Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроникиНИР

qwerty

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
16 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: Полупроводниковая оптоэлектроника 1. Выявлены физические процессы, ответственные за явления самовоздействия при однофотонном резонансном возбуждении экситонов в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS – насыщение поглощения на частоте основного экситонного перехода и штарковский сдвиг линии экситонного поглощения приводят к созданию наведенной амплитудной одномерной дифракционной решетки и канала прозрачности. Установлено, что при однофотонном возбуждении экситонов в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS нелинейное изменение поглощения сопровождается нелинейным изменением показателя преломления, что может приводить к образованию наведенной фазовой дифракционной решетки; 2. Обнаруженная самодифракция двух лазерных лучей при двухфотонном резонансном возбуждении экситонов в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS объяснена их дифракцией на фазовой наведенной дифракционной решетке. 3. Измеренная кубическая зависимость интенсивности самодифрагированных импульсов от интенсивности возбуждающих импульсов при двухфотонном возбуждении квантовых точек CdSe/ZnS такая же, как и для процесса четырехволнового взаимодействия. Обнаруженная зависимость интенсивности самодифрагированных импульсов от интенсивности возбуждающих импульсов выше 5-ой степени может быть объяснена дополнительным поглощением на двухфотонно возбужденных носителях, приводящим к образованию помимо фазовой, амплитудной наведенной дифракционной решетки. Так же возможен рост величины двухфотонного поглощения (при приближении энергии двух фотонов лазерного излучения к точному резонансу экситонного поглощения за счет красного штарковского сдвига спектра экситонного поглощения). 4. Самодифракция трех лазерных лучей, пересекающихся в кювете с коллоидными квантовыми точками CdSe/ZnS, в случае однофотонного резонансного возбуждения экситонов объяснена их дифракцией на наведенной динамической двумерной дифракционной решетке, которая, по-видимому, возникает за счет сосуществующих и конкурирующих процессов насыщения основного экситонного перехода и длинноволнового штарковского сдвига спектра экситонного поглощения. 5. Методом накачки и зондирования наведенной нестационарной дифракционной решетки обнаружен двухэкспоненциальный спад релаксации резонансно возбужденных экситонов, быстрая часть которого объяснена Оже рекомбинацией и процессом захвата носителей зарядов на поверхностные состояния квантовых точек, а медленная часть – излучательной рекомбинацией экситонов. 6. Проанализирована динамика начального двух электронного состояния, локализованного в системе двух взаимодействующих одноуровневых квантовых точек с кулоновскими корреляциями, слабо связанными с состояниями непрерывного спектра резервуара. Обнаружено увеличение степени перепутанности в процессе релаксации, обусловленное наличием в системе кулоновских корреляций. Показано, что для больших значений кулоновского взаимодействия недиагональные парные корреляционные функции всегда превосходят диагональные. Обнаружено появление динамической инверсной заселенности уровней энергии в квантовых точках в процессе релаксации. 7. Исследованы особенности, возникающие при протекании туннельного тока через систему двух взаимодействующих по средствам внешнего поля квантовых точек, слабо связанных с состояниями непрерывного спектра в берегах туннельного контакта, при наличии кулоновских корреляций локализованных электронов. Показано, что изменение частоты внешнего поля вызывает быстрые многократные переключения туннельного тока и приводит к формированию областей с отрицательной туннельной проводимостью. 8. Обнаружено, что для определенных значений параметров системы связанных квантовых точек с кулоновскими корреляциями полное электронное число заполнения может резко уменьшаться с ростом величины напряжения на туннельном контакте. Обнаружено явление спиновой блокады в случае асимметричного туннельного контакта. 9. Показано, что наличие низкоразмерных структур на поверхности Ge(111) приводит к формированию дополнительных особенностей - пиков в запрещенной зоне поверхностных состояний. Предложена теоретическая модель, позволившая на микроскопическом уровне объяснить полученные результаты. Теория полупроводников 10. Проведен анализ особенностей частотной зависимости импеданса неупорядоченных полупроводников при низких температурах для прыжкового механизма проводимости. Основное внимание уделено наблюдаемым расхождениям между экспериментом и существующей теорией, связанным с видом частотной зависимости вещественной части проводимости в области кроссовера от линейной к квадратичной зависимости (“излом” на кривых зависимости от ), а также с аномально с большими измеряемыми значениями ( - угол диэлектрических потерь). Эти расхождения можно описать на основе подхода, принимающего во внимание как фононный, так и резонансный вклады в проводимость, а также переход к режиму проводимости с постоянной длиной прыжка при частотах, превышающих частоту кроссовера. 11. Развито описание спектра и состояний локализованных на дефектах электронов с учетом внутренней структуры. Построение системы уравнений для их волновых функций в многокомпонентном случайном поле. Физика неупорядоченных и неоднородных полупроводников 12. Исследованы свойства титаната стронция, легированного никелем, с помощью рентгеновской дифракции и XAFS-спектроскопии. Показано, что независимо от условий получения наиболее устойчивыми фазами в образцах являются однофазный твердый раствор SrTi1-xNixO3 и NiTiO3, которые могут сосуществовать. По данным EXAFS в однофазном образце SrTi0.97Ni0.03O3 атомы никеля замещают атомы титана и являются центральными. При этом искажений кислородного октаэдра, которые могли бы появляться в случае присутствия вакансий кислорода в окружении никеля, не обнаружено. Анализ спектров XANES показывает, что зарядовое состояние никеля в NiTiO3 равно 2+, а в твердом растворе SrTi1-xNixO3 оно близко к 4+. Показано, что наиболее сильное поглощение света в легированных образцах связано с присутствием четырехвалентного никеля в твердом растворе SrTi1-xNixO3. Это легирование представляется наиболее перспективным для преобразователей солнечной энергии, использующих объемный фотовольтаический эффект. 13. Из первых принципов рассчитаны разрывы зон в девяти гетеропереходах, образованных титанатами, цирконатами и ниобатами с кубической структурой перовскита. В расчетах последовательно учтено влияние деформации в контактирующих оксидах на их энергетическую структуру; в рамках GW-приближения рассчитаны поправки к положению краев зон за счет многочастичных эффектов; учтено расщепление края зоны проводимости за счет спин-орбитального взаимодействия. Показано, что пренебрежение многочастичными эффектами может приводить к ошибкам в определении разрывов зон, достигающим 0.36 eV. Продемонстрирована принципиальная несостоятельность гипотезы транзитивности, которая часто используется для определения разрывов зон в гетеропереходах путем сопоставления разрывов зон в паре гетеропереходов, образованных компонентами исследуемого гетероперехода с третьим общим компонентом, и объяснена ее причина. 14. Совместно с отделом микроэлектроники НИИЯФ МГУ продолжены исследования влияния условий освещения на внешний квантовый выход кремниевых солнечных элементов (СЭ) с наноструктурированными пленками прозрачных проводящих окислов в качестве просветляющих покрытий. Проведена модернизация установки для изучения фотопроводимости в базовой области СЭ путем неразрушающих бесконтактных измерений. А именно, собран и отлажен узел установки, предназначенный для освещения СЭ модулированным светом лазеров с длинами волн 808 и 980 нм и измерении модуляции СВЧ волны, отраженной от СЭ. 15. Проведено сравнение эффективностей фотопреобразования базовой области кремниевого СЭ при его освещении с лицевой или тыльной стороны. Расчеты показали, что они могут стать равными в случае предельно высоких значений времени жизни неравновесных носителей в базе и низких значениях поверхностной рекомбинации. Результаты измерений СВЧ фотопроводимости согласуются с расчетными данными. Физика аморфных и микрокристаллических полупроводников 16. Продолжались исследования изменения структуры, электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок гидрированного кремния (a-Si:H) в результате их облучения фемтосекундным лазерным излучением. Проведенные исследования изменения структуры пленок a-Si:H при их модификации фемтосекундным излучением с различной длиной волны показали, что в случае облучения пленок квантами с энергией большей ширины подвижности материала кристаллизация происходит в приповерхностной области пленок. Возникающая неоднородная структура пленок определяет их оптические и фотоэлектрические свойства, в частности, различие проводимости при планарной и сэндвичевой конфигурации контактов. 17. Проведены исследования оптических, электрических и фотоэлектрических свойств смесей органических полупроводников, формирующих объемные гетеропереходы (P3HT+PCBM, PTB7+PCBM, PCDTBT+PCBM). Наблюдаемое увеличение фотопроводимости и смещение края поглощения в длинноволновую область спектра для исследованных смесей по сравнению с указанными параметрами для органических полупроводников, формирующих смеси, объясняется возникновением в них так называемых состояний с переносом заряда. Обнаружено метастабильное изменение проводимости пленок P3HT+PCBM, вызванное, по-видимому, светоиндуцированным легированием пленок кислородом. 18. В нелегированных пленках аморфного гидрированного кремния (a-Si:H) с высокой фоточувствительностью исследованы особенности кинетики релаксации фотоиндуцированной при температурах выше 400К метастабильной темновой проводимости. Проведен сравнительный анализ скоростей релаксации метастабильной проводимости в темноте и при слабой подсветке. 19. Установлено, что особенности релаксации определяются процессами релаксации двух типов метастабильных фотоиндуцированных дефектов – быстрых и медленных, энергетические уровни которых лежат в нижней и верхней половине запрещенной зоны. Показано, что медленный процесс релаксации метастабильной проводимости определяется независимыми процессами термической и фотоиндуцированной релаксации и генерации медленных фотоиндуцированных метастабильных дефектов. Таким образом, обнаружен эффект фотоиндуцированного отжига медленных метастабильных дефектов – оборванных связей кремния вблизи Si-H связи. Люминесценция полупроводников 20. Составлен конспект лекций в формате «Power Point» на 146 слайдах; он был дан студентам для изучения и подготовки к экзаменам. Он является основой для подготовки и представления к изданию планируемого учебного пособия по этому спецкурсу. 21. Опубликован обзор об истории создания и развития полупроводниковых источников излучения – светодиодов, как на русском, так и на английском языках . 22. Отредактирован и опубликован выпуск электронного журнала «Ученые записки физического факультета», №2 за 2014 г., содержащий ряд статей по материалам 9-й Российской Конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы", состоявшейся 13-15 июня 2013г. на Физическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова. 23. Подготовлен и сделан доклад на 38-х «Вавиловских чтениях» в Физическом Институте им. П.Н.Лебедева РАН: Юнович А.Э. «Проблемы исследований и разработок полупроводниковых светодиодов и перспективы их применений». 24. Сделан доклад на заседании Ученого Совета Физического Факультета МГУ в связи с присуждением Нобелевской премии японским ученым за изобретение ярких синих светодиодов и создание белых светодиодов для освещения, а также о работах на Физическом факультете по этой тематике: А.Э.Юнович. Полупроводниковые светодиоды: проблемы исследований, перспективы применений. 25. Исследованы процессы катодолюминесценции (КЛ) в гетероэпитаксиальных структурах GaN/InGaN(МКЯ)/GaN/Al2O3 (подложка) при 300К и 77К в зависимости от энергии электронов и тока импульсного электронного пучка. 26. Показано, что при проникновении пучка на всю толщину образца в спектре КЛ наблюдаются четыре полосы, образующиеся в результате излучательной рекомбинации экситонов, донорно-акцепторных пар, неравновесных носителей в области множественных квантовых ям и на глубоких примесях. Интенсивность излучения из области квантовых ям более чем на два порядка интенсивнее остальных полос. Показано, что наблюдается послесвечение всех полос, связанное с захватом неравновесных носителей на ловушках, образованных в базовой области гетероструктуры. Полученные результаты представляют интерес при разработке источников света на основе гетероструктур на нитриде галлия, возбуждаемых электронными пучками.
