Архив

Важнейшие результаты законченных исследований

Предсказан и экспериментально зарегистрирован эффект управляемого пиннинга контролируемо зарождаемой доменной стенки в системе ферромагнитная нанопроволока — ферромагнитные наночастицы, обусловленный взаимодействием доменной стенки с полями рассеяния наночастиц. Наночастицы расположены с обеих сторон от нанопроволоки так, что длинная ось частиц перпендикулярна оси нанопроволоки. На основе этого эффекта предложен прототип магнитной логической ячейки, реализующей функцию «Исключающее ИЛИ».

Руководитель

В. Л. Миронов

Авторы

В. Л. Миронов, О. Л. Ермолаева, Е. В. Скороходов, А. Ю. Климов

Аннотация

Проведены исследования контролируемого пиннинга доменной стенки в планарной ферромагнитной системе нанопроволока-наночастицы, обусловленного взаимодействием доменной стенки с полями рассеяния наночастиц. Намагниченная нанопроволока имела на одном конце расширение в виде круглого диска, предназначенное для контролируемого зарождения магнитного домена с противоположной ориентацией. Частицы были расположены с обеих сторон от нанопроволоки так, что длинная ось частиц была перпендикулярна оси нанопроволоки. Перемагничивание в таких системах происходит посредством зарождения доменной стенки в затравочной части и ее движения к свободному концу. Показано, что в зависимости от конфигурации магнитных моментов частиц в такой системе возможны несколько вариантов пиннинга доменной стенки. В случае, когда магнитные моменты наночастиц направлены противоположно, происходит сильный пиннинг доменной стенки с энергией депиннинга на уровне сотен эВ. В случае, когда моменты наночастиц сонаправлены, в системе реализуется слабый пиннинг с энергией депиннинга на уровне десятков эВ. Теоретически и экспериментально показано, что на основе данной системы можно реализовать магнитную логическую ячейку, выполняющую логическую операцию «Исключающее ИЛИ».

Публикации

1. V.L. Mironov, O. L. Ermolaeva, E. V. Skorohodov, and A. Yu. Klimov «Field-controlled domain wall pinning-depinning effects in ferromagnetic nanowire-nanoislands system», Physical Review B, V. 85, 144418 (2012).
2. О.Л. Ермолаева, В. Л. Миронов «Магнитные логические ячейки на основе ферромагнитных наночастиц и нанопроволок», Труды XV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 14−18 марта 2011 г.) с. 338−339.
3. V.L. Mironov, O. L. Ermolaeva, E. V. Skorohodov, A. Yu. Klimov «Field-controlled domain wall pinning-depinning effects in ferromagnetic nanowire-nanoparticle system», Proceedings of International Conference ²Functional Materials² (²ICFM — 2011²), (Partenit, Crimea, Ukraine, October 3 — 8, 2011), p. 369.
4. О.Л. Ермолаева, В. Л. Миронов, Е. В. Скороходов «Эффекты контролируемого пиннинга доменной стенки в ферромагнитных системах нанопроволока-наночастицы», Труды XVI Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника 2012» (Нижний Новгород, 12−16 марта 2012 г.) с. 119−120.
5. V.L. Mironov, O. L. Ermolaeva, E. V. Skorohodov, A. Yu. Klimov «Magnetic logical cells based on domain wall pinning effects in ferromagnetic nanowire-nanoparticles systems» Proceedings of International conference «Micro- and Nanoelectronics-2012» (October 1−5, 2012, Zvenigorod, Russia), p. O2−09.

Для создания стендов нанолитографии следующего поколения с пространственным разрешением до 8 нм предложены многослойные зеркала на основе La/B (La/B4C) для спектральной области вблизи 6.7 нм. Синтезированы La/B4C/C зеркала нормального падения со сверхтонкими углеродными барьерными слоями с рекордным коэффициентом отражения 58.6%, что позволяет начать разработку многозеркальных схем нанолитографов с рабочей длиной волны излучения 6.7 нм.

Руководитель

Н. Н. Салащенко

Авторы

Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало, В. Н. Полковников, С. Д. Стариков — ИФМ РАН;
S. Künstner, F. Schäfers — Institute for Nanometre Optics and Technology, HZB-BESSY-II, Берлин, Германия

Аннотация

Создана технология нанесения La/B4C/C многослойных зеркал с рекордными, до 59%, коэффициентами отражения при нормальном падении на длине волны 6.7 нм. Показан позитивный эффект применения антидиффузионных барьерных слоев из сверхтонких пленок углерода, что в целом указывает на перспективы этого способа повышения оптического контраста на границах La/B4C многослойных структур и побуждает к поиску других материалов барьерных слоев. Следующим шагом, который должен привести к заметному увеличению коэффициентов отражения La/B4C зеркал, является использование совместно с антидиффузионными слоями операции полировки поверхности любого выбранного свеженанесенного слоя низкоэнергетичными ионами («ионная полировка»). Травление пленки ионами, во-первых, убирает с поверхности растущей пленки более рыхлый слой, способствующий взаимодиффузии материалов, а во-вторых, как можно предполагать, может уменьшить шероховатость поверхности и, соответственно, увеличить оптический контраст межслоевых границах. Для этих целей в ИФМ РАН создана установка, оснащенная 4-мя магнетронными распылителями и 4-мя ионными источниками, два из которых обеспечивают травление растущей пленки низкоэнергетическими ионами Ar+, а два других предназначены для ионного распыления мишеней, альтернативного магнетронному распылению. Предварительные эксперименты показали, что использование «ионной полировки» увеличило коэффициенты отражения La/B4C зеркал на длине волны λ = 6.7 нм на несколько процентов.

