Новости науки 18.04.01. Как выглядят "искусственные атомы"?

Одним из самых удивительных объектов, созданных человеком, являются квантовые точки. За квазиатомный (дискретный) энергетический спектр их называют иногда "искусственными атомами". Грубо говоря, квантовые точки - это "включения" одного материала в матрице другого, имеющие нанометровые размеры. Впрочем, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

Рис. 1. Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

Наиболее часто, говоря о квантовых точках (более подробно о низкоразмерных полупроводниковых структурах, их росте и пр. см. статью ), имеют в виду спонтанно сформировавшиеся в процессе роста массивы островков-включений одного полупроводникового материала (с меньшей шириной запрещенной зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны) - рис. 1. Из-за различия ширины запрещенных зон электроны и дырки оказываются локализованы во всех трех направлениях, как бы "заперты" в квантовой точке, следствием чего и является квазиатомный спектр.

Рис. 2. (a) Трехмерное изображение квантовой точки. Видно, что она имеет пирамидальную форму с достаточно острой вершиной. Стрелки и цифры в квадратных скобках обозначают различные кристаллографические направления. (b) Более детальное изображение одной из граней. (c) Модель реконструированной поверхности грани (черные и серые шарики - атомы мышьяка (As), светлые - индия (In)).

На первом рисунке мы представили "вид сверху", однако для более детального изучения структуры квантовых точек требуются изображения с большим разрешением и, конечно, исследователи имеют возможность получать такие изображения. В недавней работе [1] с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) были получены изображения квантовых точек с атомным разрешением. Непосредственно после формирования массива квантовых точек в результате выращивания ультратонкого слоя InAs на поверхности GaAs (массив квантовых точек, естественно, не заращивался сверху слоем GaAs) образец был в условиях высокого вакуума перемещен в специальную аналитическую камеру. На рисунках 2 и 3 показаны полученные с помощью СТМ трехмерные изображения одиночной кватновой точки.

Рис. 3. Профили (по высоте) квантовой точки и соответствующие трехмерные СТМ- изображения, вид с разных направлений.

Конечно, надо иметь в виду, что даже в случае тех же соединений InAs и GaAs размеры и форма квантовой точки зависят от ростовых условий. В случае других соединений квантовые точки могут формироваться и в форме плоских блинчиков, и в форме микросфер (в диэлектрической матрице).

1. J.Marquez, L.Geelhaar, and K.Jacobi. Appl.Phys.Lett. v.78, 2309 (2001).

перейти к началу страницы