8 февраля — День российской науки! Поздравляем всех, кто вкладывает свои силы, энергию, труд в развитие науки!

Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН рассказали о ярких достижениях за прошедший год: к ним относятся результаты исследований, опубликованных в Nature и Nature Communications, сотрудники ИФП СО РАН вошли в состав коллективов, выполнявших эти работы.

Одно из исследований посвящено изучению свойств топологических изоляторов: их взаимодействию с лазерным излучением. Результаты открывают новые возможности управления током с помощью световой волны, что в перспективе позволит создать быстродействующие электронные устройства и средства связи. Также новые данные важны для понимания релятивистских эффектов, возникающих, когда скорости движения частиц близки к скорости света. Среди научных публикаций сотрудников ИФП СО РАН за 2021 год, статья в Nature – в числе самых цитируемых (по данным наукометрической платформы Web of Science).

В другой работе, ученые продемонстрировали прототип сверхчувствительного сенсора на основе графеновых нанолент. Высокая чувствительность сенсора обеспечивается эффектом квантового туннелирования и использованием латеральных гетеропереходов ― графеновые нанополоски разного типа проводимости размещаются бок о бок, а не наслаиваются друг на друга, как это традиционно бывает в полупроводниковых структурах. Пока ученые показали высокую восприимчивость сенсора к литию, но рассчитывают, что сенсор будет чувствителен к любым веществам, которые могут быть донорами электронов. Это, например, другие щелочные металлы (натрий, калий и т.д.), некоторые газы (водород, угарный газ), сульфиды и иные соединения.

Топологические изоляторы: управление током, управление светом

Исследование свойств топологических изоляторов на примере поверхности кристалла теллурида висмута проводила группа специалистов Регенсбургского университета, университета Марбурга, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета.

Топологические изоляторы ― материалы, способные проводить спин-поляризованный ток по своей поверхности, и практически не проводить внутри, в объеме, оставаясь изолятором. Спин ― характеристика электрона, как масса и заряд, но управление спином дает больше возможностей для разработки быстродействующих гаджетов с минимальными тепловыми потерями.

На поверхности топологического изолятора электроны ведут себя как безмассовые частицы, и при освещении лазером удается разогнать их до весьма больших скоростей. В ходе нового исследования обнаружилось, что ускоренные электроны способны двигаться по поверхности топологического изолятора практически без рассеяния ― в отличие от движения в обычном кристалле ― а значит, проводить ток гораздо быстрее, без потерь на нагрев. Более того, электроны переизлучают свет лазера иначе, чем в нетопологических материалах ― генерируя световые волны промежуточной частоты (а не кратно частоте исходного излучения).

Электронная структура теллурида висмута, полученная методом фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением (ARPES)

«На поверхность топологического изолятора (кристалла теллурида висмута) падает свет лазера определенной длины волны, а переизлучается ― широким спектром. Управляя характеристиками исходной волны, можно двигать, варьировать, получать любые длины переизлученных волн. Без специфических свойств топологического изолятора это было бы недостижимо. Также можно почти мгновенно изменить состояние электронов с помощью лазера ― это перспективно для создания сверхбыстрых электронных устройств», ― объясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор НГУ профессор РАН доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко.

Заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН доктор наук Олег Евгеньевич Терещенко

Вырастить кристалл топологического изолятора ― сложная задача, но благодаря многолетнему опыту специалисты ИГМ СО РАН и ИФП СО РАН успешно с ней справляются. После того, как кристалл готов, его нужно охарактеризовать ― определить тип проводимости, качество кристалла, убедиться, что электроны на поверхности ведут себя, как и должны в топологическом изоляторе ― их энергия линейно зависит от импульса, а не квадратично, как свойственно свободным электронам и электронам в обычных (тривиальных) кристаллах. Чтобы «посмотреть» электронную структуру кристаллического материала, используется интенсивное излучение и специальное оборудование: «просвечивая» материал и регистрируя изменения, происходящие с электронами, можно получить подробную информацию об энергии частиц, их магнитных моментах и прочих характеристиках, от которых напрямую зависят свойства вещества.

«Объекты исследования ― высококачественные кристаллы теллурида висмута с встроенным p-n переходом выращивались в ИГМ СО РАН старшим научным сотрудником к.ф.-м.н. Константином Александровичем Кохом по методике, которую мы разработали совместно. Затем проводилась характеризация кристаллов ― в ИФП СО РАН, и на источнике синхротронного излучения (HiSOR) в Японии, с применением фотоэлектронного спектрометра для исследования электронной структуры кристаллов методом фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением (ARPES). Сейчас подобная установка есть и в нашем Институте, но на момент проведения работы приходилось пользоваться зарубежной. Дальнейшее воздействие на кристалл лазерными импульсами, описание процессов, происходящих при этом в материале, проводили немецкие коллеги», ― говорит Олег Терещенко.

