‌

علم نانو به مطالعه و بررسی مواد در ابعاد اتم و مولکول یعنی ابعادی در حدود 1 تا 100 نانومتر می‌پردازد.در این ابعاد، اثرهای مکانیک کوانتومی اهمیت پیدا می کند. با کاهش اندازه‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ی سیستم، پدیده‌های فراوانی که به دلیل اثرات مکانیک کوانتومی و مکانیک آماری در این ابعاد است، نمایان می شوند. مثلاٌ خواص الکترونیکی جامدات با کاهش اندازه‌ی ذرات به طور چشمگیری تغییر می‌کند. این اثرات در مقیاس 100 نانومتر و کوچکتر نمایان می شود. همچنین خصوصیاتمکانیکی، الکتریکی و اپتیکی نسبت به حالت ماکروسکوپی سیستم تغییر می‌کند.

1-1 –                       معرفی وتاریخچه‌یساختار‌های کوانتومی

نیم‌رسانا‌ها امروزه به طورگسترده‌ای درعرصه علم و تکنولوژی به کار برده می‌شوند.نیم‌رسانا ماده‌ای است کهرسانندگی الکتریکی آن بین فلزات وعایق ها قراردارد. نیم‌رساناها شالوده‌ی‌ا‌‌لکترونیک حالت جامدهستندودرقطعات الکترونیکی واپتوالکترونیکی کاربرد دارند.

مطالعه‌یاولیه صورت گرفته درزمینه‌یخصوصیات فیزیکی نیم‌رساناها درمورد ساختارهای همسان[1] مثل ژرمانیوم، آرسناید، سلسیوم وغیره بود. اما به تدریج مشخص شد که ساختارهایی که ازپیوند دو یا چند نیم‌رسانا تشکیل شده باشند، رفتارهای بسیار جالبی ازخود بروزمی‌دهند.این ترکیبات راساختارهای ناهمسان[2] می‌نامند. ساختار‌های ناهمسان مبنای بسیاری از دستگاه‌های پیشرفته‌ی نیم‌رسانای امروزی هستند.مزیت این ساختارها امکان کنترل دقیق روی حالت‌ها وحرکت حامل‌های بار است. دیودهای پیوندی و ترانزیستور‌ها ، قطعاتی که امروزه تقریبا در تمام دستگاه‌های الکترونیکی به کار برده می‌شوند، ازساختارهای ناهمسان نیم‌رسانا ساخته می‌شوند.

پیوند دونیم‌رسانا، دریک بلورانجام می‌شود. یعنی ثابت شبکه‌ی هردو بلور یکسان است اما گاف انرژی[3] وضریب شکست متفاوتی دارند.دراین ساختارهای ناهمسان نیم‌رسانا، تفاوت درگاف انرژی دو ماده سبب محدودیت فضایی الکترون وحفره می‌شود.همچنین ازخصوصیت تفاوت ضریب شکست می‌توان درتشکیل موج ‌برهای نوری استفاده کرد.

امکان کنترل رسانندگی یک نیم‌رسانا به وسیله تغلیظ[4]باناخالصی‌های مختلف باعث شد تا الکترونیک نیم‌رساناها ظهور پیدا کند.ساختارهای ناهمسان نیم‌رسانا نیزامکان حل مشکلات کلی در کنترل پارامترهای اساسی بلور نیم‌رسانا،ازجمله قابلیت تحرک حامل‌ها و جرم موثر، گاف انرژی، ضریب شکست وطیف انرژی الکترون را فراهم آورد]1[.

تحقیقات سیستماتیک در مورد ساختارهای ناهمسان، در اوایل دهه‌ی 1930 درمؤسسه‌ی Physicotechnical شروع شد. از آن زمان تا به حال پیشرفت‌های زیادی صورت گرفته است ومنجر بهساخت قطعاتی با کارایی بالا، ازجمله وسایل کاربردی مثل لیزرهای نیم‌رسانا، دیودهای گسیل کننده‌ی نور (LED)[5]، آشکارسازهای نوری[6]،سلول‌های خورشیدی[7]وغیره شده است]7-2[.

با کاهش ابعاد مواد نیم‌رسانا یعنی تولید ساختارهای ناهمسان با لایه‌هایی درحد نانومتر می‌توان از خاصیت کوانتیدگی حرکت الکترون‌ها استفاده کرد. پیشرفت‌های صورت گرفته درزمینه‌ی رشد بلورهای نیم‌رسانا از قبیل برآرایی باریکه‌ی مولکولی[8] ونشست بخار شیمیایی فلز آلی[9] این امکان را فراهم آورد تا بتوان نیم‌رساناهایی با ابعاد نانو و با دقت واحدهای اتمی ساخت]9-8[.

این ساختارهای فوق ریز، سیستم‌های کوانتومی نامیده می‌شوند و ازآنجا که اغلب خواص فیزیکی یک سیستم به ابعاد آن وابسته است انتظار می‌رود که خواص فیزیکی این ساختارهای فوق ریز نسبت به ساختار کپه‌ای[10] کاملا متفاوت باشد. در سال‌های اخیر مطالعات بسیاری در زمینه‌ی بررسی خواص فیزیکی این ساختارها بهصورت تجربی و نظری صورت گرفته است. بررسی این ساختارهای کوانتومی نه تنها به خاطر خواص الکترونی و اپتیکی جالب آنها، بلکه به علت کاربردشان در قطعات الکترونیکی و ابزارهای نوری توجه بسیاری را به خود جلب کرده است] 6-3[.

با اعمال پتانسیل محدودکننده بر این ساختارها که به کمک ساختاری با گاف انرژی متفاوت به وجود می‌آید و با کاهش ابعاد این مواد در یک، دو و سه بعد به چاه کوانتومی دو بعدی، سیم کوانتومی شبه یک بعدی و نقاط کوانتومی شبه صفر بعدی خواهیم رسید.  به این اثر، اندازه کوانتومی گفته می‌شود.اثر اندازه کوانتومی در ابعاد پایین به صورت تئوری و تجربیمطالعه شده است. همچنین تحقیقات روی ساختارهاینیم‌رسانابا حضور ناخالصی بسیارمهم است زیرا خصوصیات اپتیکی و الکتریکی و گرمایی آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. کنترل بی‌نظیر روی پارامترهای اساسی این ساختارها قطعاتی با کارایی بالا، از جمله انواع لیزرهای چند ساختاری دوتایی، ترانزیستورها و غیره را به وجود آورده است.