Исследование по физике наноструктур удостоено I премии на конкурсе дипломных работ им. Р.В.Хохлова в 2005 г.

Одной из актуальных задач современной физики полупроводников и полупроводниковой технологии является исследование новых материалов, основанных на кремнии и обладающих высокой эффективностью эмиссии света при оптическом или электрическом возбуждении. Как известно, кристаллический кремний (c-Si), являющийся в настоящее время базовым материалом для полупроводниковой электроники, характеризуется непрямой запрещенной зоной, и вследствие этого эффективность межзонной излучательной рекомбинации в c-Si достаточно мала. В качестве путей повышения выхода люминесценции используют два основных подхода, а именно, 1) формирование кремниевых нанокристаллов (nc-Si) и 2) введение примесей-активаторов люминесценции, таких как, например, ионы редкоземельных металлов. Среди последних наибольший интерес представляют ионы эрбия Er3+, излучательные переходы во внутренней 4f оболочке которых, дают свечение на длине волны 1.5 мкм, соответствующей максимуму пропускания кварцевых волоконно-оптических линий связи.

В настоящее время в качестве наиболее перспективных рассматриваются кремниевые структуры, изготовленные с использованием комбинации двух отмеченных выше подходов, а именно, легированные эрбием ансамбли кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния (nc-Si/SiO2:Er). В таких структурах реализуется уникальное свойство nc-Si с высокой вероятностью передавать энергию электронного возбуждения расположенным рядом ионам и молекулам. Исследованию фундаментальных физических свойств структур nc-Si/SiO2:Er и возможностей их практического использования посвящена дипломная работа выпускника кафедры общей физики и молекулярной электроники (ОФиМЭ) Сергея Александровича Тетерукова "Излучательные свойства ионов эрбия в структурах кремниевых нанокристаллов", удостоенная I премии на конкурсе дипломных работ им. Р.В.Хохлова в 2005 году.

Задачей работы С.А.Тетерукова было экспериментальное и теоретическое исследование энергетического спектра ионов Er3+ в nc-Si-системах, а также анализ механизмов возбуждения и девозбуждения ионов с целью определения условий достижения инверсии населенности их энергетических уровней. Дипломник успешно справился с поставленной задачей и получил следующие основные результаты:

1. Установлено, что структуры nc-Si/SiO2:Er обладают интенсивной и стабильной ФЛ на длине волны 1.5 мкм (энергия квантов 0.8 эВ), возникающей вследствие практически полной передачи энергии от экситонов, локализованных в nc-Si, к ионам Er3+, расположенным в окружающем SiO2 .
2. Обнаружено уширение линии ФЛ ионов Er3+ и предложена количественная модель, объясняющая данное явление штарковским расщеплением энергетических уровней ионов в локальных электрических полях, связанных с присутствием нанокристаллов.
3. Показано, что при интенсивной оптической накачке кремниевых нанокристаллов может реализоваться инверсная населенность состояний ионов Er3+, и, таким образом, создано необходимое условие для оптического усиления в такой структуре.

Эти и другие результаты демонстрируют уникальные возможности твердотельных наноструктур в инженерии электронных состояний и управления оптическими свойствами веществ и поэтому представляют большой практический интерес. Они могут быть использованы для создания оптических усилителей и светоизлучающих на длине волны 1.5 мкм устройств, интегрированных в кремниевую микросхему. И хотя лазерной генерации в структурах nc-Si/SiO2:Er пока не обнаружено, можно полагать, что проведенное С.А.Тетеруковым исследование является важным шагом на пути создания кремниевого лазера и широкого внедрения новых кремниевых материалов в светоизлучающую оптоэлектронику.

Полученные в дипломной работе С.А.Тетерукова результаты легли в основу более 10 публикаций в реферируемых журналах и материалах российских и международных конференций. Им сделано несколько докладов на Молодежной научной конференции "Ломоносов", проводимой на физическом факультете МГУ.

В процессе выполнения работы Сергей на высоком уровне овладел основами техники измерения фотолюминесценции (ФЛ) и теоретического анализа электронных свойств наноструктур и ионов редкоземельных элементов. Он основательно изучил современную литературу по данному вопросу. В этом ему помогло глубокое знание общей физики и специальных физических дисциплин, преподаваемых на кафедре ОФиМЭ. Поскольку большая часть специальной литературы - это статьи в международных журналах, то большую роль сыграло также отличное знание им английского языка. Необходимо подчеркнуть, что С.А.Тетеруков - не потерял ни одного бала при обучении на физическом факультете МГУ. В 2003-2004 гг. он удостаивался стипендий им. М.В.Ломоносова и Президента РФ.

Научная группа проф. П.К.Кашкарова. Слева на право сидят О.А.Шалыгина, Е.А.Константинова, П.К.Кашкаров, В.Ю.Тимошенко, Л.А.Осминкина, стоят А.В.Павликов, П.А.Форш, Д.М.Жигунов, Ю.В.Рябчиков, Л.А.Головань, С.А.Заботнов, В.Н.Мельников.

С.А.Тетеруков выполнял свои исследования, работая в дружном коллективе, руководимом профессором П.К.Кашкаровым. Дипломник проявил себя как инициативный и целеустремленный исследователь. Он внес большой вклад в автоматизацию эксперимента на кафедре, написав и отладив целый ряд компьютерных программ для сбора и обработки экспериментальных данных, что позволило существенно повысить эффективность измерений. Сергей проявил высокую степень самостоятельности при создании количественной модели, описывающей электронные свойства изучаемых структур. При проведении экспериментальных исследований он работал в группе в.н.с. В.Ю. Тимошенко вместе с ст.преп. О.А. Шалыгиной, н.с. М.Г.Лисаченко (в настоящее время работает в Samsung Electronics), асп. Д.М.Жигуновым и др.. Исследуемые образцы были изготовлены в Институте физики микроструктур общества Макса Планка (г.Хале, Германия) и на Факультете электроники университета Кобе (г.Кобе, Япония), являющихся ведущими научными центрами в данной области в мире. Выполнение данной работы на высоком уровне стало возможным благодаря хорошей оснащенности лаборатории современным оборудованием, а именно, техникой спектрального анализа, лазерами, детекторами, гелиевым криостатом, цифровыми осциллографами и т.п. Данное оборудование входит в состав ЦКП физического факультета МГУ. Проводимые исследования финансировались программами Министерства образования и науки РФ, грантами РФФИ, АФГИР, ИНТАС.

В.Ю.Тимошенко