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.