NANO O'LCHAMLI YARIMO'TKAZGICHLARNING XOSSALARI

JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL UDK: 538.915:621.382 Madaminov Xurshidjon Muxamedovich, fizika-matematika fanlari nomzodi, dotsent. Ish joyi: Аndijon davlat universiteti, Kondensirlangan muhitlar fizikasi kafedrasi Toxirova Mashhuraxon Murodjon qizi Ish joyi: Andijon davlat pedagogika instituti, Fizika va texnologik ta’lim kafedrasi o’qituvchisi NANO O‘LCHAMLI YARIMO‘TKAZGICHLARNING XOSSALARI Nano o‘chamli materiallar deganimizda, o‘chamlari bir nanometrdan (10-9 m) bir necha yuz nanometrga teng bo‘lgan materiallar tushuniladi. Bunday materiallami yaratish va o‘rganishdan fan va texnikaga nima yangilik kutiladi va ular qaysi sohalarda ishlatilishi mumkin? Bu savollarga ilmiy asoslangan javob berishdan oldin qisqacha shuni aytish mumkin: materiailaming o‘lchovlari nano o‘lchamlarga yetgan holatda ulaming fundamental parametrlari ya’ni yarimo‘tkazgich materiallarda taqiqlangan soha kengligi, tok tashuvchilar harakatchanligi, elektronlarni hosil qilgan energetik sathlari va boshqa asosiy xossalari juda keskin o‘zgaradi. Bu degani nano o‘lchamli kremniy bo‘lib qolsada, o‘zining elektrofizik parametrlari bilan butunlay yangi material xossalariga ega bo‘ladi. Oddiy kristall kremniyda to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘tishli elektron tuzilma mavjud, ya’ni u yorug‘likni samarali nurlantira olmaydi. Shu sababli makroskopik kremniy optoelektronika sohasida uncha ishlatilmaydi. Ammo kremniy zarrachalarining o‘lchami 5–10 nanometrdan kichik bo‘lganda, ularning elektron energiya holatlari diskret shaklga o‘tadi, o‘tkazuvchanlik va valentlik zonalari orasidagi farq ortadi va kremniy yorug‘lik nurlantira oladigan holatga keladi. Bu hodisa kremniy nanokristallarining eng muhim xususiyati bo‘lib, kvant o‘lcham effekti natijasidir. Nano o‘lchamli kremniyda elektronlarning De-Broyl to‘lqin uzunligi taxminan 4–5 nanometrni tashkil etadi. Agar zarracha o‘lchami shundan kichik bo‘lsa, elektronlarning fazodagi harakat erkinligi cheklanadi va ularning energiya sathlari kvantlangan bo‘ladi. Bu holat quyidagi shaklda ifodalanadi: Egd = Eg taq − Ad 2 bu yerda Eg taq  — kremniyning makro holatdagi taqiqlangan soha energiyasi (1,12 eV), d — zarracha diametri (nm), A — tajriba orqali aniqlangan doimiy. Ushbu formula ko‘rsatadiki, kremniy zarracha o‘lchami kichraygani sari Eg  ortadi. Shuning uchun nanokremniy yaltirab JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL turgan ko‘k yoki yashil nurlanish hosil qiladi, xolbuki oddiy kremniy bunday effektni bera olmaydi. Nanokremniyning optik xossalari uning o‘lchamiga juda sezgir. 3–5 nm o‘lchamdagi kremniy nanokristallari 500–600 nm to‘lqin uzunlikdagi yorug‘likni nurlantiradi. Bunday hodisani 1990yillarda SiO₂ matritsasida kremniy nanokristallarini o‘rganish paytida birinchi marta kuzatilgan. Shundan so‘ng kremniy asosidagi kvant nuqtalar bo‘yicha keng ko‘lamli tadqiqotlar boshlandi. Bu tadqiqotlar kremniyni optoelektron qurilmalarda — ayniqsa, yorug‘lik diodlari (Si-LED), fotodetektorlar va quyosh elementlarida qo‘llash imkonini ochdi. Nano o‘lchamli kremniy issiqlik xossalari jihatidan ham odatiy kremniydan keskin farq qiladi. Kristall panjara o‘lchami kichrayganida fononlarning harakat yo‘li qisqaradi va issiqlik o‘tkazuvchanlik kamayadi. Shu sababli nanokremniy issiqlik izolyatorlari sifatida ishlatiladi. Shu bilan birga, issiqlik o‘tkazuvchanlikning pasayishi termoelektrik samaradorlikni oshiradi. Termoelektrik qurilmalarda bu xossa elektr