CC BY
8
ТРУДЫ МФТИ. - 2014. - Том 6, № 1
Нанофизика и нанотехнологии
3
УДК 621.38
В. Г. Попов
Институт проблем технологии микроэлектроники РАН Московский физико-технический институт (государственный университет)
Обзор по тематике 5-й Всероссийской конференции молодых ученых «Микро-, нанотехнологии и их применение» им. Ю.В. Дубровского
1. Введение
Проблематика конференции затронула применение новых и стандартных микро- и на-нотехнологий для развития методов диагностики, создания новых приборов микро- и на-ноэлектроники и исследования новых физических явлений в них, что актуально как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения. В России данное направление достаточно активно развивается как в области полупроводниковых гетеро- и наноструктур, что было отражено в 17-ти из 53-х докладов, так и в области сверхпроводниковых структур (8 докладов). Необходимо отметить, что были представлены и новые наноматериалы, такие как нанотрубки, 2пО-наностержни, графен, фотонные резонаторы и кристаллы, топологические изоляторы. Кроме того, значительное число работ посвящено методам сканирующей микроскопии. Таким образом, условно доклады можно разделить по следующим группам.
2. Полупроводниковые наноструктуры
Фундаментальные исследования в этой области представлены в докладах, рассматривающих коллективные эффекты и эффекты локализации в двумерных системах носителей или наноструктурах, созданных на их основе. Необходимо отметить, что уровень докладов достаточно высок и отражает современную проблематику в данной области. Были затронуты вопросы о скачках химпотенциала двумерного электронного газа (ДЭГ) в режиме дробного квантового эффекта Холла (ДКЭХ) при факторе заполнения равном 2/3, которые удалось описать в модели взаимодействующих композитных фермионов, при этом наряду со щелью в спектре композитных фермионов меняется также их спиновая поляризация. Оказалось, что магнитное поле данного перехода нелинейно зависит от затворного напряжения, что авторы связывают с эффектом изменения ширины волновой функции электронов и эффектами непараболичности в спектре (Тезисы докл. 5-й Всерос. конф., стр. 57 [1]). Исследование дробового шума в локализованной двумерной системе показало, что в режиме прыжковой проводимости шум в ней является дробовым с фактором Фано, близким к 1, это, по-видимому, одно из первых наблюдений дробового шума при сопротивлениях образца, близких к 10 МОм на квадрат (Тезисы докл., стр. 56 [1]). Интересный результат был получен на микросужениях высокоподвижного двумерного слоя (см. стр. 53 [1]). Обнаружено увеличение проводимости микросужения при повышении температуры от 0.5 до 4 К. Слабое магнитное поле (~ 10 мТл), перпендикулярное гетеропереходу, также увеличивает проводимость микросужения. Обнаруженный эффект авторы связали с электрон-электронным взаимодействием. Важные результаты были представлены по спектроскопии квантовых ям и узкозонных полупроводников в сверхвысокочастотном (СВЧ) и терагерцовом диапазонах. В СВЧ-диапазоне исследовалось взаимодействие плазмонных и фотонных мод (см. стр. 22 [1]). Было обнаружено, что величина взаимодействия сравнима с энергией мод. В терагерцовом диапазоне исследовалась фотопроводимость квантовых ям, созданных на основе узкозонных полупроводников 1^1_хСс1хТе и гетероструктур типа ^1_хС<1хТе/Сс11_у^уТе/1^1_хСс1хТе (см. стр. 24 [1]). Были выявлены особенности поглощения акцепторных примесей, фононные реплики. Спектр значительно изменялся в магнитном поле, что было связано с увеличением ширины запрещенной зоны из-за кван-
тования Ландау. В работе (см. стр. 62 [1]) теоретически исследовалось обменное усиление фактора Ландэ в узкозонных квантовых ямах. Оказалось, что из-за значительного спин-орбитального взаимодействия в таких структурах нарушается теорема Лармора, что означает усиление как циклотронных щелей, так и спиновых.
