Strona główna

Archiwum z roku 2002

Spis treści numeru 3/2002

Sointronika
Poprzedni Następny

Badania naukowe

Do tej pory działanie tranzystorów, diod emitujących światło lub laserów opierało się głównie na przekazywaniu ładunku elektrycznego. Fakt, że elektron oprócz ładunku 
posiada również spin, nie odgrywał większej roli. Dziś myślenie jest już inne.

Mariusz Karwowski 

Od dziesięciu lat w laboratoriach Instytutu Fizyki PAN trwają prace nad otrzymywaniem półprzewodników metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE). Właściwie nie byłoby w tym nic dziwnego, wszak technologii tej używa wiele ośrodków na całym świecie. Ale grupa prowadzona przez prof. Jacka Kossuta, nie zajmuje się najpopularniejszymi materiałami, typu krzem czy tzw. związki III-V (np. arsenek galu), lecz związkami II-VI, a więc m.in. tellurkiem rtęci, tellurkiem kadmu lub tellurkiem cynku. Są to związki chemiczne, których jeden atom cząsteczki pochodzi z kolumny drugiej układu okresowego pierwiastków, a drugi – z szóstej kolumny. Ma to niebagatelne znaczenie dla przebiegu całego procesu badawczego i niesie ze sobą ważne konsekwencje w analizie porównawczej otrzymanych efektów.

SPINOWE MYŚLENIE

Obraz mikroskopowy sił atomowych (z prawej)
i sił magnetycznych (z lewej) magnesu z kobaltu
(2 x 8mm) na powierzchni struktury półprzewodnikowej 
ze studnią kwantową z półprzewodnika półmagnetycznego

Epitaksja polega na otrzymywaniu cienkich warstw, w szczególności materiałów półprzewodnikowych. Na krystalicznym podłożu osadza się bardzo cienkie warstwy, z dokładnością 1-2 atomów, na przemian, raz z jednego materiału półprzewodnikowego, raz z drugiego. Odpowiedni dobór materiałów pozwala ograniczyć ruch nośników ładunku, czyli tzw. dziur lub elektronów, do bardzo cienkich płaszczyzn i sprawia, że przestaje on mieć charakter trójwymiarowy, a zyskuje de facto dwuwymiarowość. Konsekwencje tego zjawiska są bardzo ważne, nie tylko z fizycznego punktu widzenia. Dzięki temu można tworzyć wydajniejsze źródła światła, np. diody i lasery półprzewodnikowe. Poza tym, mając ruchliwsze nośniki elektronowe, da się budować z tych materiałów także szybsze tranzystory.

– To, co robimy, to osadzanie bardzo specyficznych materiałów półprzewodnikowych, które nazywamy półprzewodnikami półmagnetycznymi albo rozcieńczonymi półprzewodnikami magnetycznymi – wyjaśnia prof. Jacek Kossut. – Naszą matrycą jest półprzewodnik z tzw. materiału II-VI. Wprowadzamy tam jeszcze element magnetyczny, np. mangan, który zastępuje część np. atomów kadmu w tellurku kadmu. Materiał, który otrzymujemy, nie tylko pozwala zawęzić ruch i nadać mu charakter quasi – dwuwymiarowy, ale także ma pewne własności, uwidaczniające się w silnym oddziaływaniu magnetycznym.

Chodzi tu głównie o oddziaływanie pomiędzy tzw. spinem elektronu lub dziury ze spinami zlokalizowanymi momentami magnetycznymi na jonach manganu. Do tej pory działanie tranzystorów, diod emitujących światło lub laserów, opierało się głównie na przekazywaniu ładunku elektrycznego. Natomiast fakt, że elektron oprócz ładunku posiada również spin, nie odgrywał większej roli. Dziś myślenie jest już inne. Pod uwagę coraz częściej bierze się wykorzystanie aspektu spinowego. Dlaczego i ta ezoteryczna własność cząstek subatomowych nie miałaby zostać wciągnięta do pracy?

– Oczywiście, mówiąc, że spin do tej pory nie był używany, upraszczamy w dużym stopniu sprawę, bo np. pamięci magnetyczne w oczywisty sposób wykorzystują spin. Ale może nie do przechowywania informacji, ale bardziej w celu ich obróbki, dotychczas zawsze używano ładunków.