energiyani bevosita harorat farqidan olish imkonini beradi. Elektr o‘tkazuvchanlik xususiyatlari ham o‘lchamga bog‘liq: kremniy nanokabel shaklida tayyorlanganda elektronlar faqat bir o‘lcham bo‘yicha harakatlana oladi, natijada o‘tkazuvchanlik kvantlanadi. Shu turdagi kremniy simlar asosida kvant tranzistorlar va sensorlar ishlab chiqilmoqda. Ular yuqori sezuvchanlikka ega bo‘lib, gaz, biomolekulalar yoki issiqlik o‘zgarishlarini aniqlash uchun ishlatiladi. Nanokremniy sirtining faolligi ham juda yuqori, chunki uning sirt atomlari soni umumiy atomlar sonining katta qismini tashkil etadi. Shu sababli nanokremniy kimyoviy reaktivlik ko‘rsatadi va sirtidagi bog‘lar orqali turli organik yoki noorganik molekulalar bilan reaksiyaga kirishadi. Bu xossa nanokremniyni biotibbiyot sohasida foydali qiladi: masalan, nanokremniy zarrachalari dorilarni organizmning kerakli joyiga manzilli yetkazish uchun kapsula sifatida ishlatiladi. Nanokremniyning eng muhim ustunligi shundaki, u kremniy asosidagi sanoat bilan mos. Ya’ni, mavjud mikroelektronika texnologiyalarida qo‘llaniladigan uskunalar, plazma o‘ymalar, ion implantatsiya, oksidlanish jarayonlari nanokremniy tayyorlashda ham ishlatiladi. Bu esa yangi materiallar ishlab chiqishda katta iqtisodiy afzallik beradi. Shu sababli “kremniy fotonika” deb ataluvchi yangi soha shakllanmoqda. U nano o‘lchamli kremniy yordamida elektr signallarini optik signalga aylantirishni, ya’ni elektronika va fotonika integratsiyasini maqsad qiladi. Nano o‘lchamli yarimo‘tkazgichlar zamonaviy fizika, kimyo, elektronika va biotexnologiya sohalarining eng muhim yo‘nalishlaridan birini tashkil etadi. Yarimo‘tkazgich materiallarning o‘lchami nanometr tartibiga kelganda, ularning fizik, elektr va optik xossalari keskin o‘zgaradi. Bunday o‘zgarishlar asosan kvant mexanikasi qonunlariga asoslanadi. Nano o‘lchamda elektronlarning harakat erkinligi cheklanib, ularning energiya holatlari diskret shaklga o‘tadi. Bu hodisa kvant o‘lcham effekti deb ataladi. Kvant o‘lcham effekti tufayli nanozarrachalarning energiya teshigi, ya’ni valentlik va o‘tkazuvchanlik zonalari orasidagi farq kattalashadi. Klassik yarimo‘tkazgichlarda, masalan, kremniy (Si) yoki germaniy (Ge) materiallarida energiya sathlari uzluksiz bo‘lib, elektronlar issiqlik yoki yorug‘lik ta’sirida valentlik zonasidan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tadi. Ammo zarracha o‘lchami 10 nanometrdan kichik bo‘lganda, elektronlarning kvant holatlari sezilarli darajada o‘zgaradi. Bu o‘zgarish natijasida o‘lcham kamaygani sayin materialning rang xususiyati, yorug‘lik so‘rilishi va nurlanish spektri ham o‘zgaradi. Masalan, CdSe yoki PbS asosidagi kvant nuqtalarida zarracha hajmi 3–10 nm oralig‘ida bo‘lsa, ularning rangi qizildan ko‘kka tomon siljiydi. Bu holat quyidagi grafikda yaqqol ko‘rsatilgan: JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL Nano va makro yarimo‘tkazgichlarning so‘rilish spektrlari taqqoslanishi Makro yarimo‘tkazgichlar odatda qizil yoki infraqizil sohada so‘rish cho‘qqisiga ega bo‘ladi, nano o‘lchamli zarrachalar esa bu cho‘qqini qisqa to‘lqin uzunliklari tomon siljitadi. Masalan, CdSe kvant nuqtalari uchun 5–10 nm zarracha diametri 650 nm atrofida so‘rilish cho‘qqisiga ega bo‘lsa, o‘lcham 2–3 nm gacha kamayganda u 500 nm ga, ya’ni ko‘k soha tomon siljiydi. Nano o‘lchamli kremniyning solishtirma qarshiligi moddaning o‘lchami kichrayganda keskin o‘zgaradigan muhim elektr xossalardan biridir. Oddiy, makro o‘lchamdagi kremniy yarimo‘tkazuvchi modda bo‘lib, uning