Физики Санкт-Петербургского государственного университета исследовали оптические свойства квантовых точек, за открытие которых выпускнику университета Алексею Екимову в 2023 году 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.

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 соответствуют 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 контролировать ее с помощью подбора ростовых параметров нам удается уже 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.

Справка

Выпускник Ленинградского (Санкт‑Петербургского) государственного университета 1967 года Алексей Екимов вместе с американскими учеными Мунги Бавенди и Луисом Брюсом стал лауреатом Нобелевской премии по химии за открытие и исследование квантовых точек. Алексей Екимов стал девятым нобелевским лауреатом в истории СПбГУ.

Сегодня исследования в этой области квантовых точек продолжают ученые лаборатории кристаллофотоники СПбГУ на приборной базе ресурсного центра «Нанофотоника». В ресурсном центре расположена одна из немногих в России научных установок молекулярно‑пучковой эпитаксии.