КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-79-10346
НазваниеСоздание и исследование новых типов электрически управляемых наноразмерных источников оптического излучения на основе эффекта эмиссии фотонов из туннельного контакта
Руководитель Лебедев Денис Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" , г Санкт-Петербург
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые слова Туннельный эффект; сканирующая туннельная микроскопия (СТМ); неупругое электронное туннелирование; световое излучение, индуцированное сканирующей туннельной микроскопией; генерация фотонов; I (V) характеристики; наноструктуры; источники излучения
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последние годы разработка наноразмерных источников фотонов с электрическим управлением стала чрезвычайно важной областью исследований в интегрированной оптоэлектронике. Несмотря на многочисленные преимущества, традиционные решения в этой области, такие как полупроводниковые лазеры Фабри-Перо, в том числе решения на основе нанопроволок, и микродисковые лазеры на квантовых точках, имеют резонаторы с размерами, значительно превышающими рабочую длину волны, что ограничивает плотность элементов на микросхеме. Перспективной альтернативой в реализации наномасштабного источника света является использование туннельного контакта между двумя металлическими поверхностями, расположенными на субнанометровом расстоянии. Излучение света из туннельного контакта металл-диэлектрик-металл (МДМ) впервые было экспериментально продемонстрировано в пионерской работе Ламбе и Маккарти. Явление генерации фотонов интерпретировалось в терминах неупругого (без сохранения энергии) туннелирования электронов, возбуждения поверхностных плазмонов и их преобразования в фотоны при рассеянии на шероховатостях поверхности. Однако, у систем типа МДМ есть один существенный недостаток: эффективность генерации фотонов в процессе неупругого туннелирования электронов чрезвычайно низка: один генерируемый фотон на 10^4-10^6 электронов (то есть эффективность ниже сотых долей процента). Таким образом, задача увеличения квантовой эффективности данных процессов является чрезвычайно актуальной.
Для решения этой задачи в данном проекте предлагается исследовать туннельный контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), который с одной стороны обеспечивает протекание процессов неупругого туннелирования электронов, а значит и процессов рождения фотонов и генерации плазмонов, а с другой — совместим с существующими КМОП технологиями. Применение наноантенн из Si или GaP в качестве одного из берегов туннельного контакта с одной стороны обеспечит увеличение квантовой эффективности за счет фактора Парселла, обусловленного увеличенной плотностью оптических состояний в области контакта, а с другой — обеспечит технологическую базу для создания оптических волноводов с малыми потерями из этих же материалов для дальнейшей передачи оптических сигналов на чипе. Учитывая все вышеизложенное, а также тот факт, что технологии наноустройств и микросистемной техники вошли в перечень критических технологий РФ, можно сделать вывод, что выбранная тематика проекта является крайне важной и актуальной на сегодняшний день.
Основной целью проекта является поиск и изучение новых физических механизмов излучения фотонов при протекании электрического тока через туннельный контакт МДП в наноразмерных структурах. В рамках проекта предлагается исследовать одномерные и двумерные (в том числе планарные) МДП наноструктуры, способные излучать фотоны при туннелировании электронов через них. Ключевой особенностью таких структур является увеличенная плотность оптических состояний, стимулирующая процесс неупругого туннелирования электронов, что открывает возможности для создания сверхкомпактных эффективных источников излучения, управляемых внешними электрическими сигналами. В рамках проекта впервые предлагается применять Si или GaP наноструктуры, являющиеся частью туннельного контакта, при этом предлагаемые системы материалов полностью совместимы с КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) кремниевыми технологиями, что определяет потенциал применения подобных источников излучения в существующие кремниевых интегральных схемах.
Важной особенностью проекта является использование сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) для создания туннельного зазора МДП. Во-первых, это позволит добиться увеличения фотонного квантового выхода за счет уменьшения площади контакта (что приводит к увеличению локальной плотности оптических состояний). А во-вторых — туннельный контакт в СТМ можно многократно создавать и разрывать за счет петли обратной связи, что недоступно для планарных наноконтактов, сформированных на поверхности. Таким образом, применяя СТМ можно эффективно исследовать процессы рождения фотонов при неупругом туннелировании электронов. Отдельно нужно отметить проведение непрямых исследований локальной плотности оптических состояний (local density of optical states, LDOS) в изучаемых системах методом сверхвысоковакуумной тунельной спектроскопии, позволяющей пространственно картировать LDOS в области наноантенны без непосредственной регистрации оптического сигнала. Проводя анализ туннельных вольт-амперных характеристик (ВАХ) можно выявлять особенности на ВАХ и связывать их с с увеличенной плотностью состояний в области наноантенны [D.V. Lebedev, et al., J. Phys. Chem. Lett. 12 (2020): 501-507]. Данный подход является оригинальным и активно развивается авторами проекта.
Поставленная в рамках проекта задача является комплексной и для своего успешного решения требует а) разработки и создания новых структур типа металл-диэлектрик-полупроводник, в том числе поиска новых комбинаций материалов, новых геометрических параметров структур и т.д. б) их теоретического рассмотрения и моделирования режимов работы, включая и электронные, и оптические свойства с) их всесторонней экспериментальной характеризации. Это предполагает развитие технологических методов создания наноструктур, в том числе на основе систем материалов Si и GaP, их экспериментальное исследование с помощью методов сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, оптической темнопольной спектроскопии рассеяния и сканирующей электронной микроскопии, проведение аналитических исследований и численного моделирования одно- и многоэлектронных эффектов в процессах возбуждения локализованных оптических мод. Успешное решение данных задач откроет путь к созданию реального интегрального электрооптического чипа.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