Также мы надеемся увеличить коэффициенты отражения зеркал за счет замены карбида бора чистым бором или его соединением с большим содержанием бора, например, B9C.

Таким образом, после многолетней стагнации результатов по La/B4С наметился заметный прорыв в части повышения коэффициентов отражения зеркал, что позволяет с оптимизмом смотреть на возможность достижения высоких, 60−70%, коэффициентов отражения и выполнить требования к многослойным зеркалам для нанолитографии следующего поколения с рабочей длиной волны в окрестности 6.7 нм.

Публикации

1. С.Ю. Зуев, Е. Б. Клюенков, К. А. Прохоров, Н. Н. Салащенко, «Многослойные дисперсионные элементы на основе B4C для спектральной области λ=6.7−8 нм», Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, N1, с. 32−36 (2002).
2. Н.Н. Салащенко, Н. И. Чхало, «Коротковолновая проекционная литография», Вестник Российской Академии Наук, Т. 78 (№ 5), с.13−20 (2008).
3. N.I. Chkhalo, N. N. Salashchenko, «Projection XEUV-nanolithography», Nuclear Instrum. and Methods in Physics Research A, V. 603 (1−2). pp. 147−149 (2009).
4. S.S. Andreev, M. M. Barysheva, N. I. Chkhalo, S. A. Gusev, A. E. Pestov, V. N. Polkovnikov, N. N. Salashchenko, L. A. Shmaenok, Y. A. Vainer, S. Y. Zuev, «Multilayered mirrors based on La/B4C (B9C) for X-ray range near anomalous dispersion of boron (λ≈6.7 nm)», Nucl. Instrum. and Methods in Physics Research A, V. 603 (1−2). pp. 80−82 (2009).
5. D. Glushkov, V. Ye. Banine, L. A. Sjmaenok, N. N. Salashchenko, N. I. Chkhalo, «Multilayer mirror and lithographic apparatus» WO 10091907 A1. 19.08.2010.
6. С.С. Андреев, М. М. Барышева, Н. И. Чхало, С. А. Гусев, А. Е. Пестов, В. Н. Полковников, Д. Н. Рогачев, Н. Н. Салащенко, Ю. А. Вайнер, С. Ю. Зуев, «Многослойные зеркала на основе La/B4C и La/B9C для спектральной области аномальной дисперсии бора (длин волны 6.7 нм)», ЖТФ, Т. 80 (8), pp. 93−100 (2010).
7. М.М. Барышева, А. Е. Пестов, Н. Н. Салащенко, М. Н. Торопов, Н. И. Чхало, «Изображающая многослойная оптика для мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового диапазонов», УФН, Т. 182 (7), сс. 727−747 (2012).
8. N.I. Chkhalo, S. Künstner, V. N. Polkovnikov, N. N. Salashchenko, F. Schäfers, S. D. Starikov, «High performance La/B4C multilayer mirrors with barrier layers for the next generation lithography», Appl. Phys. Lett. V. 102, Iss. 1, P. 011602 (2013).

Предложен и впервые реализован метод селективного легирования кремниевых эпитаксиальных структур донорными примесями в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии, основанный на использовании явления сегрегации, контролируемой температурой роста. Получены рекордные по параметрам дельта-слои, легированные сурьмой, в которых изменение на порядок концентрации примеси достигается на масштабах в единицы нанометров. Подобные структуры актуальны для приемников миллиметрового диапазона на основе диодов Шоттки.

Авторы

А.В. Новиков, Д. В. Юрасов, М. Н. Дроздов, А. В. Мурель

Аннотация

Сегрегация основных донорных примесей (мышьяка, сурьмы и фосфора) в кремнии значительно осложняет получение необходимых для многих приборных приложений селективно легированных областей толщинами от единиц (т.н. δ-легированных слоев) до нескольких сотен нанометров. В работе предложен оригинальный метод селективного легирования кремниевых структур в процессе их молекулярно-пучковой эпитаксии. Метод основан на контролируемом использовании сегрегации примеси, а именно резкой температурной зависимости коэффициента сегрегации примеси при переходе от режима равновесной сегрегации к режиму кинетически ограниченной сегрегации.

Предлагаемый метод экспериментально реализован на примере сурьмы (Sb), наиболее часто используемой донорной примеси в процессе в МПЭ кремниевых структур. Согласно литературным данным и проведенным экспериментальным исследованиям коэффициент сегрегации Sb в кремнии в интервале температур роста 300С-550С меняется почти на пять порядков величины, при этом при температуре роста 300С-350С в объем растущей пленки встравается один из 100 атомов примеси, находящихся на поверхности, а при 500−550ºС — только один из 105-106. В развиваемом методе селективного легирования кремния для создания сильно легированных областей используются температуры роста 300−370ºС с предварительным осаждением на поверхность атомов Sb в количестве, необходимом, с учетом коэффициента ее сегрегации, для создания заданной объемной концентрации примеси. Такое предосаждение позволяет получить резкий профиль нарастания концентрации примеси. Для поддержания постоянной объемной концентрации примеси при росте легированных слоев на поверхность совместно с Si подается поток Sb, необходимый для сохранения постоянной концентрации атомов примеси на поверхности роста. Для создания резкой границы между слоями с высокой и низкой объемными концентрациями примеси используется остановка роста с повышением температуры до 500−550ºС. Несмотря на высокую концентрацию атомов примеси на поверхности роста, оставшихся после формирования легированного слоя, из-за очень большого значения коэффициента сегрегации Sb ее объемная концентрация в Si слоях, формируемых в данном диапазоне температур роста, мала. При формировании Si: Sb структур, содержащих несколько слоев с различным уровнем легирования, описанные выше шаги повторяются необходимое число раз.

