Специалисты Института автоматики и электрометрии СО РАН усовершенствовали оптический стенд для сверхширокополосной терагерцовой спектроскопии. Установка представляет собой схему, преобразующую инфракрасное и видимое лазерное излучение в терагерцовое. Этот инструмент позволяет изучать оптические свойства различных сред, включая металлы, полупроводники, диэлектрики и даже биологические объекты.
Терагерцовый спектр находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Существует множество методов генерации терагерцевого излучения, в частности нелинейное преобразование частот ультракороткого лазерного импульса. В силу соотношения неопределенности, чем меньше длительность лазерного импульса, тем шире спектр частот, которые он несёт, и тем шире достижимый спектр терагерцевого излучения после нелинейно-оптического преобразования.
Целью новосибирских исследователей была разработка оптического стенда, обеспечивающего возможность получения сверхширокополосного терагерцового излучения. Основная проблема состояла в том, что лазерный пучок, проходящий через оптические элементы, подвергается дисперсии, что, в свою очередь, приводит к увеличению длительности лазерного импульса. Из-за этого явления падает эффективность нелинейно-оптического преобразования и уменьшается ширина терагерцевого спектра. Это ограничивает динамический и спектральный диапазоны установки, доступные для проведения экспериментальных исследований. Фактически работа учёных направлена на разработку замены коммерческим Фурье-спектрометрам дальнего инфракрасного диапазона, обладающим достаточно высокой стоимостью для конечного потребителя.
«Методы импульсной терагерцовой спектроскопии широко распространены в различных исследованиях. Фемтосекундный лазер — ключевой элемент установки, называемой импульсным терагерцевым спектрометром. Излучение такого лазера направляется в генератор (фотопроводящая антенна, нелинейный кристалл, полупроводник и другие) и преобразуется в ТГц-излучение. Причем ширина спектра ТГц-излучения напрямую связана с шириной спектра лазерного излучения (обратно пропорциональна его длительности). В лаборатории терагерцовой фотоники ИАиЭ СО РАН уже есть опыт создания подобных устройств. Для накачки генератора использовались фемтосекундные лазеры с длительностью импульсов 120—130 фемтосекунд. Однако в данной работе исследовалась возможность адаптации привычной в лаборатории схемы ТГц-спектрометра для титан-сапфирового лазера со спектрально ограниченной длительностью менее 20 фемтосекунд с целью увеличения ширины спектра генерируемого ТГц-излучения. Это непростая задача, так как для импульсов со столь малой длительностью требуется специализированная оптика и соответствующие схематические подходы. Модернизация потребовала от нас ряда определённых конструкторских решений, в частности мы старались минимизировать количество оптических элементов, работающих на пропускание, которые соответственно увеличивают длительность лазерных импульсов », — рассказал разработчик установки инженер-программист лаборатории терагерцовой фотоники Денис Грибанов.
Усовершенствованный стенд позволит провести ряд исследований, направленных на поиск и определение наиболее эффективных генераторов и детекторов терагерцового излучения (преобразователей лазерного излучения), которые позволят достичь максимального динамического и спектрального диапазона для проведения спектроскопических исследований. Далее будет возможно изучение различных сред, например популярных в настоящее время двумерных материалов, таких как графен и графеноподобные структуры, топологические изоляторы и иные полупроводниковые и сегнетоэлектрические пленки и структуры, востребованные в области микро- и оптоэлектроники. Кроме того, существует широкое направление в исследовании биологических объектов, в том числе для решения задачи ранней диагностики различных заболеваний, включая онкологические.
По мнению Научно-технического совета Лазерной ассоциации, данная научная работа представляет большую инновационную ценность.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
https://www.ras.ru/

