양자사이즈효과

요약 나노 구조 속에 갇힌 전자가 특정한 조건하에서만 존재하게 되는 효과이다. 갇히더라도 움직일 수 있는 방향이 몇 개나 되는지에 따라 몇 차원 전자계인지 결정된다. 한편, 양자사이즈효과를 광 장치나 전자 장치에 응용함으로써 장치의 성능을 높일 수 있다.

는 입자로서의 성질과 으로서의 성질이라는 2가지 면을 아울러 갖고 있다. 를 비롯한 재료 가운데 전자의 은 영역에 속한다. 따라서 나노기술에서는 전자파의 반사와 간섭에 의한 양자 효과가 중요하게 된다. 나노 구조 속에 갇힌 전자는 그 파장과 나노 구조의 크기가 꼭 맞는 특정한 조건하에서만 존재하게 된다. 이 효과를 양자사이즈효과라고 하며, 양자갇힘효과라고도 한다.   

나노의 엷은 영역에 갇힌 전자에서는 두께 방향의 전자 에너지는 완전히 양자화되어 전자의 자유로운 운동은 면(面) 내에 한정되게 되는데, 이것을 2차원 전자계(two-dimentional electron system)라고 한다. 나노 기술의 발전과 더불어 갖가지 나노 구조가 가능하게 되었고, 여기서 만들어진 양자 세선(quantum wire)에서 전자의 에너지는 두 방향으로 양자화되어, 전자의 자유로운 움직임은 세선(細線) 방향으로 한정된다. 이것을 1차원 전자계(one-dimentional electron system)라고 한다.

다시 양자 도트나 양자상자에서는 전자는 3차원의 어느 방향으로나 양자 사이즈 효과로 갇혀, 어느 방향으로나 운동의 자유도를 갖지 않는 제로 차원 전자계(zero-dimentional electron system)가 실현된다. 반도체 나노 구조에서는 전도 특성이나 특성으로부터 이들 효과가 뚜렷하게 확인되고 있다.

이 양자사이즈효과를 광(光) 장치나 전자 장치에 응용함으로써 장치(디바이스)의 고성능화를 실현할 수 있다. 이미 에 응용한 양자우물 반도체레이저, 에 응용한 공명터널 트랜지스터, 고전자이동도(高電子移動度) 트랜지스터 등이 있다. 또, 양자세선 구조나 양자상자형 구조에 이용함으로써 이러한 전자의 고이동도화(高移動度化)와 전자파의 간섭효과를 이용한 양자간섭장치(전자파 간섭장치)가 제안되고 있다. 현재 새로운 개념의 신기능 실현을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.