Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов
прослоек F обычно используют Fe, Co, Gd, Ni, у которых температура 
Кюри 
T
C
значительно выше, чем температура сверхпроводящего пере-
хода 
T
sc
металлов (Nb, Pb, V), образующих слой S. Методами изготов-
ления сверхрешеток типа F/S являются молекулярно-лучевая эпитак-
сия, электронно-лучевое напыление, магнетронное распыление при 
постоянном токе. Гетероструктуры типа F/S со слоями атомной тол-
щины могут использоваться в электронике следующего поколения как 
логические элементы и переключатели сверхпроводящего тока, при-
чем сверхпроводимостью можно управлять с помощью слабого внеш-
него магнитного поля. Свойства многослойных систем F/S, в т. ч. тем-
пература перехода в сверхпроводящее состояние, зависят от толщины 
ферромагнитного и сверхпроводящего слоев. Толщина ферромагнит-
ного слоя обычно менее 1 нм, толщина сверхпроводящего слоя от 10 
до 50 нм. В гетероструктурах F/S температура перехода в сверхпрово-
дящее состояние 
T
sc
при увеличении толщины слоя F может не только 
монотонно уменьшаться, но и осциллировать. Например, в трехслой-
ной системе Fe/Nb/Fe при увеличении толщины слоя железа 
d
Fe
от 0.1 
до 0.8 нм температура 
T
sc
сначала уменьшается с 7 до 4.5 K, затем при 
увеличении 
d
Fe
до 1.2 нм она растет до 5 K и при дальнейшем увели-
чении 
d
Fe
до 3 нм температура сверхпроводящего перехода снижает-
ся до 3.2 K. В гетероструктурах F/S могут чередоваться слои металла 
и сплава (Nb
x
Ti
1–
x
/Co или V/Fe
x
V
1–
x
). Представляют интерес также ге-
тероструктуры типа сверхпроводник–ферромагнитный полупрово-
дник (например, NbN/EuO/Pb или NbN/EuS/Pb) с туннельным пере-
ходом Джозефсона. Толщина слоя ферромагнитного полупроводника 
(EuO, EuS) в этих гетероструктурах составляет от 10 до 50 нм, а тол-
щина сверхпроводящих слоев — более 200 нм.
Гетероструктуры, полученные чередованием слоев нанометровой 
толщины, можно рассматривать как новые, не существующие в при-
роде полупроводники с необычными свойствами. Их фундаменталь-
ные физические свойства могут существенным образом отличаться 
от свойств трехмерных систем. Как уже упоминалось, в двумерном 
электронном газе были открыты целочисленный и дробный эффек-
ты Холла. В одномерных проводниках проводимость квантуется уже 
в отсутствии магнитного поля и без учета межэлектронных взаимо-
действий. Квантовые точки позволяют исследовать явления, проте-
кающие в обычных системах на атомном уровне. Полностью дискрет-

---

109
2.4. гетероструктуры
ный энергетический спектр квантовых точек открывает возможность 
создания на их основе элементов квантовых компьютеров.
Свойства и возможности применения наноструктур целесообразно 
рассмотреть вместе с условиями их самоорганизации, т. е. когда боль-
шое количество нанообъектов выстраивается в стабильные и упоря-
доченные структуры. Выделяют четыре основные группы упорядочен-
ных наноструктур (рис. 2.4):
— наноструктуры с периодической модуляцией твердых раство-
ров полупроводников;
— периодически фасетированные поверхности;
— периодические структуры плоских поверхностных доменов;
— упорядоченные структуры трехмерных островков на подложке.
а
в
б
г
Рис. 2.4. Спонтанно упорядоченные самоорганизованные наноструктуры 
с периодом D в результате упорядочения различных механизмов:
а
— спинодального распада; 
б
— кристаллографической анизотропии поверхностной 
энергии; 
в
— упругой деформации; 
г
— подавления коалесценции
Процессы самоорганизации имеют различную физическую приро-
ду и обусловлены разными механизмами. Для первой группы спонтан-
ное возникновение упорядоченных наноструктур связано с неустойчи-

---

110