Физики Санкт-Петербургского государственного университета удалось обнаружить в перовските свободные положительные носители заряда, у которых рекордно долго для этих материалов сохраняется время спиновой когерентности
Физики Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) обнаружили с помощью метода спектроскопии спинового шума (ССШ) уникальные магнитные свойства кристалла перовскита. Ранее этот метод использовали преимущественно для газов и изотропных полупроводников, сообщили в пресс-службе вуза.
«Физики Санкт-Петербургского государственного университета впервые использовали метод спектроскопии спинового шума для исследования перовскита MAPbI3 — перспективного материала для солнечных элементов и оптоэлектроники», — отмечается в сообщении.
Перовскиты являются материалом, чьи свойства зависят от состава. В случае если в их составе присутствуют галогены (йод, хлор или бром) они называются галогенидными. Подобные перовскиты используют в солнечных панелях, датчиках света и других устройствах. Перовскит MAPbI , представляющий собой соединение йода, свинца и органического катиона метиламмония, эффективно поглощает и излучает свет.
Ученые университета активно исследуют свойства и возможности использования данного вида перовскита. В рамках конкретного исследования физики изучали случайные колебания спинов в слабом магнитном поле, не возбуждая систему. Спины, сравнимые с маленькими магнитами у частиц, способны к случайному колебанию. Указанные колебания измеряют для изучения магнитных свойств материалов, что имеет важное значение для создания новых материалов и технологий.
«Чтобы изучить перовскит, не нарушая его структуру, физики СПбГУ использовали слабый инфракрасный лазер, энергии которого недостаточно для возбуждения электронов в материале, что позволило провести эксперимент без искажений. При прохождении через образец поляризация луча света начинает случайно отклоняться от своего начального положения — это явление называется шумом фарадеевского вращения», — добавили в пресс-службе.
Такой метод позволил обнаружить в перовските свободные положительные носители заряда, у которых рекордно долго для перовскитов сохраняется время спиновой когерентности. Также было выявлено, что материал по-разному реагирует на магнитное поле в зависимости от направления.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Ученые из Университета Рочестера разработали новый солнечный термоэлектрический генератор (СТЭГ) на основе «черного металла», обработанного фемтосекундными лазерными импульсами.
Устройство показало эффективность в 15 раз выше, чем у лучших современных аналогов. Хотя технология пока находится на стадии разработки, исследователи предполагают, что такие генераторы смогут питать малогабаритную носимую электронику или даже стать основой для автономных возобновляемых энергосистем в удаленных и сельских районах. Однако коммерческая жизнеспособность и масштабируемость технологии еще требуют подтверждения. В отличие от традиционных фотоэлектрических панелей, преобразующих свет в электричество, СТЭГ работают за счет тепловой энергии солнца. Принцип их действия основан на разнице температур между «горячей» и «холодной» сторонами, что создает электрический ток благодаря эффекту Зеебека. Однако даже лучшие существующие СТЭГ преобразуют лишь около 1% поглощаемой солнечной энергии, тогда как современные бытовые солнечные панели достигают КПД свыше 20%. Профессор оптики и физики Чуньлэй Го, ведущий автор исследования, отметил, что предыдущие попытки повысить эффективность СТЭГ были сосредоточены на улучшении полупроводниковых материалов, но дали лишь незначительный результат. Вместо этого команда из Рочестера решила модифицировать конструкцию «горячей» и «холодной» сторон устройства. На первом этапе ученые переработали «горячую» сторону, применив технологию «черного металла», ранее разработанную в лаборатории Го. Этот слой, созданный из вольфрама, эффективно поглощает солнечный свет. Затем поверхность металла была обработана фемтосекундным лазером, создающим наноструктуры, которые значительно увеличивают поглощение энергии и снижают теплопотери.
Дополнительно ученые покрыли металл тонким слоем пластика, создав эффект мини-теплицы, что позволило удерживать тепло и повысить температуру «горячей» стороны. На «холодной» стороне исследователи использовали тот же лазер для нанесения наноструктур на алюминиевый радиатор, что вдвое улучшило теплоотведение. В результате модификаций новый СТЭГ показал рекордную эффективность, вырабатывая в 15 раз больше энергии, чем предыдущие аналоги. Устройство уже успешно протестировано на питании светодиодов. По словам Го, коммерческие версии таких генераторов смогут обеспечивать энергией удаленные районы при меньших затратах, чем фотоэлектрические панели. Также технология подходит для маломощных устройств, таких как IoT-датчики и носимые гаджеты. Кроме того, разработка может быть адаптирована для гибридных систем, использующих как солнечное тепло, так и другие источники. Исследование опубликовано в журнале Light Science & Applications.

