О проекте

Проект зеркальных лабораторий «Создание и исследование полупроводниковых гетероструктур А3В5 с квантовыми точками для нанофотоники, излучателей одиночных фотонов, микро- и нанолазеров» совместно с лабораторией эпитаксиальных технологий Южного федерального университета начался летом 2022 года. Две лаборатории, - под руководством Натальи Владимировны Крыжановской в Санкт-Петербурге и под руководством Максима Валерьевича Солодовника в Таганроге, начали свое взаимодействие чуть раньше. Взаимный интерес, а впоследствии и общий проект, возникли благодаря заочному знакомству Максима Солодовника с научным руководителем международной лаборатории квантовой оптоэлектроники (МЛКО) Алексеем Евгеньевичем Жуковым.

Взаимный интерес коллективов обосновывается комплементарностью возможностей двух наших коллективов. В Таганроге деятельность лаборатории сфокусирована на эпитаксиальном росте, а в частности, на молекулярной пучковой эпитаксии. Такой метод используется для создания тонких пленочных слоёв на поверхности твёрдого материала. Делается это с помощью молекул, которые испускаются из источника под формой пучка. Пучок молекул направляется к подложке, которая покрывается этими молекулами и образует слой. Эти молекулы "прикрепляются" друг за другом, слой за слоем, как звенья цепи, создавая кристаллическую структуру, эквивалентную исходному материалу подложки. Основное преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет контролировать рост пленочных слоёв с очень высокой точностью и получить кристаллически чистые структуры, с минимальным «вкраплением» инородных атомов. С помощью эпитаксии выращиваются кристаллы для процессоров компьютеров и смартфонов, различные светоизлучающие диоды, солнечные панели и многое другое. Установка эпитаксии со стороны выглядит не слишком впечатляюще: ее можно описать как большую стальную «банку», обвешанную большим количеством датчиков и другой измерительной аппаратуры (чтобы избежать загрязнений растущего кристалла, внутри объема «банки» необходимо нагнетать высокий вакуум, а также постоянно охлаждать стенки камеры.

В нашем случае эпитаксиальный рост позволяет получать новые экспериментальные микро и нано-объекты, такие как квантовые точки, нитевидные нанокристаллы системы материалов A3B5 для последующих исследований в рамках проекта Зеркальных лабораторий. Помимо эпитаксиальных структур, в Таганроге так же есть различные методики пост-ростовой обработки, такие как травление с помощью фокусированных ионных пучков, для которого применяется пучок фокусированных ионов (в этом случае используются ионы галлия), который с помощью электромагнитной линзы управляемо травят полупроводниковый материал, изменяя его структуру, а так же другие методики различной обработки полупроводниковых структур.

В свою очередь, Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники в Санкт-Петербурге предлагает различные способы оптической характеризации полупроводников. Для этого в лаборатории имеются различные источники излучения, как постоянного, так и импульсного характера, гелиевый криостат замкнутого цикла для охлаждения структур вплоть до 5 К (~268 C^o) и измерения температурных характеристик опытных образцов, высокоразрешающая конфокальная микроскопия, позволяющий получать разрешение вплоть до 0.1 мкм, а так же установка время-разрешающей микроскопии, которая позволяет изучать излучательные процессы в полупроводниках во времени. Эти методики оптической спектроскопии являются неразрушающим методом диагностики, и позволяют получать информацию о составе вещества, его зонной структуре, дефектных уровнях и динамике носителей заряда.

Другим вектором коллаборации лабораторий стало изучение влияния модификации поверхности микролазеров с модами шепчущей галереи на их оптические характеристики. Оптические свойства и характеристики таких микрорезонаторов являются одним из основных предметов изучения в МЛКО. Основные эксперименты проводились над структурами с полупроводниковыми микродисковыми лазерами на основе с квантовыми точками InAs/GaAs, и высокоплотными точками InGaAs/GaAs, исследование которых является профильным направлением МЛКО. Свет в таком лазере удерживается в пределах диска за счёт эффекта "шепчущей галереи" – впервые это явление было обнаружено благодаря закругленным стенам галереи, где звук он многократно отражается от стен и распространяется вдоль них. В результате шепот, произнесенный в большом круглом помещении в правильном направлении (лорд Релей, описавший это явление, экспериментировал в круглой галерее соборе св. Павла) около одной стены, отчетливо был слышан на противоположном ее конце (рис.2 а). Впоследствии этот же принцип был использован применительно не к звуковым, а уже к электромагнитным волнам, которые оказываются «запертыми» внутри активной области микролазера аксиальной геометрии и позволяют достичь лазерного излучения. Такие лазеры перспективны для использования в квантовой оптоэлектронике и биосенсорике благодаря своей высокой добротности, малым размерам и небольшой потребляемой мощности.

Таким образом, целью выполнения настоящей работы является организация устойчивого взаимодействия двух лабораторий, направленного на проведение совместных научных исследований в области получения и исследования свойств функциональных полупроводниковых наноматериалов для применений в различных оптоэлектронных системах; исследование методов управляемого эпитаксиального синтеза полупроводниковых наноматериалов – массивов квантовых точек, квантовых точек низкой плотности, селективная эпитаксия для последующего выращивания нитевидных нанокристаллов на основе соединений А3В5.

В процессе выполнения проекта были опубликованы несколько совместных статей, открыты новые возможности во взаимной коллаборации двух коллективов, налажены обширные научные и социальные связи. Проект также поспособствовал расширению взаимных знаний в области фундаментальной физики эпитаксиальных процессов, оптоэлектроники и нанофотоники, излучателей одиночных фотонов и микро- и нанолазеров, а также позволил обеим лабораториям расширить инструментарий своих исследованиях.