Проведенные исследования сегрегационных свойств Sb в Si от температуры роста позволили, как моделировать распределение Sb в растущих пленках в зависимости от условий роста, так и определять параметры роста (температуру роста, поток атомов Sb из источника), необходимые для получения заданных профилей распределения примеси. Экспериментально продемонстрировано, что предлагаемый метод легирования позволяет в диапазоне концентраций 1016 см-3 — 1020 см-3 получать в кремнии легированные слои с резким распределением Sb, изменение на порядок концентрации примеси в которых происходит на масштабах в единицы нанометров. Параметры (размер легированной области, градиент концентрации примеси) дельта-легированных Si: Sb слоев, сформированных с использованием развитого метода, соответствуют лучшим значениям, приведенным в литературе. Показано, что формирование легированных областей с помощью предложенной методики не приводит к ухудшению структурных и электрических свойств структур.

Предложенный метод селективного легирования кремния донорными примесями использован для роста Si: Sb структур с тонкими, приповерхностными, сильнолегированными слоями с целью создания на их основе диодов Шоттки с пониженной эффективной высотой барьера за счёт доминирующей роли туннельной компоненты тока… Отработана методика удаления с поверхности Si слоев нанометровой толщины, позволяющая за счет уменьшения толщины легированного слоя контролируемо изменять высоту барьера Шоттки от 0 эВ (омический контакт) до 0.6 эВ. Совместное использование развитого метода селективного легирования кремния и методики прецизионного удаления поверхностных слоев позволяет получать диоды Шоттки с высотой барьера 0.25−0.35 эВ, необходимые для создания приемников миллиметрового диапазона.

Публикации

1. D.V. Yurasov, M. N. Drozdov, A. V. Murel, M. V. Shaleev, N. D. Zakharov and A. V. Novikov, «Usage of antimony segregation for selective doping of Si in molecular beam epitaxy», J. Appl. Phys. 109, 113533−7 (2011).
2. Д.В. Юрасов, М. Н. Дроздов, А. В. Мурель, А. В. Новиков, «Метод селективного легирования кремния сегрегирующими примесями», Письма в ЖТФ 37 (17), 75−81 (2011).
3. М.Н. Дроздов, З. Ф. Красильник, А. Д. Кузнецов, М. В. Шалеев, Д. В. Юрасов, «Использование сегрегации сурьмы для управляемого легирования кремния и Si/Ge гетероструктур», Материалы XIV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 16−19 марта 2010 г., Нижний Новгород, Россия, т.2, стр. 509−510.
4. А.В. Антонов, М. Н. Дроздов, А. Д. Кузнецов, А. В. Мурель, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, Д. В. Юрасов, «Сегрегация Sb в SiGe гетероструктурах и ее использование для создания селективно-легированных структур», Тезисы докладов VII Международной конференции «Кремний-2010», Нижний Новгород, 6−9 июля 2010 г., стр. 121.
5. М.Н. Дроздов, А. В. Мурель, А. В. Новиков, Д. В. Юрасов, «Метод управляемого, селективного легирования кремния и SiGe гетероструктур сегрегирующими примесями», Материалы XV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 14−18 марта 2011 г., Нижний Новгород, Россия, т.1, стр. 242−243.
6. М.Н.Дроздов, А. В. Мурель, А. В. Новиков Д. В. Юрасов, «Методика селективного легирования SiGe гетероструктур сегрегирующими примесями», Тезисы Х Российской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, 19−23 сентября 2011 г., стр. 183.

Развита технология создания ферромагнитных наночастиц, состоящих из сверхтонких слоев ферромагнитных металлов, разделенных туннельно-прозрачными диэлектриком. В нулевом внешнем магнитном поле многослойная частица, обладающая анизотропией типа «легкая плоскость» и содержащая три ферромагнитных слоя, находится в неколлинеарном состоянии. Анизотропия формы частицы приводит к существованию устойчивых коллинеарных состояний, различающихся величиной сопротивления, что актуально для устройств хранения и обработки информации.

Авторы

С.Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, А. Ю. Климов, В. Л. Миронов, И. М. Нефедов, В. В. Рогов, А. А. Фраерман, И. А. Шерешевский

Аннотация

Связь спиновых и орбитальных степеней свободы в твердых телах является предметом активного изучения в последние годы. Эта связь может быть обусловлена либо релятивистским спин-орбитальным взаимодействием, либо обменным взаимодействием. В последнем случае необходимо, чтобы распределение намагниченности в образце было неколлинеарным. Этим объясняется особый интерес к созданию и изучению проводящих ферромагнетиков с неколлинеарной структурой. Ранее нами было показано [1], что многослойная ферромагнитная частица, состоящая из трех ферромагнитных слоев, разделенных «немагнитными» прослойками обладает неколлинеарным спиральным основным состоянием. Недавно мы расширили представления об условиях существования неколлинеарных магнитных состояний в цепочках однодоменных магнитных частиц [2].