Источник:  https://new-science.ru/

Японские исследователи раскрыли загадку альтермагнетиков — нового класса магнитных материалов без общей намагниченности, но со странными светоотражающими свойствами, — создав новый метод оптических измерений. Их открытия подтверждают существование альтермагнетизма в органических кристаллах и открывают путь к созданию легких и высокопроизводительных магнитных устройств следующего поколения.
«В отличие от обычных магнитов, которые притягиваются друг к другу, альтернативные магниты не обладают результирующей намагниченностью, но все же могут влиять на поляризацию отраженного света, — отметил Сатоси Игучи из Университета Тохоку, один из исследователей. — Это затрудняет их изучение с помощью традиционных оптических методов».
Чтобы преодолеть это препятствие, Игучи и его коллеги применили к органическому кристаллу недавно выведенную формулу для отражения света, и сумели с успехом прояснить его магнитные свойства, сообщает Science Daily. Эта формула основана на уравнениях Максвелла и применима к широкому спектру материалов, в том числе с низкой кристаллической симметрией.
На этой теоретической основе ученые разработали точный метод оптических измерений и применили его к органическому кристаллу κ-(BEDT-TTF)2Cu[N (CN)2]Cl. Им удалось успешно измерить магнитооптический эффект Керра и получить недиагональный спектр оптической проводимости, дающий подробную информацию о магнитных и электронных свойствах материала.
Результаты выявили ключевые особенности спектра (краевые пики, указывающие на спиновое расщепление зоны; вещественную составляющую, связанную с искажением кристалла и пьезомагнитными эффектами; мнимую составляющую, связанную с вихревыми токами) не только подтвердив альтермагнитную природу материала, но и продемонстрировав возможности недавно разработанного оптического метода.
«Это исследование открывает путь к изучению магнетизма в более широком классе материалов, включая органические соединения, и закладывает основу для будущей разработки высокопроизводительных магнитных устройств на основе легких и гибких материалов», — добавляет Игучи.
Считается, что магниты и сверхпроводники обладают противоположными свойствами, однако открытие физиков из США заставляет в этом усомниться. Они сообщили об открытии «хирального сверхпроводника» — материала, который проводит электричество без сопротивления, а также, как это ни парадоксально, является по своей сути магнитом.
Источник: https://hightech.plus

Ученые университета ИТМО совместно с исследователями разработали способ увеличения пропускной способности и надежности передачи данных в космосе. Специалисты научились создавать набор вихревых пучков лазера, где каждый пучок работает как отдельный канал передачи информации, сообщили в пресс-службе вуза.
«Команда российских ученых предложила простой способ повысить пропускную способность и надежность передачи данных свободно-пространственной оптической связи в космосе. Они научились управлять структурой и составом световой «гребенки» из вихревых пучков лазера. Каждый пучок при этом работает как отдельный канал передачи информации», — говорится в сообщении.
Уточняется, что для передачи информации между космическими спутниками используется свободно-пространственная оптическая связь. Ее устройство похоже на оптический Wi-Fi, где информация кодируется в лазерный пучок, и он транслируется получателю. Технологию можно быстро и просто развернуть в любом месте, но пока ее пропускная способность достигает скорости до 20 Гбит/с, а на стабильность сигнала влияют внешние факторы, например, облака и пыль.
По данным пресс-службы, создать надежное высокоскоростное соединение могут «закрученные» световые пучки — вихри, которые обладают не только частотой и амплитудой, но и проекцией орбитального углового момента, что позволяет сделать несколько независимых каналов передачи данных, подобных разным частотам в радиосвязи. Чем больше проекций, тем больше информации можно закодировать в один луч. Создать такие вихревые световые пучки можно с помощью технологии световой «орбитальной гребенки», однако ее формируют с помощью технически сложных устройств.
Предложение ученых
Поэтому ученые Нового физтеха ИТМО разработали более простой и надежный способ получения набора вихревых пучков с разными значениями проекций орбитального углового момента. Особенность разработки в том, что исследователи могут не просто создать световую «гребенку», а управлять ею и таким образом влиять на каждый отдельный вихревой пучок. Это позволит более надежно кодировать и передавать информацию, увеличивая пропускную способность и стабильность оптических каналов связи. В исследовании также приняли участие ученые Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета «МИЭТ».
«Наш подход — это сильная нелинейность, которую мы используем в качестве оптического преобразования для записи информации. Мы преобразуем исходный вихревой пучок с помощью тонкого кристалла бета бората бария в набор вихревых состояний — «орбитальную гребенку». Первый конвертер позволяет нам регулировать, какие именно амплитуды входят в состав пучка после нелинейного кристалла. Меняя параметры исходного пучка с его помощью, мы кодируем информацию в амплитудную структуру гребенки. Эта структура устойчива к линейным искажениям, и без внешнего сильного нелинейного воздействия также остается стабильной при передаче данных. Поэтому мы можем кодировать большие объемы данных и передавать их, например, от спутника к спутнику, не боясь что-то потерять», — привели в пресс-службе слова одного из авторов исследования, ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Станислава Батурина.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Это позволяет использовать их в качестве одного из базовых блоков для создания рукотворных аналогов биологических нейросетей

