Квантовые точки иногда образно называют "искусственными атомами". Раз есть искусственные атомы, почему бы не попробовать "собрать" из них искусственные кристаллы?

Рис. 1. Зависимость среднего расстояния между квантовыми точками (в плоскости слоя) в сверхрешетках квантовых точек PbSe от толщины слоя Pb1-xEuxTe между слоями PbSe. Видно, три режима: I - вертикальное упорядочение, II - образование ГЦК решетки, III - некоррелированный рост.

Впервые об искусственных ("сделанных человеком") кристаллах заговорили более тридцати лет назад, когда были созданы (выращены) полупроводниковые сверхрешетки - структуры, содержащие последовательность очень тонких (нанометровой толщины) чередующихся слоев различных материалов. Такая структура в определенном отношении может рассматриваться как "одномерный кристалл", составленный из "слоев-атомов" (подробнее о сверхрешетках и других низкоразмерных структурах см. в нашей статье ). С дальнейшим развитием технологий ученые научились получать объекты, которые с гораздо большим основанием могут претендовать на звание искусственных атомов - квантовые точки.

Наиболее часто, говоря о квантовых точках, имеют в виду полупроводниковые квантовые точки. Отдельный "искусственный атом" представляет собой специальным образом полученный наноразмерный объект, обладающий дискретным энергетическим спектром. Способы получения полупроводниковых квантовых точек весьма различны: они могут создаваться из планарных полупроводниковых гетероструктур с помощью литографии, могут получаться химическими методами, но наиболее широко распространенным способом получения квантовых точек является спонтанное формирование наноразмерных островков-включений одного полупроводникового материала (с меньшей шириной запрещенной зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны). Из-за различия ширины запрещенных зон носители заряда оказываются локализованы в пределах островка, следствием чего и является квазиатомный (представляющий собой набор отдельных уровней) энергетический спектр.

Рис. 2. Полученные с помощью атомно-силовой микроскопии изображения верхнего (незарощенного) слоя квантовых точек PbSe при различных номинальных ростовых толщиных слоя PbSe (от одного до восьми монослоев) для сверхрешетки квантовых точек (100 периодов); квантовые точки выращивались при температуре 360 C. На вставке результат математической обработки (спектр мощности) полученных изображений, видно появление шести четких пиков при появлении упорядочения решетки расположения квантовых точек в плоскости слоя (гексагональная решетка).

Если в нашем распоряжении имеются искусственные атомы, то почему бы не попытаться "собрать" из них искусственный трехмерный кристалл? Тем более, сама технология выращивания полупроводниковых квантовых точек существенно облегчает эту задачу. Спонтанное формирование массива квантовых точек происходит при нанесении очень тонкого (толщиной в несколько атомных слоев) слоя материала B на поверхность материала A в случае, когда постоянные кристаллической решетки материалов различаются на несколько процентов. Попробуем пояснить, почему так происходит, на примере наиболее хорошо изученной системы InAs/GaAs, для которой (как и для ряда других) формирование наноразмерных островков (квантовых точек) происходит в так называемом режиме Странского-Крастанова. При росте первого мономолекулярного слоя соединения B (InAs) на поверхности пленки из соединения A (GaAs) из-за различия постоянных кристаллической решетки материалов возникают упругие напряжения, при продолжении осаждения вещества они увеличиваются и становится выгодным уже не равномерное распределение вещества по поверхности (т.е. не продолжение роста сплошного слоя), а образование отдельных "капель" вещества (квантовых точек) на поверхности первого слоя (его называют "смачивающим слоем") - это способствует минимизации напряжений в получающейся структуре. То есть мы изначально мы получаем не отдельные "атомы", а сразу целый слой "искуственных атомов" ("атомную плоскость"). Наростив сверху на получившуюся "атомную плоскость" слой материала A определенной толщины (которую, конечно, можно варьировать), можно вновь повторить процедуру - вырастить следующую плоскость искусственных атомов и т.д. (получающиеся структуры по аналогии с обычными сверхрешетками часто называют "сверхрешетками квантовых точек").

К настоящему времени есть существенный прогресс в решение этих задач. За счет подбора оптимальных условий роста (на процесс формирования квантовых точек влияет множество факторов - температура подложки, скорость роста, количество осаждаемого материала, свойства используемых материалов, кристаллическое совершенство подложки и т.д. ) ученые достигли больших успехов в решении задачи формирования однородных массивов квантовых точек (см. нашу недавнюю новость ). Но, пожалуй, еще более интригующими оказались результаты, полученные при росте многослойных структур квантовых точек. Были обнаружены такие интересные эффекты, как появление спонтанного упорядочения в расположении квантовых точек не только в вертикальном направлении (направлении роста), но и в плоскости слоя, а также уменьшение разброса размеров квантовых точек. В качестве примера того, что получается в таких интересных структурах, можно привести одну из последних работ, посвященных исследованию процессов спонтанного трехмерного упорядочения в сверхрешетках квантовых точек на основе полупроводниковых соединений IV-VI.