Кристалл топологического изолятора - теллурида висмута

Любопытно, что новое открытие в физике твердого тела перекликается с актуальными проблемами физики высоких энергий — обнаружением частиц, чье существование пока не подтверждено экспериментально. Уже упоминавшиеся «безмассовые» электроны на поверхности топологических изоляторов могут двигаться со скоростями достаточными, чтобы проявились релятивистские эффекты ― характерные для околосветовых скоростей.

«Частицы, предсказанные раньше теоретически, для разделов физики высоких энергий, сейчас ищут внутри твердого тела. Это, например, фермионы Майорана, являющиеся кандидатами, в том числе, для частиц холодной тёмной материи. Считается, что экспериментальное обнаружение майорановских частиц как в физике высоких энергий, так и в области физики твёрдого тела приведёт к важным последствиям для науки. Таким образом, у исследователей появляется шанс обнаружить новые частицы с помощью небольших приборов (если сравнивать с коллайдерами) и при малых энергетических затратах», ― резюмирует Олег Терещенко.

Исследование выполнялось при поддержке Российского научного фонда (проект №17-12-01047), Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 21-52-12024).

Графеновые наноленты для сверхчувствительного сенсора

Прототип сверхчувствительного сенсора на основе графеновых нанолент разработал международный коллектив специалистов из научных центров Германии, России, США, Канады и Японии. Детали исследования опубликованы в Nature Communications. Cоавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Ненашев в составе группы ученых занимался созданием численной модели, описывающей квантовые явления, за счет которых были достигнуты выдающиеся характеристики сенсорного устройства.

«Прототип сенсора представляет собой транзистор, в основе которого графеновые наноленты, иначе говоря, полоски двух видов: разной толщины и проводимости. Ширина полосок одного типа ― 7 атомов углерода, каждая такая полоска ― полупроводник с широкой запрещенной зоной, у другого типа полосок ― ширина в 14 атомов углерода, и это ― узкозонный полупроводник (почти металл). Стыки между разными типами полосок ― гетеропереходы ― были допированы литием (введена его небольшая концентрация), что улучшает характеристики транзистора. Графеновые полоски сначала выращивались на золотой подложке, а потом были перенесены на кремниевую подложку, покрытую оксидом кремния», ― объясняет Алексей Ненашев.

Изображение графеновых нанолент, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. (Источник изображения: Nature Communications, лицензия Creative Commons)

Во время экспериментов ученые обнаружили, что транзистор на основе нанолент лучше управляется ― требует меньшего напряжения на затворе для регулирования тока, в сравнении с обычными полевыми транзисторами. То есть, транзистор можно быстрее переключить, затрачивая меньше энергии. А сенсор на его основе будет чувствителен к очень малому количеству диагностируемого вещества.

Однако теоретическое обоснование механизма быстродействия оставалось неясным. Первый шаг к пониманию был сделан коллегиально. Специалисты научной группы предположили, что в структурах происходит квантовое туннелирование: электроны проходят сквозь «стены» ― энергетические барьеры. Далее, детальной проработкой системы уравнений, подбором параметров модели занимался Алексей Ненашев.

Старший научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Ненашев

«Модель очень простая: наша система представляла собой несколько квазиметаллических нанолент (шириной в 14 атомов углерода), соединяющихся другими нанолентами (шириной в 7 атомов). Эти более узкие наноленты описывались в модели как потенциальные барьеры для электронов. При изменении напряжения на затворе транзистора электроны туннелировали (упрощенно говоря ― просачивались) через барьеры. Туннелирование возможно только в квантовом мире, и именно за счет использования этого квантового эффекта нашей группе удалось получить улучшенные транзисторные характеристики. В модели мы приняли, что все потенциальные барьеры абсолютно одинаковы, соответственно, приложенное напряжение делилось поровну между барьерами. Это сильное упрощение, но, тем не менее, модель прекрасно работала, и все экспериментальные данные в нее укладывались», ― объясняет Алексей Ненашев.

Схематическое устройство датчика на основе графеновых нанолент" (Источник изображения: Nature Communications, лицензия Creative Commons)

Прозрачность барьера, обуславливающая возможность электрона «просочиться», зависит от энергии, которой обладает частица. И важно, что если энергию изменить лишь слегка, то прозрачность барьера может возрасти на порядки.

Эффект туннелирования в полупроводниковых структурах был открыт в 1970-е годы, и с тех пор получил массу практических применений ― он используется при записи информации на флеш-память, в работе сканирующего туннельного микроскопа ― «картировании» атомных структур поверхностей.

Высокая чувствительность сенсора, который разработали исследователи, тоже связана с туннельной проводимостью. При попадании на канал транзистора вещества, способного отдавать электроны, резко изменится ток, протекающий через транзистор. Померив величину изменения, можно определить количество вещества, попавшего на канал.

Алексей Ненашев добавляет, что о практическом использовании результатов говорить рано: «Пока наша разработка находится на исследовательской стадии, это заявка не на технологию, а на принцип действия».

Однако на данном этапе авторы полагают, что их достижения будут важны для широкого круга специалистов, заинтересованных в создании новых типов электронных устройств, в которых используются низкоразмерные материалы. Исследование выполнялось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-52-00016 Bel-a).

Пресс-служба ИФП СО РАН