17 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: Отчетный год 2015 I. Отрасль науки: 1.2. Физика ( 01.04.00 ) II. Приоритетное направление: Индустрия наносистем и материалов III. Код ПН 02 , код ТП 01. IV код ПНР 5 КРАТКИЙ АННОТАЦИОННЫЙ ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ ПО ТЕМЕ: 1. НАЗВАНИЕ ТЕМЫ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ И МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 1.1. Характер выполняемой работы: фундаментальная 1.2. Шифры (УДК, ГАСНТИ): 29.19.15; 29.19.31; 29.33.2 1.3. Номер госрегистрации N 01990001318 1.4. Факультет физический 1.5. Кафедра физики полупроводников 2. РУКОВОДИТЕЛЬ РАБОТЫ 2.1. Снигирев Олег Васильевич. 2.2. Доктор физ.-мат.наук, профессор. 2.3. Комната 3-79, тел.(495)9393000. 3. ИСТОЧНИКИ И ОБЪЕМЫ ФИНАНСИРОВАНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ И ОСВОЕННЫЕ ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ ОБЪЕМ (тыс. руб.) Получено Освоено собственными силами Раздел 01 10 госбюджета -------------- --------------- Раздел 07 06 Гранты (с названием фонда) Мой первый грант Грант РФФИ Грант РФФИ Грант РФФИ 400 520 400 450 400 520 400 450 Программы (с названием программы) Контракт (с названием организации) Договор (с названием организации) 4. РЕЗУЛЬТАТЫ Полупроводниковая оптоэлектроника. 4.1. Обнаруженная самодифракция трех лазерных лучей, пересекающихся в кювете с коллоидными квантовыми точками (КТ) CdSe/ZnS, в случае однофотонного резонансного возбуждения экситонов объяснена их дифракцией на наведенной динамической двумерной дифракционной решетке (двумерном фотонном кристалле). 4.2. Обнаружена самодифракция четырех лазерных лучей, пересекающихся в кювете с коллоидными КТ CdSe/ZnS, в случае однофотонного резонансного возбуждения экситонов. 4.3. Обнаружен эффективный процесс самодифракции на наведенной в коллоидном растворе КТ CdSe/ZnS дифракционной решетке в случае, когда суммарная энергия двух фотонов возбуждающего ее пикосекундного лазера отстроена как в длинноволновую, так и в коротковолновую область от резонансной частоты основного экситонного перехода. 4.4. Осуществлен простой способ подавления процесса самосинхронизации мод в наносекундном Nd3+:YAlO3-лазере с модулированной добротностью за счет установленного внутри резонатора элемента отрицательной обратной связи. 4.5. Проведено компьютерное моделирование процесса самодифракции на наведенной диафрагме в случае однофотонного резонансного возбуждения основного экситонного перехода в коллоидных КТ. 4.6. Проанализированы поляризация и восприимчивость двухуровневой КТ с кулоновскими корреляциями в широком диапазоне изменения приложенного напряжения и частоты Раби. 4.7. Исследованы неравновесные эффекты спиновой блокады в системе связанных КТ, взаимодействующих с резервуаром. 4.8. Исследована спектральная плотность туннельного тока, учитывающая локальную неоднородность электронной плотности состояний и электронных чисел заполнения в берегах туннельного контакта в узкой области туннельного перехода. Теория полупроводников. 4.9. Проведен анализ особенностей частотной зависимости импеданса неупорядоченных полупроводников при низких температурах для прыжкового механизма проводимости. 4.10. Исследован наблюдавшийся переход частотной зависимости проводимости от сублинейного к слабо суперлинейному поведению с ростом частоты. Показано, что стандартный подход к расчету суперлинейности частотной зависимости прыжковой проводимости, основанный на использовании одночастичной плотности состояний с кулоновской щелью неприменим при расчете высокочастотной проводимости. 4.11. Суперлинейность экспериментально измеренных частотных зависимостей проводимости в переходной области частот указывает на независимость оптимальной длины прыжка от частоты и на определяющую роль резонансного механизма проводимости. Физика неупорядоченных и неоднородных полупроводников. 4.12. Из первых принципов методом функционала плотности рассчитаны фононные спектры кубических ниобата и танталата рубидия со структурой перовскита. На основе анализа неустойчивых мод в фононных спектрах определена симметрия возможных искаженных фаз, рассчитана их энергия и показано, что основным состоянием в RbNbO3 является структура R3m. В RbTaO3 сегнетоэлектрическая неустойчивость подавляется нулевыми колебаниями решетки. 4.13. Исследована локальная структура BaZrO3 методом EXAFS-спектроскопии при 300 K на LIII-крае поглощения Ba. Аномально высокие значения фактора Дебая-Уоллера для пар атомов Ba-O (σ21~0.015 Å2) объяснены проявлением обсуждаемой структурной неустойчивости. Предположена возможность образования состояния структурного стекла в BaZrO3 при понижении температуры. 4.14. Исследованы спектры и кинетика кросс-люминесценции (КЛ) в SrF2:Ba(1%) и CaF2:Ba(1%). Показано, что время затухания КЛ в SrF2:Ba и CaF2:Ba заметно больше, чем в BaF2. Это объяснено влиянием миграции дырок с их последующей безызлучательной рекомбинацией в BaF2 и уменьшением вероятности оптических переходов между состояниями Ва(5р) и валентной зоной в SrF2:Ba и CaF2:Ba, на которые указывают расчеты из первых принципов. 4.15. Изучена особенность СВЧ фотопроводимости базовой области кремниевых солнечных элементов, связанная с локальностью их освещения лазером. Показано, что шунтирование освещённой части солнечного элемента его неосвещённой частью приводит к существенному снижению времени релаксации СВЧ фотопроводимости по сравнению с временем жизни неравновесных носителей заряда. Физика аморфных и микрокристаллических полупроводников 4.16. Показано, что увеличение проводимости модифицированных в результате их облучения фемтосекундным лазерным излучением пленок a-Si:H, легированных бором, происходит не только за счет изменения их структуры, но и вследствие большей эффективности легирования бором нанокристаллической фазы, сформированной в результате облучения, по сравнению с эффективностью легирования бором исходной пленки a-Si:H. 4.17. Методом постоянного фототока в области края поглощения были исследованы спектральные зависимости коэффициента поглощения смесей органических полупроводников, формирующих объемные гетеропереходы (P3HT+PCBM, PTB7+PCBM, PCDTBT+PCBM). Сопоставление их с зависимостями, полученными при компьютерном моделировании позволили определить величины оптических зон для органических полупроводников, использованных для формирования объемных гетеропереходов. 4.18 Исследовано влияние предварительной слабой подсветки различной интенсивности на кинетику термической релаксации фотоиндуцированной метастабильной темновой проводимости ( ) нелегированных пленок a-Si:H c высокой фоточувствительностью. Исследования проводились при температуре выше 400К, когда светоиндуцированные структурные изменения аморфной сетки a-Si:H становятся существенными. 4.19. Обнаружено, что время релаксации уменьшается после предварительной подсветки. Установлено, что в обоих случаях кинетика релаксации описывается растянутыми экспонентами с различными параметрами. Показано, что уменьшение времени термической релаксации обусловлено увеличением ее скорости после предварительной подсветки, которая определяется уменьшением временного параметра, меняеющегося в результате структурной перестройки аморфной сетки и водородных связей во время предварительной релаксации при подсветке пленки. Люминесценция полупроводников 4.20 Проведен анализ и обобщение результатов исследований гетероструктур с квантовыми ямами на основе нитрида галлия, основанных на них светодиодов синего и белого свечения. 4.21. Опубликована статья о применении светодиодов в освещении в массовом научно- популярном журнале «Наука и Жизнь». 4.22. Сделан доклад на Ломоносовских чтениях и опубликованы 3 статьи о проблемах исследований и разработках светодиодов на основе нитрида галлия в журналах факультета. Даны сведения о создании и развитии светодиодной светотехнической промышленности в мире и в России. 4.23. Опубликованы обзоры и сделан доклад о светодиодах на основе нитрида галлия и их применении в освещении. В обзорах рассмотрены основные характеристики светодиодов и достижения, за которые была присуждена Нобелевская премия японским ученым. Рассмотрены области применения светодиодов для освещения. 4.24. Сделан доклад о включении разделов о светодиодах в учебные программы на Конференции «Использование последних достижений науки в образовательном процессе». 4.25. Показано, что в высокосовершенных пленках CdSe, выращенных на подложках слюды (мусковит), внутренний квантовый выход катодолюминесценции (КЛ) при 78К может быть достигнут 80%. Это показывает возможность создания высокоэффективных источников света на пленках CdSe при электронном возбуждении. 4.26. Показано, что высокосовершенные пленки CdSe, выращенные на слюде (мусковит), могут быть использованы для создания четырехконтактных пространственно чувствительных детекторов света. Взаимодействие плазмы с полупроводниками 4.27. Оборудована новая научная лаборатория. Создана экспериментальная установка для проведения исследований в области плазменных нанотехнологий и медицины. Разработан и реализован защищенный патентами компактный плазматрон для использования в биомедицине и ряде технологий (НИИ Прикладной механики и электродинамики МАИ). Полученный образец плазматрона обладает аномально высоким ресурсом, исключительно высокой чистотой плазменной струи. Проведены пробные запуски плазматрона с различными режимами его работы. 4.28. Начат цикл экспериментальных исследований воздействия плазмы на полупроводниковые материалы, в частности, с использованием магнетронного разряда. Проведены исследования закономерностей формирования наночастиц Ge в процессе искровой абляции, вызываемой генератором Тесла. Экспериментально исследована частотная зависимость нагрева водяных суспензий наночастиц для целей биомедицины. 4.29. Подготовлен новый курс лекций: В.П.Савинов «Физико-химические основы взаимодействия плазмы с полупроводниками». 5. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Наноэлектроника, полупроводниковые квантовые точки и провода, нелинейная оптика, полупроводники, люминесценция, квантово-размерные эффекты, квантовые ямы, гетероструктуры, светодиоды, соединения типа АIIIBV, АIIBV, нитриды III группы, экранирование, сегнетоэлектрики, фазовый переход, катодолюминесценция, аморфный гидрированный кремний, нанокристаллический кремний, метастабильные фотоиндуцированные дефекты, поглощение, фотопроводимость. Подпись руководителя работы ________________
18 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа:
19 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа:
20 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа:
