630090, Новосибирск dvurech@isp.nsc.ru isp.nsc.ru

1. Физика напряженных кремниевых наноструктур с квантовыми точками: управление процессом роста и электронные свойства А.В.Двуреченский, А.И.Якимов, А.А.Блошкин 630090, Новосибирск dvurech@isp.nsc.ru www.isp.nsc.ru

2. Ge/Si квантовые точки Плотный двумерный массив квантовых точек • Характерный размер Ge КТ:1.5 нм – высота • 15 нм – основание • Разброс по размерам: ~10-20%, • Плотность КТ : ~31011см–2 Поперечное сечение Ge/Si, 6 монослоев Модель геометрии квантовой точки Ge в Si: Si Ge Si - CB VB - - Ge [001] Si Si + + [010] [100] A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov. J. Nano- and Optoelectronics. 2006, v.1, № 2, 119-175.

3. Проблемы формирования однородного по размерам, форме и составу массива нанокристаллов Подходы, основанные на зарождении и росте нанокластеров на поверхности в процессе гетероэпитаксии (из молекулярных пучков): • низкотемпературная эпитаксия (для плотных массивов); • стимулирование зарождения нанокластеров путем: - субмонослойных покрытийSb, кислорода; - облучения низкоэнергетическими ионами; - создания буферного слоя твердого раствора; - формирования непланарной поверхности (путем, литографических процессов, травления); - лазерный отжиг.

4. СТМ изображения и распределение 3D островков Ge (5 монослоев) на Si по размерам, Т=620 К 80 60 L=22±3.5 нм 40 20 МЛЭ 0 10 15 20 25 30 35 200×200 нм Количество островков 80 60 L=6.5±0.7нм 40 20 МЛЭ+ ионное воздействие 0 4 5 6 7 8 9 10 Размер островков, нм A. V. Dvurechenskii, J.V. Smagina et al. Surface & Coating Technology, 2005.

5. 12 МЛЭ L=14±1.3 нм 8 4 0 12 16 Количество островков 12 МЛЭ + вакансии L=13±2.9нм 8 Z, нм 4 0 4 8 12 16 МЛЭ + междоуз.атомы L=7.9±0.8нм 30 20 10 0 6 8 L (нм) X, нм Ge междоузельные атомы Si Расчетная морфология поверхности в процессе гетероэпитаксии Ge/Si Т=350°С, количество осажденного материала – 5 МС Смагина Ж. В., Зиновьев В. А., Ненашев А. В., Двуреченский А. В., Армбристер В. А., Тийс С. А. ЖЭТФ, 133, 293 (2008)

6. TEM images of (Ge/Si)n multilayer heterostructure Ge: 6ML, Si: 3 и 5 nm Ge: 6ML, Si: 3 nm Nikiforov A.I., Ulyanov V.V., Shaiduk R.A., Teys S.A.,Gutakovskii A.K., Pchelyakov O.P., Yakimov A.I., Fonenca A., Leitao J.P., Sobolev N.A. Phys. Stat. Sol. (c), 4, 262 (2007).

7. Vertically alignment of Ge nanocrystals in multilayer Ge/Si heterostructures nm D. Gruetzmacher, T.Fromherz, C.Dais et. al. NANO LETTERS 2007 Vol. 7, No. 10, 3150.

8. Методы компьютерного моделирования • Построение геометрической моделив виде фрагмента кристаллической решетки Si, содержащего нанокластеры Ge • Вычисление распределения упругой деформации в рамках модели поля валентных сил с межатомным потенциалом Китинга определение длин и направлений межатомных связей, локальных значений тензора деформации • Построение гамильтонинана модели сильной связи энергии sи трех p-орбиталей, взаимодействие орбиталей соседних атомов, спин-орбитальное взаимодействие, деформационные поправки через зависимость межатомных матричных элементов от ориентации и длины связей Ненашев А.В., Двуреченский А.В. ЖЭТФ 118, 570 (2000). A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskiiet al., Phys. Rev. B (2006); Ge [001] Si Si Nenashev A.V., Dvurechenskii A.V., Zinovieva A.F. Phys. Rev. B , 67, 205301 (2003) [010] [100]

9. GeSi квантовые точки d Si z [001] y [010] x [100] Методы компьютерного моделирования • Построение геометрической моделив виде фрагмента кристаллической решетки Si, содержащего нанокластеры Ge • Вычисление распределения упругой деформации в рамках модели поля валентных сил с межатомным потенциалом Китинга определение длин и направлений межатомных связей, локальных значений тензора деформации • Построение гамильтонинана модели сильной связи энергии sи трех p-орбиталей, взаимодействие орбиталей соседних атомов, спин-орбитальное взаимодействие, деформационные поправки через зависимость межатомных матричных элементов от ориентации и длины связей Ненашев А.В., Двуреченский А.В. ЖЭТФ 118, 570 (2000). A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskiiet al., Phys. Rev. B (2006); Nenashev A.V., Dvurechenskii A.V., Zinovieva A.F. Phys. Rev. B 67, 205301 (2003)

10. GeSi квантовые точки d Si z [001] y [010] x [100] Методы компьютерного моделирования Расчет упругих деформаций Приближение сплошной среды • Построение геометрической моделив виде фрагмента кристаллической решетки Si, содержащего нанокристаллыGe • Вычисление распределения упругой деформации в рамках приближения сплошной среды в сочетании с методом конечных элементов σ– коэффициент Пуассона E – модуль Юнга Реальная картина распределения упругой деформации ищется с помощью метода минимизации свободной энергии системы εij – компоненты тензора деформаций Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Semicond. Sci.Technol., 24, 095002 (2009)

11. Антисвязывающая орбиталь Связывающая орбиталь t Двойная квантовая точка как аналог “двухатомной”молекулы Двойная квантовая точка Энергия связи как функция расстояния между точками Одиночная квантовая точка d d

12. Зависимость энергии связи дырки в вертикально совмещенных квантовых точках в зависимости от вида деформаций Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Semicond. Sci.Technol., 24, 095002 (2009)

13. Зависимость энергии связи дырки в связывающем и анти-связывающем состояниях от расстояния между квантовыми точками при различных размерах точек l Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Phys. Rev., B, 81, 115434 (2010).

