöt hálfleiðarans og einangrarans (þar
sem tvívíða rafeindakerfíð er) er breytt
þannig að í stað gallín eða arsenfrumeindar
kemur önnur frumeind. Rafeindirnar sem
ferðast um kristallinn sjá þá aukarafhleðslu
þessarar fmmeindar og dragast að henni
eða fjarlægast hana allt éftir því hvort um
er að ræða jákvæða eða neikvæða hleðslu.
Við þetta verður umhverfí aukahleðslunnar
næstum óhlaðið í heild og talað er um að
rafeindirnar skýli rafkröftum hennar. Þar
að auki getur ein rafeind gefíð frá sér orku
og bundist hleðslunni ef hún er jákvæð.
Þegar smárinn er í þverstæðu ytra segul-
sviði getur rafeind jafnvel bundist nei-
kvæðri hleðslu með því að taka við orku.
Þessi jónunarorka er háð stærð aukahleðsl-
unnar og því hversu vel hinar rafeindirnar
geta skýlt rafkröftum hennar. Reikningar
hafa sýnt að jónunarorkan sveiflast lotu-
bundið með styrk segulsviðsins. Viðbrögð
rafeindakerfisins við aukahleðslunni, veil-
unni, em mjög mikilvæg því þau ákvarða
t.d. leiðni kerfisins og ljósvirkni. Ljós með
nákvæmlega jónunarorkuna, sem skín á
smárann sleppur nefnilega ekki í gegnum
rafeindakerfíð heldur er orka þess notuð til
þess að frelsa rafeindina frá veilunni (jóna
veiluna). Á Raunvísindastofnun eru einnig
gerðar mælingar á tvívíðum rafeindakerfum
sem fengist hafa vegna samvinnu okkar við
rannsóknarhóp á Max-Planck stofnuninni í
Stuttgart. Þessar mælingar á Ijóseigirileik-
um tvívíðra rafeindakerfa með veilum í eru
gerðar undir stjórn Hafliða P. Gíslasonar
prófessors.
Hitt verkefnið em líkanareikningar af
ljósísogi rafeinda í skammtapunktum. Þar
sem orkustig innilokaðra rafeinda í svo litlu
kerfi em strjál þá sleppur ljós af flestum
bylgjulengdum í gegnum þá, þar sem orka
þess samsvarar ekki þeirri orku sem þarf
til þess að örva rafeindakerfið. Þegar ljós
með rétta bylgjulengd skín á skammta-
punktinn byija rafeindirnar að hreyfast
samtaka í bylgjuhreyfingu. Talað er um
rafgasbylgjur sem berast um skammta-
punktinn rétt eins og gárur á polli. Reiknilík-
önin hafa verið notuð til þess að athuga
hvaða bylgjulengdir örva kerfið í mismun-
andi punktum við mismunandi segulsvið.
Niðurstöðurnar eru síðan bornar saman við
mælingar á skammtapunktum sem gerðar
eru við Max-Plank stofnunina. Ástæða þessa
er að sýnin með skammtapunktunum eru
mjög erfíð í framleiðslu og aðeins hefur
tekist að utbúa þau á örfáum stöðum í ver-
öldinni. Á hinn bóginn sýnir þetta dæmi
einmitt að þótt sýnin séu ekki fáanleg þá
erum við á Raunvísindastofnun samkeppnis-
fær við erlenda hópa vegna þekkingar okk-
ar og þess mikla reikniafls sem Reiknistofn-
un Háskólans getur boðið upp á. Því þótt
Reiknistofnun eigi ekki nýjustu ofurtölvur
þá eru færri notendur hér sem keppa um
verulegan reiknitíma en á erlendum rann-
sóknarstofnunum. Einnig gerir nettenging
sú sem Reiknistofnun sér um við útlönd það
kleift að hægt er að vera í daglegu sam-
bandi við erlenda samstarfsmenn og opnað
möguleika fyrir notkun á fjarlægum tölvum.
Tæknileg not skammtapunkta byggjast á
því að hægt er að stýra ljóseiginleikum
þeirra á fjærinnrauða sviðinu, annað hvort
í framleiðslu eða eftir á, t.d. með ytra raf-
eða segulsviði.
Þó að núverandi iðnaður hér á landi geti
ekki hagnýtt sér niðurstöður slíkra rann-
sókna beint eru þær nauðsynlegar. Fyrst
má nefna að þessi tækni er og verður notuð
hér á landi, og í öðru lagi sér Háskólinn
um að mennta eðlisfræðinga og verkfræð-
inga sem verða að kynnast því sem er að
gerast í rannsóknum hálfleiðarakerfa. Fyrir
eðlisfræðina skiptir einnig máli að með þess-
um rannsóknum og öðrum slíkum fæst
grunnþekking á hegðun flókinna fjöleinda-
kerfa. Eðlisfræði þéttefnis er gott svið fyrir
slíkar rannsóknir þar sem fjöleindakerfi
hennar eru handhæg til mælinga.
Höfundur er lektor í eölisfræði við Háskóla Is-
lands.