В оглавление

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.