Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) провели серию оптических исследований германия, легированного мышьяком (материал относится к классу полупроводников). В ходе экспериментов на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ) исследовалось поведение электронов мышьяка в полупроводнике: частицы возбуждались за счет воздействия терагерцового излучения лазера, а затем ученые фиксировали время их релаксации, то есть возвращения в основное состояние. В результате было установлено, что это время составляет 0.5 – 1.5 наносекунды. Подобные измерения в будущем могут помочь при создании компактных лазеров нового типа, а также одноатомных транзисторов, которые в будущем могут стать основой для наноэлектроники. Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 19-72-20163. Результаты опубликованы в журнале «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики».

Полупроводники – это материалы, электрическая проводимость которых меняется в зависимости от внешних условий. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Структура таких материалов включает в себя несколько энергетических зон. Самую верхнюю из зон, заполненных электронами при температуре, равной абсолютному нулю, называют валентной зоной; первую из незаполненных электронами - зоной проводимости, а разделяет их запрещенная зона. В материалах, которые проводят электричество при любых условиях, эта зона фактически отсутствует, полупроводниками называют материалы с относительно небольшой запрещенной зоной, а в случае, если ее размер составляет более 4-5 эВ, материал считается диэлектриком.

Увеличения проводимости полупроводника можно добиться разными способами, один из них – добавление примесей или легирование. Существует два типа примесей: донорные – легко отдающие свободные электроны, и акцепторные – электроны принимающие. Мышьяк относится к числу донорных примесей. Для них важной характеристикой является энергия связи примеси – минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от донора и перехода в зону проводимости. Примеси встраиваются в кристаллическую решетку полупроводника и создают в запрещенной зоне дополнительные уровни энергии, на которых возбужденный электрон может находиться короткое время.

 

pump_probe.jpg 

Сигнал pump-probe ("накачка-зондирование") при возбуждении уровней донора мышьяка в германии при T = 4 K. Рисунок: Письма в ЖЭТФ, т. 110, 677 (2019)

«После возбуждения электроны всегда возвращаются к равновесному состоянию, то есть релаксируют, измеряя и сравнивая времена релаксации можно построить схему наиболее вероятных маршрутов релаксации электронов, - рассказывает старший научный сотрудник ИФМ РАН, кандидат физико-математических наук Роман Жукавин. - Одной из изюминок полученных результатов стало то, что для мышьяка в германии в одном эксперименте получилось оценить время релаксации двух возбужденных уровней, когда излучение ЛСЭ переводило электроны с первого из них на второй, и возвращение к равновесию частично происходило за счет «подкачки» с основного уровня. В будущем это может помочь сделать вывод о возможности создания лазерной среды на основе германия с примесью мышьяка, кроме того, эти данные позволят понять возможные характеристики для одноатомного транзистора на основе донора в германии».

«Создать условия, при которых можно отследить процесс релаксации электронов в данном материале непросто, прежде всего, нужен специальный источник возбуждения с энергиями подходящими для этого материала - рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук, Юлия Чопорова. – Во-первых, терагерцовых лазеров на свободных электронах во всем мире не больше десяти. Во-вторых, на этом источнике необходима специальная пользовательская станция «накачка-зондирование» - таких в мире всего три, насколько мне известно. И, в-третьих, образец должен быть очень холодным (T=4К), иначе электроны примеси будут возбуждены за счет температурного нагрева - настолько маленькие энергии необходимо возбудить».

накачка зондирование на сайт 

Станция "Накачка-зондирование" на Новосибирском ЛСЭ. Внешний вид. Фото: Юлия Чопорова

По словам Юлии Чопоровой, именно Новосибирский терагерцовый ЛСЭ дает возможность использовать его для работы с такими маленькими энергиями и временами. Лазер позволяет перестраивать длину волны излучения – это дает возможность подстроиться под конкретный возбужденный уровень электрона, а станция «накачка-зондирование» – измерять времена релаксации от 100 пикосекунд до 5 наносекунд.

Новосибирский ЛСЭ – масштабная установка, построенная на базе специального ускорителя-рекуператора. Лазер терагерцового диапазона – это только первая очередь установки (запуск состоялся в 2003 году), которая работает на энергии 12 МэВ и длине волн от 240 до 90 мкм. Второй лазер, запущенный в 2009 году, использует электронные пучки с энергией 22 МэВ, а его излучение находится уже в инфракрасном диапазоне (длина волн составляет от 80 до 35 мкм). Третий лазер, запущенный в 2015 году, работает на энергии 42 МэВ в диапазоне от 5 до 15 мкм. Излучение всех лазеров выводится в один оптический канал - это дает возможность использовать его на одних и тех же станциях, однако наибольшей популярностью в настоящее время пользуется именно терагерцовый лазер. Каждый из трех лазеров позволяет менять длину волны и мощность излучения, в зависимости от пожелания пользователей - химиков, физиков и биологов. На постоянной основе на ЛСЭ работают научные группы из Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН и ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН».

