У СПбГУ запровадили новий механізм формування нанокристалів для лазерів.

Результати дослідження опубліковані в високорейтинговому науковому журналі Nanoscale Horizons. Сплав InGaN (індій-галлій нітрид), що використовується сьогодні для створення силової електроніки та світлодіодів, також є перспективним для газових сенсорів, сонячних батарей і водневих елементів. Його масове застосування обмежене — це пов'язано з труднощами синтезу стабільного шару.

Нещодавно вчені Санкт-Петербурзького університету детально вивчили механізми формування тривимірних (непланарних) структур на основі матеріалу InGaN, застосувавши наукові та систематичні підходи до опису процесів росту цих структур. На основі таких сполук у СПбГУ вже створюються прототипи світлодіодів, газових сенсорів, елементів для розкладання води та іншого.

Як зазначають фізики, в звичній науковому світі «планарній» формі складні мікроелектронні структури створюються на плоскій поверхні кількома послідовними етапами нанесення матеріалів, травлення та літографії, щоб сформувати різні шари та компоненти пристрою. Проте в разі InGaN формувати такі «плоскі» структури класичним способом не вдається.

Через ефект розриву розчинності отримання InGaN шарів з високим вмістом індію (In) пов'язане з розпадом цього матеріалу на окремі фази та утворенням значної кількості дефектів. Також до утворення дефектів призводить невідповідність постійних решіток цих матеріалів. Все це значно знижує працездатність пристроїв, в яких використовуються ці структури.

Фізики Санкт-Петербурзького університету відкрили новий механізм формування нанокристалів на основі матеріалу InGaN безпосередньо на поверхні кремнію.

«Зокрема, ми вперше пояснили новий механізм формування InGaN волокнистих нанокристалів, що мають спонтанно сформовану структуру типу “стрижень-оболонка”. Результати експериментальних досліджень показали, що процентне вміст In в стрижні нанокристала може складати близько 40 відсотків і більше, а в оболонці — близько чотирьох відсотків. Важливо зазначити, що досягнення такого високого вмісту індію в якісних InGaN шарах є вкрай складним, проте нам це вдалося», – розповів автор розробки, керівник лабораторії нових напівпровідникових матеріалів для квантової інформатики та телекомунікацій СПбГУ Родіон Резник.

Збільшення вмісту індію в InGaN призводить до зміни довжини хвилі (іншими словами, зміни кольору випромінювання) з таких наноструктур, що значно розширює потенціал для застосування цього матеріалу при створенні нових ефективних світлодіодів, лазерів, сонячних батарей та багато іншого. Інтенсивне випромінювання з отриманих вченими наноструктур свідчить про високу оптичну якість нового матеріалу.

«Результати теоретичних досліджень вперше показали, що утворення гетероструктур типу «стрижень-оболонка» в бескаталізних InGaN волокнистих нанокристалах пов'язане з періодичними змінами умов росту на вершині таких наноструктур. Виявилося, що співвідношення атомів III і V груп таблиці Менделєєва на вершині змінюється навіть під час росту одного моношару такої наноструктури», – пояснив керівник лабораторії нових напівпровідникових матеріалів для квантової інформатики та телекомунікацій СПбГУ Родіон Резник.

За словами фізика університету, на першому етапі росту нанокристала умови збалансовані, що дозволяє подолати ефект розриву розчинності та формувати стрижень нанокристала, збагачений індієм. Потім умови змінюються на збагачені III групою, і механізм формування оболонки змінюється. При цьому оболонка може бути ефективно видалена хімічними методами без погіршення якості стрижня.

Зазначимо, що співробітники лабораторії нових напівпровідникових матеріалів для квантової інформатики та телекомунікацій СПбГУ займаються вивченням нових матеріалів для мікроелектроніки: джерел одиночних фотонів, ефективних світлодіодів, сонячних елементів, лазерів, наноп'єзогенераторів, а також інтегрують їх з кремнієвою платформою. Усі ці досягнення — продовження робіт по вдосконаленню квантових технологій для мікроелектроніки, закладеної двома нобелівськими лауреатами: випускником СПбГУ, нобелівським лауреатом з хімії Олексієм Єкімовим та організатором і ректором СПбАУ Жоресом Алферовим. Докладніше про свою роботу Родіон Резник розповідав у подкасті СПбГУ «Генріх Терагерц».