Роль процессов самоорганизации

Кластеры нашли широкое применение, прежде всего в электронике. Один из наиболее популярных объектов - вид кластеров, которые называют квантовыми точками. На их основе разработаны технологии нового поколения полупроводниковых приборов, лазеров, диодов, ячеек солнечных батарей и пр.

Квантовые точки представляют собой регулярные «островки» одного полупроводника на поверхности другого, близкого по составу и структуре, и служат трехмерными квантовыми ямами для электронов. Например, на поверхности арсенида галлия GaAs выращивают квантовые точки из арсенида индия In As.

Полупроводниковые квантовые точки имеют размер в несколько десятков нанометров и содержат тысячи и сотни тысяч атомов (рис. 2.4, 2.5). Дискретность энергетического спектра электрона в квантовой яме позволяет называть квантовые точки «искусственными атомами». Такое сопротивление иллюстрируется рисунком 2.6.

На основе технологии создания квантовых точек были разработаны миниатюрные источники света с высоким коэффициентом полезного действия. Квантовые точки поглощают лазерное излучение в ультрафиолетовом диапазоне и переизлучают его уже в I видимом диапазоне с высоким коэффициентом полезного действия (55%), значение которого предполагается увеличить почти до 100%. Следующий шаг - замена лазерного источника питания обычным источником тока. Варьируя размеры и состав квантовых точек, можно получать светодиоды с разным цветом излучения.

В полупроводниковых устройствах микроэлектроники регулируется (включается или выключается) ток, соответствующий потоку из сотен тысяч электронов. В наноэлектронике с помощью квантовых точек можно управлять движением одиночных электронов, что открыло огромные возможности по дальнейшей миниатюризации полупроводниковых устройств и снижению их энергопотребления. Открылись новые возможности для развития криптографии.

Успешно разрабатываются газоразрядные источники света на основе кластеров тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) с интенсивностью, намного превышающей интенсивность атомных газоразрядных источников.

Решая задачу создания квантовых точек, сотрудники лаборатории Ж. И. Алферова пришли к выводу о необходимости использования процессов самоорганизации на новом уровне, тщательно их изучая и творчески используя. В процессах выращивания бездефектных квантовых точек были использованы даже дефекты - исконные «враги» этого процесса, возникающие при совмещении двух полупроводников с различным межатомным расстоянием. Н. Н. Ледендов в популярном докладе в лектории Физико-технического института РАН выразил это так: «Стало ясно, что не нужно пытаться бороться с природой, а надо эту природу изучать, радоваться ей и просто следовать тому, что она сама хочет сделать. А сама она как раз очень хочет сделать наноструктуры, правда, размеры, плотности, относительное расположение нанообъектов она хочет определять сама». Так была сформулирована новая парадигма отношения к росту полупроводниковых кристаллов - переход к самоорганизующимся наноструктурам.

Переходу от традиционных технологических процессов «сверху вниз» к самосборке в процессах «снизу вверх» вполне соответствует вольная трактовка цитаты из книги Макса Фрая «Ворона на мосту»: «Очевидная магия - грубое насилие над реальностью, тогда как Истинная магия - исполнение ее тайных, невысказанных желаний». Заметим к месту, что, по словам Артура Кларка, известного писателя-фантаста, любая развитая технология неотличима от магии.

Ранее считалось невозможным вставить в полупроводник слой из другого материала так, чтобы граница между разными материалами одновременно была и достаточно резкой, и бездефектной. Ж. И. Алферов и его коллеги показали, что эта проблема решаема, и пре­имущества, ожидаемые для «идеальных» гетероструктур, реализуются на практике [2].

Например, при получении квантовых точек на поверхности арсенида галлия (GaAs) взращивают слои арсенида индия (InAs), в кристаллической решетке которого расстояния между отдельными атомами несколько отличаются от расстояний в GaAs. Из-за этого в первом же слое осажденного InAs возникают упругие напряжения, а при достижении определенной толщины кристалл InAs теряет устойчивость и сам распадается на множество практически одинаковых островков. Так «одним ударом» получается множество квантовых точек.

Получение близких по размеру нанокластеров, чтобы затем наполнить ими твердую среду (матрицу) или нанести на макроскопическую поверхность, является важной технологической задачей. Подобные задачи возникают и при вкраплении магнитных наночастиц в какую-то среду с другими магнитными свойствами, и при создании излучающих наночастиц серебра на полимерной подложке, полупроводниковых квантовых точек и т. п. Во всех этих случаях необходи­мо совместить массовое производство с атомной точно­стью формирования структуры. Задача нанотехнологии заключается в разработке такого процесса, в котором желаемый продукт получается естественным путем самоорганизации.