21 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: Определены особенности нелинейного поглощения коллоидных нанопластинок селенида кадмия CdSe с оболочкой из сульфида кадмия CdS в случае однофотонного нестационарного возбуждения экситонов пикосекундными лазерными импульсами. Обнаружено увеличение пропускания коллоидных растворов нанопластинок на длине волны лазерного возбуждения, которое было объяснено эффектом заполнения фазового пространства экситонов. В случае однофотонного резонансного стационарного возбуждения экситонов в коллоидных нанопластинах CdSe с оболочкой CdS наносекундными лазерными импульсами увеличение мощности накачки приводит к насыщению поглощения. Исследованы особенности нелинейного поглощения ансамбля коллоидных полупроводниковых нанопластинок CdSe c оболочкой CdS в случае нерезонансного стационарного возбуждения в край области экситонного поглощения мощными наносекундными лазерными импульсами. Исследованы нелинейно-оптическое свойства сферических квантовых точек CdSe при наносекундном лазерном возбуждении, получены дифференциальные спектры поглощения при стационарном резонансном и нерезонансном возбуждении основных экситонных переходов образцов. Исследованы свойства фотолюминесценции и нелинейного поглощения тетраподных коллоидных квантовых точек CdSe, легированных Cu, при стационарном возбуждении наносекундными лазерными импульсами. Обнаружена сильная зависимость поглощения основного экситонного перехода и фотолюминесценции, связанной с легирующей примесью Cu, от концентрации ионов меди и интенсивности накачки. Проанализированы особенности стационарного и нестационарного электронного транспорта через систему взаимодействующих квантовых точек (примесных атомов), расположенных между берегами туннельного контакта. Исследованы особенности формирования динамической спиновой поляризации в гибридной системе полупроводниковая квантовая яма – магнитное примесное состояние. Рассмотрены особенности высокочастотной проводимости неупорядоченных полупроводников, связанные с прыжковым транспортом электронов по примесной зоне. В рамках парного приближения проведен расчет частотной зависимости вещественной части низкотемпературной бесфононной проводимости в области перехода (кроссовера) от линейной к квадратичной частотной зависимости проводимости. Рассмотрена роль многокомпонентности волновой функции электрона, локализованного на примеси в неупорядоченном полупроводнике с sp3-гибридизацией орбиталей, в формировании частотной зависимости прыжковой проводимости при низких температурах. Методом XAFS-спектроскопии исследованы локальная структура и зарядовое состояние примеси кобальта в SrTiO3. Найдены условия синтеза образцов, при которых кобальт преимущественно замещает атомы в узле A структуры перовскита. Обнаружено, что примесь Co в узле A является нецентральной примесью. Расчеты из первых принципов показывают, что изолированный ион Co3+ в узле B является диамагнитным, а ион Co2+ в узле A находится в высокоспиновом состоянии (S = 3/2). Экспериментально и теоретически в рамках теории функционала плотности изучена структура кристалла Hg2F2. Установлена пространственная группа кристалла (I4/mmm) и однозначно идентифицированы все линии в рамановских спектрах. Анализ устойчивости фазы I4/mmm показал, что при одноосном сжатии кристалла вдоль оси C4 при Pc = 8 ГПа в нем происходит фазовый переход в структуру Cmcm, а гидростатическое сжатие до Pc =9 ГПа приводит к ранее не известному фазовому переходу в фазу Cmca. В рамках квазигармонического приближения рассчитан коэффициент теплового расширения нанопластинок CdSe со структурой сфалерита с толщиной от 2 до 5 монослоев. Обнаружено существенное увеличение величины отрицательного теплового расширения (ОТР) в нанопластинках по сравнению с объемным CdSe. Основной вклад в ОТР в нанопластинках дают изгибная ZA-мода и оптические E моды, возникающие в результате «складывания» TA-фонона объемного CdSe. Продолжены исследования искажений контраста фоточувствительности неоднородных n+–p(n)–p+ структур кремния, связанных с разбросом времен жизни неравновесных носителей заряда в базовой области. Экспериментально и путем расчетов получены данные о снижении контраста фоточувствительности неоднородных n+–p(n)–p+ структур кремния без контактов при измерениях различными методами, основанными на сканировании светом p-n перехода. Эти результаты согласуются между собой. Исследована модификация пленок гидрогенизированного аморфного кремния при их кристаллизации фемтосекундным лазерным излучением с длиной волны 1.25 мкм. Исследовано изменение оптических, электрических и фотоэлектрических свойств пленок металло-органического галоидного перовскита в области низкотемпературного фазового перехода (160 К). Исследованы оптические и фотоэлектрические свойства перспективного для фотовольтаики нового полупроводникового сопряженного полимера - полифенилхинолина. Проведены предварительные работы по созданию и исследованию электрических и фотоэлектрических свойств композитных полупроводниковых материалов, сформированных на основе полупроводниковых полимеров с введенными в ник кремниевыми нанокристаллами различных размеров и с различной концентрацией. Проведено исследование аномальных фотоэлектрических свойств после предварительной слабой засветки нелегированных пленок a-Si:H при повышенных температурах. Показано, что они могут быть обусловлены наличием неконтролируемой примеси кислорода и увеличением электрически активной концентрации кислорода в результате предварительной засветки пенки при повышенных температурах. Исследованы процессы катодолюминесценции (КЛ) кристаллов ZnSe, легированных железом и иттербием в процессе роста, а также поликристаллических слоев ZnSe:M (где M – Yb, Cr, Co; легирование проведено методом двойной диффузии). Разработан и приведен в действие источник низкотемпературной плазмы (НТП) plasma jet нового поколения для технологического и биомеди-цинского применений. Совместно с МИФИ разработана экспериментальная методика изучения генерации рентгеновского излучения и свободных нейтронов в плазме маломощного ВЧ емкостного разряда низкого давления в гелии и дейтерии. Экспериментально исследованы физические условия в атмосферном воздухе в окрестности выходной струи источника НТП для выяснения оптимальных областей пространственного размещения биомедицинских объектов плазменного воздействия. Совместно с кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости с помощью источника НТП получены наночастицы Si, методом Рамановского рассеяния определен диапазон изменения их размеров, пригодных для биомедицинских применений. Совместно с биологическим факультетом МГУ подготовлена экспериментальная методика исследования зависимости параметра pH среды, содержащей биологические объекты, от характеристик воздействующей НТП. Совместно с экологическим факультетом РУДН проведено экспериментальное исследование воздействия НТП на культуры микроорганизмов Chlorella vulgaris, Stichococcus bacillaris и природные сообщества из водно-болотных угодий. Совместно с ВИАМ и экологическим факультетом РУДН начата подготовка к проведению экспериментальных исследований результатов воздействия НТП на грибковые образования в среде горючего авиационных двигателей.
22 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: Исследовано совместное влияние и конкуренция эффекта насыщения поглощения и явлений, ответственных за красный сдвиг спектров экситонного поглощения, — зарядо-индуцированного эффекта Штарка и температурного нагрева в коллоидных растворах квантовых точек CdSe/ZnS при стационарном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода. Показано, что штарковский сдвиг экситонного спектра не приводит к существенному изменению поглощения в квантовых точках, возбуждаемых на частоте основного экситонного перехода, в то время как в квантовых точках, возбуждаемых с низкоэнергетической отстройкой от частоты основного экситонного перехода, может приводить к росту поглощения. Установлено, что температурный сдвиг спектров поглощения коллоидного раствора квантовых точек составил 0.05 нм при расчете на 1 С. Установлено, что при стационарном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода в коллоидных растворах квантовых точек CdSe лазерными импульсами с длительностью 11 нс в пределах линии однородного уширения основной вклад в нелинейное поглощение вносит подансамбль нанокристаллов наибольшей концентрации. Обнаружен синий сдвиг спектров экситонного поглощения квантовых точек CdSe, величиной 27 мэВ в измеренном диапазоне интенсивностей от 0,2 до 9 МВт/см2, который обусловлен сильным экситон-фононным взаимодействием. Выявлено, что в квантовых точках CdSe с малой степенью легирования медью (отношение числа атомов меди к числу атомов кадмия в одной квантовой точке NCu/NCd < 0.5%) интенсивность экситонной фотолюминесценции (ФЛ) линейно зависит от мощности возбуждения, а интенсивность примесной ФЛ при резонансном и нерезонансном однофотонном возбуждении основного экситонного перехода достигает насыщения при мощности возбуждения 0,3 кВт/см2 и 0,8 кВт/см2, соответственно. Обнаружено, что поглощение насыщается с увеличением интенсивности накачки, в то время как интенсивность экситонной ФЛ линейно растет с увеличением мощности возбуждения. Данное явление объяснено процессом поглощения с участием фононов, что подтверждается наличием красного сдвига и уширения линии экситонной ФЛ. Обнаружено тушение примесной ФЛ в квантовых точках CdSe c большой степенью легирования медью (отношение числа атомов меди к числу атомов кадмия в одной квантовой точке больше NCu/NCd > 0,5%), которое объяснено увеличением вероятности безызлучательных процессов релаксации возбужденных экситонов. Показано, что быстрый захват носителей заряда на уровни, образованные ионами меди, по-видимому, приводит к созданию наведенного электрического поля, которое снимает запрет с экситонного перехода 2Sℎ3/2 − 1Se в квантовых точках CdSe. Обнаружено увеличение пропускания на длинах волн различных экситонных переходов в коллоидных растворах однофазных (без оболочки) нанопластин CdSe и нанопластин CdSe с оболочкой СdS, ZnS и CdS/ZnS при стационарном однофотонном резонансом возбуждении экситонных переходов. Выявленные особенности нелинейного изменения пропускания в области экситонных переходов объяснены эффектом заполнения фазового пространства экситонов, перераспределением энергии между экситонными состояниями и поглощением на возбужденных носителях заряда с заполненных подзон легких и тяжелых дырок с последующей быстрой пикосекундной релаксацией через глубокие непрерывные дырочные состояния в квази-двумерной структуре. При нерезонансном однофотонном возбуждении экситонов в коллоидных растворах нанопластин CdSe лазерными импульсами с длительностью 9 нс и энергией, превышающей энергии экситонных переходов, связанных с тяжелыми и легкими дырками, обнаружен длинноволновый сдвиг и уширение спектров ФЛ при изменении интенсивности накачки от 0,05 до 2,5 МВт/см2. Обнаруженные особенности спектров ФЛ могут быть объяснены возможной излучательной рекомбинацией трионов (заряженных экситонов) в нанопластинах CdSe. Выявлено, что при нерезонансном однофотонном возбуждении в край области экситонного поглощения коллоидных нанопластин CdSe с оболочкой СdS лазерными импульсами с длительностью 11 нс экситон-фотонное взаимодействие играет ключевую роль в процессах межзонного поглощения. Обнаружено насыщение поглощения на длине волны перехода 1ℎℎ−1e за счет эффекта заполнения фазового пространства экситонов. Установлено, что при стационарном однофотонном возбуждении экситонных переходов лазерными импульсами с длительностью 11 нс величина модуляции поглощения в нанопластинах CdSe c однокомпонентной оболочкой ZnS в несколько раз меньше, чем с оболочкой CdS и CdS/ZnS, за счет различного количества дефектов, возникающих на границе материалов ядра и оболочки. Определены особенности нелинейного поглощения коллоидных растворов нанопластин CdSe с оболочкой CdS при однофотонном нестационарном возбуждении экситонов импульсами второй гармоники лазера с длительностью 35 пикосекунд. Обнаружено насыщение поглощения на длине волны лазерного возбуждения, которое было объяснено эффектом заполнения фазового пространства экситонов. Отличие величин интенсивностей насыщения нанопластин CdSe с различной толщиной оболочки CdS объяснено особенностями возбуждения и релаксации экситонов. Увеличение поглощения в случае интенсивности возбуждения, существенно превышающей интенсивность насыщения, объяснено процессами экситон-экситонного взаимодействия и обмена энергией между экситонами, связанными с тяжелыми и легкими дырками. Исследована роль обменного взаимодействия в системе двух взаимодействующих квантовых точек. Проанализировано влияние обменного взаимодействия на распределение электронной плотности, а также на зависимости корреляционных функций и туннельного тока от величины напряжения, приложенного к туннельному контакту при различных значениях обменного взаимодействия в исследуемой системе. Показано, что зависимости от соотношения между величиной обменного взаимодействия и амплитудой туннельной связи между квантовыми точками в системе возникает ферромагнитное или антиферромагнитное упорядочение на соседних квантовых точках. Кроме того, наличие обменного взаимодействия приводит к протеканию спин-поляризованных токов в берегах туннельного контакта. Степенью поляризации можно управлять, изменяя соотношение между величиной обменного взаимодействия и амплитудой туннельной связи между квантовыми точками. Анализ проведен с использованием уравнений Гейзенберга как для чисел заполнения, так и для корреляционных функций электронов первого и высших порядков. Установлены трудности применения степенной функции sigma(omega)=A*(-i*omega)^s (0<s<1) при анализе частотных зависимостей комплексной проводимости неупорядоченных полупроводников. Имеющееся противоречие связано с тем, что согласно соотношениям Крамерса – Кронига сублинейная степенная частотная зависимость комплексной