Важнейшие научные результаты

Полученные прорывные результаты создали научный и технологический заделы для формирования новых материалов и квантовых гетеросистем, для создания электронной компонентной базы и устройств электроники и твердотельной фотоники на новых физических принципах для решения задач современной эконимики, промышленного производства, систем связи и коммуникаций, здравоохранения, экологии, повышения благосостояния общества, безопасности граждан и укрепления обороноспособности государства.

1. Решена крупная задача по созданию физических основ технологий квантовых и топологических полупроводниковых материалов и структур на основе соединений А₃В₅ и А₂В₆ для матричных ФПУ и лазеров ИК диапазона, малошумящих ОЛФД, ансамблей NV-центров в алмазных наноструктурах, гетероструктур на основе графена и графеноподобных материалов для химических и биологических сенсоров, слоистых сверхпроводящих соединений, гибридных полупроводниковых структур и ряда топологических изоляторов с целью дальнейшего использования в электронных устройствах.
2. Установлены новые фундаментальные закономерности в электронных, оптических и магнитных свойствах перспектривных материалов и гетероструктур, квантовых систем и графеноподобных гетероструктур, топологических изоляторов (ТИ) и полуметаллов Вейля, сверхпроводящих гетероструктур.
3. Решен ряд принципиальных фундаментальных и прикладных задач, разработаны ключевые нанотехнологии создания прототипов перспективных приборов нанофотоники, оптоэлектроники, наноэлектроники и спинтроники, квантовой электроники, работающих на новых физических принципах.

Практическая значимость научных результатов заключается в возможности использования полученных в ходе выполнения проекта квантовых материалов и систем для практической реализации устройств перспективной электроники на новых физических принципах и для создания целого семейства высокоточных, быстродействующих малогабаритных мультифункциональных сенсоров на новой элементной базе для различных областей экономики.

Наиболее значимые научные результаты, полученные в ходе реализации проекта в 2023 г.

Решена крупная задача по созданию методами лазерной литографии и ионного травления на базе планарных структур с КЯ HgCdTe/CdHgTe полосковых и микродисковых лазеров, рассчитанных на работу в области длин волн 3-10 мкм.

Разработана технология роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) InAlSb/InSb гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) с нанометровыми барьерами (nBn) с низкой плотностью дефектов и высокой однородностью для матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на спектральный диапазон 3-5 мкм с повышенной рабочей температурой и увеличенной фоточувствительностью.

Разработана технология роста методом МЛЭ ГЭС на основе короткопериодных сверхрешеток второго рода InAs/GaSb и InAs/InAsSb с низкой плотностью дефектов и высокой однородностью для МФПУ на спектральный диапазон 8-12 мкм с повышенной рабочей температурой и гетероструктур на основе твердых растворов AlInAsSb, созданы прототипы малошумящих лавинных фотодиодов (ЛФД), чувствительных в ближнем ИК-диапазоне.

Разработана технология создания гибких, носимых устройств на основе квантовых гетероструктур из монослоев графена и Bi2Se3 с использованием переноса и 2D печати для использования в гибкой электронике.

Развитая в проекте технология создания матрицы нанопроводов с NV центрами в слое алмаза с NV центрами пригодна для магнитометрии с субмикронным разрешением.

Установлена электронная структура (зонный спектр) соединения HgSe. В ультрачистом монокристалле HgSe обнаружен гигантский планарный эффект Холла, который, наряду с киральным магнитным эффектом, служит весомым аргументом в пользу существования в HgSe электронной топологической фазы полуметалла Вейля.

Синтезированы новые типы магнитных топологических изоляторов при частичной замене магнитных атомов на атомы элементов IV группы с целью оптимизации физико-химических свойств данных материалов. Определены особенности атомной структуры и изменения стехиометрического состава, а также магнитных свойств при увеличении концентрации атомов замещающего элемента.

Социальная значимость и эффект от реализации проекта

Результаты работ по проекту определяют фундаментальные основы развития пост-кремниевой электроники в направлениях, сформированных научными коллективами центров компетенций. В рамках реализации проекта создан мощный задел по практической реализации целого семейства сенсоров на новых физических принципах. Полученные результаты найдут свое применение в сфере «зеленой» энергетики, в задачах медицинской диагностики и обеспечения обороны и безопасности. Решение задач проекта способствовует прогрессу в наукоемких отраслях электронной промышленности и научного приборостроения, созданию новых рабочих мест и привлечению молодежи к решению актуальных научно-инженерных проблем.

Развитые в рамках проекта технологии новых материалов и квантовых гетероструктур обеспечили основу для создания фоточувствительных элементов и матриц, фотоприемных устройств, полупроводниковых лазеров среднего и дальнего инфракрасных диапазонов, для применения в оптоэлектронных интегральных схемах на микрометровом масштабе и выработки рекомендаций по созданию бездисспативных межсоединений больших интегральных схем, для обеспечения серийного производства ОЛФД в оптоволоконных системах квантовой связи, для практического использования в современной двумерной и антиферромагнитной спинтронике для решения задач в области искусственного интеллекта, машинного обучения, квантовых вычислений и коммуникаций, систем передачи и обработки информации нового поколения, для применений в фотонике и оптоэлектронике и создания изделий ТГц фотоники для нового поколения высокоскоростной связи (6G), для дефектоскопии непрозрачных материалов, досмотровых сканеров для безопасности и медицинской диагностики.

Уникальность и мировой уровень

Все важнейшие полученные результаты являются уникальными. При проведении экспериментов и модельных расчетов, формировании новых гетеросистем и прототипов приборных структур использовались оригинальные методы и подходы, не имеющие аналогов в других лабораториях. Разработанные элементы фотоники, спинтроники, опто- инаноэлектроники, сенсорики выполнены с применением оригинальных технологических решений и по своим функциональным характеристикам соответствуют мировому уровню, либо определяют его.