solishtirma qarshiligi 1 dan 10³ Ω·sm gacha bo‘ladi. Ammo kremniy zarrachalarining o‘lchami 100 nanometrdan kichrayganda, ya’ni nano o‘lchamga yetganda, bu qiymat keskin ortadi. Buning sababi kremniy zarrachalarida elektronlarning harakatiga ta’sir etuvchi kvant o‘lcham effekti, sirt holatlari va donachalar chegarasi ta’sirining kuchayishidir. Nano o‘lchamda elektronlarning harakati klassik qonunlar bilan emas, balki kvant mexanikasi qonunlari bilan ifodalanadi. Zarrachaning o‘lchami elektronning De-Broyl to‘lqin uzunligiga tenglashganda yoki undan kichik bo‘lganda, elektronlarning harakati cheklangan fazoda ro‘y beradi va bu ularning energiya sathlarini diskret holatga keltiradi. Natijada o‘tkazuvchanlik zonasiga elektronlarning o‘tishi qiyinlashadi va materialning solishtirma qarshiligi ortadi. Kremniy nanozarrachalarida atomlarning katta qismi sirtga yaqin joylashgan bo‘ladi. Sirt atomlarida bog‘lar to‘liq to‘lmaganligi sababli “tuzoq” holatlar hosil bo‘ladi, bu esa o‘tkazuvchi elektronlarning harakatiga to‘sqinlik qiladi. Shuningdek, nanozarrachalar o‘rtasidagi chegaralarda elektronlar sochiladi va bu hodisa ham ularning o‘tkazuvchanligini pasaytiradi. Shuning uchun zarracha o‘lchami kichraygan sari solishtirma qarshilik ortadi. Bu bog‘lanish tajribaviy tarzda aniqlangan bo‘lib, uni ρ(d) = ρ₀ (1 + A/dⁿ) ifodasi orqali yozish mumkin. Bu yerda ρ₀ – makro kremniyning solishtirma qarshiligi, A – tajribaviy koeffitsient, d – zarracha o‘lchami, n esa 1 dan 2 gacha bo‘lgan qiymatni oladi. Ushbu formulaga ko‘ra, o‘lcham kamaygani sari (ya’ni d kichiklashgani sayin) ρ ortadi, chunki A/dⁿ hadining qiymati katta bo‘ladi. Bu holat grafikda ham yaqqol ko‘rinadi: o‘lcham 100 nm dan 5–10 nm gacha kamayganda, solishtirma qarshilik bir necha baravar ortadi. Bunday xususiyatlar ularni rangli diodlar (LED), lazerlar, fotodetektorlar, va quyosh batareyalarida ishlatish imkonini beradi. Masalan, kvant nuqtali jarayonlar texnologiyasida har bir piksel o‘lchamiga mos energiya teshigiga ega nanozarrachalar joylashtiriladi, natijada ekranning rang aniqligi va yorqinligi sezilarli oshadi. Shuningdek, nanozarrachalar yuqori kvant samaradorligi tufayli tibbiyotda biotasvirlash jarayonlarida marker sifatida keng qo‘llanmoqda. JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL Nano o‘lchamli yarimo‘tkazgichlarning elektr xossalari ham o‘ziga xos. O‘lcham kichraygani sari elektronlar va teshiklarning diffuziya harakati cheklanadi, tunel effektlar kuchayadi va o‘tkazuvchanlik kvantlanadi. Masalan, kvant simlarda elektronlar faqat bitta yo‘nalishda harakatlana oladi, kvant qatlamlarda esa ular ikki o‘lchamda erkin, uchinchi o‘lchamda esa chegaralangan bo‘ladi. Natijada elektron oqimi diskret qiymatlar bilan o‘zgaradi. Bu hodisadan foydalangan holda kvant tranzistorlar, tunnel diodlar va kvant hisoblash elementlari yaratilmoqda. Issiqlik xossalari ham nano o‘lchamda o‘zgaradi. Fononlarning tarqalish yo‘llari qisqargani sababli issiqlik o‘tkazuvchanlik kamayadi. Bu nanoelektronik qurilmalarda issiqlikni boshqarish uchun muhimdir. Shu sababli, nano o‘lchamli materiallar asosida ishlab chiqilgan qurilmalarda issiqlik dispersiyasini kamaytiruvchi strukturalar ishlab chiqilmoqda. Bu ayniqsa, yuqori chastotali protsessorlar va lazer diodlarda samarali ishlaydi. Shuningdek, nano o‘lchamli yarimo‘tkazgichlar sirtining atom soni hajmiga nisbatan juda katta bo‘lgani uchun, ularning sirt energiyasi ortadi va kimyoviy faolligi yuqorilaydi. Bu ularni katalizator sifatida ishlatish imkonini