КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ
НАНОСТРУКТУРЫ
На пятой Российской конференции по физике полупроводников многих
заинтересовал доклад молодого ученого Алексея НЕНАШЕВА об
электронной структуре квантовых точек.
Результаты исследований теоретика активно обсуждались. Автора
буквально засыпали вопросами и запросами о публикациях... Поэтому
в Институте физики полупроводников СО РАН приняли как должное
хорошее известие о присуждении А.Ненашеву премии имени академика
А.В.Ржанова за цикл работ "Электронная структура квантовых точек
Ge в Si".
А.Двуреченский,
профессор, заведующий лабораторией
неравновесных
полупроводниковых систем ИФП СО РАН,
лауреат Государственной
премии СССР.
Масштаб проблемы сразу виден, если рассмотреть ее в целом.
"Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела
без полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые
гетероструктуры и, особенно, двойные гетероструктуры, включая
квантовые ямы, нити и точки, являются сегодня предметом
исследования 2/3 исследовательских групп в области физики
полупроводников".
Эти слова принадлежат академику Ж.Алферову — лауреату
Нобелевской премии по физике за 2000 год, основателю физики
полупроводниковых гетеропереходов — контакта двух различных по
химическому составу или структуре полупроводников. На границе
двух полупроводников происходит изменение свойств
полупроводникового материала: структуры энергетических зон,
ширины запрещенной зоны, эффективных масс носителей заряда, их
подвижности и т. д.
Исследования гетеропереходов привели к созданию
полупроводникового лазера, светодиодов, малошумящих транзисторов,
фотоприемников, солнечных элементов, широко используемых в
настоящее время в повседневной жизни. Например, лазер на основе
гетеропереходов присутствует в проигрывателе компакт-дисков.
Успехи в исследовании гетеропереходов во многом стимулировали
развитие молекулярно-лучевых технологий. Эти технологии позволяют
реализовать высококачественные гетероструктуры со сверхтонкими
слоями, что приводит к формированию дискретного энергетического
спектра вследствие ограничения в движении электронов поперек слоя
(структуры с квантовыми ямами). Прогресс в физике двумерных
гетероструктур с квантовыми ямами, сверхрешеток и их прикладных
применениях привлек внимание исследователей к системам,
обладающим еще меньшей размерностью — квантовым проволокам и
квантовым точкам. В отличие от квантовых ям, где носители
ограничены в движении в направлении, перпендикулярном слоям, и
могут свободно двигаться в плоскости слоя, в квантовых проволоках
движение носителей заряда ограничено в двух направлениях и
свободное перемещение возможно лишь вдоль оси проволоки. В
квантовых точках — "искусственных атомах" — движение носителей
заряда ограничено во всех трех направлениях и характеризуется
полностью дискретным энергетическим спектром. Результаты
исследований низкоразмерных систем заложили основы новой
области — физики квантоворазмерных наноструктур.
В ИФП СО РАН, благодаря предвидениям академика А.Ржанова в выборе
приоритетных направлений развития науки и его
научно-организационным усилиям, были разработаны оборудование и
технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Технология МЛЭ —
базовая в получении квантоворазмерных наноструктур.
Преимущественно на основе этой технологии под руководством
директора института, члена-корреспондента РАН А.Асеева в
настоящее время ведутся работы в рамках крупной национальной
программы "Развитие новых направлений элементной базы
информационных технологий". Координирует программу академик
Ж.Алферов. Программа содержит несколько блоков, включающих
фундаментальные исследования физических процессов в
наноструктурах, перспективных для создания элементной базы
информационных технологий; разработку технологии получения и
диагностики наноструктур, разработку принципов конструирования
компонентов новейшей элементной базы на основе наноструктур.
В отделе молекулярно-лучевой эпитаксии института достигнуты
значительные успехи в создании квантоворазмерных наноструктур.
Одно из таких достижений — создание наноструктур
германий-кремний (Ge/Si) с квантовыми точками германия.
Технологам под руководством заведующего отделом, доктора
физико-математических наук О.Пчелякова удалось разработать
процесс получения уникальных структур с квантовыми точками
достаточно малых размеров (~10 нм), представляющих интерес как
для получения фундаментальных результатов (квантовые точки со
счетным числом электронов/дырок), так и для практического
использования в создании квантовых приборов, функционирующих при
комнатной температуре. Экспериментальные исследования
электрических и оптических характеристик таких структур
проводятся в лаборатории неравновесных полупроводниковых систем,
где получен целый ряд новых результатов. Изготовленные
лабораторные макеты некоторых квантовых приборов
продемонстрировали перспективность гетероструктур Ge/Si с
квантовыми точками Ge для микро- и наноэлектроники. Результаты
экспериментальных исследований обобщены в докторской диссертации
А.Якимова на тему "Электронные явления в массиве квантовых точек
Ge в Si", успешно защищенной в конце прошлого года.
Работа аспиранта А.Ненашева — это часть проводимых в лаборатории
исследований гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge.
А.Ненашев пришел в лабораторию, будучи еще студентом физического
факультета НГУ. Уже при выполнении дипломной работы ему удалось
сделать серьезное продвижение в решении поставленной задачи,
направленной на построение электронной структуры квантовых точек
Ge в Si. Исследование проводилось методами математического
моделирования. Построение физических моделей осуществлялось в
тесном сотрудничестве с экспериментаторами. Результаты
вычислительных экспериментов сопоставлялись с опытными данными,
полученными коллегами в единой команде исследователей. По
окончании учебы в университете, А.Ненашев поступил в аспирантуру
и продолжил решение задачи, связанной с электронной структурой
квантовых точек.
Поле упругой деформации, возникающее из-за различия параметров
решетки двух сред — квантовой точки и ее окружения, — один из
ключевых факторов, формирующих электронную структуру квантовых
точек. Размеры исследуемых квантовых точек настолько малы, что
приближение сплошной среды неприменимо к описанию их упругих
свойств. Поэтому расчет полей упругих деформаций в нанокластерах
Ge и в их окружении выполнялся с помощью разработанного
А.Ненашевым оригинального метода, основанного на использовании
тензора Грина в теории упругости. Метод позволяет получить
пространственное распределение деформаций на атомном уровне в
системе с нанокластерами. Для расчета энергетического спектра
дырок в квантовых точках была использована модель сильной связи.
Учет деформационных эффектов вводился в виде зависимости
межатомных матричных элементов гамильтониана от ориентации
соответствующих связей и их длины.
А.Ненашевым предложен подход к расчету фактора
спектроскопического расщепленения (g-фактора) локализованного
состояния в квантовой точке, основанный на методе сильной связи.
Получено значение g-фактора основного состояния квантовой точки.
Разработана модель для описания пространственно непрямых
экситонов и экситонных комплексов, локализованных на квантовых
точках. Получены значения энергии связи и энергии оптических
переходов для экситонного комплекса, связанного с квантовой
точкой Ge/Si, в зависимости от числа входящих в него электронов и
дырок.
Решение столь сложной задачи потребовало профессионализма
высокого уровня в области физики полупроводников, математической
физики, а также разработки программного обеспечения. Такой
высокий уровень А.Ненашев продемонстрировал при решении
поставленной задачи и получил результаты приоритетного характера
по электронному строению квантовых точек Ge в Si. Разработанные
подходы могут быть с успехом перенесены и на другие гетеропары.
Молодой ученый в настоящее время заканчивает оформление
кандидатской диссертации, защита которой планируется в текущем
году.
стр.
| 
