Физики Санкт-Петербургского государственного университета исследовали оптические свойства квантовых точек, за открытие которых выпускнику Университета Алексею Екимову в 2023 была присуждена Нобелевская премия. Ученые изучали полупроводниковые квантовые точки, выращенные в СПбГУ методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Особенность таких точек — отсутствие механических напряжений, что делает их перспективными для применения в новых оптоэлектронных устройствах. Исследователям СПбГУ удалось выделить излучение одиночных точек и объяснить особенности его спектрального состава.
В СПбГУ объяснили особенности свечения ненапряженных квантовых точек / © Getty images
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B. Квантовые точки на основе арсенида галлия используются в устройствах оптоэлектроники – фотодетекторах, лазерах и элементах оптических компьютеров. Одной из проблем таких точек являются механические напряжения, появляющиеся из-за различия кристаллических решеток используемых материалов. В своей работе сотрудники Лаборатории кристаллофотоники СПбГУ использовали новый подход для роста квантовых точек.
С помощью капельной эпитаксии на поверхности подложки из арсенида галлия создавались наноотверстия, которые в дальнейшем заполнялись материалом точки. Такие образцы были изготовлены на установке молекулярно-пучковой эпитаксии в Ресурсном центре «Нанофотоника» Научного парка СПбГУ. Полученные слои квантовых точек имеют минимальные механические напряжения, поскольку используется пара материалов с близкими кристаллическими решетками – GaAs и AlGaAs. Отсутствие напряжений позволяет создать на основе таких квантовых точек устройства оптической логики, использующие для обработки информации долгоживущих спинов ядер.
Физики Санкт-Петербургского университета провели подробное исследование оптических свойств квантовых точек GaAs/AlGaAs методами спектроскопии микрофотолюминесценции и отражения. Как рассказала лаборант-исследователь Лаборатории кристаллофотоники СПбГУ Екатерина Дерибина, под действием света в квантовых точках рождаются квазичастицы – экситоны, представляющие собой «искусственные атомы» из электронов и дырок в полупроводнике. При рекомбинации экситонов квантовая точка испускает свет – люминесцирует.
«Цвет» инфракрасного свечения квантовой точки зависит от ее формы и размера. В исследовании таких образцов другие научные группы сталкивались с наличием нескольких разных «цветов» в одном образце, однако объяснения этому явлению найдено не было. Ученые Санкт-Петербургского университета с помощью метода микроскопии смогли выделить излучение одиночных квантовых точек.
Как объяснила Екатерина Дерибина, набранная статистика по сотням квантовых точек позволила провести анализ пространственной корреляции свечения и найти ему объяснение:
«Мы анализировали распределенные по поверхности образца квантовые точки и выяснили, что различные «цвета» свечения соответствую разным областям квантования движения экситона. Геометрия квантовой точки оказалась сложнее, чем представлялось ранее. Помимо основной центральной области, в каждой квантовой точке существуют две другие области меньшего размера, также ограничивающие движение экситона на нанометровых масштабах.
Точную геометрию «внутренностей» квантовых точек еще предстоит выяснить, но возможность контроля этой геометрии с помощью подбора ростовых параметров удается нам уже и сейчас», – сказала Екатерина Дерибина. Сейчас ученые СПбГУ продолжают работу по созданию точек с определенным спектром свечения, чтобы получать образцы, подходящие для исследования конкретных физических явлений.