14. Двуосные деформации в структуре с вертикально-совмещенными квантовыми точками Двуосные деформации: b=zz-(xx+yy)/2 Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Phys. Rev., B, 78, 165310 (2008);

15. Нижний слой Ge Верхний слой Ge Гетероструктуры Ge/Si с двойными квантовыми точками Ge СТМ 400400 нм2 Диоды Шоттки с двойными КТ Al связывающее Ef0 антисвязывающее Ea покрывающий слой p-Si буферный слой p-Si Ge КТ подложка p+-Si 500 нм p-Si 320 нм p-Si 10 нм i-Si 10 нм i-Si Al

16. GeSi квантовые точки d Si z [001] y [010] x [100] Энергия связи дырки в двойных квантовых точках d Якимов А.И., Никифоров А.И., Двуреченский А.В. Письма в ЖЭТФ 86, 542 (2007) A.I.Yakimov, G.Yu.Mikhalev, A.V.Dvurechenskii, A.I.Nikiforov.J.Appl.Phys. 102, 093714 (2007)

17. Основное состояние Возбужденное состояние Пространственное распределение волновых функций дырок в основном и возбужденном состояниях в плоскости yz 2 нм Основное состояние: d анти-связывающее связывающее 3 нм 4 нм Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Phys. Rev., B, 78, 165310 (2008); Phys. Rev., B, 81, 115434 (2010). 5.5 нм

18. Вероятность нахождения двух носителей заряда (дырок) на одной квантовой точке в системе из двух вертикально-совмещенных квантовых точек Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Phys. Rev., B, 81, 115434 (2010). d

19. Расщепление синглет-триплет в зависимости от расстояния между квантовыми точками d Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Phys. Rev., B, 81, 115434 (2010).

20. Вероятность двойного заполнения основного синглетного состояния в зависимости от синглет-триплетного расщепления d Якимов А.И., Блошкин А.А., Двуреченский А.В. Письма в ЖЭТФ,92, 37(2010).

21. Степень запутанности квантовых состояний в системе двойных квантовых точек в зависимости от синглет-триплетного расщепления (расстояния между квантовыми точками). d Якимов А.И., Блошкин А.А., Двуреченский А.В. Письма в ЖЭТФ,92, 37(2010).

22. Квантовые точки 2-го типа Пространственное разделение электрона и дырки Оптические переходы являются непрямыми в к- и реальном пространствах. CB VB Si Ge Si CB VB d d Эл. поле F

23. Увеличение силы осциллятора «непрямых» межзонных переходов в двойных квантовых точках Ge/Si Сила осциллятора в двойной квантовой точке, отнесенная к силе осциллятора в одиночной квантовой точке Si Ge Si CB VB - - - + + Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. Appl. Phys. Lett., 93,132105 (2008)

24. Пространственное распределение волновых функций электронов (e0и e1 ) и дырки (h0)в составе экситонов (e0 -h0,e1 -h0).Для дырки приведена компонента Jz= -3/2 А.И.Якимов, А.А.Блошкин, А.В.Двуреченский, Письма в ЖЭТФ, 90, 621 (2009)

25. Увеличение силы осциллятора экситонных переходов в двойных квантовых точках Ge/Si: Моделирование А.И.Якимов, А.А.Блошкин, А.В.Двуреченский, Письма в ЖЭТФ, 90, 621 (2009)

26. Ge islands h l d Si z [001] y [010] x [100] Ge wetting layers Пространственная конфигурация экситонных состояний Двойные квантовые точки Геометрическая модель Одиночная квантовая точка А.И.Якимов, А.А.Блошкин, А.В.Двуреченский, Письма в ЖЭТФ, 90, 621 (2009)

27. Межзонное поглощение в электрическом поле Спектры поглощения для двойных слоев КТ Ge/Si (d-расстояние между слоями) Зависимость интегрального поглощения от обратного смещения Yakimov A.I., Bloshkin A.V., Dvurechenskii A.V. 18-th Intern. Symposium on Nanostructure: Physics and Technology, S.Petersburg, 2010

28. Заключение Механические напряжения в наноструктурах с квантовыми точками обеспечивают возможность управления: - процессом пространственного упорядочения в расположении нанокристаллов упорядочения (вертикальное упорядочение); - плотностью квантовых точек; - электронного энергетического спектра; - силой осциллятора непрямых оптических переходов; - степенью запутанности квантовых состояний.

30. Методы компьютерного моделирования • Построение геометрической моделив виде фрагмента кристаллической решетки Si, содержащего нанокластеры Ge • Вычисление распределения упругой деформации в рамках модели поля валентных сил с межатомным потенциалом Китинга определение длин и направлений межатомных связей, локальных значений тензора деформации • Построение гамильтонинана модели сильной связи энергии sи трех p-орбиталей, взаимодействие орбиталей соседних атомов, спин-орбитальное взаимодействие, деформационные поправки через зависимость межатомных матричных элементов от ориентации и длины связей Ненашев А.В., Двуреченский А.В. ЖЭТФ 118, 570 (2000). A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskiiet al., Phys. Rev. B (2006); Nenashev A.V., Dvurechenskii A.V., Zinovieva A.F. Phys. Rev. B 67, 205301 (2003)