W 1992 roku Instytut Fizyki PAN zakupił aparat służący do uruchomienia technologii MBE. Już półtora roku później udało się wykonać na nim pierwsze próbki. Rozpoczęto od wersji najprostszej, bez domieszek. Po paru latach zaczęto domieszkowanie na typ n, czyli takich półprzewodników, w których przewodnictwo odbywa się za pośrednictwem elektronów. Do tego celu stworzono tzw. studnie kwantowe, dwuwymiarowe obiekty z gazem elektronowym. Latem zeszłego roku, dzięki Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, zainstalowano komórkę do domieszkowania na typ p. To z kolei są takie materiały, w których przewodnictwo jest spowodowane przepływem dziur, czyli pustych miejsc po brakujących elektronach.

– Clou tej metody jest właśnie wykorzystanie spinu. To nasza specjalność. W Instytucie badania nad półprzewodnikami półmagnetycznymi prowadzone są od wielu lat, ale nigdy wcześniej nie robiono tego w takiej konfiguracji o obniżonej wymiarowości. Pojęcie spintroniki pojawiło się na świecie jakieś 5 lat temu. Czy wyprzedziliśmy świat? Myślę, że wszyscy zdawaliśmy sobie sprawę z tego, że spin jest ciekawym materiałem, tylko nigdy tego tak efektownie nie nazywaliśmy.

Urządzenie do epitaksji związku półprzewodnikowego
z wiązek molekularnych 

KIEDY KOMPUTER KWANTOWY?

Spin jest wielkością ściśle kwantową. Zatem wejście w ten obszar szczególnie uwidacznia jego obecność. A o kwantowym przetwarzaniu informacji, obliczeniach mówi się już od dłuższego czasu. Padały różne pomysły, niemniej postęp w tej dziedzinie, zdaniem prof. Kossuta, jest bardzo powolny. W tej chwili trwają spekulacje na temat tego, kiedy można spodziewać się kwantowych komputerów, stworzonych z półprzewodnikowych kropek kwantowych, a więc obiektów zerowymiarowych. Wspomniany bowiem na początku ruch elektronów, mający tu decydujące znaczenie, da się cały czas zawężać. I tak, obok studni kwantowych, można tworzyć np. druty kwantowe (obiekty jednowymiarowe) albo właśnie kropki kwantowe, czyli po prostu sztuczne atomy. Zgodnie ze światową tendencją, dąży się do miniaturyzacji wszelkich przyrządów elektronicznych. Tak się dziwnie składa, że jakoś dotąd konstruktorzy nie pałali zbytnio chęcią wykorzystywania kwantowych efektów. Wszelki przepływ prądu odbywał się na zasadzie prawa Ohma. Tymczasem zmniejszanie wymiaru powoduje, że elektrony w półprzewodnikach przestają podlegać tej zasadzie. Na pierwsze miejsce wysuwają się efekty ściśle kwantowe, np. zaczynają być widoczne falowe właściwości elektronów. To przejście ze świata klasycznej fizyki w świat rozwiązań kwantowych naukowcy starają się teraz twórczo zrealizować. I właśnie jedną z takich realizacji ma być zbudowanie kwantowego komputera. Na razie, ze względu choćby na to, że to dopiero etap badań podstawowych, jest to melodia odległej przyszłości.

– Świecenie z laserów opartych na studniach kwantowych jest na tyle efektywne, silniejsze, że po prostu opłaca się je robić. Jednak przejście od świata dwuwymiarowego do drutów i kropek kwantowych jest naszym kolejnym celem. Metody ich otrzymywania opierają się na litografii, ale można wykorzystać także inne zjawiska, które powodują, że druty lub kropki powstają spontanicznie. W tej chwili właśnie próbujemy opanować metody, które do tego prowadzą.

Inny kierunek badań, rozpoczęty już w zeszłym roku, to układy bardziej złożone. Materiały, na których pracuje grupa prof. Kossuta, są magnetycznie czułe. To powoduje, że można pewne ich własności jeszcze bardziej uwypuklać przez przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego. Robi się to zazwyczaj za pomocą wielkiego magnesu nadprzewodzącego. W IF PAN testowana jest też inna możliwość. Próbuje się mianowicie kłaść małe magnesy, ale za to bardzo blisko elektronów. Jednym słowem, na cienkiej warstwie usiłuje się osadzić małe wyspy z metalu ferromagnetycznego.

Przed badaczami stoi jeszcze jeden problem, wynikający z osobliwości materiału II-VI. Jak powszechnie wiadomo, dwa ładunki elektryczne poddawane są oddziaływaniu kulombowskiemu, a zatem jednoimienne odpychają się, różnoimienne – przyciągają. Oba te procesy są tym silniejsze, im ładunki znajdują się bliżej siebie, ale jednocześnie tym słabsze, im ośrodek, w którym są ładunki, ma tzw. wyższą stałą dielektryczną. Próżnia posiada stałą dielektryczną równą 1, a każdy inny materiał, w szczególności półprzewodnikowy, ma większą. Te własności dielektryczne matrycy, w której poruszają się elektrony, określają, czy oddziaływanie kulombowskie jest tam relatywnie słabe czy mocne.