Ученые из университета Линца исследовали влияние толщины слоя материала, из которого образуются наноразмерные островки (PbSe в данном случае) и температуры подложки, при которой происходит рост структуры, на формирование упорядоченных массивов квантовых точек в системе PbSe/Pb_1-xEu_xTe [1] (ранее эта группа исследовала влияние расстояния между слоями квантовых точек - см. рис.1 из работы [2]). Австрийские исследователи показали, что в структурах может реализоваться несколько различных ситуаций: неупорядоченное расположение квантовых точек; упорядоченное расположение квантовых точек, соответствующее гранецентрированной кубической решетке; наличие только вертикальной корреляции в расположении квантовых точек. Причем трехмерно упорядоченное расположение "искусственных атомов" имеет место лишь в довольно узком диапазоне номинальных ростовых толщин слоя PbSe (номинальная толщина слоя соответсвует толщине однородного слоя вещества, которая бы получилась, если бы материал распределился по поверхности равномерно) и температур (см. рис.2 и 3). Можно также видеть, при появлении трехмерного упорядочения уменьшается разброс размеров квантовых точек (рис.4).

Рис. 3. Полученные с помощью атомно-силовой микроскопии изображения верхнего (незарощенного) слоя квантовых точек PbSe для для сверхрешетки квантовых точек (30 периодов) при номинаельной толщине слоя PbSe пять мономолекулярных слоев для ростовых температур от 340 C до 400 С. На вставке результат математической обработки (спектр мощности) полученных изображений, видно появление шести четких пиков при появлении упорядочения решетки расположения квантовых точек в плоскости слоя (гексагональная решетка).

Попробуем понять, чем вызвано такое разнобразие получающихся структур. Как уже говорилось, спонтанное формирование квантовых точек происходит в системах, где постоянные кристаллической решетки материалов существенно отличаются. После выращивания первого слоя квантовых точек кристаллическая решетка материала, которым он заращивается слой квантовых точек, деформирована, причем, вследствие анизотропии упругих свойств кристаллической решетки, напряжения распределены в материале неоднородно. Эти напряжения и определяют предпочтительные места для формирования квантовых точек при росте следующего слоя квантовых точек - в местах, где напряжения минимальны. В частности, для системы PbSe/Pb_1-xEu_xTe в определенном диапазоне размеров квантовых точек существует три предпочтительные позиции (смещенные относительно находящейся под ними квантовой точки в плоскости, перпендикулярной направлению роста) для образования квантовых точек при росте очередного слоя. Результатом такой корреляции в расположении квантовых точек в соседних слоях и в плоскости слоя и является формирование гранецентрированной кубической решетки (в данной системе) и, соответственно, наблюдаемая на рис.2 и 3 гексагональная двумерная решетка квантовых точек.

Расчеты показывают, что существуют нижний и верхний критический размеры квантовых точек, при которых наблюдается трехмерное упорядочение массивов квантовых точек. При малой номинальной ростовой толщине слоя квантовые точки либо вообще не образуются (рис.2a), либо образуются квантовые точки с размером ниже критического (рис.2b, 2c), и создаваемые ими напряжения оказываются слишком малы, чтобы "привязать" квантовые точки в следующем слое к определенным местам. Если же размеры квантовых точек превышают верхний критический размер, то, в результате увеличения размеров квантовых точек и уменьшения расстояния между местами на поверхности, где напряжения минимальны, рост нескольких квантовых точек в соседних минимумах оказывается уже невозможным и остается только вертикальное упорядочение - точка над точкой (этой ситуации соответствует рис.2f). Зависимость размера образующихся квантовых точек от температуры подложки приводит к схожему поведению.

Рис. 4. Распределение квантовых точек по высоте в зависимости от номинальной ростовой толщины слоя PbSe.

Из вышеизложенного может сложиться впечатление, что изучение многослойных структур квантовых точек представляет чисто академический интерес. Конечно, ведутся теоретические исследования свойств искусственных кристаллов и экспериментальные исследования сверхрешеток квантовых как потенциальных искусственных кристаллов и из "академического" интереса. Однако на самом деле внимание к многослойным структурам обусловлено не только и даже не столько с "досужим любопытством" ученых, желающих "поиграться" с кристаллами из искусственных атомов, сколько чисто практическими резонами. Одна из наиболее важных задач связана с созданием полупроводниковых лазеров на квантовых точках, где использование многослойных структур и уменьшение разброса размеров квантовых точек позволяют увеличить эффективность работы лазера (за счет увеличения числа "работающих" искусственных атомов). Кроме того, за счет наличия связи между слоями квантовых точек иногда удается "выжать" из структур то, что при обычных условиях получить не удается. В качестве примера можно привести работу английских ученых [3] из того же выпуска Physical Review B. За счет роста двуслойных структур квантовых точек, в которых первый слой является "затравочным" для второго, и соответствующего подбора технологических параметров при росте каждого слоя удалось сдвинуть линию люминесценции квантовых InAs/GaAs точек в длинноволновую область - до 1.4 мкм при комнатной температуре при сохранении достаточно высокой эффективности люминесценции (длины волн 1.3 мкм и 1.55 мкм оптимальны для работы с оптоволоконными системами передачи информации - см. нашу новость ).

1. A.Raab, R.T.Lechner, G.Springholz. Phys.Rev. B, v.67, 165321 (2003).

2. G.Springholz, M.Pinczolits, P.Mayer et al. Phys.Rev.Lett., v.84, 4669 (2000).

3. E.C.Le Ru, P.Howe, T.S.Jones, R.Murray. Phys.Rev. B, v.67, 165303 (2003).

Е.Онищенко