Источники

Ученые исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 26/03/2020
Ученые исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 26/03/2020
Российские ученые показали возможность создания компактного полупроводникового лазера нового типа
Новосибирские новости (nscn.ru), 26/03/2020
Ученые исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения
Наука в Сибири (sbras.info), 27/03/2020
В Новосибирске ученые исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 28/03/2020
Ученые ИЯФ СО РАН и ИФМ РАН исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения
Научная Россия (scientificrussia.ru), 01/04/2020
Ученые исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения
РадиоЛоцман (rlocman.ru), 05/04/2020

Похожие новости

  • 26/12/2016

    В ИЯФ СО РАН разрабатывают новый способ лечения опухолей мозга

    ​Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН исследуют метод микропучковой рентгеновской терапии злокачественных опухолей мозга. Уже проведены пробные эксперименты по облучению клеточных культур глиомы человека с добавлением наночастиц оксида марганца.
    2236
  • 14/07/2020

    Сибирские ученые разрабатывают антираковые препараты нового поколения на основе альбумина

    ​Ученые из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН в сотрудничестве с коллегами из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Новосибирского института органической химии им. Н.
    1119
  • 26/09/2016

    ИЯФ СО РАН в разы увеличит мощность уникального лазера

    ​Новосибирский институт ядерной физики (ИЯФ) СО РАН планирует в несколько раз увеличить мощность своего лазера на свободных электронах (ЛСЭ), который институт создавал более 10 лет. Об этом сообщил ТАСС заведующий научно-исследовательской лабораторией ИЯФ СО РАН Николай Винокуров.
    1480
  • 11/10/2018

    Новый способ получения наноразмерных порошков и суспензий с помощью терагерцового излучения

    Специалисты Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН провели серию экспериментов, в ходе которых образцы различных твердых материалов с тонким слоем воды на поверхности — среди них, например, латунь, свинец, а также углерод — облучали сфокусированным терагерцовым излучением.
    886
  • 20/02/2019

    Новосибирские ученые исследовали воздействие мощного терагерцового излучения на мышечные ткани

    ​Ученые Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (ИХКГ СО РАН) и Новосибирского государственного медицинского университета совместно с коллегами из Института ядерной физики им.
    1473
  • 09/07/2020

    Физики изучают возможность генерации «закрученных» поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах

    ​​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно с коллегами из Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    1584
  • 29/04/2019

    Физики планируют в 2022 году завершить работы по модернизации источника нейтронов для проведения бор-нейтронозахватной терапии

    В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) завершился очередной этап модернизации ускорительного источника нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). В результате проведенных работ ток протонного пучка увеличили с 5 до 8,5 мА (миллиампер) – в будущем это позволит снизить почти в два раза время облучения пациентов.
    1192
  • 15/07/2020

    Два молодёжных гранта РНФ - от палеолита до бронзы

    Фонд РНФ поддержал два проекта археологов ИАЭТ СО РАН. Грант в конкурсе «инициативные проекты молодых ученых» получила старший научный сотрудник, кандидат исторических наук Марина Нестерова. Грант в конкурсе «молодежные научные группы» – 8 ученых под руководством научного сотрудника, кандидата исторических наук Натальи Белоусовой.
    568
  • 22/11/2017

    Андрей Травников познакомился с Академгородком

    Врио губернатора Новосибирской области Андрей Александрович Травников посетил Новосибирский научный центр СО РАН. В ходе визита он побывал в некоторых институтах Сибирского отделения, ознакомился с разработками, которые будут полезны региону, и сформулировал ряд задач для научного сообщества.
    2964
  • 06/03/2018

    «Академина»: в Новосибирске вручили премии женщинам-ученым

    ​Вручение премий женщинам, отличившимся в науке, образовании и экономике, прошло на площадке «Точка кипения» технопарка новосибирского Академгородка. Первая «Академина» состоялась в 2012 году в Доме ученых СО РАН, затем, уже на областном уровне, прошла в 2016-м в зале имени Арнольда Каца новосибирской филармонии.
    2309