– Tak się składa, że materiały III-V dosyć silnie ekranują. Stała dielektryczna jest tam taka, że oddziałują słabiej niż w przypadku II-VI. Jeśli interesują nas zjawiska, w których wykorzystujemy odpychanie, czyli oddziaływanie wewnątrz takiego gazu elektronowego, to materiały II-VI dają możliwość zbudowania obiektów, w których to oddziaływanie kulombowskie jest silniejsze. Ale płaci się za to cenę. Nie jest łatwo domieszkować na określony typ przewodnictwa materiału II-VI. W materiałach III-V opracowano już metody służące temu celowi, w II-VI nie do końca jest to jeszcze zrobione. Być może są jakieś fizyczne powody, dla których jest to o wiele trudniejsze do zrobienia.

WOLNIEJ, DROŻEJ, DOKŁADNIEJ

Prof. Jacek Kossut podczas ładowania 
podłoży do procesu epitaksyjnego 

Otrzymywanie półprzewodników metodą epitaksji z wiązek molekularnych jest stosunkowo drogie. Koszty są zdecydowanie większe niż choćby w bardziej standardowych metodach otrzymywania półprzewodników, np. krzemu. Ale w przypadku tej metody zyskuje się bardzo wiele. Jest ona bowiem niezwykle precyzyjna, głównie jeśli chodzi o kontrolę, w skali atomowej, grubości otrzymywanych cienkich warstw krystalicznych. Kontrola taka jest konieczna, gdy dąży się do ograniczenia wymiarowości. Niestety, w całym procesie traci się sporo materiału. Nie wszystkie wiązki atomowe wysyłane w kierunku miejsca, w którym mają one ze sobą reagować i budować kryształ, są wykorzystywane. Wiele z tych molekuł po drodze ulatuje. Nie można więc powiedzieć, by metoda ta należała do wydajnych. Jest jeszcze jeden mankament.

– Trzeba przyznać, że nie jest to proces zbyt szybki. Typowe prędkości w naszym przypadku to ok. warstwa o grubości jednej, dwóch molekuł na sekundę. Ale, jak zwykle, są dwie strony medalu. Dzięki temu, że to tak wolno zachodzi, potrafimy w sensownym czasie zareagować na różne nieprzewidziane rzeczy.

Metoda epitaksji z wiązek molekularnych stosowana jest już na skalę przemysłową. Prawie wszystkie lasery w czytnikach CD wykonane są metodą MBE. Fabryki, które tym się zajmują, wykorzystują jednak arsenek galu. Materiały II-VI są o wiele mniej popularne. W Polsce otrzymywaniem metodą MBE półprzewodników II-VI zajmuje się także grupa naukowców z Torunia. Instytut Fizyki PAN kooperuje też z zagranicznymi ośrodkami, m.in.: w Austrii (Linz), Japonii (Chiba), Niemczech (W?rzburg), Holandii (Nijmegen), Francji (Grenoble), Rosji (Sankt Petersburg) i USA (Notre Dame). Gdy mowa o laboratoriach wytwarzających materiały półmagnetyczne, to jest ich jeszcze mniej. W kraju istnieje jeden – IF PAN. Rola lidera jest tym bardziej niewdzięczna, że tak naprawdę jedyną instytucją finansującą badania w takim zakresie jest KBN. Wprawdzie FNP organizuje różnego rodzaju akcje, ale za zebrane pieniądze niewiele da się zakupić. Pracownicy Instytutu starają się więc zdobywać środki poprzez programy Unii Europejskiej lub też wyspecjalizowane agencje zagraniczne.

Grupa prowadzona przez prof. J. Kossuta liczy ok. 12 osób. W badaniach uczestniczy znacznie więcej. Współpraca z innymi pracownikami IF czy choćby z Instytutem Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego jest konieczna, bo do tego, by stwierdzić, czy kryształ jest dobrze wyhodowany, potrzebni są specjaliści, m.in. od rozpraszania promieniowania rentgenowskiego, którzy określają strukturę krystalograficzną, czy od spektroskopii, potrafiący określić, jaki procent półprzewodnika składa się z atomów kadmu, a jaki z atomów np. manganu, czyli badają skład chemiczny.

