Ученые СПбГУ обнаружили новый механизм формирования нитевидных нанокристаллов типа «стержень-оболочка» из индия, галлия и азота с высоким содержанием индия в стержне. Сформированные нанокструктуры демонстрируют интенсивное излучение при комнатной температуре и могут быть использованы для создания новых оптоэлектронных устройств — светодиодов, солнечных панелей и лазеров.
Механизм формирования нанокристалла / © Nanoscale Horizons
Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Nanoscale Horizons. Сплав InGaN (индий-галлий нитрид), используемый сегодня для создания силовой электроники и светодиодов, также перспективен для газовых сенсоров, солнечных батарей и водородных ячеек. Его массовое применение ограничено — это связано с трудностями синтеза стабильного слоя.
Недавно ученые Санкт-Петербургского университета подробно изучили механизмы формирования трехмерных (непланарных) структур на основе материала InGaN, применив научный и систематический подходы к описанию процессов роста этих структур. На основе таких соединений в СПбГУ уже создаются прототипы светодиодов, газовых сенсоров, ячеек для разложения воды и другое.
Как отмечают физики, в привычной научному миру «планарной» форме сложные микроэлектронные структуры создаются на плоской поверхности несколькими последовательными этапами нанесения материалов, травления и литографии, чтобы сформировать различные слои и компоненты устройства. Однако в случае InGaN формировать такие «плоские» структуры классическим способом не получается.
Из-за эффекта разрыва растворимости получение InGaN слоев с высоким содержанием индия (In) связано с распадом этого материала на отдельные фазы и образованием значительного количества дефектов. Также к образованию дефектов приводит рассогласование постоянных решеток этих материалов. Все это значительно снижает работоспособность приборов, в которых применяются эти структуры.
Физики Санкт-Петербургского университета открыли новый механизм формирования нанокристаллов на основе материала InGaN непосредственно на поверхности кремния.
«В частности, мы впервые объяснили новый механизм формирования InGaN нитевидных нанокристаллов, обладающих спонтанно сформированной структурой типа “стержень-оболочка”. Результаты экспериментальных исследований показали, что процентное содержание In в стержне нанокристалла может составлять около 40 процентов и выше, а в оболочке — около четырех процентов. Важно отметить, что достижение такого высокого содержания индия в качественных InGaN слоях крайне затруднительно, однако нам это удалось», – рассказал автор разработки, руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.
Увеличение содержания индия в InGaN приводит к изменению длины волны (другими словами, изменению цвета излучения) из таких наноструктур, что значительно расширяет потенциал для применения этого материала при создании новых эффективных светодиодов, лазеров, солнечных батарей и много другого. Интенсивное излучение из полученных учеными наноструктур говорит о высоком оптическом качестве нового материала.
«Результаты теоретических исследования впервые показали, что образование гетероструктур типа «стержень-оболочка» в бескатализных InGaN нитевидных нанокристаллах связано с периодическими изменениями условий роста на вершине таких наноструктур. Оказалось, что соотношение атомов III и V групп таблицы Менделеева на вершине изменяется даже во время роста одного монослоя такой наноструктуры», – пояснил руководитель лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Родион Резник.
По словам физика Университета, на первом этапе роста нанокристалла условия сбалансированы, что позволяет преодолеть эффект разрыва растворимости и формироваться стержню нанокристалла, обогащенному индием. Затем условия меняются на обогащенные III группой, и механизм формирования оболочки меняется. При этом оболочка может быть эффективно удалена химическими методами без ухудшения качества стержня.
Отметим, что Сотрудники лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ занимаются изучением новых материалов для микроэлектроники: источников одиночных фотонов, эффективных светодиодов, солнечных элементов, лазеров, нанопьезогенераторов, а также интегрируют их с кремниевой платформой. Все эти достижения — продолжение работ по совершенствованию квантовых технологий для микроэлектроники, заложенной двумя нобелевскими лауреатами: выпускником СПбГУ, нобелевским лауреатом по химии Алексеем Екимовым и организатором и ректором СПбАУ Жоресом Алферовым. Подробнее о своей работе Родион Резник рассказывал в подкасте СПбГУ «Генрих Терагерц».
