Российские физики разработали новый способ управления размером квантовых точек — полупроводников настолько маленьких, что в них проявляются квантовые эффекты. Ученые выяснили, что создавать их можно, нанося небольшие капли веществ на подложку и уменьшая их с помощью потоков мышьяка. Так исследователи могут контролировать размер и плотность получаемых наноструктур, что пригодится в разработке микролазеров и нанотранзисторов. Статья опубликована в журнале Nanomaterials при поддержке гранта Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Уменьшение капель при разном давлении потока мышьяка. Источник: Balakirev et al. / Nanomaterials, 2021
Поиск инновационных методов создания новых материалов необходим для повышения стратегических позиций Российской Федерации в области разработки электронной компонентной базы. Одним из ключевых направлений научно-технического развития электронной промышленности РФ являются технологии создания и производства цифровой электроники, опто- и фотоэлектронной компонентной базы, СВЧ-электроники на основе GaAs (арсенида галлия) для всех сфер применения.
Квантовая физика – одно из самых перспективных научных направлений. Отдельное место в ней занимает изучение квантовых точек — очень маленьких полупроводниковых частиц, которые ведут себя как атомы (имеют дискретный, то есть «прерывистый» спектр излучения). Цвет свечения (и поглощения) квантовых точек сильно зависит от самых разных факторов. Среди них не только тот материал, из которого они сделаны, но и размер и форма частиц. Особенности этих структур уже сейчас активно используют, создавая дисплеи с улучшенной цветопередачей. Также их применяют в гибридных солнечных батареях, где квантовые точки помогают преобразовывать энергию солнца в электрический ток.
Эпитаксия, то есть наращивание одного кристаллического материала на другом, стала основным методом получения квантовых точек. Однако обычно используемые подходы сильно ограничены в управлении размерами и формой таких частиц. Это становится проблемой, когда нужно расположить квантовые точки далеко друг от друга. Другой метод, капельная эпитаксия, дает немного большую свободу. Этот подход предполагает, что сначала на подложку наносят капельки металла (например, индия или галлия), а затем выдерживают их в потоке мышьяка, который реагирует с металлом, образуя новое химическое соединение. В результате капельки превращаются в крошечные частицы полупроводника.
С помощью этой технологии обычно можно сделать либо очень маленькие точки с высокой плотностью, либо большие — с низкой, а вот получить одновременно маленькие и редкие — очень сложно. Коллектив молодых ученых из Южного федерального университета (Таганрог) нашел способ обойти это ограничение. Технологи предложили сначала осаждать большие и редкие капли металла, а затем уменьшать размер, воздействуя очень маленьким (в 100 раз меньше, чем обычно) потоком мышьяка. В этом случае количества молекул мышьяка не хватает, чтобы сразу превратить весь металл в полупроводник, но достаточно, чтобы атомы металла разбегались из капли «в поисках» мышьяка на поверхности подложки, уменьшая тем самым размер капель до требуемых значений. При этом плотность капель не изменяется — они остаются такими же редкими, как и изначально.
«Предлагаемый нами подход универсален. Мы надеемся, что аналогичным образом можно будет управлять размерами наноструктур не только на основе соединений мышьяка, но также сурьмы и фосфора. Если оптические свойства полученных структур будут отвечать определенным критериям, то можно будет говорить о прогрессе не только в технологии получения полупроводниковых наноструктур, но и технологии создания устройств квантовой электроники и нанофотоники», — комментирует Максим Солодовник, кандидат технических наук, доцент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
