В очень скором будущем традиционные системы вычислений и телекоммуникаций будут заменены квантовыми. С точки зрения физики это означает применение эффектов, открытых буквально в последнее столетие: квантование энергии электронов, запутывание фотонов, суперпозиция состояний частиц. С практической точки зрения важно то, что такие системы будут невероятно быстрыми и неуязвимыми для взломщиков: квантовые компьютеры, объединённые сетями квантовой связи, будут представлять собой новую всемирную паутину — квантовый интернет.

Сотрудники научно-исследовательской лаборатории эпитаксиальных технологий ИНЭП ЮФУ под руководством ведущего научного сотрудника Максима Солодовника разработали инновационную методику, которая позволяет обеспечить одновременно низкую плотность и малый размер частиц при формировании квантовых точек.

Квантовые точки — это наночастицы, настолько маленькие, что их цвет, электрические, оптические, магнитные и другие свойства напрямую зависят от их размеров. Менять размер столь крошечных структур можно только, присоединяя и отсоединяя отдельные атомы вещества, именно в этом и заключается нанотехнология.

«Сейчас мы занимаемся разработкой технологий создания наногетероструктур А3В5 для микро- и наноразмерных источников излучения оптического диапазона. При этом основное направление – наногетероструктуры с квантовыми точками, в том числе упорядоченными на поверхности кристалла», — рассказал Максим Солодовник.

В ноябре 2022 года данное направление было поддержано Минобрнауки РФ в рамках национального проекта «Наука и университеты», одним из результатов которого было создание в Южном федеральном университете молодежной Лаборатории эпитаксиальных технологий. При этом задачи были поставлены весьма амбициозные: разработка технологии управления квантовыми точками, причем, не только их свойствами, но и положением на кристалле.

На данный момент исследования в ИНЭП ЮФУ ведутся сразу по нескольким основным направлениям. Во-первых, это изучение режимов эпитаксиального синтеза квантовых точек.

«Нами впервые было показано, что влияние давления компоненты V группы на этапе «погружения» сформированных квантовых точек в гетероструктуру оказывает колоссальное влияние на их размер и оптические свойства. Это открывает дополнительные возможности управления характеристиками такого рода объектов, а значит и их оптическими свойствами, что очень важно для создания лазеров и светодиодов на их основе», — объяснил Максим Солодовник.

Учёный добавил, что если на поверхности кристалла управляемо создать систему «ямок», то такие «ямки» впоследствии могут стать местом преимущественного формирования квантовой точки. Таким образом, можно управлять не только положением квантовых точек на кристалле, но и их количеством и размером, что чрезвычайно важно для создания высокоэффективных наноразмерных излучателей, в том числе так называемого неклассического излучения, которое лежит в основе систем квантовых коммуникаций и вычислений.

«В этом направлении мы разработали оригинальную технологию безмасочной литографии, позволяющую прецизионно создавать на поверхности рисунок, состоящий из элементов заданных размеров, и при этом исключить использование химической обработки поверхности, что чрезвычайно важно для ростовых процессов, чувствительных к любым посторонним примесям на поверхности кристалла. Результаты этого исследования прямо сейчас готовятся к публикации», — отметил Максим Солодовник.

Изучение процессов формирования квантовых точек на поверхностях со сложным, искусственно созданным рельефом — теми самыми «ямками» —  имеет много своих сложностей, ведь процессы синтеза на таких поверхностях значительно отличаются от обычных. Однако первые результаты учёных ЮФУ обнадеживают: избранный подход работает, квантовые точки формируются в созданных «ямках» и в заданных положениях.

«Отдельно стоит отметить направление, которое в перспективе позволит интегрировать технологию А3В5 с кремниевой технологией – получение наноразмерных кристаллов А3В5, в том числе, с квантовыми точками, на поверхности кремниевой подложки. Здесь мы также используем оригинальные подходы к локализации формирования структур. На первом этапе нам удалось локализовать массивы так называемых нитевидных нанокристаллов GaAs на поверхности Si», — подытожил Максим Солодовник.

В дальнейшем учёные ИНЭП ЮФУ планируют перейти к упорядочиванию положения одиночных нанокристаллов на поверхности. А затем – созданию на их основе новых типов излучателей.

Публикации по теме:

Balakirev S.V., Chernenko N.E., Kryzhanovskaya N.V., Shandyba N.A., Kirichenko D.V., Dragunova A.S., Komarov S.D., Zhukov A.E., Solodovnik M.S. Photoluminescence properties of InAs quantum dots overgrown by a low-temperature GaAs layer under different arsenic pressures // Electronics (Switzerland), 2022, V. 11(23), p.4062, DOI: 10.3390/electronics11234062 https://www.mdpi.com/2079-9292/11/23/4062

Shandyba N.A., Balakirev S.V., Sharov V.A., Chernenko N.E., Kirichenko D.V., Solodovnik M.S. Effect of Si(111) surface modification by Ga focused ion beam at 30 kV on GaAs nanowire growth // International Journal of Molecular Sciences, 2022, V. 24(1), p.224, DOI: 10.3390/ijms24010224 https://www.mdpi.com/1422-0067/24/1/224

Shandyba N.A., Balakirev S.V., Sharov V.A., Chernenko N.E., Kirichenko D.V., Solodovnik M.S. Modulation of GaAs nanowire growth by pre-treatment of Si substrate using a Ga focused ion beam // Nanotechnology, 2023, V.34, №46, p.465603, DOI 10.1088/1361-6528/acee84 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/acee84

Balakirev S., Kirichnenko D., Chernenko N., Shandyba N., Komarov S., Dragunova A., Kryzhanovskaya N., Zhukov A., Solodovnik M.  Influence of the arsenic pressure during rapid overgrowth of InAs/GaAs quantum dots on their photoluminescence properties // Crystals, 2023, V13(9), p.1358, https://doi.org/10.3390/cryst1309135, https://www.mdpi.com/2073-4352/13/9/1358

Автор: Алексей Романенко