Материал: ЕК_40

23.Кулонівська блокада у двобар'єрних структурах. Загальний вигляд вольт-амперної характеристики.

24.Принципи роботи одноелектронного насосу та одноелектронної пастки.

Одноелектронний насос - мікроелектронний пристрій, який за один цикл своєї роботи подає на вихід рівно один електрон. Швидкість роботи нового приладу складає мільярд циклів за секунду. Це у тисячу разів перевершує показники електронних насосів на базі алюмінієвих провідників. Графеновий пристрій володіє достатньою продуктивністю щоб визначати еталонну величину сили струму у залежності від заряду електрона.

Використання як квантової точки - напівпровідника малої довжини, що володіє квантовими властивостями, - одношарового двовимірного вуглецю (графена) вперше дозволило створити стабільний одноелектронний насос. Запропоновані раніше насоси на базі напівпровідникових матеріалів володіли занадто великою теоретичною похибкою для вимірювання стандарту сили електричного струму.

Завдання перевизначення чотирьох основних одиниць системи СІ - ампера, моля, кельвіна і кілограма - через фундаментальні константи була поставлена на Генеральній конференції з мір та ваг восени 2011 року. У даний час сила струму визначається через взаємодію між нескінченно довгими провідниками у вакуумі.

Еталонний ампер було запропоновано обчислювати відносно елементарного електричного заряду (електрона), який є постійним і дорівнює 1,60217653 x 10^-19 кулона. Під впливом сили струму в один ампер крізь перетин провідника повинен за одну секунду пройти заряд рівний одному кулону.

Электронные насосы – устройства, которые могут перемещать определенное количество электронов в течение каждого насосного цикла. Для физиков этот объект исследования интересен не только с точки зрения фундаментальной науки. Одноэлектронный насос имеет шанс найти практическое применение в метрологии, действуя как точный частотно-токовый конвертер.

Главная цель этой области исследований состоит в том, чтобы создать текущий стандарт, основанный на электрическом заряде отдельного электрона, для достижения высокой точности текущего измерения. Устройство, названное одноэлектронным транзистором, может манипулировать электрическими зарядами, вплоть до одного электрона и, следовательно, он применим для создания квантованного тока (тока, который состоит только из одного или нескольких электронов).

Экспериментально, эта концепция, главным образом, была проверена на устройствах, сделанных из 3–5 полупроводниковых гетероструктур или металлических наночастиц. В принципе, чем меньше устройство, тем, лучше оно работает. Однако, размер устройств, сделанных как из полупроводниковых гетероструктур, так и из металлических частиц ограничен текущими возможностями технологий литографии.

Большинство конструкций одноэлектронных насосов использует очень маленькую область, слабо соединенную с электронным бассейном, обычно именуемым в металлических системах как остров. Остров является достаточно маленьким, что дополнение или удаление отдельного электрона делают заметное энергетическое различие. Исследователи предложили изменить эту структуру, заменяя нормально-металлический остров отдельной однослойной углеродной нанотрубкой (ОУН), которая уже обладает наномасштабом с диаметром приблизительно 1 нм.

25.Молекулярні тригери. Молекулярні логічні елементи.

Процессор , по всей видимости, будет состоять из молекулярных логических элементов. Приведем несколько примеров уже существующих разработок.

1. В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия. Например, молекула соединения типа спиробензипирана может быть переключена из состояния "0" в состояние "1" с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратом направлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции. Стоит отметить, что подобные фотопереключаемые системы играют важную роль в процессах зрительного восприятия у животных и фотосинтеза у растений: поглощая фотон, молекулы родопсина и хлорофилла претерпевают структурные перестройки, меняя при этом свою реакционную способность.

2. В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и запатентованы переключающие элементы на зеркально-симметричных - хиральных (от греч. хирос - рука) - изомерах, которые также могут применяться для хранения и обработки информации: функции логических "0" и "1" выполняют "правая" и "левая" формы молекулы. Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния в другое производится при одновременном действии света и электрического поля: свет сообщает молекуле энергию, необходимую для перехода в новое состояние, а электрическое поле задает направление переключе ния. Считывание информации производится оптическим способом (см. "Наука и жизнь" № 6, 2000 г.).

3. Недавно компания Hewlett-Packard объявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов. Такой вентиль состоит из молекул двух типов: циклической (так называемой "бусины") и линейной ("нити"). В работающем устройстве "бусина" оказывается нанизанной на "нить", располагаясь на ней в одном из двух возможных устойчивых положений. Переход из одного положения в другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменения кислотно-щелочного баланса среды. Такой переход является обратимым, и им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе переключения значительно сдвигается полоса поглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптическим способом. Молекулы ротаксанов могут быть объединены в полимерные цепи различной длины и сложности, которые будут выполнять логические функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей.