проводимости sigma(omega)=A*(-i*omega)^s с одной стороны является следствием принципа локальности, с другой – отвечает проводимости неупорядоченных полупроводников в режиме кулоновского стекла (s<1). Найдены условия синтеза образцов SrTiO3(Co), при которых кобальт преимущественно входит в узлы A или B структуры перовскита ABO3. Исследования EXAFS показывают, что примесь Co в узле A является нецентральной и смещена из узла на 1,0 Å. Исследования XANES установили два преобладающих зарядовых состояния Co: Co2+ в узле A и Co3+ в узле B. Расчеты из первых принципов, проведенные для целого ряда возможных структурных дефектов, содержащих кобальт, нашли дефекты, свойства которых согласуются с экспериментально наблюдаемым зарядовым состоянием Co, его локальным окружением, а также магнитными, электрическими и оптическими свойствами. Из первых принципов исследована устойчивость высокосимметричной полярной фазы P4mm в одиннадцати сегнетоэлектрических сверхрешетках со структурой перовскита и полярным разрывом. В большинстве сверхрешеток эта фаза проявляет либо сегнетоэлектрическую, либо антиферродисторционную неустойчивость, либо и то, и другое. Найдена структура основного состояния, а для ряда систем – также метастабильных фаз в этих сверхрешетках. Рассчитаны спонтанная поляризация и пьезоэлектрические свойства сверхрешеток. Появление высоких пьезоэлектрических коэффициентов (до 150–270 пКл/Н) в некоторых сверхрешетках связывается с индуцированной деформацией локальной перестройкой определенных групп атомов в примитивной ячейке. Проведены исследования фоточувствительности облученных быстрыми электронами солнечных элементов из монокристаллического кремния, соединенных с необлученными. Эти исследования проводились для сравнения разрабатываемого компенсационного метода контроля контраста фоточувствительности по площади n+–p(n)–p+ заготовок таких солнечных элементов без контактов со стандартным методом, основанным на фотолюминесценции. Путем измерений и расчетов показано, что в последнем случае возможны существенные ошибки вследствие токов по n+ и p+ слоям между участками с различной фоточувствительностью. В отчетном году проводилось изучение структуры, электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок металлоорганического перовскита CH3NH3PbI3, материала, перспективного для создания эффективных, тонкопленочных солнечных элементов. В частности, исследовано влияние отжига пленки перовскита на его электрические, фотоэлектрические и оптические свойства. Показано, что отжиг при температуре Ta > 140◦C приводит к формированию двухфазной структуры, состоящей из перовскита и иодида свинца, относительное содержание которых зависит от условий отжига, в частности от температуры. Формирование PbI2 в структуре перовскита приводит к уменьшению проводимости и фотопроводимости материала. Проведенные исследования указывают на возможность формирования планарных структур, состоящих из полупроводниковых материалов с различными величинами запрещенных зон: 1.6 эВ (CH3NH3PbI3) и 2.4 эВ (PbI2). Получен патент. Исследовано действие предварительной слабой засветки белам светом при температурах больше 400К на фотоэлектрические свойства нелегированных пленки a-Si:H. Получено, что проводимость и фотопроводимость пленок растет с увеличением интенсивности предварительной засветки, а при этом параметр зависимости фотопроводимости от интенсивности освещения уменьшается из-за увеличения доли бимолекулярной рекомбинации электронов на энергетических уровнях хвоста плотности состояний зоны проводимости. Это может быть связано с присутствием неконтролируемой примеси кислорода и увеличением электрически активной ее концентрации в результате засветки пленки при температурах больше 400К. Исследовались процессы катодолюминесценции (КЛ) кристаллов ZnSe:Fe2+, легированных в процессе роста, а также поликристаллических образцов ZnSe:Te:Fe; легирование проведено методом двойной диффузии. Основные результаты исследований сводятся к следующему: 1.На образцах поликристаллических слоев ZnSe:Te:Fe (с поверхностной концентрацией железа ≥ 1 ат.%) после отжига в парах цинка наблюдался существенный рост интенсивности примесной КЛ в среднем ИК-диапазоне (3-5мкм), что важно для создания лазеров этого ИК диапазона на основе ZnSe:Fe2+, возбуждаемых импульсным электронным пучком. 2. Исследована кинетика затухания примесной КЛ при 78 К поликристаллического ZnSe:Fe2+ при возбуждении короткими импульсами (0,25мкс) ускоренных электронов (40 кэв). Показано, что скорость затухания примесной КЛ непосредственно после окончания импульса существенно больше экспоненциальной, наблюдаемой при возбуждении короткими световыми импульсами. Дано объяснение наблюдаемому эффекту. В основу теоретического описания положен эффект Оже тушения внутрицентровой КЛ примеси Fe2+ в ZnSe свободными электронами объемного заряда, создаваемого электронным пучком. Показано, что релаксация объемного заряда существенно влияет на кинетику затухания люминесценции ионов Fe2+. Продолжена работа по совершенствованию лабораторного источника низкотемпературной плазмы (НТП) plasma jet нового поколения для технологических и биомедицинских применений с целью оптимизации его режимов на конкретные объекты воздействия с помощью разработки вспомогательной системы на выходе плазмотрона. Совместно с научной группой проф. В.Ю.Тимошенко (каф. физики низких температур и сверхпроводимости) проводились работа по синтезу Si наночастиц различными способами и исследования методом спектроскопии рамановского рассеяния зависимости их свойств от параметров экспериментальных условий и допирования B и Ph. Совместно с биофаком МГУ (проф. А.Н.Иноземцев, каф. высшей нервной деятельности) проведено экспериментальное исследование влияния параметра pH среды на клетки простейшего микроорганизма Paramecium Caudatum при воздействии НТП атмосферного давления. Совместно с химическим факультетом МГУ (член.-корр. РАН И.В.Мелихов, каф. радиохимии) проведена разработка модели образования нано- структурированных полимерных пленок. Проведен первый этап разработок совместно с Всероссийским Институтом Авиационных Материалов (при кураторстве чл.-корр. РАН И.В.Мелихова) теоретических и экспериментальных исследований по проблеме радикального упрочнения технологических поверхностей гиперзвуковой авиационной техники. В рамках Научного Проекта МГУ «Антитравма» (научный руководитель-Ректор МГУ, академик В.А.Садовничий) наша научная группа участвует в разработке Программы научных исследований по проблеме создания новых терапевтических методов воздействия на биомедицинские объекты по направлению «Плазменная медицина».
23 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: Исследованы фотолюминесцентные (ФЛ) и нелинейные оптические свойства нанокристаллов CdTe в форме тетраподов с «наконечниками» CdSe, выращенных на концах лучей CdTe, в случае стационарного однофотонного возбуждения экситонов. В спектре линейного поглощения нанокристаллов CdTe/CdSe на длинах волн 578 нм и 644 нм присутствуют два хорошо-разрешимых максимума, которые соответствуют основным экситонным переходам в доменах CdSe и CdTe, соответственно. В спектре ФЛ нанокристаллов CdTe/CdSe обнаружено три хорошо-разрешимых максимума. Полосы ФЛ с максимумами около 595 нм и 677 нм обусловлены излучательной рекомбинацией прямых экситонов в доменах CdSe и CdTe, соответственно. Установлено, что величина Стоксова сдвига ФЛ составила 17 нм и 33 нм для доменов CdSe и CdTe, соответственно. Интенсивная широкая полоса ФЛ в области 650-850 нм обусловлена излучательной рекомбинацией непрямых экситонов. Обнаружен большой синий сдвиг (~59 нм) ФЛ в области пространственно-непрямых оптических переходов при увеличении мощности возбуждения. Обнаружено насыщение экситонной ФЛ доменов, а также ФЛ непрямых экситонов при увеличении интенсивности накачки. Выявлено, что экситонные состояния обоих доменов вносят вклад в нелинейное изменение пропускания нанокристаллов CdTe/CdSe. Определены особенности поглощения и фотолюминесценции (ФЛ) коллоидного раствора нанопластинок CdSe/CdS и квантовых точек CdSe/ZnS в зависимости от мощности накачки при резонансном двухфотонном возбуждении экситонов. Обнаружена на порядок большая по интенсивности двухфотонная ФЛ в нанопластинках CdSe с двумя монослоями оболочки CdS и квантовых точках CdSe/ZnS по сравнению с нанопластинкми с одним и тремя монослоями оболочки CdS. Рост интенсивности ФЛ нанопластинок CdSe/1CdS и CdSe/3CdS с увеличением мощности накачки от 30 до 250 ГВт/см2 характеризуется квадратичной зависимостью, что согласуется с установленной теоретической моделью. Для нанопластинок CdSe/2CdS и квантовых точек CdSe/ZnS квадратичная зависимость роста ФЛ характерна для интенсивностей от 5 до 30 ГВт/см2. При дальнейшем увеличении интенсивности до 110 ГВт/см2 обнаружен резкий линейный рост ФЛ, что свидетельствует о развитии усиленного спонтанного излучения. При предельных значениях интенсивности двухфотонной накачки свыше 110 ГВт/см2, рост ФЛ прекращается. Данная особенность может быть связана с тушением ФЛ ввиду образования электронно-дырочной плазмы в нанокристаллах, приводящей к быстрой безызлучательной Оже-рекомбинации. Исследовано нелинейное поглощение в коллоидных квазидвумерных квантовых ямах на основе селенида кадмия CdSe с различной толщиной оболочки из сульфида кадмия CdS при резонансном однофотонном стационарном возбуждении экситонных переходов. Подбором толщины оболочки CdS было реализовано резонансное возбуждение тяжелых экситонов (один монослой оболочки) и легких экситонов (два монослоя оболочки). По измеренным спектрам дифференциального пропускания обнаружено изменение поглощения, соответствующее экситонным переходам 1hh-1e, 1lh-1e и более высокоэнергетичных по сравнению с энергией фотонов возбуждения экситонных переходов 1so-1e и 2hh-1e. Нелинейное поглощение коллоидных нанопластинок характеризуются одновременным насыщением всех четырех экситонных переходов. Экспериментально обнаруженные множественные экситонные полосы в дифференциальных спектрах пропускания могут быть объяснены насыщением нижних уровней подзоны проводимости 1e, энергообменом между экситонными состояниями и экситон-экситонным взаимодействием при заполнении фазового пространства экситонов. Значение интенсивности насыщения коллоидных растворов нанопластинок CdSe с различным количеством монослоев оболочки CdS составила около 2МВт/см2. При интенсивностях возбуждения, превышающих интенсивность насыщения, существенный вклад в релаксацию экситонов начинает вносить экситон-экситонном взаимодействие, характеризующееся временем около 10 пс, что существенно меньше длительности возбуждающих импульсов. Взаимодействие экситонов приводит к их ускоренной релаксации и появлению электронно-дырочной плазмы. Исследовано нелинейное поглощение нанопластинок CdSe при однофотонном нестационарном возбуждении экситонов. Измеренные значения интенсивностей насыщения поглощения коллоидных растворов нанопластинок CdSe с одним и двумя монослоями оболочки CdS составили ≈0,03 ГВт/см2 и ≈0,05 ГВт/см2, соответственно. Выявленное различие интенсивностей насыщения связано с особенностями возбуждения и релаксации экситонов. Обнаружен рост поглощения в случае интенсивности возбуждения, существенно превышающей интенсивность насыщения. Увеличение поглощения также может свидетельствовать о влиянии экситон-экситонного взаимодействия на релаксацию экситонов. Теоретически проанализирован нестационарный спин-зависимый электронный транспорт через коррелированную одноуровневую квантовую точку, расположенную между ферромагнитными берегами туннельного контакта с неколлинеарными намагниченностями. Продемонстрировано, что спиновой поляризацией, направлением и амплитудой нестационарных токов можно эффективно управлять в рассматриваемой довольно простой системе путем изменения относительных направлений магнитных моментов в берегах туннельного контакта. Степень спиновой поляризации токов также изменяется в соответствии с направлением магнитных моментов в берегах. Полученные результаты открывают возможность управления спиновой поляризацией в наноразмерных системах и являются перспективными для спиновой фильтрации. Разработан обобщенный подход для анализа туннельного тока и его шума нулевой частоты для широкого класса систем, в которых транспорт электронов происходит через промежуточную структуру с локализованными электронами. Показано, что пространственная и спиновая симметрия всей системы может блокировать некоторые каналы для переноса электронов через коррелированные квантовые точки. Кроме того, продемонстрировано, что стационарный туннельный ток и шум нулевой частоты в коррелированных связанных квантовых точках зависят от начального состояния системы. Продемонстрировано, что двухэлектронные перепутанные состояния в коррелированных квантовых точках дают возможность настраивать амплитуду шума на нулевой частоте, блокируя некоторые каналы для переноса электронов, что очень перспективно в смысле применения двухэлектронных перепутанных состояний в квантовых коммуникационных и логических устройствах. Проведено исследование влияния кулоновского взаимодействия хаббардовского типа на спектры туннельной проводимости для системы, образованной несколькими взаимодействующими примесными атомами или квантовыми точками, локализованными между берегами туннельного контакта. Продемонстрировано, что форма Фано спектров туннельной проводимости сильно изменяется при наличии кулоновского взаимодействия на примесном атоме или квантовой точке между локализованными электронами в промежуточной системе. Основной эффект, определяющий форму особенностей, возникающих в туннельной проводимости, обусловлен не только эффектом Фано, а в основном связан с зависимостью неравновесных электронных чисел заполнения, локализованных на примесном атоме или квантовой точке, от величины напряжения смещения, прикладываемого к туннельному контакту. Предложена теоретическая модель для описания перенормировки электронного g-фактора в полупроводниковых легированных квантовых ямах на основе селенида цинка и теллурида кадмия. Показано, что электрон-электронное взаимодействие приводит к перенормировке константы спин-орбитального взаимодействия в двумерном электронном газе. Для описания электрон-электронного взаимодействия были учтены хаббардовские поправки. Предложенная теоретическая модель позволила получить зависимость электронного g-фактора от концентрации двумерного электронного газа и от температуры. Теоретически проанализировано возникновение перепутанности между электронным и колебательным состояниями в системе из двух связанных молекул после включения взаимодействия между ними. В рамках адиабатического подхода этот эффект возникает из-за того, что положение равновесия одной из молекул чувствительно к ее заполнению электронами. Временная эволюция системы показывает множественные переключения между ее перепутанными и чистыми состояниями. Если временная эволюция начинается с чистого когерентного состояния колебательной моды и одного электрона, локализованного в одной из молекул, то могут возникать состояния кота Шредингера, как квантовая суперпозиция различных когерентных состояний колебательного режима молекулы. Такие состояния связаны с пустыми и однократно заполненными электронными состояниями молекулы. В рамках теории возмущений проведен расчет мнимой части бесфононной проводимости слабо легированного компенсированного полупроводника. Найдено, что при частотах меньших частоты перехода (кроссовера) от линейной к квадратичной частотной зависимости вещественной части проводимости тангенс угла диэлектрических потерь слабо зависит от частоты и определяется отношением к ширине примесной зоны. Линейный характер частотных зависимостей вещественной и мнимой компонент комплексной проводимости является характерным свойством кулоновского стекла. Полученные выражения для частей комплексной проводимости согласуются с экспериментальными частотными зависимостями, как по показателю степени , так и по величине их отношения. С помощью расчетов из первых принципов изучены сегнетоэлектрические фазовые переходы в 17 сегнетоэлектрических сверхрешетках с полярным разрывом, определены структуры их основного состояния и рассчитаны различные физические свойства найденных структур, в частности, их пьезоэлектрические свойства. Показана возможность получения достаточно высоких пьезоэлектрических коэффициентов (до 150–270 pC/N) в таких сверхрешетках. Экспериментально и теоретически изучены колебательные свойства полупроводниковых наногетероструктур – нанопластинок CdSe/CdS. Расчеты подтвердили двухмодовый характер их фононного спектра. Показано, что из возможных колебательных мод в экспериментальных спектрах остаются только моды с малой амплитудой поверхностных колебаний, остальные моды сильно затухают. Это позволило однозначно интерпретировать особенности, наблюдаемые в рамановских и ИК-спектрах. Сильные сдвиги частот, связанных с поперечными оптическими колебаниями в слоях CdS, объяснены предсказываемой расчетами заметной поверхностной релаксацией внешних слоев кадмия в наноструктурах. Рассчитаны колебательные спектры сверхрешеток (СР) CdSe/CdS с различной толщиной слоев. Показано, что наряду со сложенными акустическими модами и ограниченными оптическими модами в СР возникает целый ряд ограниченных акустических мод, а в структурах с минимальной толщиной одного из слоев – также микроскопические интерфейсные моды типа локальной и щелевой мод. Определена степень перемешивания акустических и оптических колебаний в СР. Сопоставление частот колебательных мод в СР и нанопластинках CdSe/CdS позволило разделить влияние эффектов размерного квантования и релаксации поверхности на частоты колебаний в нанопластинках. Проведены исследования локальной фоточувствительности и времени ее релаксации на стандартных солнечных элементах (СЭ) n+–p(n)–p+ типа из монокристаллического кремния и на СЭ, облученных быстрыми электронами. Исследования проводились для выяснения влияния на эти параметры шунтирующих токов по сильно легированным слоям и покрывающих их сеткам контактов. Согласно проведенным ранее расчетам, такое шунтирование может привести к существенному снижению времени релаксации фоточувствительности по сравнению с временем жизни (τ) неравновесных носителей заряда в базовой области СЭ. Параметр τ является самым чувствительным параметром, определяющим совершенство кристаллического кремния. Поскольку контроль его величины и постоянства по всей площади СЭ важно для получения максимального КПД, то в настоящей работе были проведены исследования возможности подавления рассмотренного выше шунтирования путем создания запирающего напряжения на P-N переходе СЭ. Показана перспективность дальнейших исследований в этом направлении. В отчетном году продолжалось изучение структуры, электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок металлоорганического перовскита CH3NH3PbI3, материала, перспективного для создания эффективных, тонкопленочных солнечных элементов. Проведенные исследования указывают на возможность формирования планарных структур, состоящих из полупроводниковых материалов с различными величинами запрещенных зон. Методом постоянного фототока были проведены измерения и сравнение спектральных зависимостей фотопроводимости и поглощения образцов композита полимера PCDTBT с нанопластинками CdSe/nCdS (n = 1, 2, 3 – число монослоев CdS в оболочке; толщина ядра CdSe – 3 монослоя) в воздушной атмосфере. Обнаружено, что полученные спектральные зависимости практически совпадают со спектральной зависимостью, полученной для чистой полимерной пленки. Это указывает на то, что поглощение и генерация носителей заряда происходит преимущественно в полимерной фазе материала. Были проведены измерения и сравнение температурных зависимостей темновой проводимости и фотопроводимости образцов композита PCDTBT+CdSe/nCdS (n = 1, 2, 3). Обнаружено, что указанные зависимости различаются как по форме, так и по величине. При этом отличие между зависимостями, полученными для разных образцов возникают при больших напряжениях (V > 20 B) в то время, как при малых напряжениях (V < 5 B) указанные зависимости практически совпадают. Это может быть связано с различием в степени заполненности зоны проводимости фазы нанопластинок CdSe/nCdS при различном положении края этой зоны. При этом положение края зоны регулируется толщиной использованных в этом образце нанопластин, в том числе и толщиной их оболочки (1, 2 или 3 монослоя CdS). Методом постоянного фототока были проведены измерения и сравнение спектральных зависимостей фотопроводимости и поглощения образцов композита PCDTBT+CdSe/nCdS (n = 1, 2, 3) при различных температурах и напряжении, поданном на контакты образца. Было обнаружено, что спектральные зависимости поглощения, полученные для разных образцов композита и для образца полимерной пленки при одной и той же температуре, совпадают. В свою очередь, спектральные зависимости фотопроводимости, полученные для разных образцов при одной и той же температуре и величине напряжения, также совпадают по форме с зависимостью, полученной для полимерной пленки, однако различаются по абсолютной величине фотопроводимости. Совпадение форм спектральных зависимостей поглощения и фотопроводимости при различных температурах и электрических полях указывает на то, что при различных значениях температуры и напряжения в пределах исследованных диапазонов значений (T = 300-390 K и U < 25 В, при расстоянии между контактами d = 1 мм) определяется поглощением и генерацией носителей заряда (или экситонов) в объеме полимерной матрицы. В свою очередь, различие значений фотопроводимости может быть вызвано различиями в протекании процессов генерации и переноса носителей заряда, а также различной эффективностью разделения экситонов на границе раздела фаз в объеме композита. Были измерены вольтамперные зависимости тонких пленок композита PCDTBT + CdSe/2CdS с различной объемной долей пластин при различных температурах. Было обнаружено, что повышение объемной доли неорганической фазы (нанопластин CdSe/2CdS) приводит к снижению порогового напряжения, при котором возникает электрический ток, определяемый перколяцией носителей заряда по состояниям пластины. Обнаружено, что вольтамперная зависимость в случае преобладания таких перколяционных токов описывает степенной зависимостью с показателем степени в диапазоне 3.5-4.5. В отчетном году продолжились исследования процессов катодолюминесценции (КЛ) кристаллов ZnSe:Fe2+, легированных в процессе роста и отожженных в парах цинка. Основные результаты исследований сводятся к следующему: Теоретически и экспериментально исследовано влияние величины и плотности тока импульсного пучка ускоренных электронов на скорость тушения КЛ возбужденных ионов Fe2+ в результате Оже-эффекта на свободных электронах, создаваемых электронным пучком в проникающем слое образца. Выведены уравнения, описывающие зависимость плотности свободных электронов в образце от времени. Экспериментально определены зависимости интенсивности КЛ ионов Fe2+ в ZnSe от времени при возбуждении коротким импульсом электронов при различных значениях тока пучка, так же при ее возбуждении коротким импульсом оптического излучения. Проведена обработка осциллограмм и найдены значения параметров, определяющих характеристики кинетики КЛ Fe2+ в зависимости от тока электронного пучка. Продолжена работа по разработке и созданию многоцелевого лабораторного источника низкотемпературной плазмы (НТП) для оптимизированных технологических приложений и направленного воздействия на биомедицинские объекты. Проведена работа по созданию диагностического комплекса для изучения характеристик НТП в пространственной функциональной зоне плазмотрона. Совместно с научной группой проф. В.Ю.Тимошенко (каф. физики низких температур и сверхпроводимости) проведена работа по разработке основанной на эффекте Фано диагностики наноструктур, синтезированных с помощью НТП, а также – методики спектроскопических измерений скорости выхода митомицина из пористых наночастиц Si в целях лечения онкологических патологий. Проведено исследование фотогипертермии в присутствии кремниевых наночастиц методом комбинационного рассеяния света. Экспериментально исследовано влияние размера нанокристаллов на антистоксовую фотолюминесценцию в перовскитах галогенида свинца. Совместно с биологическим факультетом МГУ (проф. А.Н.Иноземцев, снс О.В.Карпухина, каф. высшей нервной деятельности) проведен цикл экспериментальных исследований воздействия НТП на комплекс биологических объектов: ряд овощей, плодовых, зерновых и зернобобовых культур, зеленых водорослей, культуру клеток простейшего микроорганизма Paramecium caudatum.
