Новые полупроводниковые материалы для квантовой информатики и телекоммуникаций (промежуточный, этап 3)

В настоящем отчете изложены основные результаты работ по третьему этапу НИР «Новые полупроводниковые материалы для квантовой информатики и телекоммуникаций», проведенных в 2024 г. Объект исследования: Гибридные III-V полупроводниковые наноструктуры на поверхности кремния, InAs квантовые точки в матрице кремния, соединения на основе материала ZnO и другие наноструктуры. Цель работы: Получение принципиально новых знаний в области полупроводниковых наноструктур, формирование предпосылок к созданию новых приборов на основе полупроводниквых наноктсруткр и закрепление приоритета в мировой научнообразовательной элите. Методы или методология проведения работы: Полупроводниковые наностуктуры были синтезированы преимущественно методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Для исследований свойств полученных наноструктур были использованы метод дифракции быстрых электронов на отражение для контроля поверхности in situ во время роста, метод растровой электронной микроскопии для исследования морфологических свойств выращенных образцов, метод просвечивающей электронной микроскопии с возможностью элементного анализа для исследования структурных свойств выращенных образцов, методы фотолюминесценции, микрофотолюминесценции для исследования оптических свойств выращенных образцов и другие методы исследований свойств вещества. Результаты работы и их новизна: 1) исследована возможность многократного увеличения интенсивности ФЛ одиночных InP/InAsP/InP ННК с помощью подложки SiOx/Ag/Si и объяснён механизм усиления; 2) на поверхности кремния были сформированы AlGaAs ННК в вюрцитной кристаллографической фазе с нанометровыми включениями кубической кристаллографической фазы того же материала с использованием золота в качестве 4 катализатора и показано, что синтезированные наноструктуры являются источниками одиночных фотонов; 3) проведены экспериментальные исследования и продемонстрирована принципиальная возможность формирования регулярных массивов AlGaAs ННК с GaAs КТ на поверхности кремния с отверстиями в слое SiOx с использованием золота в качестве катализатора; 4) экспериментально и теоретически была исследована зависимость структурных свойств непланарных InGaN наноструктур от времени роста при температуре подложки 600°C. Процессы роста InGaN наноструктур сложной морфологии были впервые описаны на основе полученных экспериментальных данных; 5) исследовано влияние химического травления InGaN ННК со спонтанносформированной структурой стержень-оболочка на их оптические и структурные свойства. Продемонстрировано, что удаление оболочки ННК приводит к увеличению интегральной и пиковой интенсивностей ФЛ более чем в 3 раза при комнатной температуре; 6) сформированы и исследованы физические свойства гибких датчиков для измерения низкого давления и твердотельных датчиков для измерений высокого давления на основе ZnO-ПДМС. Изготовленные инновационные датчики продемонстрировали потенциальную возможность одновременного измерения давления и температуры с помощью электроимпедансной спектроскопии, которая является универсальным методом измерения для многофункциональных датчиков; 7) исследовано влияние режимов роста покровного слоя Si на оптические свойства гетероструктур с субмонослойными квантовыми точками InAs, внедренными в матрицу кремния. Показано, что низкотемпературное (400–450°С) заращивание кремнием позволяет получить гетероструктуры, демонстрирующие фотолюминесценцию в области 1,65 мкм при пониженных температурах вплоть до 120 K. Установлено, что применение двухстадийного способа заращивания InAs наноостровков кремнием позволяет повысить интенсивность фотолюминесценции за счет улучшения кристаллографического качества матрицы Si; 8) предложен новый дизайн и синтезированы многослойные гетероструктуры для ККЛ терагерцового диапазона частот диапазона частот; 9) экспериментально и теоретически исследован МПЭ рост наноструктур InAs на подложках Si(100) по механизму ПКК. Изучена морфология и кристаллическая структура ННК и пластинчатых нанокристаллов, формирующихся на данных подложках. Обнаружено, что при росте ННК в направлении InAs [110] граница раздела катализатор–ННК не является плоской. Предложена модель, в рамках которой изучена стабильность граней, составляющих границу раздела; 10) исследованы поведение и пролиферация клеток CT26 на вертикальных GaP ННК с люминесцентными вставками GaPAs, добавленными для визуализации. Результаты исследований показывают, что исследованные GaP(As) ННК имеют высокий потенциал применения во внутриклеточной визуализации и разработке биоинтерфейсов. Области применения полученных результатов: Квантовые коммуникации и вычисления, оптоэлеткроника, фотоника, возобновляемые источники энергии, силовая электроника, медицина, физика полупроводниковых наноструктур, безопасность жизнедеятельности. Экономическая значимость работы: Результаты исследований открывают путь к созданию полупроводниковой базы нового поколения для приложений микроэлектроники, оптоэлектпроники и квантовых технологий, что способствует значительному экономическому развитию страны. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: Проведение экспериментальных исследований по синтезу и исследованию физических свойств гибридных III-V наноструктур в широком диапазоне материалов и составов при различных условиях роста. Моделирование процессов роста и физических свойств синтезированных наноструктур. Оптимизация ростовых процессов и создание прототипов оптоэлектронных приборов. Синтез и исследование физических свойств других источников неклассического света. По результатам исследований, проведенных в 2024 г., опубликовано или принято к печати 10 научных статей, индексированных в Scopus/WoS и ЯдроРИНЦ, 3 из них входят в Q1-Q2 по Scopus/WoS.