III-VI монохалькогениды переходной толщины и родственные 2D ван-дер-ваальсовые наноструктуры: однофотонное излучение, оптические и структурные свойства

Последние десятилетия можно считать временем расцвета физики двумерных (2D) полупроводников, когда с новой точки зрения открываются слоистые полупроводники - дихалькогениды переходных металлов и монохалькогениды металлов III группы. Монохалькогениды (GaSe, GaS, InSe и т.д.) и родственные 2D ван-дер-ваальсовые наноструктуры (In2Se3, Ga2Se3) вызывают большой интерес в качестве основных составляющих для 2D структур с перспективой применения в сенсорах и нелинейной оптике, спинтронике, опто- и наноэлектронике, а также в стрейнтронике. Кроме того, недавно в различных 2D материалах было обнаружено яркое и стабильное однофотонное излучение. В отличие от дихалькогенидов переходных металлов, монослои монохалькогенидов имеют непрямую запрещенную зону, которая с увеличением количества слоев превращается в прямую. Этот переход связан с изменением дисперсии валентной зоны: параболическая дисперсия, характерная для объемных монохалькогенидов, превращается в дисперсию «Мексиканской шляпы» в монослойном пределе. Дисперсия «Мексиканской шляпы» приводит к появлению множества уникальных электронных свойств и физических явлений в монохалькогенидах. Однако, крайне малоизученными остаются 2D структуры толщиной нескольких десятков монослоев, в которых могут одновременно могут наблюдаться свойства, присущие как 2D, так и 3D состояниям. Главная цель проекта – получение актуальных данных о фундаментальных оптических свойствах, возможностях их управления и других характеристиках кристаллов монохалькогенидов группы IIIA (GaSe, GaTe) и структур на их основе (In2Se3, Ga2Se3). Особое внимание будет уделено образцам с промежуточной толщиной, в области перехода от двумерного (монослой) состояния к трехмерному (объемному кристаллу), где тип оптических переходов изменяется от непрямозонного к прямозонному. Изучение оптических свойств таких объектов требует развития спектроскопических методик с высокой разрешающей способностью. Спектроскопия со временным разрешением позволит идентифицировать экситонные переходы и уточнить тип зонной структуры, и самое главное определить тип оптических переходов. Стоит отметить, что зонная структура большинства слоистых A3-халькогенидов в зависимости от количества монослоев до сих пор точно не определена. Опубликованные данные характеризуются большим разбросом. Это обуславливает необходимость проведения запланированного комплекса работ по созданию и использованию новых спектроскопических методов, позволяющих получить надежную информацию о типе зонной структуры некоторых A3-халькогенидов, основных зависимостях зонных параметров от температуры и толщины, а также о возможности формирования ван-дер-ваальсовых гетероструктур. Другим уникальным свойством данных структур является возможность реализации однофотонного излучения. В настоящий момент она хорошо исследована на структурах, сформированных методом эксфолиации. Тематикой настоящего проекта является изучение не только влияния различных факторов на однофотонные свойства наноструктур, выращенных молекулярно-пучковой эпитаксией, но и определение степени неразличимости одиночных фотонов в данных структурах. На основе полученных результатов будет проводиться поиск новых оптических явлений в сформированных наноструктурах, и определяться потенциальная возможность их использования в нанофотонных устройствах. Одно из главных направлений исследований связано с оптическими переходами в монохалькогенидах группы IIIA. Новые технологические подходы и применение различных спектроскопических методов открывают уникальные возможности для развития нового направления в двухмерной физике, достижения прорывных результатов мирового уровня и публикации статей в высокорейтинговых журналах.