Лауреатами Нобелевской премии по химии в 2023 г. стали три выдающихся ученых из США: химик французского-тунисского происхождения Мунги Бавенди, физик Луис Брюс и бывший советский физик Алексей Екимов. Награда была присуждена за фундаментальные открытия в области нанотехнологий – «открытие и исследование квантовых точек»
Чтобы понять всю важность открытий нобелевских лауреатов, нужно представлять себе, что такое квантовая точка. По словам Яна Майдэбуры, младшего научного сотрудника Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск), «это полупроводниковый объект, но очень малого размера. Если проводить аналогии, то квантовая точка настолько же меньше футбольного мяча, насколько последний меньше земного шара. В одну квантовую точку могут входить сотни или тысячи разных атомов, а свойства таких точек – электрофизические, термические, оптические – меняются в зависимости от размера».
Самое известное применение сегодня этих наноразмерных носителей заряда – QLED (Quantum-dot Light Emitting Diode), светодиоды с квантовыми точками, которые используются для производства полноцветных QLED-дисплеев. Также квантовые точки рассматриваются как основа для кубитов в квантовых вычислениях; они перспективны для производства солнечных элементов, в лазерах и медицине.
Существование нанокристаллических полупроводниковых квантовых точек было предсказано еще в 1937 г. Но их первооткрывателем стал наш соотечественник А.И. Екимов, он же выполнил и первые исследования их электронных и оптических свойств. Первая статья по этой теме была опубликована Екимовым в соавторстве с A. Онущенко в 1981 г. в журнале «Письма в ЖЭТФ». С 1999 г. Екимов работает главным научным сотрудником американской компании Nanocrystals Technology Inc.
Нобелевские лауреаты изучали разные полупроводниковые нанокристаллы: М. Бавенди и Л. Брюс – коллоидные, получаемые из растворов при осаждении на зародыши, Екимов – эпитаксиальные, образующиеся при наращиваниии одного кристаллического материала на другой (процесс эпитаксии). Такие квантовые точки сложнее синтезировать, но они лучше подходят для ряда исследовательских и прикладных применений.
В Новосибирском научном центре с эпитаксиальными квантовыми точками работают в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. Область научных интересов Яна Майдэбуры – нитрид-галлиевые (GaN) квантовые точки. Среди других материалов нитрид галлия выделяется в широкой запрещенной зоне, что позволяет создавать, к примеру, светоизлучающие приборы глубокого ультрафиолетового диапазона, а также источники одиночных фотонов, работающие при комнатной температуре, тогда как для традиционных источников одиночных фотонов требуется охлаждение до криогенных температур. Поэтому источники на основе нитрид-галлиевых квантовых точек особенно интересны, однако синтез этих материалов пока весьма дорог.
Ян Майдэбура: «Мы выяснили, что формирование нитрид-галлиевых квантовых точек (GaN) происходит нетипичным образом. Чтобы объяснить этот механизм, мы разработали качественную кинетическую модель, которая позволила описать механизмы их формирования. На основе этой модели был предсказан, а затем и обнаружен в экспериментах необычный эффект обратимости формирования квантовых точек GaN. Оказалось, что тонкий слой нитрида галлия без квантовых точек можно преобразовать в материал с квантовыми точками, а затем провести обратное преобразование. Модель также предлагает способы контролируемого получения квантовых точек GaN, что особенно важно для практического применения».
Результаты работы научной группы новосибирских ученых опубликованы в журналах Applied Surface Science и Applied Physics Letters.
По материалам пресс-службы ИФП СО РАН (Новосибирск)