Об этом рассказал президент Российской академии наук академик Александр Сергеев на общем собрании РАН. Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН разработали наноструктуры с квантовыми точками «германий в кремнии» с контролируемыми параметрами и модифицировали эти структуры металлическими метаповерхностями. Это позволило преобразовать внешнее инфракрасное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны. Свойства получившихся многослойных нанообъектов позволяют в десятки раз увеличить чувствительность фотодетекторов и эффективность излучателей света для ближнего и среднего инфракрасного диапазонов длин волн. Инфракрасные фотодетекторы и излучатели применяются в системах волоконно-оптической связи, приборах ночного видения.
Схематическое изображение массива металлических нанодисков Au или Al на поверхности структуры кремний-на-изоляторе с квантовыми точками германия
В исследовательской работе принимали участие специалисты Новосибирского государственного университета, Томского государственного университета, Научно-практического центра по материаловедению НАН Беларуси. Результаты опубликованы в журналах «Scientific Reports», «Journal of applied physics», «Физика и техника полупроводников», «Письма в ЖЭТФ».
Работа проводилась в рамках проекта – «стомиллионника»: «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», победившего в конкурсе Минобрнауки России по приоритетным направлениям научно-технологического развития РФ, исследования поддержаны Российским научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.
«Он (научный результат ― прим. авт.) получен в Институте физики полупроводников СО РАН. Там были созданы гетероструктуры, где на подложках кремния с квантовыми точками германий-кремний были добавлены двумерные периодические массивы металлических нанодисков из золота или алюминия. Оказывается, такая структура имеет уникальные светоизлучающие и детектирующие (сенсорные ― прим. авт.) характеристики благодаря возникновению сильных плазмонных эффектов. С учетом этих явлений удалось повысить квантовую эффективность фотоприемников на основе новых гетероструктур в 40 раз ― в ближнем инфракрасном диапазоне и в 15 раз ― в среднем инфракрасном диапазоне», ― отметил президент РАН.
Александр Михайлович Сергеев добавил, что у результатов большая практическая значимость, так как для изготовления таких структур можно использовать развитую кремниевую технологию. Именно кремниевая технология позволяет выпускать современные производительные гаджеты и компьютеры.
Поперечный разрез фотодетектора c регулярным массивом нанодисков золота или алюминия на структурах кремний-на-изоляторе
Полупроводниковые излучатели и фотоприемники в ближнем и среднем инфракрасных диапазонах используются в системах волоконно-оптической связи, мониторинга поверхности Земли из космоса, наблюдения за космическими объектами с поверхности Земли и космических станций. Для создания полупроводниковых излучателей и фотоприемников в инфракрасном диапазоне в основном применяются соединения А3В5 (например, арсенид галлия, арсенид галлия-индия). Но эти соединения весьма сложно синтезировать на кремниевых подложках, в отличие от вышеописанных структур с квантовыми точками «германий в кремнии».
«Мы давно работаем со структурами “германий-кремний” и умеем создавать упорядоченные, строго контролируемые массивы квантовых точек, “способные” к детектированию и излучению света в инфракрасном диапазоне. Объединив нашу технологию с последними достижениями в области плазмоники, мы добились многократного увеличения фотолюминисценции германий-кремниевых квантовых точек. Структуры с квантовыми точками “германий в кремнии” создавались на основе методов формирования упорядоченных ансамблей квантовых точек для усиления поглощения или излучения света полем упругих деформаций и введением локальных уровней в квантовые точки. Затем эти структуры с квантовыми точками были сопряжены с двумерными периодическими металлическими решетками субволновых нанодисков либо отверстиями в металлической пленке. Металлические нанодиски или отверстия в металлической пленке выступали в качестве метаповерхностей, позволяющих преобразовать внешнее электромагнитное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны», — прокомментировал соавтор исследования, заведующий лабораторией ИФП СО РАН, член-корреспондент РАН Анатолий Васильевич Двуреченский.
Типичные изображения в сканирующем электронном микроскопе золотых (слева) и алюминиевых (справа) нанодисков на поверхности кремния с указанным масштабом длины 500 nm
Компоненты плазмоники и метаматериалов совместимы с электронными микросхемами благодаря используемым в плазмонике субволновым размерам и электропроводящим материалам. Поэтому плазмонные наносхемы обладают высоким потенциалом в миниатюризации интегрированных фотонных схем, обеспечивая связь между электроникой и фотоникой.
Квантовые точки — трехмерные фрагменты нанометровых размеров полупроводника, в котором носители заряда (электроны или дырки) локализованы и не могут свободно двигаться, во всех направлениях. Воздействуя на квантовую точку переменным электрическим полем, можно обеспечить испускание фотонов — миниатюрные источники излучения либо протекание электрического тока электронов — фотодетекторы.
Плазмон ― это псевдочастица, квант (неделимая порция) колебания свободных электронов в металле. Плазмонный эффект (резонанс) ― резонансные колебания электронов в металлических пленках, длина волны которых определяется строением пленки и диэлектрической функцией используемых металлов.
Работы велись в рамках проектов РНФ (№ 19-12-00070) и РФФИ (№ 18-52-00014).
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