МОСКВА, 18 августа. /ТАСС/. Исследователи из России выяснили, что кристаллы из аналога природного минерала тенорита под воздействием лазерного излучения ведут себя примерно таким же образом, как и синапсы в мозге человека. Это позволяет использовать их в качестве одного из базовых блоков для создания рукотворных аналогов биологических нейросетей, сообщила пресс-служба Университета ИТМО.

"Ученые ИТМО протестировали искусственные синапсы в работе. Они использовали кристаллы как платформу для обучения нейросети: ИИ должен был распознать рукописные цифры на снимках. Уже после третьей итерации точность выполнения задачи алгоритмом достигла 95% - это один из рекордных показателей для современных нейроморфных материалов", - говорится в сообщении.

Как отмечается в сообщении, процесс работы человеческого мозга радикальным образом отличается от того, как хранятся, обрабатываются и передаются данные внутри компьютеров. Нейроны могут одновременно хранить информацию и обрабатывать ее, а также воспринимать множество разнородных аналоговых сигналов. Кроме того, нервные клетки способны по-разному реагировать на те или иные стимулы, а также быстро менять свою чувствительность к отдельным наборам подобных импульсов.

Это значительным образом усложняет создание аналогов нейросетей и ведет к существенным расходам вычислительных ресурсов и энергии на работу современных сложных систем ИИ. Для решения данной проблемы ученые по всему миру, в том числе в России, разрабатывают различные искусственные аналоги нейронов и синапсов, нервных окончаний, способные воспроизводить многие аспекты работы природных нейросетей.

"Кристалл тенорита реагирует на лазерное излучение подобно тому, как биологический синапс откликается на молекулы нейромедиаторов. Интенсивность его электрического отклика на воздействие лазером зависит от частоты облучения. Чем больше раз за определенный промежуток времени лазер светит на кристалл, тем сильнее его электрический отклик, и наоборот. Такая реакция на внешний раздражитель схожа с реакцией синапсов на нейромедиаторы", - пояснил младший научный сотрудник Университета ИТМО Семен Бачинин, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Проведенные исследователями опыты показали, что искусственные синапсы на базе аналогов тенорита можно использовать в качестве важной составной части рукотворных нейросетей, и при этом подобные структуры остаются стабильными и не разрушаются даже после 13 тыс. циклов воздействия лазером. Вкупе с достаточно быстрой реакцией на внешние воздействия и другими важными параметрами работы, это делает синапсы на базе тенорита перспективным материалом для создания полноценного аналога нейросетей, подытожили ученые.
Источник: https://tass.ru/

Такая разработка даст возможность производить этот материал из дешевых, безопасных для здоровья материалов.
Российские химики подобрали альтернативное сырье для синтеза "зеленых" коллоидных квантовых точек, состоящих из нанокристаллов из меди, индия и серы. Разработка исследователей позволит производить этот "нобелевский" квантовый материал из дешевых, безопасных для здоровья и доступных отечественных материалов, сообщил Центр научной коммуникации МФТИ.