24 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: Основные результаты работ за 2022 год. 1. Теоретически проанализированы особенности диффузии экситонов в двумерных полупроводниковых наноструктурах. Для объяснения наблюдаемого в эксперименте по оптическому возбуждению полупроводниковых наноструктур степенного спада интенсивности фотолюминесценции на больших временах, предложена теоретическая модель, описывающая особенности диффузии экситонов в полупроводниковых структурах пониженной размерности (нанопластинах, слоистых перовскитах, монослоях дихалькогенидов переходных металлов). В рамках модели учтены процессы рекомбинации, диффузии и обратимого захвата в ловушки экситонов, возбуждаемых в результате воздействия лазерных импульсов на наноструктуру. Обобщение модели позволило объяснить возникновение аномальной субдиффузии. 2. Теоретически исследованы особенности формирования спиновой поляризации в полупроводниковых наноструктурах. Предложен новый метод ориентации спинов в полупроводниках электрическим током. Теоретически показано, что электрический ток тяжёлых дырок, текущий по квантовому проводу, может приводить к ориентации спина лёгкой дырки, локализованной в квантовой точке, туннельно связанной с квантовым проводом. Применимость предложенного механизма для управления спинами дырок в наносистемах на основе разных полупроводников. Эспоненциально малый ток,текущий по квантовому проводу позволяет достичь 100% спиновой поляризации носителя заряда в квантовой точке. 3. Теоретически изучена возможность пространственной передачи перепутанных состояний, сформированных в начальный момент времени в системе связанных квантовых точек. Предложен протокол для осуществления формирования и пространственного распространения перепутанного состояния по двум взаимно перпендикулярным цепочкам взаимодействующих квантовых точек Были выявлены следующие особенности спектров фотолюминесценции (ФЛ) и нелинейного поглощения коллоидных растворов нанотетраподов CdTe/CdSe и нанопластинок и наносвитков CdSe при однофотонном стационарном возбуждении экситонов наносекундными лазерными импульсами: 1. Обнаружено, что увеличение интенсивности возбуждения приводит к значительному коротковолновому сдвигу ФЛ непрямого экситонного перехода в нанотетраподах CdTe/CdSe. 2. Коротковолновый сдвиг ФЛ при нерезонансном возбуждении экситонов в нанотетраподах CdTe/CdSe вдвое меньше сдвига при резонансном возбуждении. 3. По измеренным спектрам дифференциального пропускания обнаружено уменьшение поглощения коллоидного раствора нанотетраподов CdTe/CdSe. 4. Обнаружено, что прямой экситонный переход 1Sh3/2-1Se в компоненте CdSe нанотетраподов CdTe/CdSe на длине волны 584 нм насыщается при интенсивности возбуждающих импульсов 1,6 МВт/см2, что объяснено эффектом заполнения состояний. 5. Обнаружен рост дифференциального пропускания коллоидных растворов нанопластинок CdSe различных концентраций на длине волны экситонного перехода из подзоны тяжелых дырок в подзону проводимости. 6. Амплитуда роста пропускания и интенсивность насыщения возрастают от 0,1 и 0,5 МВт/см2 для коллоидных нанопластинок низкой концентрации CdSe14 до 0,2 и 0,6 МВт/см2 для нанопластинок умеренной концентрации CdSe19, соответственно. 7. Обнаружено увеличение дифференциального пропускания коллоидного раствора нанопластинок высокой концентрации CdSe32 на длине волны экситонного перехода из подзоны тяжелых дырок в подзону проводимости только при интенсивностях накачки до 1,5 МВт/см2. 8. Нелинейно-оптический отклик коллоидных растворов наносвитков CdSe с различной степенью скручивания, покрытых молочной, маргариновой и олеиновой кислотами, был определен методом накачки и зондирования. Для коллоидных растворов наносвитков CdSe с различной степенью скручивания обнаружено значительное просветление экситонного перехода из-за заполнения фазового пространства экситонов. 9. Обнаруженные отрицательные значения в спектрах дифференциального пропускания коллоидных наносвитков СdSe-С17, CdSe-C3 в области длин волн 405±4 нм, объяснены уширением пиков поглощения ввиду экситон-экситонного взаимодействия под действием высокоинтенсивного лазерного излучения. 10. Выявленный красный сдвиг полосы экситонной ФЛ коллоидных растворов наносвитков CdSe, а также уширение экситонной полосы поглощения и ФЛ с ростом интенсивности накачки объяснено образованием димеров и трионов в наносвитках CdSe. 11. С увеличением плотности скручивания наносвитков CdSe возрастает интенсивность ФЛ, связанная, с участием носителей, захваченных на уровни дефектов. Было установлено, что создание объёмного гетероперехода при внедрении нанопластинок в полимер приводит к возникновению обнаруженных особенностей фотопроводимости (ФП): 1. Увеличение темпа фотогенерации неравновесных носителей заряда ввиду процессов их пространственного разделения по сравнению с чистым полимером в диапазоне температур 300-390 K. 2. Насыщение ФП в силу насыщения концентрации носителей заряда при повышении температуры выше 345 K. 3. Как было получено из анализа ВАХ, при повышении температуры уменьшается пороговое напряжение и увеличивается вклад механизмов туннельного переноса электронов по фазе нанопластинок. 4. Увеличение концентрации нанопластинок приводит к уменьшению напряжения, при достижении которого туннельный механизм переноса электронов по фазе пластинок вносит основной вклад в проводимость материала. Установлено, что вследствие того, что кулоновские эффекты существенны в терагерцовой области частот, не выполняется условие возможности непосредственного использования одночастичной плотности состояний с кулоновской щелью, описывающей распределение самосогласованных энергий взаимодействующих локализованных носителей заряда в основном состоянии системы, при расчете высокочастотной проводимости в режиме с переменной (зависящей от частоты) длиной прыжка в области низких температур. Соответственно стандартная интерпретация суперлинейности частотной зависимости проводимости неупорядоченных полупроводников за счет эффектов кулоновской щели не применима. Расчет низкотемпературной бесфононной проводимости с использованием представлений о самосогласованных энергиях показал, что при использовании базиса локализованных функций атомного типа частотная зависимость бесфононной проводимости является суперлинейной и монотонной в широкой области частот; при этом вещественная часть бесфононной проводимости имеет выраженный переход (кроссовер) от линейной ( ) к квадратичной ( ) частотной зависимости. Проводимость определяется двумя вкладами – бесфононным (резонансным) и релаксационным. При более низких частотах вещественная часть проводимости определяется фононным механизмом; с ростом частоты бесфононная проводимость начинает преобладать над релаксационной. Экстраполяция результатов стандартного подхода из области почти линейной частотной зависимости в режиме с переменной длиной прыжка на область квадратичной частотной зависимости проводимости в режиме с постоянной длиной прыжка дает сублинейную ( ) частотную зависимость проводимости в области низких частот ( при ). Суперлинейность вещественной части проводимости ( ) в переходной области частот может свидетельствовать о проявлении эффектов кроссовера от линейной к квадратичной частотной зависимости проводимости. Так суперлинейность экспериментально измеренных частотных зависимостей проводимости в переходной области частот можно объяснить переходом от переменной к постоянной (не зависящей от частоты) оптимальной длине прыжка с ростом частоты и определяющей ролью резонансного механизма проводимости. Оптимальная длина прыжка при этом отвечает переходам вне кулоновской щели. Изучено локальное окружение и зарядовое состояние примеси Fe в титанате стронция методами XAFS-спектроскопии. Исследовано влияние температуры отжига и отклонения от стехиометрии на возможность введения примеси в узлы A и B структуры перовскита. Результаты, полученные при анализе рентгеновских данных, спектров XANES и спектров EXAFS, дают основания полагать, что при высокой температуре отжига примесные атомы железа, по крайней мере частично (до 30%), входят в узлы A в SrTiO3. Полученные результаты согласуются с результатами расчетов из первых принципов, согласно которым примесь Fe в узле A проявляет сильную нецентральность (смещение ~1 Å), аналогичную ранее установленной в образцах SrTiO3, легированных Mn и Co. Предложен «Способ определения эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в p(n) слоях локальных участков кремниевых солнечных элементов n+-p(n)-p+ типа», зарегистрированный в качестве заявки на изобретение 31.05.2022 за № 2022114712 в Федеральной службе по интеллектуальной собственности Федерального института промышленной собственности. На эту заявку 13.12.2022 получено решение о выдаче патента на изобретение. Способ основан на поочередном освещении выбранных участков амплитудно-модулированным светом с энергией квантов, достаточной для создания ННЗ обоих знаков, проникающих в кремний на глубину свыше 2-3 толщин n+ и p+слоев. Освещение производится прямоугольными импульсами или синусоидально. В первом случае значения эффективного времени жизни (teff) определяются по времени спада сигнала после выключения света, а во-втором – фазовым методом по сдвигу фаз между модуляциями света и сигнала фотоответа. Фотоответ определяют по переменному напряжению на контактах солнечного элемента (СЭ) при освещении с его лицевой стороны, либо по модуляции СВЧ поглощения в объеме СЭ при его освещении с лицевой или тыльной сторон. Отличительная особенность способа состоит в том, предварительно, до освещения, на контакты СЭ от источника напряжения подают постоянное напряжение, достаточное для запирания СЭ при последующем его освещении, и последовательно с указанным источником напряжения и СЭ подключают резистор и/или индуктивность, общее дифференциальное сопротивление которых на частоте модуляции света больше внутреннего сопротивления освещаемого участка. Врезультате исключается шунтирующее действие освещаемого участка окружающими его неосвещаемыми участками на частоте модуляции из-за токов вдоль лицевой и тыльной сторон СЭ поp+иn+слоям и покрывающих их сеткам контактов. При этом исключается возможность экстракции ННЗ из освещаемого участка СЭ и их последующая инжекция в окружающие неосвещаемые участки СЭ и повышается точность измерений временем жизни неравновесных носителей заряда освещаемого участка. Продолжалось изучение структуры, электрических, фотоэлектрических и оптических свойств пленок металлоорганического перовскита CH3NH3PbI3, материала, перспективного для создания эффективных, тонкопленочных солнечных элементов. Проведенные исследования указывают на возможность формирования планарных структур, состоящих из полупроводниковых материалов с различными величинами запрещенных зон. Полученное практическое совпадение спектральной зависимости для чистой полимерной пленки указывает на то, что поглощение и генерация носителей заряда происходит преимущественно в полимерной фазе материала. Были продолжены исследования катодолюминесценции кристаллов ZnSe:Fe2+, легированных в процессе роста и отожженных в парах цинка. Экспериментально определены зависимости интенсивности катодолюминесценции ионов Fe2+ в ZnSe от времени при возбуждении коротким импульсом электронов при различных значениях тока пучка, так же при ее возбуждении коротким импульсом оптического излучения. Найдены значения параметров, определяющих характеристики кинетики катодолюминесценции Fe2+ в зависимости от тока электронного пучка. Проведена работа (с лабораторией проф. В.Ю. Тимошенко) по созданию 3-х модификаций маломощного низкочастотного источника низкотемпературной плазмы, генерирующего плазменную струю в воздухе атмосферного давления для локального воздействия на биомедицинские и малоразмерные техногенные объекты. Проведены эксперименты по плазменному воздействию на модельные биообъекты в Астраханском государственном медицинском университете, где производится обработка полученных результатов и выясняются возможности их медицинского применения Методом оптической эмиссионной спектроскопии с помощью спектрометра типа Optosky ATP 2400 проведено детальное исследование физико-химических свойств плазменной струи, в составе которой обнаружен обширный контролируемый набор активных агентов (УФ – излучение, химические радикалы, электрические компоненты–заряженные частицы и электрическое поле) для целенаправленного воздействия на исследуемые объекты. Проведены экспериментальные исследования синтеза с помощью низкотемпературной плазмы заданных наночастиц и модификации твердотельных поверхностей методами, основанными на эффекте Фано и фотолюминесценции. При сотрудничестве с биологическим факультетом МГУ (проф. А.Н. Иноземцев, снс О.В. Карпухина) разработана методика исследования внутриклеточных метаболических процессов биологических объектов с помощью воздействия плазменной