Из прикладных исследований представлены результаты по разработке дальнейшей миниатюризации транзисторов. Хорошо известно, что основные проблемы, которые возникают при дальнейшем уменьшении размеров транзисторов, - это размерное квантование в канале, туннелирование из затвора в канал и статистический разброс параметров из-за случайности распределения примесей. В работе (см. стр. 12 [1]) рассмотрены варианты использования резонансного туннелирования для решения этих проблем. Показано, что для дальнейшего повышения граничной частоты логических элементов целесообразнее использовать резонансно-туннельные диоды. Новые концепции энергонезависимой памяти обсуждались в работе (см. стр. 13 [1]). В качестве альтернативного подхода предложено использовать резистивную память на основе ионной миграции. В качестве основных достоинств таких элементов является возможность создания на их основе не просто бинарных элементов, но и элементов с большим числом промежуточных состояний, которые могут быть использованы в качестве твердотельного аналога синапсов для нейроморфных вычислительных систем.
3. Сверхпроводниковые микро- и наноструктуры
Значительное количество докладов было посвящено сверхпроводниковым наноструктурам. Из них в большинстве докладов рассматривались различные эффекты в сверхпроводниковых детекторах одиночных фотонов. В основе принципа работы детектора лежит уникальная чувствительность сверхпроводника при протекании через него тока, близкого к критическому току. Теоретические исследования, проведенные в докладе (см. стр. 46 Тезисов [1]), показали существенное влияние формы сверхпроводника на чувствительность к фотонам разной энергии. Было показано, что низкоэнергетичные фотоны эффективно поглощаются вблизи углов сверхпроводящей пленки, а высокоэнергетичные — в центральной части пленки. В докладе (см. стр. 47 Тезисов [1]) авторы экспериментально исследовали чувствительность сверхпроводящих однофотонных детекторов (СОД) и установили, что чувствительность определяется двумя параметрами — сопротивлением пленки в нормальном состоянии и критическим током. Данное исследование полезно для предварительной оценки чувствительности детекторов. В работе (см. стр. 48 [1]) представлены результаты по экспериментальному исследованию темнового счета СОД. Было проведено сравнение с теорией, обнаруженное расхождение авторы связали с существенной неравновесностью в образцах, что может быть связано, например, с токовым шумом. Интересное исследование поглощения инфракрасного излучения гибридных металлических пленок Ли ХЬХ было экспериментально проведено в работе (см. стр. 45 [1]). Было показано, что существует оптимальное соотношение ширин полосок Аи на ]МЬ]М, при котором поглощение максимально. Результат интересен тем, что, по-видимому, механизм поглощения не очевиден и требует дальнейших исследований. Интересный фундаментальный результат представлен в докладе (см. стр. 43 [1]). В предлагаемой работе рассчитан наведенный магнитный момент в контактах Джозефсона, слабой связью которых служат многослойные ферромагнитные структуры различного типа. Неколлинеарная намагниченность ферромагнитных слоев в такой структуре создает условия, необходимые для существования триплетной сверхпроводящей корреляции, которая, будучи дальнодействующей, приводит к возникновению соответствующей компоненты наведенной намагниченности, проникающей в сверхпроводник даже через толстый слой ферромагнетика с другим направлением намагниченности. В работе показано, что, изменяя джозефсоновский ток, можно управлять этой дальнодействующей наведенной намагниченностью. Или другим способом, прикладывая электрическое напряжение к контакту, можно создавать осциллирующий во времени наведенный магнитный момент.
ТРУДЫ МФТИ. - 2014. - Том 6, № 1
В. Г. Попов
5
4. Новые материалы, нанотехнологии и зондовая микроскопия
Несмотря на явно прикладной характер тематики, нужно понимать, что современные фундаментальные исследования в области физики конденсированного состояния не обходятся без нанотехнологий и вносят свои изменения в эти технологии. Значительное число работ связано с ферромагнитными материалами. Так, в докладе (см. стр. 55 [1]) исследовались тонкие пленки манганитов ЬаМпОэ- Одним из свойств манганитов является тесная связь магнитной и электронной подсистем, которая проявляется, в частности, в наличии перехода металл-изолятор при температуре, близкой к температуре ферромагнитного перехода. Обнаружено, что эпитаксиальные пленки ЬаМпОэ, выращенные на орторомбиче-ской подложке МсЮаОэ, имеют диэлектрический ход температурной зависимости удельного сопротивления, а в пленках на кубических подложках (БгТЮэ, Ьао.э8го.7А1о.б5Тао.Э5Оэ, ЬаАЮэ) присутствует переход металл-изолятор при Тм1 = 150-250 К, причем при увеличении сжимающих деформаций в базовой плоскости наблюдается увеличение удельного сопротивления и понижение температуры перехода металл-изолятор. Исследование влияния