В рамках данной работы мы экспериментально исследовали такие состояния в цепочке, состоящей из двух туннельных магнитных контактов по зависимости сопротивления системы от внешнего магнитного поля. Возможность изучения магнитных состояний основана на хорошо известной зависимости сопротивления магнитного туннельного контакта от угла между магнитными моментами ферромагнитных слоев. При этом были решены достаточно сложные технические задачи изготовления многослойных наночастиц и измерения их магнитоспротивления при протекании тока перпендикулярно слоям. Нам удалосьпоказать, что в нулевом внешнем поле многослойная частица с диаметром 200 нм, обладающая анизотропией типа «легкая плоскость» и содержащая три ферромагнитных слоя, находится в неколлинеарном состоянии. Этот результат открывает дополнительные возможности для изучения процессов спиновой аккумуляции [3], перемагничивания спин-поляризованным током [4], нелинейных спин-зависимых транспортных явлений [5, 6] и эффектов близости в структурах ферромагнетик /сверхпроводник [7]. Также нами установлено, что анизотропия формы многослойной частицы приводит к существованию устойчивых коллинеарных состояний, различающихся величиной сопротивления. Это делает такие системы перспективными для использования в устройствах хранения и обработки информации.

1. A. A. Fraerman et al., J. of Appl. Phys. 103, 073916, (2008);
2. К.Р.Мухаматчин, А. А. Фраерман, Письма в ЖЭТФ, т.93, вып.12, с.797−800 (2011);
3. S. Urazhdin et al, Phys. Rev. B 71, 100401R (2005);
4. O. Wessely et al, PRL 96, 256601 (2006);
5. A. A. Fraerman, O. G. Udalov, Phys. Rev. B 77, 94401, (2009);
6. D. Herranz et al, PRL 105, 047207 (2010);
7. F. S. Bergeret, A. F. Volkov, K. B. Efetov, Rev. of Modern Phys., 77, 1321 (2005).

Публикации

1. С.Н.Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев и др., Магнитосопротивление и неколлинеарные состояния многослойных ферромагнитных наночастиц, Письма в ЖЭТФ, т.94, вып.5, с.418−421 (2011)

Разработана технология изготовления свободно висящих многослойных интерференционных структур, на базе которых созданы фазовращатели и четверть-волновые пластинки для спектральной области 1.5−4.5 нм, цилиндрические дисперсионные элементы и радиационно-стойкие абсорбционные фильтры с характеристиками, существенно превышающими мировые аналоги. Эти элементы нашли применения в России и за рубежом для диагностики плазмы, в исследованиях на синхротронах, в астрофизике и проекционной нанолитографии.

Авторы

А. Я. Лопатин, В. И. Лучин, Е. Б. Клюенков, Н. Н. Салащенко, Н. Н. Цыбин, Н. И. Чхало

Аннотация

Разработанная методика формирования свободновисящих пленок сочетает возможности магнетронного способа нанесения многослойной структуры на гладкую подложку и ряда технологических приемов, обеспечивающих сохранение оптических параметров и механической прочности структуры при переносе с подложки на опорную рамку. Она позволяет синтезировать многослойные композиции с широким набором заданных характеристик, необходимых для создания рентгенооптических элементов с новыми свойствами. Получены свободновисящие периодические структуры с малой шероховатостью межслойных границ (s ≈ 0.3 нм), не уступающие по отражательным характеристикам зеркалам на полированных подложках и способные работать как на пропускание, так и на отражение. Продемонстрированы образцы ультратонких (толщиной 25−50 нм) свободновисящих многослойных пленок большого размера (80−160 мм), достаточно прочных для практического использования в качестве абсорбционных фильтров.

Методика использована при изготовлении многослойных тонкопленочных фазовращателей на пропускание, предназначенных для измерений состояния поляризации синхротронного излучения. Разработаны и исследованы короткопериодные фазовращатели на диапазон 1.5−4.5 нм. Впервые в данном диапазоне изготовлен аналог оптической четвертьволновой пластинки: структура Cr/Sc с периодом d = 3.2 нм и числом периодов N = 300 обеспечивает на длине волны λ = 3.1 нм сдвиг фаз между s- и p-поляризованными компонентами излучения D = 90° при пропускании обеих поляризаций, близком к 0.4%. Многослойные тонкие пленки W/B4C с малым периодом (d ~ 1.5 нм) предложено использовать в качестве широкополосных фазовращателей для области длин волн l = 1 — 2 нм, изготовлены образцы таких структур.

Приемы методики получения многослойных свободновисящих пленок применены при создании фокусирующих зеркальных дисперсионных элементов светосильного спектрометра. Цилиндрическое рентгеновское зеркало выполнено в виде многослойной структуры, перенесенной на плоскую поверхность тонкой пластинки слюды с последующим изгибом на радиус 20 мм. Исследованы спектральные характеристики многослойных зеркал на основе структур Cr/Sc, Cr/C и Zr/Si, предназначенных для работы в недоступном для естественных кристаллов диапазоне от 3 до 15 нм.

Разработаны тонкопленочные абсорбционные фильтры на основе Cr/Sc, Mo/C, Zr/Al, Al/Si, молибдена, циркония и их силицидов, и других многослойных структур с окнами прозрачности в различных участках диапазона 2−60 нм, предназначенные для спектральной диагностики источников МР и ЭУФ излучения. Al/Si пленочные структуры повышенной прочности применены в качестве входных фильтров в телескопах орбитальной станции КОРОНОС-ФОТОН, разработанных в ФИАНе.

Для применения в стендах проекционной нанолитографии на длине волны 13.5 нм на основе новых многослойных композиций разработана технология изготовления термостойких свободновисящих абсорбционных фильтров с рекордными характеристиками (апертура 160 мм, толщина 50 нм и пропускание ≥ 70%). Тестовые испытания свободновисящих многослойных структур Mo/ZrSi2 позволяют прогнозировать возможность долговременной работы фильтра в условиях нагрева излучением до 850 °C в среде остаточных газов кислорода, воды и водорода.

