Dziwne życie elektronów w strukturach tysiąc razy cieńszych niż włos

22.11.2013 Technologie

Druty kwantowe ZnTe hodowane w laboratorium IF PAN, zdjęcia z elektronowego mikroskopu skaningowego. Fot. IF PAN

Elektrony poruszające się w ultracienkich strukturach półprzewodnikowych zachowują się inaczej niż w strukturach makroskopowych - opowiada w rozmowie z PAP prof. Karczewski, tegoroczny laureat programu MISTRZ Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

"Zajmuję się technologią wytwarzania ultracienkich struktur półprzewodnikowych oraz badaniem ich właściwości fizycznych. Są to struktury, w których ruch elektronów ograniczony jest do obszarów rzędu 10 nanometrów, czyli obszarów 10 tys. razy cieńszych niż ludzki włos" - opowiada w rozmowie z PAP prof. Karczewski z Instytutu Fizyki PAN.

 

Fizyk wyjaśnia, że rozmiary makroskopowego kryształu półprzewodnikowego w porównaniu z rozmiarami elektronu są bardzo duże. "Wyobraźmy sobie jednak, że taki kryształ zwężamy, aż stanie się on całkiem płaski. Mówimy wtedy, że otrzymujemy obiekt dwuwymiarowy. Elektrony w takiej strukturze mogą poruszać się tylko po płaszczyźnie, a ruch w kierunku prostopadłym jest niemożliwy lub znacznie ograniczony. Właściwości takich elektronów są inne niż właściwości elektronów swobodnie poruszających się w krysztale we wszystkich trzech kierunkach" - opowiada prof. Karczewski. To niezwykłe zachowanie elektronów poruszających się tylko na płaszczyźnie można na różne sposoby wykorzystywać w urządzeniach elektronicznych. Badacz wyjaśnia, że takimi dwuwymiarowymi obiektami są np. studnie kwantowe, których używa się m.in. w laserach służących do odczytu płyt CD. Dzięki studniom kwantowym lasery takie są bardzo wydajne, stabilne i trwałe.

"Wymiarowość struktur półprzewodnikowych możemy ograniczać dalej - wyobraźmy sobie, że wspomnianą wyżej płaszczyznę zwężamy w kolejnym wymiarze i otrzymujemy bardzo cienki drut – podobny do włosa, ale tysiące razy cieńszy" - opowiada naukowiec. Ruch elektronów w takim drucie ograniczony jest tylko do jednego wymiaru. Prof. Karczewski wyjaśnia, że jeśli średnica takiego drutu jest zbliżona do rozmiaru elektronu, to elektron poruszając się w takim drucie „czuje”, co dzieje się na jego powierzchni. Naukowcy pokrywają więc nanodruty substancjami, które przyciągają konkretne cząsteczki - np. pewne białka czy wirusy. Jeśli zatem do powierzchni drutu przylgną np. cząstki biologiczne takie jak wirusy, czy cząsteczki DNA, ruch elektronów w drucie, zostaje zaburzony. W ten sposób otrzymuje się niezwykle czułe sensory, które mogą wykryć i identyfikować obecność nawet pojedynczych molekuł.

"Nanodrut możemy skracać pozostawiając jedynie +kuleczkę materiału+ ograniczoną we wszystkich trzech wymiarach. Takie obiekty zwane są +kropkami kwantowymi+ lub - przez podobieństwo ich własności do własności atomów – +sztucznymi atomami+. Elektrony zamknięte w kropkach kwantowych nie mogą się poruszać, są zlokalizowane w przestrzeni i potrzebują energii, żeby uciec z kropki kwantowej. Kropki kwantowe wykorzystywane są jako bardzo efektywne źródła światła i mają zastosowanie w optoelektronice, w medycynie czy biologii" - wyjaśnia prof. Karczewski.

Ekspert dodaje, że zakres badań, jakie prowadzi się na strukturach o ograniczonej wymiarowości jest bardzo szeroki i jest to obecnie jeden z dominujących nurtów badań materiałowych.

W badaniach prowadzonych w IF PAN naukowcy do wytwarzania studni, drutów i kropek kwantowych wykorzystują tzw. technologię epitaksji z wiązek molekularnych. Studnie kwantowe z półprzewodników hodowane są w ultrawysokiej próżni na podłożach krystalicznych. W ramach programu MISTRZ, zespół prof. Karczewskiego chce wykorzystać dotychczasowe doświadczenie i zastosować rozwijaną od lat do wytwarzania nanostruktur z tzw. izolatorów topologicznych.

Izolatory topologiczne - jak opowiada prof. Karczewski - to specyficzna grupa półprzewodników, odkryta dopiero kilka lat temu. "Mają one tę własność, że na ich powierzchni powstają stany elektronowe, które przewodzą prąd elektryczny bez strat. Jeśli udałoby się zrobić przyrządy elektroniczne działające na bazie takich materiałów, zużycie energii mogłoby zostać ograniczone" - spodziewa się ekspert z IF PAN.

"Nasze badania są na granicy poznania. Nie można przewidzieć do czego takie materiały jak izolatory topologiczne będą wykorzystane w przyszłości. Naszym zadaniem jest opanowanie technologii obróbki tych materiałów, w szczególności technologii wytwarzania struktur niskowymiarowych z tych materiałów, zbadanie ich właściwości, a dopiero potem pokazanie, że mogą one mieć potencjalne zastosowania" - kończy naukowiec.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala