Квантовые точки Роль процессов самоорганизации

Кластеры нашли широкое применение, прежде всего в электронике. Один из наиболее популярных объектов - вид кластеров, которые называют квантовыми точками. На их основе разработаны технологии нового поколения полупроводниковых приборов, лазеров, диодов, ячеек солнечных батарей и пр.

К вантовые точки представляют собой регулярные «островки» одного полупроводника на поверхности другого, близкого по составу и структуре, и служат трехмерными квантовыми ямами для электронов. Например, на поверхности арсенида галлия GaAs выращивают квантовые точки из арсенида индия In As.

П

Рис. 2.4. Квантовая точка, изображение в атомносиловом микроскопе

олупроводниковые квантовые точки имеют размер в несколько десятков нанометров и содержат тысячи и сотни тысяч атомов (рис. 2.4, 2.5). Дискретность энергетического спектра электрона в квантовой яме позволяет называть квантовые точки «искусственными атомами». Такое сопротивление иллюстрируется рисунком 2.6.

На основе технологии создания квантовых точек были разработаны миниатюрные источники света с высоким коэффициентом полезного действия. Квантовые точки поглощают лазерное излучение в ультрафиолетовом диапазоне и переизлучают его уже в I видимом диапазоне с высоким коэффициентом полезного действия (55%), значение которого предполагается увеличить почти до 100%. Следующий шаг - замена лазерного источника питания обычным источником тока. Варьируя размеры и состав квантовых точек, можно получать светодиоды с разным цветом излучения.

В

Рис. 2.5. Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии

полупроводниковых устройствах микроэлектроники регулируется (включается или выключается) ток, соответствующий потоку из сотен тысяч электронов. В наноэлектронике с помощью квантовых точек можно управлять движением одиночных электронов, что открыло огромные возможности по дальнейшей миниатюризации полупроводниковых устройств и снижению их энергопотребления. Открылись новые возможности для развития криптографии.

У спешно разрабатываются газоразрядные источники света на основе кластеров тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) с интенсивностью, намного превышающей интенсивность атомных газоразрядных источников.

Решая задачу создания квантовых точек, сотрудники лаборатории Ж. И. Алферова пришли к выводу о необходимости использования процессов самоорганизации на новом уровне, тщательно их изучая и творчески используя. В процессах выращивания бездефектных квантовых точек были использованы даже дефекты - исконные «враги» этого процесса, возникающие при совмещении двух полупроводников с различным межатомным расстоянием. Н. Н. Ледендов в популярном докладе в лектории Физико-технического института РАН выразил это так: «Стало ясно, что не нужно пытаться бороться с природой, а надо эту природу изучать, радоваться ей и просто следовать тому, что она сама хочет сделать. А сама она как раз очень хочет сделать наноструктуры, правда, размеры, плотности, относительное расположение нанообъектов она хочет определять сама». Так была сформулирована новая парадигма отношения к росту полупроводниковых кристаллов - переход к самоорганизующимся наноструктурам.

Переходу от традиционных технологических процессов «сверху вниз» к самосборке в процессах «снизу вверх» вполне соответствует вольная трактовка цитаты из книги Макса Фрая «Ворона на мосту»: «Очевидная магия - грубое насилие над реальностью, тогда как Истинная магия - исполнение ее тайных, невысказанных желаний». Заметим к месту, что, по словам Артура Кларка, известного писателя-фантаста, любая развитая технология неотличима от магии.

Ранее считалось невозможным вставить в полупроводник слой из другого материала так, чтобы граница между разными материалами одновременно была и достаточно резкой, и бездефектной. Ж. И. Алферов и его коллеги показали, что эта проблема решаема, и пре­имущества, ожидаемые для «идеальных» гетероструктур, реализуются на практике [2].

Например, при получении квантовых точек на поверхности арсенида галлия (GaAs) взращивают слои арсенида индия (InAs), в кристаллической решетке которого расстояния между отдельными атомами несколько отличаются от расстояний в GaAs. Из-за этого в первом же слое осажденного InAs возникают упругие напряжения, а при достижении определенной толщины кристалл InAs теряет устойчивость и сам распадается на множество практически одинаковых островков. Так «одним ударом» получается множество квантовых точек.

П олучение близких по размеру нанокластеров, чтобы затем наполнить ими твердую среду (матрицу) или нанести на макроскопическую поверхность, является важной технологической задачей. Подобные задачи возникают и при вкраплении магнитных наночастиц в какую-то среду с другими магнитными свойствами, и при создании излучающих наночастиц серебра на полимерной подложке, полупроводниковых квантовых точек и т. п. Во всех этих случаях необходи­мо совместить массовое производство с атомной точно­стью формирования структуры. Задача нанотехнологии заключается в разработке такого процесса, в котором желаемый продукт получается естественным путем самоорганизации.