Физики заменили дешевым кремнием дорогие полупроводники, используемые при изготовлении мониторов

Международная команда исследователей, возглавляемая российскими учеными, разработала способ использовать наночастицы кремния вместо дорогостоящих полупроводниковых материалов, применяемых при производстве некоторых видов мониторов и других устройств оптоэлектроники. Способ, который другие исследовательские группы долго не могли обнаружить, описан учеными в статье, опубликованной в последнем номере журнала Physical Review B. 

Физики из МГУ имени М.В.Ломоносова поняли, как можно «заставить» наночастицы кремния светиться в ответ на облучение достаточно сильно, чтобы заменить дорогостоящие полупроводники, использующиеся для изготовления мониторов. По словам Максима Щербакова, научного сотрудника отделения радиофизики физического факультета МГУ , разработанный учеными метод повышает эффективность фотолюминесценции наночастиц в несколько раз.

Ключевое слово в данной проблеме — фотолюминесценция (процесс, при котором материал, облучаемый коротковолновым излучением, начинает отвечать собственным свечением, но уже в другом диапазоне). В данном случае материал светится красным светом.

Мониторы, о которых здесь идет речь, работают на другом принципе — принципе электролюминесценции, когда свет излучается в ответ на воздействие электрическим током. Однако, несмотря на то, что сама по себе фотолюминесценция здесь не используется, понимание того, как усилить свечение материала, может существенно помочь при создании более эффективных электролюминесцентных приборов. Идеальными в этом смысле считаются полупроводниковые наночастицы — электроны в них ведут себя совершенно не так, как в объемном полупроводнике, и поэтому, как давно известно, являются отличными люминесцирующими объектами. Сегодня в качестве таковых используются нанокристаллы так называемых прямозонных полупроводников — арсенида галлия, фосфида индия и др. Это довольно дорого, и поэтому исследователи давно присматриваются к куда более дешевому и намного более изученному кремнию. Он тоже подходит для такого использования по всем параметрам, кроме одного — кремниевые наночастицы слишком слабо реагируют на облучение и потому для оптоэлектроники не годятся.

Эту проблему в разных лабораториях мира пытаются решить с начала девяностых годов прошлого века, но до сих пор особенного успеха в этом направлении достигнуто не было. Прорывная идея о том, как все-таки «приручить» кремний, возникла в Германии, в Университете Гётеборга. Работавший там постдок, выпускник физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова и первый автор статьи Сергей Дьяков предложил поместить массив кремниевых наночастиц в матрицу с неоднородной диэлектрической средой и покрыть эту матрицу золотыми нанополосками.

«Неоднородность среды, как уже было показано ранее в других экспериментах, благодаря так называемому квантоворазмерному эффекту позволяет увеличивать фотолюминесценцию нанокристаллов кремния на несколько порядков, — говорит один из соавторов работы Максим Щербаков, научный сотрудник отделения радиофизики физического факультета МГУ. — Однако даже при этом эффективность взаимодействия света с нанокристаллами остается недостаточной. Было предложено усилить эту эффективность за счет плазмонов (квазичастицы, возникающие в результате колебаний электронного газа в металлах — прим. ред.). Плазмонные решетки, образованные нанополосками золота, позволяют "задержать" свет на малых масштабах, и позволяют ему эффективнее взаимодействовать с наночастицами, находящимися поблизости, в результате чего их излучение возрастает еще в несколько раз».

Проведенные в МГУ эксперименты с образцами «позолоченных» матриц с наночастицами кремния, изготовленных в Швеции, блистательно подтвердили теоретические предсказания, сделанные в Гётеборге — облученный ультрафиолетом кремний впервые засиял вполне ярко для того, чтобы его использовать его на практике.