Публикации

1. N.I. Chkhalo, M. N. Drozdov, S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, A. Ya. Lopatin, V. I. Luchin, N. N. Salashchenko, L. A. Shmaenok, N. N. Tsybin, B. A. Volodin. Freestanding multilayer films for application as phase retarders and spectral purity filters in the soft X-ray and EUV ranges. Proc. of SPIE 2011, V. 8076, Р. 80760O-1−11.
2. А.Я. Лопатин, В. И. Лучин, Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало, А. П. Шевелько, О. Ф. Якушев. Новые фокусирующие многослойные структуры для рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии плазмы. ЖТФ 2010, т. 80, в. 7, 105−110
3. Ю.Э. Бороздин, Е. Д. Казаков, В. И. Лучин, Н. Н. Салащенко, И. Ю. Толстихина, В. В. Чернов, Н. И. Чхало, А. П. Шевелько, О. Ф. Якушев. Рентгеновская и ВУФ спектроскопия плазмы с использованием новых фокусирующих многослойных структур. Письма в ЖЭТФ 2008, 87, в.1, 33−35.

В гетероструктурах с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe с инвертированной зонной структурой (двумерные топологические изоляторы) методом циклотронного резонанса выявлен близкий к линейному характер закона дисперсии электронов. Минимальная измеренная масса на дне зоны — 0.003 массы свободного электрона. Циклотронная масса возрастает при увеличении ширины квантовой ямы. В асимметричной квантовой яме обнаружено гигантское (30 мэВ) спиновое расщепление Рашбы по расщеплению линии ЦР.

Авторы

А.В. Иконников, М. С. Жолудев, А. А. Ластовкин, К. Е. Спирин, К. В. Маремьянин, В. Я. Алешкин, В. И. Гавриленко — ИФМ РАН;
С.А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов — ИФП СО РАН.

Аннотация

Спектры циклотронного резонанса в узкозонном образце, измеренные с помощью квантового каскадного лазера на частоте 2.6 ТГц при последовательном увеличении концентрации электронов.

Гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe обладают целым рядом уникальных свойств, что в последние годы привлекает большой интерес многих исследовательских групп. При толщине квантовой ямы равной критической (dc ~ 6.3 нм для квантовой ямы из чистого HgTe) в структуре реализуется линейный закон дисперсии, соответствующий двумерным безмассовым дираковским фермионам. При толщине квантовой ямы больше критической закон зонная структура становится инвертированной и система становится двумерным топологическим изолятором. Большая величина спин-орбитального взаимодействия приводит в случае инвертированной зонной структуры, когда нижняя подзона в зоне проводимости сформирована состояниями p-типа, к существенно (на порядок большему) расщеплению Рашбы при наличии встроенного электрического поля по сравнению с нормальной зонной структурой.

В работе впервые измерены спектры циклотронного резонанса структурах на основе HgTe/CdTe с толщиной квантовой ямы близкой к критической и очень малой концентрацией 2D электронов (от 6*109 см-2 до 3*1010 см-2) в квантующих магнитных полях и обнаружены линии поглощения между нижними уровнями Ландау (см. рис.), положение которых практически соответствует линейному закону дисперсии (безмассовому дираковскому фермиону). Впервые продемонстрировано, что в структурах с инвертированным зонным спектром величина циклотронной массы возрастает с увеличением ширины квантовой ямы. В структуре со встроенным электрическим полем (одностороннее селективное легирование барьера) обнаружено сильное (свыше 10%) расщепление линии циклотронного резонанса в классических магнитных полях, соответствующее гигантскому расщеплению Рашбы порядка 30 мэВ.