beradi. Masalan, ZnO yoki TiO₂ nanokristallar ultrabinafsha nurlari ostida fotokatalitik reaksiya yuritib, atrof-muhitdagi organik iflosliklarni parchalay oladi. Magnit xossalari ham o‘zgaradi: kirishma kiritilgan yarimo‘tkazgich nanokristallarida elektronlarning spin holatlari boshqarilishi mumkin bo‘lib, spintronika qurilmalarida ma’lumot saqlash va uzatish uchun ishlatiladi. Bu soha hozirgi kunda kvant hisoblash texnologiyalarining asosi sifatida qaralmoqda. Nano o‘lchamli yarimo‘tkazgichlar fizikasi hozircha to‘liq o‘rganilmagan bo‘lib, ularning xossalari zarracha shakli, o‘lchami, sirt tuzilishi va tashqi muhit bilan o‘zaro ta’siriga bog‘liq. Hozirgi tadqiqotlar nanozarrachalarning barqarorligini oshirish, toksik ta’sirini kamaytirish va ishlab chiqarish texnologiyasini soddalashtirish yo‘nalishlarida davom etmoqda. CdSe, CdTe, PbS kabi an’anaviy kvant nuqtalari o‘rniga ekologik xavfsizroq InP, ZnS, CuInS₂ kabi kompozitsiyalar ishlab chiqilmoqda. Hozirgi tadqiqotlarda nanokremniy kvant nuqtalari asosida quyosh elementlari yaratish yo‘nalishi ham dolzarbdir. Kremniyning tabiiy zaxiralari ko‘p, ekologik xavfsiz va arzon bo‘lgani sababli, nano o‘lchamli kremniy asosidagi quyosh batareyalari kelajakda energiya manbalarini diversifikatsiya qilishda muhim rol o‘ynashi kutilmoqda. Shunday qilib, nano o‘lchamli kremniy — bu yarimo‘tkazgich texnologiyalarining yangi avlodini shakllantiruvchi materialdir. U kvant o‘lcham effekti natijasida paydo bo‘ladigan o‘ziga xos optik, elektr, issiqlik va kimyoviy xossalari bilan makroskopik kremniydan tubdan farq qiladi. Kremniyning nano holatdagi imkoniyatlari mikroelektronika, fotonika, sensorika va tibbiyotda yangi ufqlarni ochmoqda. Shu sababli, nanokremniy XXI asr texnologik rivojining kalit materiallaridan biri sifatida qaralmoqda. Shunday qilib, nano o‘lchamli yarimo‘tkazgichlar bugungi kunda fundamental fizika, materialshunoslik va texnologiya kesishgan sohada turibdi. Ularning kvant o‘lcham effekti tufayli yuzaga keladigan o‘ziga xos elektr, optik, issiqlik va kimyoviy xususiyatlari yangi avlod elektronika, optika, tibbiyot va energetika qurilmalarining asosini tashkil etmoqda. Nano texnologiyaning keyingi rivojlanish bosqichlarida aynan shunday materiallar asosida yaratilgan kvant kompyuterlar, ultratejamkor diodlar va aqlli sensorlar insoniyat texnologik taraqqiyotining yangi davrini boshlab berishi kutilmoqda. Foydalanilgan adabiyotlar 1. Мизин.А.В, Гусев.А.И. Наноструктурные полупроводники и их физические свойства. — Москва: Физматлит, 2018. 2. Cullis.A. G, Canham, L. T, Calcott.P. D The structural and luminescence properties of porous silicon. —Journal of Applied Physics, 82(3), 909–965 (1997). JOURNAL OF IQRO – ЖУРНАЛ ИҚРО – IQRO JURNALI – volume 18, issue 01, 2025 ISSN: 2181-4341, IMPACT FACTOR ( RESEARCH BIB ) – 7,245, SJIF – 5,431 www.wordlyknowledge.uz ILMIY METODIK JURNAL 3. Pokatilov.E. P, Fomin. V. M, Devreese.J. T. Electron and phonon quantum confinement effects in silicon nanostructures. —Physical Review B, 61(23), 15827–15839 (2000). 4. Brongersma, M. L, & Shalaev.V. M, The case for plasmonics. —Science, 328(5977), 440– 441 (2010). 5. Tilley, R. J. D. Understanding Solids: The Science of Materials. — Wiley, 2013. 6. Canham, L. T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers. —Applied Physics Letters, 57(10), 1046–1048 (1990). 7. Kovalev.D, Heckler.H, Ben-Chorin.M, Diener.J, Koch.F, Timoshenko.V. Breakdown of the bandgap energy concept in porous silicon. —Physical Review Letters, 81(13), 2803–2806 (1998).