– Istnieją możliwości, by półprzewodniki stworzone dzięki tej metodzie miały lepszą strukturę krystalograficzną. Z dużo większą precyzją potrafimy bowiem kontrolować to, co jest w małych obiektach półprzewodnikowych. Kryształy mają bardzo ściśle określone położenie przestrzenne jednych atomów względem drugich. Każde odstępstwo oznacza, że elektron, który w idealnej sytuacji porusza się prawie bez zakłócenia swego toru, w krysztale niedoskonałym ulega rozproszeniu, porusza się zatem wolniej, z mniejszą ruchliwością. Rozpraszanie jest źródłem oporu. Jeżeli potrafię zrobić kryształy idealne, w których elektrony poruszają się szybciej, to stworzone z nich tranzystory będą szybciej działać.

POLIMERY CZY PÓŁPRZEWODNIKI

Czysty półprzewodnik nie przewodzi prądu. Żeby prąd zaczął płynąć, co jest wykorzystywane w praktyce, trzeba odejść od czystości tego półprzewodnika. W miejsce jednego z atomów tworzących półprzewodnik wkłada się tzw. domieszkę. Po tej operacji położenie jednych atomów względem drugich nie jest już takie regularne. Im więcej domieszek, tym elektrony wolniej się poruszają. Więcej domieszek oznacza więcej elektronów, ale wolniej się one poruszają. To jest właśnie klasyczny konflikt interesów. Czy lepiej mieć więcej elektronów, czy też szybciej się poruszających? W zależności od tego, jakie ma być późniejsze zastosowanie, decydowano się albo na jedno, albo na drugie. W układach dwuwymiarowych udało się odseparować te dwie rzeczy. W jaki sposób? Otóż wprowadzono domieszki w warstwie, w której nie odbywał się przepływ prądu, a elektrony przełożono do innej tak, że w konsekwencji ich ruch był zaburzony w dużo mniejszym stopniu. Tak powstały np. tranzystory o ogromnych ruchliwościach, stosowane choćby w telefonach komórkowych. Układy o obniżonej wymiarowości wykazują także lepsze własności optyczne. Na czym bowiem polega wyświecenie kwantu światła w diodzie? Trzeba doprowadzić mniej więcej w jedno miejsce zarówno dziurę, jak i elektron, który spadając na wolne miejsce wyświetla kwant światła. Jeżeli w jakiś sposób zwiększy się możliwości obsadzenia takich stanów, to będzie silniejsze świecenie. Wraz ze zmniejszeniem wymiaru, można zmieniać ilość dozwolonych stanów, z których może elektron spadać na dziurę. W zerowymiarowych kropkach kwantowych, tak jak w atomach, jest to niezwykle wydajne. W związku z tym, lasery z kropek kwantowych być może niedługo zastąpią lasery ze studni kwantowych, które są już w powszechnym użyciu. A czy półprzewodniki zostaną wyparte przez polimery?
– Nie upieram się przy przewodnikach, ale badania nad polimerami trwają już od kilkudziesięciu lat. I jakoś do tej pory nikt nie stworzył komputera z poliacetylenu ani z arsenku galu. Na razie dominuje krzem. Niewykluczone jednak, że badania prowadzone nad materiałami organicznymi zostaną wkrótce wykorzystane w praktyce. W tym momencie bardzo silnym ograniczeniem jest powtarzalność technologii. Jednym się to udaje, inni mają kłopoty z powtórzeniem eksperymentów. Nie wiadomo więc, czy jest to sztuka, czy łut szczęścia, który też w badaniach jest potrzebny. Trzeba jednak przyznać, że półprzewodniki organiczne to bardzo ciekawy kierunek. Przewidzieć się jednak nie da, co nas czeka w najbliższej przyszłości. To pokaże życie – kończy prof. Jacek Kossut.

W tej chwili krzem jest zupełnie nieprzydatny do zastosowań optoelektronicznych. Uwaga naukowców pracujących w tym zakresie skupia się na związkach półprzewodnikowych, głównie III-V. Próbowano już budować lasery pracujące na krótszych falach, a więc z materiałów II-VI. Mają one bowiem taką cechę, zwaną fachowo przerwą energetyczną, która jest w nich większa, a co za tym idzie światło, uzyskane z lasera opartego na takim materiale, może mieć krótszą falę, czyli posiadać wyższą energię. Po wielu latach prób okazało się, że lasery zbudowane z materiału II-VI są nietrwałe i że lepiej uzyskać laser niebieski, wykorzystując azotek galu, czyli znów materiał III-V. Jak więc widać, droga do celu jest bardzo kręta i zawiła. I wcale niewykluczone, że wrócimy do krzemu, pracując nad niebieskimi źródłami światła. Już teraz pojawiają się doniesienia o zaobserwowaniu wymuszonej emisji światła z bardzo małych krystalitów krzemowych.

 

Komentarze