Публикации

1. A.V.Ikonnikov, M. S. Zholudev, K. E. Spirin, A. A. Lastovkin, K. V. Maremyanin, V. Ya. Aleshkin, V. I. Gavrilenko, O. Drachenko, M. Helm, J. Wosnitza, M. Goiran, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, F. Teppe, N. Diakonova, C. Consejo, B. Chenaud, W. Knap. Cyclotron resonance and interband optical transitions in HgTe/CdTe (013) quantum well heterostructures. Semicond. Sci. Technol. v.26, 125011 (2011).
2. А.В.Иконников, А. А. Ластовкин, К. Е. Спирин, М. С. Жолудев, В. В. Румянцев, К. В. Маремьянин, А. В. Антонов, В. Я. Алёшкин, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов, Ю. Г. Садофьев, N. Samal. Терагерцовая спектроскопия узкозонных гетероструктур с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe. Письма в ЖЭТФ, том 92, вып.11, стр.837−841 (2010).
3. К.Е.Спирин, А. В. Иконников, А. А. Ластовкин, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов. Спиновое расщепление в гетероструктурах HgTe/CdHgTe(013) с квантовыми ямами. Письма ЖЭТФ, т.92, вып.1, с.65−68 (2010).
4. В.И.Гавриленко, А. В. Иконников, А. А. Ластовкин, К. Е. Спирин, М. С. Жолудев, В. В. Румянцев, К. В.Маремьянин, А. В. Антонов, В. Я. Алёшкин, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов. Узкозонные гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe для приёмников терагерцового диапазона. VII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Тезисы докладов. Нижний Новгород, 2011, с.25−26.
5. Иконников А. В., Ластовкин A. A., Спирин К. Е., Жолудев М. С., Маремьянин К. В., Антонов А. В., Алёшкин В. Я., Гавриленко В. И., Дворецкий С. А., Михайлов Н. Н. Узкозонные гетероструктуры с квантовыми ямами на основе соединений HgTe/CdTe. Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2011, т.1, стр.149−150.
6. Ластовкин А. А., Иконников А. В., Спирин К. Е., Жолудев М. С., Гавриленко В. И., Дворецкий С. А., Михайлов Н. Н., Садофьев Ю. Г., Самал Н. Исследование циклотронного резонанса полупроводниковых наноструктур с квантовыми ямами на основе HgCdTe. Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2011, т.2. стр.502−503.
7. В.И. Гавриленко, К. Е. Спирин, А. В. Иконников, М. С. Жолудев, А. В. Антонов, А. А. Ластовкин, В. В. Румянцев, В. Я. Алешкин, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов. Узкозонные гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgTe/CdTe. Тез. X Росс. конф. по физике полупроводников. Н. Новгород, 19−23 сентября 2011 г. ННГУ, с. 51.
8. А.В. Иконников, A. A. Ластовкин, К. Е. Спирин, М. С. Жолудев, К. В. Маремьянин1, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов. Циклотронный резонанс в гетероструктурах на основе HgTe/CdHgTe c квантовыми ямами. Тез. X Росс. конф. по физике полупроводников. Н. Новгород, 19−23 сентября 2011 г. ННГУ, с. 88.
9. К.Е.Спирин, А. В. Иконников, С. С. Криштопенко, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов. Спиновое расщепление в гетероструктурах HgTe/CdHgTe(013) с квантовыми ямами. Труды XIV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2010, т.2. стр.513−514.
10. A.V.Ikonnikov, K. E. Spirink, S. S. Krishtopenko, V. I. Gavrilenko, S. A. Dvoretskiy, N. N. Mikhailov. SpinsplittinginHgTe/CdHgTe(013) quantumwellheterostructures. Proc. 18th Int. Symp. «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, June 21−26, 2010; Ioffe Institute, St. Petersburg, 2010, pp.214−215.
11. А. В. Иконников, А. А. Ластовкин, В. Я. Алешкин, М. С. Жолудев, В. И. Гавриленко, С. А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов, Циклотронный резонанс в узкозонной гетероструктуре Hg0,84Cd0,16Te/Cd0,69Hg0,31Te с квантовой ямой с графеноподобным законом дисперсии, Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech\\\'10», Москва, Россия, 1−3 ноября 2010.

Изучен механизм взаимной синхронизации в массивах джозефсоновских контактов. С использованием открытого резонатора Фабри-Перо наблюдено когерентное излучение из больших массивов ниобиевых джозефсоновских контактов с рекордно высокой эффективностью 2% на частотах 70−80 ГГц. Диэлектрическая подложка, на которой расположена сверхпроводниковая схема, играет роль диэлектрического резонатора, обеспечивающего синхронизацию собственного излучения контактов.

Руководитель

В. В. Курин

Авторы

А. М. Клушин, М. Ю. Левичев, В. А. Маркелов, В. В. Курин

(Совместно с Nankai University, Public Republic of China, Institute of Planetary Research, Germany, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany)

Публикации

1. F. Song, M. He, M. I. Faley, L. Fang, A. M. Klushin «Improved coupling of Josephson junction arrays to the open space» Applied Physics, 2010, V. 108, doi:10.1063/1.3482023.
2. F. Song, F. Müller, R. Behr, A. M. Klushin «Self-radiation from arrays of niobium Josephson junctions embedded in the open resonator» Physica C, 2010, V. 470, No 19, P. 750−753.
3. A. Semenov, O. Cojocari, H.-W. Hübers, F. Song, A. Klushin, A.-S. Müller «Application of zero-bias quasi-optical Schottky-diode detectors for monitoring short-pulse and weak terahertz radiation» IEEE Electron Device Letters, 2010, V.31, No 7, P. 674−676.
4. F. Song, M. Y. Levitchev, V. A. Markelov, V. V. Kurin L. Fang, A. M. Klushin «Millimeter-wavelength radiation from arrays of discrete high-temperature superconductor Josephson junctions» Superconductor Science Technology, 2010, V. 23, No 3, P. 034026.
5. Zh. Wang, X. J. Zhao, H. W. Yue, F. B. Song, M. He, F. You, S. L. Yan, A. M. Klushin, Q. L. Xie «A method for self-radiation of Josephson junction arrays» Superconductor Science Technology, 2010, V. 23, No 6, P. 065013.

Создан комплекс для изготовления и аттестации оптических элементов со среднеквадратичным отклонением формы поверхности от заданной менее, чем 1 нм и оптических систем с аберрацией волнового фронта на субнанометровом уровне. С использованием комплекса разработан и создан проекционный объектив для нанолитографа с рабочей длиной волны на длине волны 13,5 нм. Создание комплекса открывает возможности изготовления в России элементов рентгеновской оптики для микроскопии и астрономии свехвысокого разрешения.

Руководитель

Н. Н. Салащенко

Авторы

Е. Б. Клюенков, А. Е. Пестов, В. Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, М. Н. Торопов, Н. И. Чхало

Аннотация

Создан технологически-измерительный комплекс для изготовления и аттестации элементов изображающей (сферической и асферической) «рентгеновской» оптики с формой поверхности, выполненной с субнанометровой точностью. Для аттестации формы поверхности применяется интерферометр с дифракционной волной сравнения. На основе локального ионно-пучкового травления и вакуумного нанесения тонких пленок разработаны методы коррекции с субнанометровой точностью формы подложек для рентгенооптических элементов, изначально изготовленных с традиционной для оптической промышленностью точностью 20−100 нм. Оптимизация режимов позволяет проводить коррекцию формы без изменения микрошероховатости супергладких поверхностей. Разработанные методы измерений и коррекции формы сферических и асферических поверхностей и измерения волновых деформаций оптических систем позволяют проводить разработку объективов сверхвысокого разрешения.