4. Рассмотрим еще один вариант молекулярных устройств, способных выполнять логические операции. Представьте себе длинную молекулу, состоящую из двух типов чередующихся структурных группировок, одни из которых служат потенциальными ямами, а другие - потенциальными барьерами для прохождения электрона вдоль молекулы. Таким образом эта молекулярная цепочка представляет собой "полосу препятствий" для электрона. Исходное состояние молекулы задается так, что электрон может легко пройти ее (за счет эффекта резонансного туннелирования). Однако стоит только воздействием на одну из группировок изменить высоту барьера или глубину ямы - и прохождение электрона станет невозможным. Допустим, наша молекула имеет четыре потенциальные ямы, глубиной которых мы можем управлять путем оптического или электрического воздействия. Тогда она способна работать как логический элемент НЕ-И с четырьмя входами. То есть электрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те моменты, когда сигнал на всех четырех входах отсутствует.

Используя в качестве строительных блоков хотя бы одно из вышеперечисленных молекулярных устройств, теоретически можно построить схему, выполняющую любые сколь угодно сложные логические операции и вычисления. Из этих же элементов можно создавать и блоки оперативной памяти (ОЗУ), а также постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Для работы последних необходимо, чтобы время жизни используемых в них молекул в том или ином состоянии было достаточно велико. Только тогда информация сможет храниться длительное время.

Молекулярное логический элемент представляет собой молекулу , которая выполняет логическую операцию , основанную на одном или нескольких физических или химических входов и одним выходом. Поле продвигаетс от простых логических систем на основе одного химического или физического вклада молекул , способных комбинаторных и последовательных операций , таких как арифметические операции , т.е. moleculators и алгоритмы хранения памяти.

Для логических элементов с одним входом, существует четыре возможная модель вывода. Когда входной сигнал равен 0, то выходной сигнал может быть либо 0 или 1. Когда вход 1, то выход может быть снова 0 или 1. Битовых шаблонами четыре вывода, которые могут возникнуть, соответствуют определенному логическому типу: PASS 0, ДА , НЕ и PASS 1. PASS 0 всегда выводит 0, независимо от входного сигнала. PASS 1 всегда выводит 1, независимо от входного сигнала. ДА выводит 1, когда вход 1 и НЕ является обратным ДА - он выводит 0, когда вход 1. Пример ДА логического элемента представляет собой молекулярную структуру, показанную ниже. Выход «1» дается только тогда, когда ионы натрия присутствуют в растворе (вход «1»).

Молекулярные логические элементы работают с входными сигналами на основе химических процессов и выходные сигналы на основе спектроскопии .

26.Фототермічне перетворення у напівровідникових системах. Вплив об’ємної та поверхневої рекомбінації фотозбуджених носіїв заряду.

27.Фототермічні методи дослідження теплофізичних властивостей наноструктурованих матеріалів.

28.Фотоакустичний ефект у наноструктурованих матеріалах. Механізми фотоакустичного перетворення в твердих тілах.

Фотоакустичний ефект (англ. photoacoustic effect, рос. фотоакустический эффект) — швидкозатухаюча осциляція тиску, викликана раптовою зміною температури, що є результатом виділення тепла після поглинання випромінення внаслідок безвипромінювальної дезактивації або хімічної реакції. Реєструється за допомогою мікрофона або п'єзоелектричного пристрою.

Фотоакустична ефект або оптико - акустичний ефект є формуванням звукових хвиль наступного світла поглинання в матеріалі зразка. Для отримання цього ефекту інтенсивність світла повинна змінюватись періодично ( модульоване світло ) або як один спалах ( імпульсне світло ). ^{[1] [ потрібна сторінка ] [2]} Фотоакустичний ефект кількісно визначається шляхом вимірювання утвореного звуку (зміни тиску) за допомогою відповідних детекторів, таких як мікрофони або п'єзоелектричні датчики. Коливання часу електричного виходу (струму чи напруги) від цих детекторів є фотоакустичним сигналом. Ці вимірювання корисні для визначення певних властивостей досліджуваного зразка. Наприклад, у фотоакустичній спектроскопії фотоакустичний сигнал використовується для отримання фактичного поглинання світла в непрозорих або прозорих об'єктах. Це корисно для речовин у надзвичайно низьких концентраціях, оскільки для підвищення чутливості можна використовувати дуже сильні імпульси світла від лазера, а для конкретності можна використовувати дуже вузькі довжини хвилі. Крім того, фотоакустичні вимірювання слугують цінним інструментом дослідження при дослідженні тепла, що виділяється у фотохімічних реакціях (див. Фотохімія ), особливо при дослідженні фотосинтезу .

Найчастіше електромагнітне випромінювання будь-якого виду може спричинити фотоакустичний ефект. Сюди входить весь діапазон електромагнітних частот, від гамма-випромінювання та рентгенівських променів до мікрохвильової та радіо . Однак значна частина повідомлених досліджень та застосувань, що використовують фотоакустичний ефект, стосується майже ультрафіолетових / видимих та інфрачервоних спектральних областей.