Квантовые точки - это наноструктуры из полупроводниковых материалов, которые ведут себя во многом как отдельные атомы и очень просты в производстве. Учитывая их особые свойства, исследователи видят огромный потенциал квантовых точек в технологических приложениях. Однако, прежде чем это произойдет, нам нужно лучше понять, как ведут себя электроны, «захваченные» внутри них. Дрезденские физики недавно наблюдали, как электроны в отдельных квантовых точках поглощают энергию и снова излучают ее в виде света.
Их результаты были недавно опубликованы в журнале Nano Letters.
Квантовые точки выглядят как крошечные пирамиды. Внутри каждой из этих нанопирамид всегда находится только один или два электрона, которые по существу «чувствуют» сжимающие стены вокруг себя и поэтому жестко ограничены в своей подвижности. Ученые из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden. Технический университет Дрездена и Дрезденский институт исследований твердого тела и материалов им. Лейбница (IFW) в настоящее время изучают особые энергетические состояния электронов, захваченных внутри отдельных квантовых точек.
Острые уровни энергии
Поведение электронов в материале существенно определяет его свойства. Будучи пространственно ограниченными во всех трех пространственных измерениях, электроны внутри нанопирамиды могут занимать только очень определенные энергетические уровни - поэтому квантовые точки также называют «искусственными атомами». Расположение этих энергетических уровней зависит от химического состава полупроводникового материала, а также от размера нанопирамиды. «Эти четко определенные энергетические уровни используются, например, в высокоэффективных лазерах на основе квантовых точек. Свет возникает, когда электрон падает с более высокого энергетического уровня на более низкий. Разница в энергии между двумя уровнями определяет цвет света», - объясняет доктор Стефан Виннерл из HZDR.
Видеть электроны внутри отдельных квантовых точек
Исследователи в Дрездене, работающие с доктором Виннерлом, недавно первыми успешно просканировали переходы между энергетическими уровнями в одиночных квантовых точках с помощью инфракрасного света. Хотя они могли сделать это только после преодоления определенного препятствия: хотя пирамиды арсенида индия или арсенида индия-галлия образуются спонтанно во время определенного режима роста кристаллов, их размер варьируется в определенном диапазоне. Например, изучая их с помощью инфракрасного света, можно получить размытые сигналы, потому что электроны в пирамидах разного размера реагируют на разную энергию инфракрасного излучения. Вот почему так важно получить детальное представление об электронах, захваченных внутри одной квантовой точки.
Учёные подошли к этой задаче с помощью специального метода сканирующей ближнепольной микроскопии. Лазерный свет направляется на металлический наконечник толщиной менее 100 нанометров, который сильно коллимирует свет до уровня, в сто раз меньше длины волны света, что является пределом пространственного разрешения для «обычной» оптики с использованием линз и зеркал. Сосредоточив этот коллимированный свет точно на одной пирамиде, энергия передается электронам, тем самым возбуждая их на более высокий энергетический уровень. Эту передачу энергии можно измерить, наблюдая за инфракрасным светом, рассеиваемым наконечником в этом процессе. В то время как микроскопия ближнего поля связана с большими потерями сигнала, световой луч все еще достаточно силен, чтобы возбудить электроны внутри нанопирамиды. Этот метод также настолько чувствителен, что может создать наноразмерное изображение, в котором один или два электрона внутри квантовой точки выделяются на четком контрасте. Таким образом, Стефан Виннерл и его коллеги из HZDR, а также физики из TU и IFW Dresden очень подробно изучили поведение электронов внутри квантовой точки, тем самым способствуя нашему пониманию их.
Инфракрасный свет лазера на свободных электронах
Инфракрасный свет, использовавшийся в экспериментах, исходил от лазера на свободных электронах в HZDR. Этот специальный лазер является идеальным источником инфракрасного излучения для таких экспериментов, потому что энергию его света можно отрегулировать так, чтобы он точно соответствовал уровню энергии внутри квантовых точек. Лазер также излучает такое интенсивное излучение, что оно более чем компенсирует неизбежные потери, присущие методу.
«Далее мы намерены выявить поведение электронов внутри квантовых точек при более низких температурах», - говорит доктор Виннерл. «Из этих экспериментов мы надеемся получить еще более точное представление о ограниченном поведении этих электронов. В частности, мы хотим лучше понять, как электроны взаимодействуют друг с другом, а также с колебаниями кристаллической решетки.. Благодаря интенсивным лазерным вспышкам в широком, свободно выбираемом спектральном диапазоне, лазер на свободных электронах предлагает идеальные условия для метода микроскопии ближнего поля в Дрездене, который особенно выигрывает от тесного сотрудничества с проф. Лукас Энг из TU Dresden в рамках концепции DRESDEN.