Публикации

1. N.I. Chkhalo, E. B. Kluenkov, A. E. Pestov, V. N. Polkovnikov, D. G. Raskin, N. N. Salashchenko, L. A. Suslov, M. N. Toropov. Manufacturing of XEUV mirrors with sub-nanometer surface shape accuracy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. V.603. Issues 1−2. P. 62−65. 2009.
2. N.I. Chkhalo, N. N. Salashchenko. Projection XEUV-nanolithography. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. V.603. Issues 1−2. P. 147−149. 2009.
3. Е.Б. Клюенков, Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало. Работы по созданию и аттестации рентгенооптических элементов и систем сверхвысокого разрешения в ИФМ РАН. Известия РАН. Серия физическая. Том 73. № 1. С. 66−70. 2009.
4. Е.Б. Клюенков, А. Е. Пестов, В. Н. Полковников, Д. Г. Раскин, М. Н. Торопов, Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало. Измерение и коррекция формы оптических элементов с субнанометровой точностью. Российские нанотехнологии, т.3, № 9−10, C.90−98. 2008.
5. N.I. Chkhalo, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov, N. N. Salashchenko, M. N. Toropov. A source of a reference spherical wave based on a single mode optical fiber with a narrowed exit aperture. Rev. Sci. Instrum. Vol.79, 3, 2008.
6. Н.Н. Салащенко, Н. И. Чхало. Коротковолновая проекционная литография. Вестник РАН. Том 78. № 5. С.13−20. 2008.

Для создания и управления магнитным состоянием ферромагнитных наноструктур развиты методы нанолитографии и зондовой микроскопии, позволившие продемонстрировать эффективность использования системы ферромагнитных наночастиц как управляемого источника неоднородного магнитного поля, реализовать новые киральные распределения намагниченности в ферромагнитных наноструктурах и показать принципиальную возможность записи информации со сверхвысокой плотностью (~1011 бит/см2).

Руководитель

А. А. Фраерман

Авторы

С.Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, О. Л. Ермолаева, А. Ю. Климов, В. Л. Миронов, В. В. Рогов, М. В. Сапожников, О. Г. Удалов.

Аннотация

Развитые методы создания и исследования магнитного состояния ферромагнитных наноструктур позволили:

• исследовать влияние неоднородного магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на транспортные свойства джозефсоновских контактов и разбавленных магнитных полупроводников (GaMnAs). Созданы джозефсоновские контакты различной конструкции с ферромагнитными частицами, расположенными в непосредственной близости от области перехода. Для торцевых контактов с ферромагнитными частицами впервые наблюдался эффект соизмеримости, проявляющийся в наличии дополнительных максимумов на зависимости Ic(HH), что позволяет, в принципе, использовать джозефсоновский переход как фурье-анализатор неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц. Для слоистых контактов наблюдалась существенная зависимость критического тока от магнитного состояния ферромагнитных частиц [1]. Этот факт может быть использован для эффективного управления транспортными свойствами таких контактов. Нами экспериментально показано, что сопротивление гибридной структуры ферромагнитные наночастицы/ разбавленный полупроводник (GaMnAs) существенно зависит от магнитного состояния ферромагнитных частиц [2]. Это связано с влиянием магнитных полей рассеяния, индуцируемых частицами.
• реализовать новые киральные распределения намагниченности в ферромагнитных наночастицах. Нами теоретически и экспериментально показано, что в многослойной структуре, содержащей три ферромагнитных слоя, разделенных немагнитными прослойками, основным состоянием является неколлинеарное (геликоидальное) состояние. Предсказано и экспериментально реализовано антивихревое распределение намагниченности в крестообразных ассиметричных наночастицах кобальта [3−6].
• экспериментально исследовать процесс перемагничивания системы ферромагнитных (CoPt) нанодисков с перпендикулярной анизотропией под действием неоднородного поля зонда магнитно-силового микроскопа. Продемонстрирована возможность записи информации со сверхвысокой (~1011бит/см2) плотностью. Методом численного моделирования показано, что индуцированный зондом процесс перемагничивания осуществляется через неоднородное вихреподобное состояние, характеризуемое более низким энергетическим барьером по сравнению с однородными модами перемагничивания [7].