25 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа: I.1. Теоретически проанализированы особенности туннелирования через систему взаимодействующих квантовых точек при наличия сильных кулоновских корреляций и обменного взаимодействия. Предложена новая теоретическая концепция электрически управляемого одноэлектронного спинового фильтра, обусловленная наличием обменного взаимодействия в системе взаимодействующих квантовых точек, локализованных в туннельном контакте. Показано, что знаком спиновой поляризации туннельного тока, протекающего через исследуемую систему, можно эффективно управлять, изменяя напряжение смещения, приложенное к туннельному контакту, или модулируя амплитуду туннелирования между квантовыми точками с помощью управляющего электрода. Продемонстрировано, что наличие в системе сильных кулоновских корреляций на уровнях энергии может приводить к режиму, когда через систему протекает полностью поляризованный спиновый ток. В этом случае ток обусловлен электронами с одной проекцией спина, в то время как туннелирование электронов с противоположной проекцией спина полностью заблокировано. Переключение между режимами протекания туннельного тока осуществляется изменением отношения величины обменного взаимодействия к амплитуде туннелирования между квантовыми точками. I.2. Слабое спин-орбитальное взаимодействие приводит к очень ограниченному накоплению спина, индуцируемому током, в немагнитных полупроводниковых наноструктурах. Теоретически продемонстрирована возможность параметрически увеличить спиновую поляризацию, используя эффект Кондо. В качестве модельной системы рассмотрена квантовая точка, взаимодействующая с квантовым проводом, посредством спин-зависимого туннелирования электронов между проводом и квантовой точкой. Используя диаграммную технику Келдыша для неравновесных процессов показано, что многочастичные корреляции между квантовой точкой и квантовым проводом могут увеличивать индуцируемое ток в квантовом проводе накопление спина при низких температурах почти на два порядка при реалистичных параметрах системы. Увеличение спиновой поляризации связано с образованием пика Кондо в плотности состояний и спиновой нестабильностью из-за сильного кулоновского взаимодействия. Обнаруженный эффект может быть применен для электрического манипулирования локализованными спинами электронов в квантовых точках. I.3. Предложен протокол для создания перепутанности между электронными спинами в квантовых точках и фотонами с круговой поляризацией в резонаторе. Перепутанные состояния формируются в системе из двух различных типов квантовых точек, расположенных в ромбовидной конфигурации, резонансно взаимодействующих с полем резонатора левой и правой круговой поляризации при наличии спин–орбитального взаимодействия. Из–за спин-орбитального взаимодействия собственные состояния системы квантовых точек определяются z-проекцией коллективного орбитального момента и электронного спина. Система квантовых точек может быть изначально приготовлена с помощью напряжения на затворе и внешнего магнитного поля в плоскости, как суперпозиция вырожденных собственных состояний с противоположными проекциями спина и противоположными значениями коллективного орбитального момента. Резонансное взаимодействие с резонаторной модой в течение определенного интервала времени приводит к образованию перепутанности. Также исследована временная эволюция степени перепутанности при наличии взаимодействия локализованных электронов в квантовых точках с фермионным резервуаром и утечки в резонаторе. I.4. Толщины плёнок GaSe, полученные методом механического отслаивания, составили 0,5 – 6,8 мкм. Условия квантового ограничения в исследуемых плёнках не реализуются, однако с изменением толщины даже в пределах, далёких от размеров, удовлетворяющих условиям квантово-размерного ограничения, возможно существенное изменение поглощения и экситонных свойств селенида галлия. В плёнках GaSe с толщиной более 1 мкм обнаружено просветление на длине волны экситонного перехода (620 нм, 2 эВ). Рассчитанный радиус экситона составил и энергия связи экситона в объемном кристалле – нм. Просветление на длине волны экситонного перехода (620 нм) в плёнках GaSe толщиной от 1,5 до 6,8 мкм при возбуждении 10 нс импульсами на длине волны 360 нм и 540 нм объяснено заполнением фазового пространства экситонов. В случае возбуждения плёнок GaSe на длине волны 540 нм существенно большее значение интенсивности насыщения (≈9,5 МВт/см2) при сравнимо равных амплитудах дифференциального пропускания для плёнки меньшей толщины (2,8 мкм) по сравнению с плёнкой толщиной 6,8 мкм ( ≈0,3 МВт/см2) может быть связано с быстрым каналом релаксации, опустошающим состояния свободных экситонов в плёнках меньшей толщины. Обнаруженные 3 полосы в спектрах ФЛ объяснены излучательной рекомбинацией свободных экситонов (624 нм, 1,99 эВ), а также излучением связанных экситонов (633 нм, 1,96 эВ) и донорно-акцепторной рекомбинацией (646 нм, 1,92 эВ). I.5. Были выявлены следующие особенности спектров фотолюминесценции и нелинейного поглощения квантовых точек перовскита CsPbBr3 в фторфосфатном стекле при возбуждении экситонов наносекундными лазерными импульсами: Обнаруженное просветление квантовых точек CsPbBr3 в стеклянной матрице на длинах волн , объяснено заполнением состояний экситонных переходов 1Ph – 1Pe и 1Sh – 1Se, соответственно. Интенсивность насыщения поглощения квантовых точек перовскита CsPbBr3 в стеклянной матрице для экситонного перехода 1Sh – 1Se при низкой концентрации квантовых точек составило , и при высокой концентрации квантовых точек – . Установлено, что увеличение концентрации примерно в 1,7 раза приводит к увеличению интенсивности насыщения поглощения примерно в 2,3 раза, что было объяснено ускорением темпа рекомбинации возбужденных носителей заряда с увеличением концентрации КТ в стекле. Измеренные значения интенсивности насыщения фотолюминесценции квантовых точек перовскита CsPbBr3 превосходят значения интенсивности их насыщения поглощения, что может быть объяснено процессом задержанной фотолюминесценции. Выявлено фотозатемнение квантовых точек CsPbBr3 при возбуждении импульсами третьей гармоники лазера (360 нм), которое возрастает при увеличении дозы облучения, что может быть объяснено наличием глубоких уровней в запрещенной зоне и захватом на них фотовозбужденных носителей. I.6. Для однокомпонентных коллоидных нанопластинок CdSe установлено просветление двух экситонных переходов 1hh-1e и 1lh-1e и объяснено доминирующим эффектом заполнения фазового пространства экситонов. Установлено уширение и длинноволновый сдвиг полосы фотолюминесценции свободных экситонов в однокомпонентных коллоидных нанопластинках CdSe с увеличением интенсивности возбуждения и объяснено влиянием излучения трионов и биэкситонов. Для градиентных коллоидных нанопластинок CdSe1-xSx без оболочки (x = 0,1; 0,2; 0,4; 0,5) обнаружено просветление экситонных переходов 1hh-1e/1lh-1e/1so-1e в CdSe и 1hh-1e в CdS при заполнении фазового пространства экситонов. Обнаруженное изменение положения пиков по длине волны в зависимости от состава твердого раствора объяснено влиянием более широкозонной по сравнению с CdSe компоненты CdS.В спектрах фотолюминесценции градиентных коллоидных нанопластинок CdSe1-xSx без оболочки обнаружен пик излучения свободных экситонов и широкая полоса фотолюминесценции от излучения локализованных экситонов. При увеличении значения х твёрдого раствора установлено снижение интенсивности фотолюминесценции свободных экситонов и рост доли фотолюминесценции локализованных экситонов, что указывает на связывание экситонов на дефектах в структуре и рост безызлучательной рекомбинации. Для градиентных коллоидных нанопластинок CdSe1-xSx с оболочкой 3CdS (x = 0,4; 0,5) обнаружено два пика, один из которых соответствует экситонному переходу 1hh-1e в компоненте CdSe и варьируется по длине волны в зависимости от значения x твердого раствора, а второй соответствует экситонному переходу 1lh-1e в CdSe и 1hh-1e в компоненте CdS ядра нанопластинки. I.7. В ходе исследования была создана серия образцов пленок полимера F8BT с сэндвичевой конфигурации. Раствор полимера F8BT в м-ксилене был нанесен на стекло, покрытое проводящим слоем оксида индий-олова (ITO). На высушенную пленку наносятся алюминиевые контакты. В представленной работе были проанализированы спектральные зависимости фотопроводимости и спектры поглощения, полученные методом постоянного фототока (CPM). Анализ указанных зависимостей позволил установить то, что время жизни неравновесных носителей заряда слабо зависит от энергии фотона падающего излучения. Это также подтверждается люксамперными характеристиками, полученными при освещении монохроматическим светом с различной энергией кванта. Кристалличность пленки была исследована с помощью метода рентгеновской дифрактометрии. При этом было установлено, что степень кристалличности пленки, полученной методом капельного нанесения, выше, чем у пленки, полученной методом центрифугирования раствора. Анализ полученных дифракционных диаграмм также показал, что полученные пленки являются аморфными. В свою очередь, это позволяет предположить, что распределение плотности состояний вблизи запрещенной зоны описывается экспоненциальной зависимостью. В то же время, в литературе часто используется гауссова форма распределения плотности состояний. Анализ полученных с помощью CPM спектральных зависимостей поглощения позволил провести оценку числа этих состояний с экспоненциальным распределением, по отношению к числу состояний с гауссовым распределением как не более, чем 1 к 1000. Точность и достоверность данных, полученных с помощью CPM, зависит от толщины пленки. Было установлено, что для толстых пленок полимера F8BT (> 250 нм) CPM не позволяет получить достоверные результаты. В заключение авторами было сделано предположение о том, что с помощью анализа спектральной зависимости фотопроводимости и спектра поглощения, полученного с помощью CPM, можно производить характеризацию готовой полимерной пленки с помощью оптических методов. I.8. Разработан уникальный метод изготовления НМР с близкорасположенными управляющими электродами. Метод включает в себя стандартные для полупроводниковой промышленности технологии, такие