"И будете как боги знать добро и зло..." - это, или что-то в этом духе (если верить легенде) обещал змей-искуситель Еве, уговаривая отведать запретный плод. Мечта стать равными богам с тех пор никак не оставляет человечество. Благодаря прогрессу технологий к концу XX века стало возможным создание "искусственных кристаллов" и "искусственных атомов"; недавно швейцарским ученым удалось создать самые совершенные на сегодняшний момент "искусственные атомы".

Искусственными атомами в популярных статьях иногда называют объекты, именуемые в научной литературе довольно странно звучащим для непосвященного человека термином "квантовые точки". Отдельная квантовая точка представляет собой специальным образом полученный наноразмерный объект, обладающий дискретным энергетическим спектром. Способы получения полупроводниковых квантовых точек весьма различны: они могут создаваться из планарных полупроводниковых гетероструктур с помощью литографии, могут получаться химическими методами, но наиболее широко распространенным способом получения квантовых точек является спонтанное формирование наноразмерных островков-включений одного полупроводникового материала (с меньшей шириной запрещенной зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны). Из-за различия ширины запрещенных зон носители заряда оказываются локализованы в пределах островка, следствием чего и является квазиатомный (представляющий собой набор отдельных уровней) энергетический спектр. Благодаря этой особенности квантовые точки обладают рядом достоинств с точки зрения практических применений; на их основе сейчас создаются как новые виды полупроводниковых лазеров , так и принципиально новые устройства (например, источники одиночных фотонов для квантовой криптографии).  

Однако было бы большим преувеличением сказать, что созданные человеком "атомы" столь же совершенны, как атомы природные: последние неотличимы один от другого, а вот о первых сказать этого нельзя. Получаемые в процессе роста полупроводниковых гетероструктур массивы островков (см. рис.1) нанометровых размеров (квантовых точек) отнюдь не представляют собой набор совершенно одинаковых островков. Каждый "искусственный атом" состоит из тысяч атомов естественных, и нет никаких законов, требующих, чтобы число атомов в каждом из островков в точности совпадало. Как правило, наблюдается довольно значительный разброс размеров таких островков, что, естественно, приводит к различию энергетических спектров отдельных "искусственных атомов". Это не очень удобно для практических приложений (например, результирующий спектр излучения структуры с квантовыми точками, представляющий собой сумму линий излучения отдельных квантовых точек, - достаточно широкая полоса (шириной в несколько десятков мэВ при положении максимума линии излучения в ближнем инфракрасном или видимом диапазоне)). Поэтому перед учеными и технологами стоит задача минимизации разброса размеров выращиваемых квантовых точек.

Одна из наиболее распространенных технологий роста полупроводниковых гетероструктур вообще и квантовых точек в частности - молекулярно-пучковая эпитаксия. В это методике выращивание пленок или более сложных структур производится в высоковакуумной установке путем осаждения атомов (или молекул) испаряемого (-ых) вещества (-ств), содержащегося (-ихся) в специальном (-ых) источнике (-ах), на поддерживаемую при заданной температуре подложку. Потоки вещества из источников столь малы, что при определенных условиях на поверхности нарастает один мономолекулярный слой вещества за другим: осаждающиеся на поверхность атомы (молекулы) не остаются там, куда попали, а мигрируют по поверхности, встраиваясь в "подходящие места", что и обеспечивает высокое кристаллическое совершенство получаемых пленок и структур. Однако на свойства получающихся структур влияет множество факторов (температура подложки, потоки вещества из источников, свойства осаждаемых материалов, кристаллическое совершенство подложки и т.д.), и априори точно предсказать, что получится в конкретном случае, к сожалению, невозможно. Поэтому очень большое значение имеет поиск оптимальных для той или иной задачи режимов роста.

Несмотря на все затраченные усилия, практически всегда характерный разброс размеров квантовых точек превышает 5 %, и часто - превышает значительно. Отрадным исключением из этого правила является результат, полученный группой ученых из Цюриха, исследовавших рост квантовых точек в системе PbSe/PbTe. Эта система характеризуется значительным различием постоянных кристаллической решетки двух материалов, и для нее, подобно, пожалуй, наиболее хорошо изученной системе InAs/GaAs, спонтанное формирование наноразмерных островков (квантовых точек) идет в режиме Странского-Крастанова. В этом режиме процесс возникновения квантовых точек происходит следующим образом: при росте первого мономолекулярного слоя одного соединения (например, InAs) на поверхности второго (например, GaAs) из-за различия постоянных кристаллической решетки материалов возникают упругие напряжения, при продолжении осаждения вещества они увеличиваются и становится выгодным уже не равномерное распределение вещества по поверхности (т.е. не продолжение роста сплошного слоя), а образование отдельных "капель" вещества на поверхности первого слоя (его называют "смачивающим слоем") - это способствует минимизации напряжений в получающейся структуре. Таким образом и возникают знаменитые пирамидки . Исследовав полученные структуры с квантовыми точками PbSe/PbTe, швейцарские ученые были радостно удивлены: им удалось вырастить пирамидки PbSe на поверхности слоя PbTe (см. рис.), для которых среднее отклонение размеров составляет примерно 2 %, что на сегодняшний день является рекордным результатом. Не останавливаясь на радостной констатации этого факта, ученые предложили достаточно простую модель для объяснения столь малого разброса размеров сформировавшихся "искусственных атомов". Однако (по иронии судьбы?) столь однородные по размерам квантовые точки образуются отнюдь не в самой интересной с точки зрения практических приложений системе. Что ж, остается надеяться, что когда-нибудь приятное удастся совместить с полезным.

Е.Онищенко (Scientific.Ru)
по материалам статьи K.Alchalabi, D.Zimin, G.Kostorz and H.Zogg