Вгрызаясь в силиконовые глубины

Аморфно-рыхлая кремниевая нанопроволока с красным треком фотона и синими положительно заряженными дырками.

Мечта любого производителя – равномерные и гарантированные поставки сырья и оборудования с известными характеристиками и параметрами. Однако микроэлектроника вынуждена мириться с неопределенностью, вызванной естественными отклонениями от идеальных требований к толщине напыляемых слоев микросхем, перепадами напряжения и т.п. Поэтому понятен интерес к сообщению, пришедшему из Принстона.

В Принстонском университете сумели создать мазер всего на двух квантовых точках из индия с мышьяком (арсенида индия), помещенных внутрь нанопроволоки. Напомним, что мазер – это микроволновые усилители-амплификаторы, дающие «чистое» когерентное излучение. Впервые предложены и созданы мазеры были еще в СССР академиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым. Мазеры имеют  преимущество перед лазерами (или световыми амплификаторами) – их излучение проникает на большую глубину, нежели световое.

Чуть раньше публикации этой статьи в журнале Science вышла статья авторов из Сиракузского университета в Мэриленде. Авторы описали квантовую точку селенида кадмия (CdSe), которую удалось окружить белковой оболочкой, но не простой, а из фермента люциферазы. Названный по имени мифического светоносного Люцифера (падшего ангела), фермент окисляет жироподобное вещество люциферин, трансформируя энергию химических связей в световую. Отсюда и название. Именно люциферазе обязаны светлячки и некоторые другие организмы своим фосфорическим свечением в ночи. Авторы пишут в J. of Chemical Theory, что получение комплекса квантовой точки с протеином позволит проводить компьютерное моделирование тех процессов, которые происходят в интерфейсе квантовой точки и на сложной поверхности люциферазной короны.

Исследователей и нанотехнологов привлекают ничтожные и в то же время устойчивые размеры подобного рода комплексов, ведь диаметр квантовой точки селенида кадмия не превышает пяти нанометров. Сечение же комплекса с короной из семи молекул фермента чуть больше. Подобно газовым коронам удаляющихся от нас галактик, имеющим красное смещение доходящего до нас света, протеиновая корона сдвигает в красную сторону свечение квантовой точки на восемь нанометров. После отработки технологии специалисты Сиракузского университета надеются получить большие по размеру комплексы и не с одной точкой, а с несколькими.

Мазер-чип размером с рисовое зерно. Иллюстрация Physorg

Компьютерное моделирование помогло исследователям университетов Северной и Южной Дакоты представить пути развития и совершенствования кремниевой гелиотехнологии, или уловления солнечной энергии с помощью «рыхлых», или аморфных, кремниевых нанотрубок (a-SiNW). Аморфность основного материала позволяет солнечным фотонам свободно проходить в глубь материала, что повышает эффективность солнечных батарей. Эффективность процесса в данном случае, по мнению дакотских ученых, повышается за счет пространственного разделения электронов и положительно заряженных дырок, которое происходит в результате наличия многочисленных структурных дефектов в аморфных нанопроволоках из кремния. Заметим, что авторами статьи в журнале, посвященном возобновляемым видам энергии, являются Андрей Крыжевский и Килины – Дмитрий и Светлана. Так что трио наших соотечественников, возможно, открыло путь резкого повышения эффективности кремниевых солнечных батарей.

Ученые отмечают, что в их подходе использована теория функциональной плотности (DFT – Density Functional Theory), в основе которой лежит компьютерный расчет электронных и оптических свойств улавливающих свет наночастиц и взаимодействие квантовых точек с различной структурой. Это дало возможность предсказывать поведение точек и их цепей в нанопроволоках в реальных условиях. В ходе исследований они выяснили, как структура проволок определяет эффективность поглощения квантов света, которая зависит и от направления падения света.

Выше указывалось, что лучшее поглощение определяется структурным «несовершенством» аморфного кремния. Это позволяет эффективно улавливать свет низкой интенсивности. В то время как кристаллические кремниевые структуры требуют света большой интенсивности, что не всегда возможно обеспечить.