Новосибирским ученые впервые в мире обнаружили необычное влияние света на наноэлектромеханические системы – «замороженное» изменение добротности

Новосибирским ученые впервые в мире обнаружили необычное влияние света на наноэлектромеханические системы – «замороженное» изменение добротности

Новое открытие перспективно для изучения нанорезонаторов (ультраминиатюрных приборов) и их практического применения

Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН
и Новосибирского государственного университета работали с
наномеханическим резонатором, который представлял собой очень
тонкую (сотни нанометров) колеблющуюся «подвешенную»
полупроводниковую мембрану. При воздействии на нее светом
выяснилось, что добротность — одна из основных характеристик
резонатора — изменилась и не вернулась к прежнему состоянию после
«выключения» света. Результаты работы опубликованы в журнале
Applied Physics
Letters
и статья вошла в число лучших материалов в
издании.

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) позволяют исследовать
свойства физических величин в наномире. Например, с помощью НЭМС
можно измерить массу единичной молекулы. Изучение и создание НЭМС
— один из трендов современной физики, однако в России этой
тематикой занимаются лишь несколько научных групп, одна из
которых работает в ИФП СО РАН.

Нанорезонатор обладает собственной частотой колебаний
(резонансной частотой). Она меняется под действием внешних сил,
например веса молекулы, и это можно измерить. Также
нанорезонаторы способны преобразовать энергию колебаний в
оптический сигнал или «уловить» появление новых молекул в
исследуемой среде и, соответственно, могут использоваться как
сенсоры для распознавания крайне малых количеств вещества.

«Факт того, что в результате светового
воздействия поменялась добротность устройства — удивителен, и
ранее
его никто не наблюдал. Нанорезонаторы
часто исследуют с помощью оптических методов, теперь очевидно,
что это не всегда корректно: проводя измерение, мы влияем на
саму
изучаемую систему. Добротность —
одна из самых
значимых характеристик резонатора: чем она
выше, тем лучше задана резонансная частота устройства, а значит
тем точнее можно измерить
с его помощью нужные
физические величины. Поэтому понимание механизмов, которые
определяют добротность, имеет ключевое значения для изучения и
разработки нанорезонаторов»
, — говорит первый автор статьи,
научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых
систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей
Анатольевич Шевырин.

Для создания нанорезонатора в описываемой работе использовалась
полупроводниковая многослойная структура на основе арсенида
галлия с двумерным электронным газом. При помощи ряда процедур
один из промежуточных слоев — жертвенный — избирательно
вытравливался и, таким образом, удавалось «подвесить» тонкую
полупроводниковую мембрану над подложкой. Колеблющаяся мембрана —
это и есть резонатор.

Свойства полупроводниковых наноструктур с двумерным электронным
газом, квантовыми нитями и квантовыми точками — состояниями, в
которых движение электронов ограничено (квантуется) в одном или
нескольких направлениях — предмет активного интереса в
современной физике. А если эту систему дополнительно еще
«заставить» колебаться, то обнаруживаются новые эффекты,
недоступные при исследовании в статичном состоянии.

«Эффект изменения добротности — “замороженный”, т.е.
нанорезонатор “помнит”, что на него воздействовали светом и не
возвращается в прежнее состояние. Раньше наблюдалось похожее
явление — “замороженной” фотопроводимости
, объясняющееся
так называемыми
DX-центрами. Наши эксперименты показали,
что, по всей видимости, легирующая примесь (она вводится в
полупроводник, чтобы изменить его электрические свойства ),
находясь в состоянии такого центра, определяет не только
электронные, но и механические свойства систем. В частности

то, насколько быстро затухают механические
колебания в среде. Вполне возможно, что

DX-центры можно будет в дальнейшем
исследовать с помощью нанорезонаторов, например
,
тех, что мы создаем», — добавляет Андрей Шевырин.

DX центры — это особые состояния донорной (т.е. отдающей
электроны) примеси в полупроводнике, которая вводится, чтобы
изменить его электрические свойства. Исследование свойств DX
центров имеет ключевое значение для практических применений
полупроводниковых материалов.

«Наша группа давно занимается полупроводниковыми
наноструктурами на основе арсенида галлия, и их свойства

нам очень хорошо известны.
Нано
электромеханические системы — сравнительно
новая для нас область,
которая связывает электрические и
механические свойства наноструктур, то есть находится на стыке
двух направлений. Как показывают наши эксперименты, это позволяет
обнаружить принципиально новые явления
», —
комментирует соавтор статьи, главный научный сотрудник
лаборатории неравновесных полупроводниковых систем, заведующий
кафедрой общей физики НГУ доктор физико-математических наук Артур
Григорьевич Погосов.

Работа выполнялась при поддержке Российского научного фонда
(грант № 18-72-10058) и госзадания ИФП СО РАН (грант №
0306—2019-0019).

Пресс-служба ИФП СО РАН

Иллюстрация: Изображение нанорезонатора, полученное с
помощью электронного микроскопа, масштаб: 1 микрон (одна тысячная
миллиметра). Источник фото: Shevyrin et.al/APL, 2020

Источник: scientificrussia.ru