"Ни один из современных прекурсоров серы для синтеза коллоидных квантовых точек не производится российской химической промышленностью, поэтому поиск эффективных альтернатив весьма важен. Мы впервые получили прекурсор серы на основе отечественного децена-1, который можно применять для получения коллоидных квантовых точек",- пояснил старший научный сотрудник МФТИ Иван Шуклов, чьи слова приводит Центр научной коммуникации вуза.

Как отмечают химики, квантовые точки, применяемые при изготовлении экранов телевизоров, мониторов и других высокотехнологичных устройств, представляют собой нанокристаллы, состоящие из кадмия и селена. Они обладают оптимальными оптическими и электронными свойствами, но при этом для их производства используются токсичные соединения кадмия, опасные для окружающей среды.

По этой причине ученые активно ищут "зеленые" альтернативы для квантовых точек на базе селенида кадмия, одной из которых являются соединения меди, индия и серы (CuInS2) и соединения серебра, индия и серы (AgInS2). Их использование в нашей стране ограничено тем, что общепринятое сырье для производства данной формы квантовых точек не синтезируется в России.

Для решения этой проблемы химики из МФТИ провели серию экспериментов, в рамках которых им удалось показать, что необходимые материалы для получения "зеленых" квантовых точек можно получать, растворяя элементарную серу в непредельном углеводороде децене-1, который производится в РФ. Реакции между созданным учеными сырьем и солями индия позволили им получить наночастицы, похожие по форме на пирамиды или усеченные пирамиды и способные активно взаимодействовать со светом.

Данные наноструктуры уступают по эффективности фотоотклика уже существующим солнечным батареям на базе других типов квантовых точек, однако при этом их можно использовать для решения других задач, в том числе создания фотодетекторов, работающих в ультрафиолетовом диапазоне, а также различных гибридных устройств на базе отечественного сырья и исходных материалов.
О квантовых точках

Квантовые точки представляют собой полупроводниковые наночастицы, чьи размеры и форма подобраны таким образом, что они ведут себя как искусственный атом. Как и его реальные аналоги, данный рукотворный атом способен взаимодействовать с волнами света, поглощать их и преобразовать в другие формы колебаний. Данное свойство квантовых точек было впервые обнаружено и изучено нобелевским лауреатом Алексеем Екимовым и другими советскими физиками еще в 1980 годах.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Группа ученых из США сгенерировала весьма необычный тип светового луча — пучок Пуанкаре, причем впервые добилась этого с помощью лазера на свободных электронах. Технология, позволяющая изучать материалы с помощью одной быстрой вспышки, должна, по мнению разработчиков, способствовать прогрессу в области высокопроизводительных вычислений, например, в области компьютерных чипов следующего поколения.
«Это значительный шаг вперед, — заявил Эрик Хемсинг из Национальной ускорительной лаборатории SLAC. — Пучки Пуанкаре позволяют нам исследовать материалы по-новому, фиксируя сложные закономерности поведения за один импульс. Интересно представить, что исследователи будут делать с этим».
Создан цемент, охлаждающий стены на 5,4°C под палящим солнцем

Пучки Пуанкаре объединяют несколько поляризаций света — различных направлений колебания световых волн — в один импульс, формирующий сложные узоры. С его помощью ученые могут получать ценную информацию о материалах за одну короткую вспышку вместо нескольких сканирований, экономя время и регистрируя быстрые изменения в материалах по мере их возникновения.

Команда получила пучок Пуанкаре, используя две секции специальных магнитов — ондуляторов — которые заставляют электроны колебаться, создавая свет. Это привело к формированию двух отдельных световых лучей, каждый со своей волновой структурой и поляризацией. Аккуратно накладывая их друг на друга, исследователи создали единый пучок с различными поляризационными структурами по всей его поверхности, пишет Stanford News.

В результате получился стабильный луч с равномерным распределением поляризаций по мере распространения. Регулируя синхронизацию между двумя составляющими лучами, исследователи заставили поляризацию луча закручиваться по его поверхности в спиральную форму. Затем они изучили его структуру и установили, где в луче проявляется каждый тип поляризации.

Хотя эксперимент проводился в диапазоне крайнего ультрафиолетового излучения, открытие дает возможность создания таких пучков в рентгеновском диапазоне. Будущие эксперименты на самом мощном рентгеновском лазере на свободных электронах LCLS позволят, как надеются ученые, выявить еще более тонкие нюансы поведения атомов и молекул.

Пучки нейтронов применяются в материаловедении, биологии, химии и машиностроении для исследования структуры и свойств веществ на атомном уровне. Ученые из США создали из нейтронов так называемые лучи Эйри, которые обладают уникальными характеристиками.
Источкник: https://hightech.plus/

Разработка муаровых сверхрешеток на основе ДНК открывает новые горизонты в создании функциональных наноматериалов. Уникальные свойства таких материалов делают их перспективными для различных приложений.
Специалисты разрабатывают инновационные муаровые структуры на уровне нанометров благодаря новейшим достижениям в области ДНК-нанотехнологий. Такие муаровые сверхрешетки возникают путем совмещения двух регулярных кристаллических структур ДНК с незначительным поворотом или сдвигом относительно друг друга. Разработанный экспертами Штутгартского университета и Института исследования твердых тел общества Макса Планка метод позволяет упростить процесс сборки сложных сверхрешеток и дает возможность создавать принципиально новые конструкции в нанодиапазоне, пишет ScienceDaily.

«В отличие от традиционных методов, основанных на механическом укладывании и скручивании двумерных материалов, наша платформа использует процесс сборки “снизу вверх”, — объясняет Лаура На Лю, профессор 2-го физического института Штутгартского университета.

Сборка осуществляется с помощью соединения индивидуальных цепей ДНК в большие организованные структуры. Процесс базируется на принципах самоорганизации: нити ДНК объединяются автоматически, лишь благодаря внутренним межмолекулярным взаимодействиям. Ученые используют этот механизм. Они закладывают необходимые характеристики сверхрешетки — углы поворота, расстояния между элементами и симметрию — прямо в первичную структуру молекул, называемую зародышем нуклеации. Далее вся конструкция собирается самостоятельно с высокой точностью на уровне нанометров. Именно зародыш служит своеобразным шаблоном, задающим направление роста двумерных решеток ДНК. Он позволяет формировать идеально подогнанные двуслойные или трехслойные структуры всего за одну стадию синтеза в растворе.
Несмотря на активное изучение муаровых сверхрешеток на атомном и фотонном масштабах, область нанометровых размеров оставалась практически неизученной. Здесь пересекаются свойства молекулярной программируемости и функциональности материалов. Научная команда из Штутгарта успешно закрыла этот пробел в своем экспериментальном проекте.

Новые муаровые сверхрешетки обладают высоким разрешением, точной адресацией и программируемой симметрией, что делает их многообещающими материалами для различных областей науки и технологий. Эти структуры подходят для размещения наноразмерных элементов вроде флуоресцентных молекул, металлических частиц и полупроводников в специальных двумерных и трехмерных конструкциях. Химически стабилизированные решетки могут применяться как фононные кристаллы или механические метаматериалы с регулируемыми вибрационными свойствами. Градиенты их структуры открывают перспективы для разработки оптических и акустических приборов с управляемым направлением распространения света и звука.

Особенное значение имеет применение сверхрешеток в изучении спин-селективного транспорта электронов. Экспериментально доказано, что ДНК способна фильтровать спины, а регулярные муаровые структуры позволяют исследовать явления топологического переноса спинов с высокой степенью контроля.

Ранее ученые наблюдали аномальный термоэлектрический эффект.
Источник: https://hi-tech.mail.ru/

Ученые из ТИСНУМ и МФТИ исследовали спектры электролюминесценции алмазного p-i-n-диода до и после облучения потоком электронов и последующего отжига. Результаты работы могут быть использованы в высокотемпературной оптоэлектронике.
Исследование опубликовано в «Журнале технической физики». Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они могут проводить электрический ток только при определенных условиях, что позволяет применять данные материалы для выявления изменений какого-либо параметра среды и преобразования полученной информации в электрический сигнал. На этом принципе работают полупроводниковые сенсоры.

