В стремлении к свету - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

В стремлении к свету

Сибирские физики многократно повысили эффективность оптических приборов

Кремниевые технологии – вершина того, что разработано для микро- и наноэлектроники. Но, по оценкам ученых, функциональные пределы кремниевой элементной базы совсем скоро будут достигнуты. Поэтому уже сегодня ученые всего мира создают структуры, работающие на основе новых физических принципов, в частности, с использованием квантовых эффектов. В рамках проекта-«стомиллионника» Минобрнауки РФ «Квантовые структуры для посткремниевой электроники» (головная организация – Институт физики полупроводников СО РАН) уже разработаны технологии производства базовых наноэлементов для компьютеров нового поколения, динамически управляемых метаматериалов и плазмонных наноприборов.
Но новое хорошо изобретать с опорой на незабытое старое. Скажем, умеют выращивать в Институте физики полупроводников структуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Задача архисложная: представьте, что разбросанные детские игрушки надо послойно (на уровне отдельных атомов) уложить в коробку так, чтобы не осталось свободного места. Прорыв 2021 года – создание на основе квантовых точек «германий в кремнии» многослойных наноструктур с контролируемыми параметрами, многократно увеличивающих эффективность фотодетекторов и излучателей.
Как известно, квантовая точка – частица с характерными размерами во всех трех измерениях (меньше 100 нанометров), содержащая электроны проводимости. При таких размерах квантовая точка уподобляется по свойствам атому, ее так часто и называют – «искусственный атом». В ней, как и в атоме, существует дискретный спектр энергетических состояний, формирование которого соответствует законам квантовой механики. В научном мире есть два подхода к созданию таких точек: химический синтез (коллоидные квантовые точки) и уже упомянутая молекулярно-лучевая эпитаксия.
Эпитаксиальные квантовые точки формируются в два этапа: сначала – зарождение и последующий рост ансамбля самоорганизующихся нанокристаллов одного материала на подложке из другого при соблюдении определенных условий, затем – заращивание этих квантовых точек материалом подложки в условиях роста кристаллической структуры. В результате квантовые точки оказываются встроенными в кристаллическую матрицу подложки и находятся в поле упругих деформаций. С помощью добавления металлических нанодисков из золота или алюминия разработанные наноструктуры с квантовыми точками германий-кремний удалось модифицировать.
– Выяснилось, что благодаря возникновению сильных плазмонных эффектов (резонансных колебаний электронов) такая многослойная наноструктура имеет уникальные светоизлучающие и сенсорные характеристики. Используя их, 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 в докладе на Общем собрании президент РАН академик Александр Сергеев.
Не подлежит сомнению практическая значимость открытия. Во-первых, инфракрасные фотодетекторы и излучатели применяются повсюду: в системах волоконно-оптической связи, приборах ночного видения и т. д. Во-вторых, столь развитая кремниевая технология поможет в производстве компьютеров и суперсовременных гаджетов.
– Когда я в 1968 году пришел на работу в Институт физики полупроводников, директор академик Анатолий Васильевич Ржанов предложил мне заняться кремнием. Признаться, я был несколько разочарован, считал, что на смену кремнию уже приходят более перспективные материалы. Но прошло более полувека, а кремний так и остался базой полупроводниковой электроники, – рассказывает один из авторов открытия, заведующий лабораторией ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Анатолий Двуреченский. – Ключевой тренд в области фундаментальных исследований и технологий современной микро- и наноэлектроники – интеграция кремния с другими материалами, что ведет к расширению функциональных характеристик новых базовых элементов схем. 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 (плазмон – квазичастица, квант плазменных колебаний), мы добились многократного увеличения фотолюминесценции германий-кремниевых квантовых точек. Эти структуры создавались методами формирования упорядоченных ансамблей квантовых точек для усиления поглощения или излучения света. Затем они были совмещены с двумерными периодическими металлическими решетками субволновых нанодисков либо с отверстиями в металлической пленке. Металлические метаповерхности позволили преобразовать внешнее электромагнитное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны, что и привело к повышению квантовой эффективности.
В исследованиях принимали участие специалисты Новосибирского государственного университета, Томского государственного университета, Научно-практического центра по материаловедению НАН Белоруссии. Что важно, разработанные наноструктуры совместимы с электронными микросхемами. Именно плазмонные наносхемы могут привести к дальнейшей миниатюризации оптических устройств и обеспечить связь между фотоникой и электроникой.
– Наличие таких проектов, как «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», ведет к объединению не только научных ресурсов, но и технологий, приборной базы, – отмечает директор ИФП академик Александр Латышев. – Нас окружает цифровая трансформация. В основе всех достижений лежит элементная база, в частности, транзистор. Современные тенденции связаны с уменьшением геометрического размера транзистора. Уже создаются микросхемы, основанные на 50 миллиардах транзисторов.
Здесь пролегает и дорога к квантовому компьютеру: согласно эмпирическому закону основателя Intel Гарольда Мура количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца. Аналогично правилу «удвоения» подчиняется не только объем памяти компьютера, но и другие показатели его производительности. За период с 1970 года по 2015-й размеры транзисторов уменьшились в 717 раз. Если бы с такой скоростью развивался, скажем, железнодорожный транспорт, поезд шел бы сегодня из Москвы в Новосибирск 4 минуты. Стоит упомянуть, что транзистор на квантовых точках командой А.Двуреченского уже создан.

Ольга КОЛЕСОВА

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2