как: электронно-лучевая литография, напыление тонких металлических пленок, реактивно ионное и жидкостное травления. Изготовлены экспериментальные структуры с НМР на основе подвешенных и закрепленных с обеих сторон нанопроводов из нитрида кремния с тонким слоем алюминия на поверхности, толщиной 30нм. Ширина и высота полученных резонаторов составляет 100-200нм, а длина находится в диапазоне от 70мкм до 1мм. I.9. Произведены теоретические оценки значений собственных частот при различных температурах для изготовленных НМР. С использованием численного модулирования продемонстрирована динамика изменения собственных частот изготовленных систем при изменении температуры от комнатной до 4К. При охлаждении резонансные частоты увеличиваются от 0.4МГц до 2.1МГц для нанопроводов длиной 70мкм, и от 0.02МГц до 0.15МГц для нанопроводов длиной 1мм. Полученная модель позволяет оценить влияние близкорасположенного управляющих электродов на динамику колебания подвешенного нанопровода I.10. Отработана технология реактивно-ионного травления во фторсодержащей плазме верхнего слоя пластины кремния на изоляторе, с получением кремниевых нанопроводов толщиной 30-50 нм и остаточным слоем кремния толщиной ~15 нм, необходимого для последующего окисления поверхности. II.1 Теория полупроводников. Установлены особенности поведения высокочастотной проводимости неупорядоченных полупроводников с ростом температуры. II.1. Исследованы особенности поведения высокочастотной проводимости неупорядоченных полупроводников с ростом температуры, связанные с прыжковым транспортом электронов по примесной зоне. В рамках парного приближения показано, что наблюдаемый при низких температурах (T=1 К) в терагерцовом диапазоне частот переход от почти линейной к квадратичной частотной зависимости вещественной части проводимости с ростом температуры может сохраняться и обусловливаться переходом от релаксационной проводимости с переменной (зависящей от частоты) длиной прыжка к бесфононной проводимости с постоянной длиной прыжка с ростом частоты. II.2. Разработана модель полупроводникового нанопровода как биологической сенсорной системы. С помощью построенной модели произведено исследование влияния золотых наночастиц иммобилизованных на поверхности нанопровода на его электропроводность. Посредством численного моделирования произведено статистическое исследование влияния различных видов распределений на электропроводность нанопровода. II.3. В отчетном периоде проработан технологический и модельных подход к созданию и описанию полупроводниковых синглет-триплетных кубитов. Проработан способы технологической реализации, высокочастотной системы управления, измерительной системы и системы численного моделирования и описания полупроводниковых синглет-триплетных кубитов. II.4. В отчетном периоде продолжено развитие вычислительного комплекса расчета транспортных и зарядовых характеристик много-квантово-точечных одноэлектронных устройств. В программный комплекс добавлена оптимизация решения системы кинетических уравнений на основе зависимости свободной энергии системы от чисел заполнения и приложенных потенциалов. Произведено численное моделирование электронного транспорта в одноэлектронных устройствах с различными пространственными конфигурациями трех квантовых точек (параллельное распределение, последовательное, параллельно-последовательное). II.5. Построена модель одноэлектронного устройства со сверхпроводящими туннельными электродами. Для некоторых простых конфигураций квантовых точек рассчитана эволюция элементов редуцированной матрицы плотности системы. Произведено численное моделирование работы двойной одноэлектронной ловушки на квантовой точки со сверхпроводящими электродами как прообраза зарядового кубита. II.6. Проведен квантово-химический расчет энергетических спектров в различных зарядовых состояниях металлоорганического полимера с 2 зарядовыми центрами для целей определения параметров эффективного туннельного барьера и моделирования работы резервуарных сетей на их основе. Раздел III Физика неупорядоченных и неоднородных полупроводников. III.1. Исследовано влияние легирования донорными и акцепторными примесями на зарядовое состояние атомов Co и Ni в SrTiO3 и BaTiO3 методами XAFS-спектроскопии. Показано, что солегирование образцов ниобием приводит к уменьшению зарядового состояния до 2+ и изменению геометрии локального окружения примесей, характер которых согласуется с данными расчетов из первых принципов. Продолжены расчеты анизотропии магнитной энергии для атомов Mn, занимающих нецентральное положение в узлах A в SrTiO3. III. 2. Из первых принципов изучены механические напряжения, возникающие в янусовых нанопластинках CdSe и приводящие к их спонтанной деформации. Установлено три микроскопических механизма этого явления. Два объемных механизма связаны с обратным пьезоэлектрическим эффектом в электрическом поле, создаваемом разностью электроотрицательностей лигандов, и деполяризующем поле, возникающем из-за разности скачков потенциала в двойных электрических полях на поверхности нанопластинок. Они отвечают за 5–25% наблюдаемого эффекта. Третий механизм связан с поверхностной деформацией нанопластинки мостиковыми связями, и этот эффект является доминирующим. Показано, что последний механизм вызывает спонтанное скручивание нанопластинок из CdSe и, в зависимости от значений поверхностных напряжений и пространственной ориентации нанопластинки, может приводить к появлению наблюдаемых в эксперименте структур, таких как свитки, спирали и скрученные ленты. III.3. Предложен запатентованный способ определения фотоэлектрических параметров кремниевых солнечных элементов (СЭ), таких как карты времен жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) и других, связанных с ним параметров. Такие измерения необходимы для увеличения эффективности СЭ при преобразованиях ими солнечной энергии в электричество. Способ основан на измерении времени релаксации фоточувствительности по модуляции интенсивности СВЧ волны, отражающейся от СЭ. Способ отличается тем, что к контактам СЭ от внешнего источника подключается постоянное запирающее напряжение. При этом между этим источником и СЭ подключается резистор и/или индуктивность, общее дифференциальное сопротивление которых на частоте модуляции света больше внутреннего сопротивления освещаемого участка. Благодаря этому подавляются эффекты, искажающие (сглаживающие) карты ННЗ. К их числу относятся экстракция ННЗ из освещаемого участка, их перемещение вдоль p+ и n+ слоев, покрытых сетками контактов, а также их последующая инжекция в окружающие неосвещаемые участки. Кошелев О.Г., Снигирев О.В. Патент № 2789711 от 7.02.2023 «Способ определения эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда в P(N) слоях локальных участков кремниевых солнечных элементов N+-P(N)-P+ типа» III.4. Были продолжены исследования катодолюминесценции кристаллов ZnSe:Fe2+, легированных в процессе роста и отожженных в парах цинка. Экспериментально определены зависимости интенсивности катодолюминесценции ионов Fe2+ в ZnSe от времени при возбуждении коротким импульсом электронов при различных значениях тока пучка, так же при ее возбуждении коротким импульсом оптического излучения. Найдены значения параметров, определяющих характеристики кинетики катодолюминесценции Fe2+ в зависимости от тока электронного пучка. Раздел VI. Взаимодействие плазмы с полупроводниками VI.1. Исследована модификация поверхности кремниевых структур с нанонитями под действием низкотемпературной плазмы атмосферного давления (НТПАД). Сконструированный в лаборатории маломощный (~10 Вт) источник выдавал плазменную струю с температурой, близкой к комнатной, по данным тепловизора. Фотографии СЭМ показывают деструктивное воздействие плазмы на нити, принимающие уширенный характер в верхней части, хотя структура нитей преобразовывается не на всю глубину их слоя. Энергодисперсионный рентгеновский анализ показал, что после обработки плазмой происходит значительное увеличение кислорода в обрабатываемых образцах, увеличиваясь на поверзности от 18 до 40 %, а кремниевые нити приобретают грибовидную пористую морфологию. Предложен механизм, объясняющий разрушение нанонитей, согласно которому при плазменной обработке на наноструктурах размером ~ 100 нм возникают падения напряжения, вызывающие локальные аномально большие напряженности электрического поля (~105–106 В/см), разрывающие связи атомов кристаллического кремния. НТПАД использовалась для модификации структуры, фотолюминесценции и электрических свойств совокупности кремниевых нанопроволок (SiНП) с поперечным сечением 100 нм и длиной 7 – 8 микрон. Обработка SiНП приводила к распылению их кончиков с переосаждением атомов кремния. В этих экспериментах обнаружено уменьшение концентрации свободных дырок и увеличение концентрации свободных электронов в сильно легированных бором и фосфором SiНП, соответственно. Это было установлено с помощью спектроскопического изучения рамановского рассеяния с учетом эффекта Фано, возникавшего в результате рассеяния света фононами и свободными носителями зарядов в SiНП. Полученные результаты показывают, что плазменная обработка может быть использована для изменения длины, остроты, интенсивности люминесценции и электрических свойств SiНП для применения в оптоэлектронике и сенсорике. Использовалось воздействие НТПАД, формируемой в виде плазменной воздушно-аргоновой струи высокоресурсного дугового плазматрона, на культуру сообщества зеленых водорослей (Chlorella vulgaris, Stichococcus bacillaris). Обнаружена частичная гибель названных биологических видов в результате плазменного воздействия, причем оказалось, что образцы C. Vulgaris были менее чувствительны к действию плазмы, чем S. bacillaris. После обработки плазмой наблюдался преобладающий рост последней культуры при сравнении с контрольным образцом, что можно объяснить активацией биохимических процессов в водорослях, обусловленной действием химических радикалов плазмы. Проведено изучение воздействия НТПАД на одноклеточный организм Paramecium Caudatum (инфузории-туфельки), как подходящий тест-объект для комплексного анализа одновременного воздействия таких физико-химических факторов, как излучения разных типов, потоки активных химических радикалов и pH – среды нахождения биоорганизма. После плазменной обработки появились значительные морфологические изменения, характерные для апоптоза, такие как расслоение мембраны, вакуолизация и фрагментация цитоплазмы. Реакции наблюдаемых клеток являются следствием влияния долгоживущих активных форм кислорода и азота (NO, O, OH, ONOO-, O2(1Δg), запускающих окислительно-восстановительные процессы с образованием концентраций пероксида водорода H2O2, критических для нормального функционирования клеток. Присутствие свободных радикалов в среде нарушало воспроизводство P. Caudatum, что свидетельствует о воздействии плазмы на ядерный аппарат клеток. VI.2. Проведены диагностические исследования плазменной струи спектроскопическим методом с использованием компьютеризированного спектрометра типа ATP SERIES SPECTROMETER с целью оптимизации присутствия в струе НТПАД активных компонентов и их пространственного распределения для осуществления модификации поверхности нанообъектов и селективного воздействия на биомедицинские объекты, указанные в пункте VI.1.
26 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа:
27 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Электронные процессы в полупроводниковых структурах и материалах для электроники и оптоэлектроники
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".