Математика и Computer Science

Российские математики придумали способ контролировать высоту нитевидных нанокристаллов

Электронно-микроскопическая фотография нановискеров.

Карл Саберфельд/Nanoletters

Российские ученые совместно с немецкими коллегами сумели объяснить неклассическое поведение роста нитевидных нанокристаллов (нановискеров), выращиваемых методом молекулярно-пучковой эпитаксии, а также придумали способ управлять кинетикой роста нановискеров, которые в дальнейшем планируется использовать в электронных приборах нового типа. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журналах Nanolletters и Computational Materials Science.

Нановискеры — это «наноцилиндры» длиной несколько тысяч нанометров и диаметром 20-40 нанометров (нанометр равен одной миллиардной доле метра). Группа исследователей из Института вычислительной математики и математического моделирования СО РАН и Новосибирского государственного университета под руководством доктора физико-математических наук профессора Карла Сабельфельда совместно с немецкими физиками из Института твердотельной электроники имени Пауля Друде (Берлин) изучила кинетику роста нановискеров из нитрида галлия (GaN), которые были получены путем напыления атомов галлия и азота на подложку. Такой способ выращивания называется методом молекулярно-пучковой эпитаксии.

Потоки атомов галлия и азота в условиях вакуума и при высокой температуре бомбардируют подложку, вследствие чего начинают формироваться островки, а затем уже сами нановискеры. Весь процесс занимает несколько часов. Кинетика этого процесса изучалась на нановиксерах размером от нескольких десятков нанометров до нескольких тысяч нанометров. Если графен называют двумерным материалом, то нановискеры — одномерным.

Суть работы по исследованию роста нитевидных нанокристаллов — ответить на загадочное поведение роста нановискеров, которые получали напылением атомов галлия и азота на подложку. «Дело в том, что в самом начале их роста высоты нановискеров сильно разнятся, поскольку они рождаются в разное время и имеют разные радиусы. Но в процессе роста они, вопреки ожиданиям и современным физическим представлениям, начинают выравниваться по высоте», — прокомментировал Карл Сабельфельд.

Исследователям удалось объяснить этот феномен с помощью компьютерного моделирования. Ученые выяснили, что выравнивание нановискеров по высоте происходит за счет многократного перерассеяния атомов галлия между соседними группами нановискеров. Теперь исследователи могут предсказывать распределение нановискеров по высоте и диаметру в процессе их спонтанного роста, в зависимости от условий выращивания.

В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию различных электронных приборов нового типа на основе нановискеров. «Перспективы данного исследования очень серьезные, поскольку интерес к выращиванию нановискеров с различными необычными электронными свойствами очень велик как со стороны теоретиков, изучающих электронные свойства нановискеров, так и со стороны наноиндустрии новых электронных элементов для квантовых компьютеров», — сказал Карл Сабельфельд.