э
56 [1]). Было проведено исследование бикристаллических контактов — мостиков из эпи-
таксиальных манганитных плёнок Ьао,б78го,ээМпОэ, выращенных на бикристаллической
э
на углы 20 = 12 и 38. Показано наличие двух ферромагнитно-упорядоченных спиновых подсистем с малоразличающимися (порядка 1 градуса) направлениями лёгких осей намагниченности. Оси направлены вдоль бикристаллической границы и практически не зависят от угла кристаллографической разориентации частей бикристаллической подложки. Магнитосопротивление МК = К/К75оэ увеличивается с уменьшением температуры, при Т = 4, 2 К, когда в пленках поляризация близка к 100%, МК составляет 30% для контактов с разориентацией. С уменьшением угла разориентации МК сильно уменьшается и составляет доли процента. Показано, что малое МК может быть вызвано рассеянием спин-поляризованных носителей из-за сильного электрон-электронного взаимодействия в приграничном неупорядоченном слое при низких температурах и рассеянием на антиферромагнитных магнонах — при высоких. В докладе на странице 38 Тезисов [1] представлены результаты по теоретическому исследованию плазмон-плазмонного взаимодействия в плазмонных кристаллах. В работе рассмотрено временное изменение групповой скорости и огибающей пакета ППП малой интенсивности (сигнальный), следующего за импульсом ППП накачки (с большой интенсивностью), в плазмонном кристалле; исследованы случаи динамики сигнального пакета при различных центральных частотах каждого из импульсов, при различных временах задержки между ними. Продемонстрировано, что групповая скорость сигнального пакета увеличивается или уменьшается с течением времени, в зависимости от частот каждого из импульсов. Возможен случай, когда сигнальный пакет отражается от плазмонной структуры при наличии пакета накачки, а при его отсутствии проходит сквозь плазмонный кристалл. В работе (см. стр. 60 [1]) представлены результаты рассмотрения токового переноса спинового вращательного момента в магнитных туннельных переходах с вакуумным зазором, выполненных для проверки предлагаемой концепции организации памяти на магнитных наноточках путём передачи спин-туннельного тока через зазор с поверхности магнитного зондового наконечника. В работе (см. стр. 71 [1]) на основе диаграммной техники Келдыша рассчитаны транспортные свойства одиночной магнитной примеси со спином обладающей набором энергетических уровней. Применение неравновесной диаграммной техники позволило получить явные частотные зависимости для функций Грина. При учете этих зависимостей определено выражение для туннельного тока, учитывающего статистику электронов в контактах, а также флуктуационные ренормировки, индуцированные током. В результате суммирования всех порядков теории возмущения по туннельному гамильтониану найдено выражение для тока, удовлетворяющее необходимым симметричным и физическим требованиям.
5. Заключение
Необходимо отметить, что доложенные результаты соответствуют современному мировому уровню, о чем можно судить по публикациям авторов в таких передовых физических журналах, как Physical Review В и Physical Review Letters, также следует отметить широкое международное сотрудничество авторов с ведущими лабораториями мира. Данные направления поддержаны РФФИ.
Подводя итоги, можно сказать, что уровень докладов молодых ученых, принявших участие в работе конференции, весьма высок, причем их вклад в исследования является, как правило, основным, что говорит об активности молодых ученых в целом. Среди недостатков можно отметить то, что качество полупроводниковых гетероструктур и приборов на их основе, создаваемых в России, оставляет желать лучшего. Поэтому прикладные и фундаментальные задачи мирового значения в этой области решаются в тесном сотрудничестве с зарубежными лабораториями. Как правило, данное сотрудничество осложнено тем, что далеко не каждая задача вписывается в направления деятельности зарубежных соавторов. Поэтому, видимо, необходимо увеличение финансовой поддержки для того, чтобы дать возможность дополнительного приобретения гетероструктур v зарубежных партнеров. Кроме того, необходимо дальнейшее совершенствование и развитие разработок по молекулярно-лучевой эпитаксии в России с целью более активного и независимого подхода к исследованиям.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 12-07-06833-моб_г, 13-02-01025-а).
Литература
1. Тезисы докладов 5-й Всероссийской конференции молодых ученых «Микро-, нанотехнологии и их применение», III ITA! РАН, Черноголовка, 19-22 ноября 2012. — http: / / purple.iptm.ru / sci-conf/text / tezisl2.pdf.
Поступим в редакцию 17.01.2014■