Выделяют полупроводники n- и p-типа. В первых из них носителями электрического заряда являются электроны, а во вторых — так называемые дырки, которые образуются в результате выхода электронов из валентной зоны. Приведение в контакт материалов, имеющих разный характер проводимости, будет сопровождаться диффузией: электроны проникнут в p-полупроводник, а в n-полупроводнике появятся дырки. Сформируется p-n-переход — слой, препятствующий движению электротока. Описанным образом устроен диод — устройство, проводящее ток преимущественно в одном направлении.

Особое место среди электронных компонентов занимают p-i-n-диоды. Для их производства, помимо двух вышеназванных материалов, используют полупроводники i-типа, в которых число дырок и свободных электронов равно и зависит от собственных свойств вещества. Ученые из ТИСНУМ и МФТИ изготовили экспериментальный образец алмазного светоизлучающего p-i-n-диода и исследовали его при высоких температурах: до 680°C. Процесс включал в себя несколько этапов.

Сначала ученые синтезировали алмаз методом температурного градиента. Метод предполагает растворение графита — источника углерода — в металле и создание условий, термодинамически выгодных для образования алмаза. Из потока раствора углерод осаждали на затравку — маленький кристалл. Движение раствора и диффузия происходили благодаря более низкой температуре в области затравки.
Полученный алмаз относится к типу Ib. Это означает, что в его кристаллической решетке малая часть атомов углерода замещена азотом, но таким образом, что они не встречаются в соседних позициях.

Затем ученые последовательно вырастили на алмазной подложке i- и p-слой, а именно: высокочистый алмаз и алмаз с добавлением бора, то есть легированный. Толщина слоев составляет 6 и 4 мкм соответственно. Химическое осаждение проводили из газовой фазы водород — метан, а для легирования в смесь добавляли диборан. После этого трехслойный образец был подвергнут отжигу с целью удаления загрязнений.

Платино-титановые контакты в виде тонких пленок ученые нанесли на образец в магнетронной распылительной системе. Она состоит из электродов, магнитного блока и аргоновой пушки. При разряжении и подаче напряжения между анодом и катодом, так называемой мишенью, зажигается тлеющий разряд. В этих условиях аргон ионизируется и бомбардирует мишень, что приводит к отрыву от нее атомов металла и их последующему осаждению на поверхности алмазного образца.

Чтобы повысить количество азото-замещенных вакансий в i-слое, ученые облучали диод потоком электронов с энергией 3 МэВ, а потом отжигали в вакууме при 800°C в течение 2 часов. Благодаря этому сила тока, проходящего через диод в прямом направлении и заданном температурном режиме, снизилась в 5−10 раз. В случае обратного включения, наоборот, данная величина немного возросла. Следовательно, примерно на порядок уменьшился коэффициент выпрямления диода, равный отношению силы прямого тока к обратному при одинаковом напряжении.

«При прохождении тока в прямом направлении сопротивление диода возрастает из-за дефектов алмазной структуры и уменьшения концентрации атомов азота в позициях замещения, — пояснил Сергей Буга, профессор кафедры физики и химии наноструктур МФТИ. — В обратном направлении, наоборот, наличие дефектов способствует повышению тока утечки».

Прямое включение и нагрев диода выше 400°C сопровождался электролюминесценцией, иными словами, свечением вследствие возбуждения электрическим полем. Цвет излучения был зеленоватый, что характерно для спектра, имеющего максимум в области длин волн 600-610 нм.
Ученые сняли спектры электролюминесценции диода в температурном диапазоне 450–680°C до и после облучения электронами (Рисунок 3). Установлено, что с ростом температуры, а также напряжения и силы тока, проходящего через диод, полоса электролюминесценции становится шире, а ее максимум смещается в область более длинных волн: с 610 до 680 нм. Наиболее ярко диод светится при 575°C после облучения и отжига.

«Основным источником электролюминесценции являются нейтральные оптически-активные азот-вакансионные центры окраски, — добавил Сергей Буга. — Дальнейшее изучение возможностей суперлюминесценции или повышения яркости излучения диода требует увеличения плотности тока и концентрации этих центров в i-слое».

Разработка ученых будет интересна предприятиям, производящим высокотемпературную оптоэлектронику и фемтосекундные лазеры. Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ.
Источник: https://naked-science.ru/