Современная электроника №7/2025

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 49 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 7 / 2025 ные состояния, которые возника- ют из-за взаимодействия электрона с осцилляциями кристалла, с одной стороны и потенциальным барьером внешней среды, с другой. Эти состоя- ния – «уровни Тамма» возникают, ког- да электрон попадает в запрещённую зону кристалла, но его энергия оста- ётся ниже потенциального барьера внешней среды. Таким образом, эти уровни харак- теризуются такими энергетическими состояниями, при которых электро- ны «застревают» у поверхности кри- сталла. Их волновая функция (реше- ния уравнения Шрёдингера) быстро убывает как вглубь кристалла, так и наружу, то есть электроны локализу- ются вблизи поверхности. Также в статье было показано, что электронная проводимость в диэлек- триках может возникать только при возбуждении электронов внешним излучением, например светом. Этот процесс Тамм назвал «внутренним фотоэффектом». В этой статье Игорь Тамм впервые показал, что сама поверхность кри- сталла является источником новых квантовых состояний, которые прин- ципиально не могут существовать в бесконечном кристалле. В современной теоретической физи- ке различают собственные (там- мовские) и несобственные поверх- ностные состояния. Собственные состояния связаны с самим обрывом решётки, а несобственные – с локаль- ными дефектами на границе. Задачи, связанные с таммовскими состояниями, возникают в самых нео- жиданных областях науки и техники. Так, например, исследования искус- ственных наноалмазов размером 2–5 нм, проведённые группой рос- сийских учёных, выявили поверх- ностные состояния Тамма, которые проявляются только на исключитель- но чистых образцах [22]. Было обна- ружено, что в рамановском спектре появляются дополнительные линии, например, 1325, 1500, 1600 см –1 , кото- рых нет в обычных алмазах. Эти линии связаны с поверхностными состояниями Тамма. В статье отме- чается, что при использовании лазе- ров с разными длинами волн (от 257 до 1064 нм) интенсивность и положе- ние Рамановских пиков меняются. С помощью компьютерного модели- рования была рассчитана плотность фононных состояний (PhDOS), кото- рая показала, что высокочастотные колебания выше 1333 см –1 связаны с поверхностными атомами наноал- маза. Полученные значения плотно- сти фононных состояний исследован- ных наноалмазов показаны на рис. 4a. Упрощённая визуализация атомных колебаний, соответствующих высоко- частотным фононным модам, пред- ставлена на рис. 4б. Цветные полосы на рис. 4а соответствуют фононным модам, показанным на рис. 4б. Стрел- ки указывают направление атомных колебаний. Измерения, проведённые с помо- щью ядерного магнитного резонан- са, показали, что эти линии не связа- ны с примесями или другими типами углерода, такими как, например, гра- фит с sp²-связями. Наноалмазы обла- дают уникальными свойствами, таки- ми как высокая твёрдость. Их модуль упругости 607 ГПа, что больше, чем у обычного алмаза (443 ГПа). Поверх- ностные состояния Тамма в наноал- мазах вызывают особые оптические свойства, такие как резонансное рамановское рассеяние, зависимое от энергии возбуждения. Эти свойства делают наноалмазы перспективны- ми для современных и будущих элек- тронных компонентов. Благодаря резонансному рассея- нию наноалмазы могут использо- ваться в сенсорах для обнаруже- ния света или химических веществ. Локализация света на поверхности наноалмазов может быть примене- на в фотонных чипах или для управ- ления световыми сигналами в нано- электронике. Оптические свойства, связанные с поверхностными состо- яниями, могут дополнить использо- вание NV-центров (дефектов азота) в наноалмазах для квантовых ком- пьютеров. Детальный обзор проблем, связан- ных с таммовскими состояниями, можно найти в монографии С. Дэви- сона и Дж. Левина «Поверхностные (таммовские) состояния» [23]. Предложенные Игорем Таммом кон- цепции легли в основу так называ- емых таммовских плазмонов (Tamm Plasmon), с помощью которых опи- сывается механизм поведения элек- тронов на границе между металлом и специальным диэлектрическим материалом, называемым «распре- делённым брэгговским отражателем» (Distributed Bragg Reflector – DBR). Не погружаясь глубоко в сложную мате- матику, можно простыми словами описать эти механизмы следующим образом. С одной стороны, электроны могут свободно перемещаться внутри про- водника. С другой – диэлектрик (DBR), состоящий, например, из чередую- щихся слоёв GaAs/AlAs, действует как зеркало для света, отражая его определённым образом. На границе, разделяющей эти две структуры, про- исходят сложные комбинированные процессы, в которых задействованы свет (фотоны) и поверхностные плаз- монные волны – ПП (Surface Plasmon Polaritons – SPP), которые возникают в результате коллективных колеба- ний свободных электронов в метал- лах и полупроводниках. Они распро- страняются вдоль границы между металлом и диэлектриком, перено- ся энергию на большие расстояния. Можно сказать, что SPP похожи на волны, возникающие на поверхно- сти воды под действием ветра и рас- пространяющиеся вдоль реки, огра- ниченной берегами. Значения волнового вектора у поверхностного плазмона SPP пре- восходят значения волнового векто- Рис. 4. Плотности фононных состояний исследованных наноалмазов (а) и визуализация атомных колебаний, соответствующих высокочастотным фононным модам (б) PhDOS, условные единицы Частота, см –1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 a) б)