Государственное задание, проект № 0748-2020-0012

Руководитель: Шорохов А.В., главный научный сотрудник лаборатории «Оптика туннельно-связанных наноструктур» кафедры «Физика»
Коллектив исполнителей: Кревчик В.Д., Семенов М.Б.

Цель проекта:

– теоретическое и экспериментальное исследование планарных структур с квантовыми точками из коллоидного золота, обладающими свойствами метаматериала;

– исследование структурных и оптических свойств материалов с фазовой памятью.

Задачи проекта:

1. Формирование методом импульсного лазерного осаждения плёнок аморфной смеси Au—Si с последующим окислением в кислородной плазме тлеющего разряда туннельно-прозрачных плёнок SiO2/n+-Si(001) с внедрёнными в них 2D массивами наночастиц Au.
2. Экспериментальное исследование методом туннельной атомно-силовой микроскопии (АСМ) туннельных спектров плёнок SiO2 с золотыми наночастицами в режиме диссипативного туннелирования электронов между АСМ зондом и подложкой через наночастицы из золота.
3. Теоретический расчёт полевой зависимости вероятности диссипативного туннелирования электронов в 2D массивах наночастиц Au.
4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Результаты проекта

Синтезированы планарные структуры, содержащие квантовые точки из коллоидного золота, размером до 5 нм, обладающие свойствами метаматериала (при этом развит авторский метод контролируемого роста квантовых точек из коллоидного золота). Проанализированы особенности туннельного тока в исследованных структурах. Показано, что в случае, когда исследуемые планарные структуры проявляют свойства метаматериала, на туннельных вольт-амперных характеристиках наблюдаются два характерных излома, отвечающие точкам 2D – туннельных бифуркаций, а также осцилляции в окрестности этих точек, соответствующие режиму квантовых биений. Развита теория 2D – диссипативного туннелирования для модельных осцилляторных потенциалов в условиях внешнего электрического поля при конечной температуре в пределах слабой диссипации, позволяющая качественно объяснить наблюдаемые эффекты. Получено убедительное качественное соответствие полученных теоретических и экспериментальных результатов.

В результате проведенных исследований на базе ЦКП ИПЛИТ РАН (филиала ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН) выполнены исследования структурных и оптических свойств материалов с фазовой памятью. Изучены структурные свойства тонких пленок теллурида германия (GeTe) и объемных кристаллов гидрофосфитгуанил мочевины (GUHP). В оптическом и ИК диапазоне исследованы спектры пропускания пленок GeTe. Кристаллы GUHP всесторонне исследованы в терагерцовом диапазоне.

Результаты исследований могут использоваться при разработке элементов оптической памяти, генераторов сверхвысокочастотного излучения и других практических приложений.

Рисунок 1 – Фазовая диаграмма для реализации устойчивых бифуркаций тока 2D-туннелирования в диэлектрической матрице с отрицательной эффективной диэлектрической проницаемостью в зависимости от параметров управления: обратной температуры, напряженности электрического поля (или параметра асимметрии 2D- потенциала) и значения эффективной относительной диэлектрической проницаемости матрицы среды-термостата

Рисунок 2 – EDS и СЭМ-изображение поверхности (вставка) исходного материала GeTe, из которого напылялись тонкие пленки

Рисунок 3 – Атомарная структура элементарной ячейки кристалла GUHP