Российские ученые нашли способ точнее управлять свойствами квантовых точек

Исследователи ЮФУ совместно с коллегами из НИУ ВШЭ (Санкт-Петербург) сделали важный шаг к созданию элементной базы для квантовых компьютеров и защищенных линий связи. Ученые выяснили, как поведение квантовых точек — наноразмерных структур, которые ведут себя подобно отдельным атомам, — зависит от рельефа поверхности, на которой они создаются. Исследования показывают, что одни и те же технологические приемы приводят к противоположным результатам на плоских и структурированных подложках. Это открытие позволяет точнее управлять свойствами наноструктур, которые станут основой для создания устройств будущего в среднесрочной перспективе.

Квантовые точки по своим оптическим свойствам напоминают атомы: они также способны излучать и поглощать свет строго определенной длины волны. Однако, в отличие от настоящих атомов, их характеристиками можно управлять, меняя размер и состав. Сегодня на их основе создают не только высокоэффективные светодиоды и лазеры, но и принципиально новые устройства — источники одиночных фотонов (минимальных порций света), которые необходимы для квантовой связи и квантовых вычислений.

Для создания таких устройств необходимо с прецизионной точностью управлять позиционированием квантовых точек на поверхности «чипа». Одним из перспективных подходов для этого является формирование квантовых точек не на плоской поверхности, а внутри специально вытравленных наноразмерных углублений. Это позволяет упорядочить их расположение и получить массивы с низкой плотностью, когда отдельные точки можно «подключать» поодиночке. Однако до сих пор ученые не понимали до конца, что происходит с такими структурами, когда поверх них наращивают «защитный» слой — а это обязательный этап создания любого прибора.

Сотрудники Лаборатории эпитаксиальных технологий ИНЭП и ПИШ ЮФУ совместно с коллегами из Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ решили разобраться в этом вопросе. В данной работе учеными из Южного федерального университета были выращены квантовые точки из арсенида индия на подложках арсенида галлия (это классическая пара материалов для оптоэлектроники), а затем поверх этих наноструктур был нанесен защитный слой с различной скоростью. Для сравнения использовали три типа структур: квантовые точки на плоской поверхности, сверхтонкие квантовые ямы (двумерные слои толщиной в несколько атомов) и квантовые точки внутри наноуглублений на рельефной поверхности.

В результате исследований оптических свойств с использованием технологических возможностей лаборатории ВШЭ стало ясно, что на плоской поверхности увеличение скорости нанесения защитного слоя приводило к смещению спектра фотолюминесценции (свечения) от квантовых точек в длинноволновую область. Простыми словами: когда слой наращивали быстро, квантовые точки сохраняли свои исходные размеры и состав, то есть они как бы «замораживались». Это не позволяло атомам индия «покидать» наноструктуры и приводило к красному смещению спектров излучения из-за увеличения концентрации индия в квантовых точках. Если же слой наносили медленно, атомы индия начинали активно мигрировать, квантовые точки частично «растворялись», их размер уменьшался, и свечение смещалось в коротковолновую область (в синюю сторону) спектра.

А вот на рельефной поверхности всё происходило с точностью до наоборот. Быстрое нанесение слоя приводило к смещению спектра в коротковолновую область (точки становились меньше), а медленное — в длинноволновую (точки вырастали крупнее).

«Мы впервые показали, что на структурированной поверхности зависимость приобретает принципиально иной характер. Чтобы понять механизм, нужно представить себе конкуренцию двух потоков атомов. С одной стороны, из-за упругих напряжений атомы индия стремятся покинуть квантовую точку — это похоже на сжатую пружину, которая хочет распрямиться. С другой стороны, атомы могут накапливаться в наноуглублениях за счет движения вдоль поверхности. В зависимости от того, как быстро мы наращиваем слой, побеждает тот или иной процесс. На плоской поверхности быстрое наращивание "замораживает" атомы на месте, сохраняя исходные точки. А в углублениях тот же прием, наоборот, не дает атомам подтянуться к точке с соседних участков, и она уменьшается», — комментирует младший научный сотрудник НИЛ ЛЭТ ЮФУ и лауреат стипендии Президента РФ Никита Шандыба.

Никита Шандыба является победителем стипендии Президента РФ для аспирантов и адъюнктов. Молодой исследователь одержал победу в данном конкурсе в 2025 году с темой диссертации: «Разработка и исследование технологических основ создания нанопроволок А3В5 на подложках кремния для перспективных элементов нано- и оптоэлектроники». Кроме того, Никита активно участвует в деятельности Передовой инженерной школы ЮФУ «Инженерия киберплатформ»(нацпроект «Молодежь и дети»), работая в исследовательской лаборатории эпитаксиальных технологий.

Кроме того, учеными было обнаружено, что на образце с квантовыми точками, находящимися в наноуглублениях, отсутствует так называемый смачивающий слой — тонкая пленка, которая всегда образуется в процессе роста квантовых точек и является неотъемлемой частью этой системы, обладая при этом отличной от квантовых точек фотолюминесценцией. В структурах на рельефной поверхности этого слоя не оказалось, а сами точки излучали вплоть до 1100 нанометров (это ближний инфракрасный диапазон, важный для волоконно-оптической связи) при температуре 5 К (минус 268 градусов Цельсия). В спектрах отчетливо видны только линии отдельных квантовых точек, что подтверждает их низкую плотность и пригодность для квантовых применений.

Практическая ценность такой комплексной работы в том, что она дает инженерам дополнительный инструмент управления: изменяя всего один технологический параметр — скорость нанесения защитного слоя — можно в широких пределах управлять размером и оптическими свойствами квантовых точек. Причем направление этого изменения напрямую зависит от того, работаем мы с плоской или структурированной поверхностью. Это значит, что разработчики будущих квантовых процессоров и источников одиночных фотонов смогут точнее настраивать характеристики своих устройств, добиваясь нужного цвета свечения и нужной плотности элементов.

«Результаты данного исследования приближают нас к решению одной из главных задач современной фотоники — созданию надежных и воспроизводимых источников излучения с заданными свойствами, востребованных как в квантовых технологиях, так и в оптоэлектронике», — подытожил исследователь.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Surface Science.