Публикации

1. S. N. Vdovichev, S. A. Gusev, Yu. N. Nozdrin, A. V. Samokhvalov, and A. A. Fraerman, E. Il’ichev, R. Stolz, and L. Fritzsch, Commensurability effects in overlap Josephson junctions coupled with a magnetic dots array, Phys. Rev. B, 73, 100503® (2006);
2. M. V. Sapozhnikov, A. A. Fraerman, S. N. Vdovichev et al, Effect of ferromagnetic nanoparticles on the transport properties of a GaMnAs microbridge, Appl. Phys. Lett. 91, 062513, 2007
3. Fraerman, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, V. L. Mironov, D. S. Nikitushkin, V. V. Rogov, S. N. Vdovichev, B. Hjorvarsson, and H. Zabel, Magnetic force microscopy of helical states in multilayer nanomagnets, J. of Applied Physics 103, 073916, 2008
4. Joonyeon Chang, V. L. Mironov, B. A. Gribkov, A. A. Fraerman, S. A. Gusev, and S. N. Vdovichev, Magnetic state control of ferromagnetic nanodots by magnetic force microscopy probe, J. of Applied Physics 100, 104304, 2006
5. V.L.Mironov, O. L. Ermolaeva, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov, B. A. Gribkov, A. A. Fraerman, G. Udalov, R. Marsh, C. Checkley, R. Shaikhaidarov V. T. Petrashov — Anti-vortex state in cross-like nanomagnets // submitted to Physical Review B
6. V.L.Mironov, O. L. Ermolaeva, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov, B. A. Gribkov, A. A. Fraerman, G. Udalov, R. Marsh, C. Checkley, R. Shaikhaidarov V. T. Petrashov — Magnetic states in cross-like nanomagnets // http://arxiv.org/abs/0909.5134
7. V.L.Mironov, B. A. Gribkov, S. N. Vdovichev, S. A. Gusev, A. A. Fraerman, O. L. Ermolaeva, A. B. Shubin, A. M. Alexeev, P. A. Zhdan and C. Binns — «Magnetic force microscope tip induced remagnetization of CoPt nanodiscs with perpendicular anisotropy» // Journal of Applied Physics, 106, 053911 1−8 (2009).

Обнаружена генерация электромагнитных волн при вынужденном комбинационном рассеянии ИК излучения на электронных состояниях мелких доноров в кремнии (P, Sb, As, Bi). Стоксов сдвиг частоты излучения определяется разностью энергий основного 1s (A1) и возбужденного 1s (E) состояний 1s мультиплета и составляет 13,02 мэВ, 12,4мэВ, 22,44 мэВ и 40,53 мэВ для доноров P, Sb, As и Bi соответственно, отражая химический сдвиг энергии основного состояния. Показана возможность создания рамановского лазера терагерцового диапазона частот на мелких донорах в кремнии.

Руководитель

В.Н. Шастин

Авторы

Р. Х. Жукавин, С. Г. Павлов — ИФМ РАН, H.-W.Hübers — Institute of Planetary Research, DLR, Germany, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen — Delft University of Technology, The Netherlands, D. A. Carder, P. J. Phillips, B. Redlich — FOM, Institute for Plasma Physics, The Netherlands, N. V. Abrosimov, H. Riemann — Institute of Crystal Growth, Germany

Аннотация

Экспериментально показано, что внутрицентровое оптическое возбуждение мелких доноров пятой группы в кремнии (фосфор P, сурьма Sb, мышьяк As, висмут Bi) осуществляемое в ИК диапазоне (частоты 9−19 ТГц) может приводить к стимулированному излучению Стокса на частотах 4,6−9 ТГц. В процессе вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) кулоновский центр переходит через виртуальное состояние из основного 1s (A1) в возбужденное 1s (E) состояние 1s мультиплета с последующей релаксацией в основное состояние, излучая акустические фононы при междолинных переходах TA-g (Si:P, Si: As) или LA-g (Si:As, Si: Bi). При этом энергия кванта излучения линейно перестраивается при изменении энергии кванта накачки, оказываясь всегда меньше последней на величину равную энергии перехода между состояниями 1s (A1) и 1s (E). Эта величина составляет 13,05 мэВ, 12,44 мэВ, 22,4 мэВ и 40,53 мэВ для доноров P, Sb, As, Bi соответственно, что отражает зависимость химического сдвига энергии основного состояния от атома примеси. Согласно измерениям, для стимулированного излучения стоксовой компоненты необходима плотность потока накачки I > 1023квант/см2 сек, и максимумы эффективности соответствуют условию резонансного/квазирезонансного возбуждения состояний p-типа на разрешенных переходах. Заметим, что подобный процесс ВКР с переходом в состояние 1s (T2) запрещен в силу симметрии распределения волновых функций электронных состояний по долинам зоны проводимости. Измерения проводились при температурах T= 5 K на образцах монокристаллического кремния с концентрацией доноров Nd@3×1015 см-3. Исследуемые образцы имели форму прямоугольного параллелепипеда размерами ~5x7x1 (5) мм3 и служили высокодобротными резонаторами для излучения Стокса. В качестве источника накачки использовался импульсный лазер на свободных электронах (FELIX, The Netherlands).

Научная ценность: впервые обнаружен эффект вынужденного комбинационного рассеяния света на примесных центрах в полупроводниках, который сопровождается усилением электромагнитных волн в терагерцовом диапазоне частот.

Практическая значимость: показана возможность создания лазера терагерцового диапазона частот на мелких донорах в кремнии, который не требует инверсной населенности состояний и может быть перестраиваемым по частоте изменением частоты оптической накачки.

Публикации

1. S. G. Pavlov, H.-W. Hübers, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, D. A. Carder, P. J. Phillips, B. Redlich, H. Rimann, R. Kh. Zhukavin and V. N. Shastin, Stimulated Terahertz Stokes Emission of Silicon Crystals Doped with Antimony Donors, Phys. Rev. Lett., 96, 037404 (2006).
2. S. G. Pavlov, H.-W. Hübers, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, H. Riemann, N. V. Abrosimov, N. Notzel, R. Kh. Zhukavin and V. N. Shastin. Silicon donor and Stokes terahertz lasers. Journal of Luminescence, 121, 304 (2006).
3. S. G. Pavlov, H.-W. Hübers, U. Böttger, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, J. N. Hovenier, B. Redlich, N. V. Abrosimov, and H. Riemann, Terahertz Raman laser based on silicon doped with phosphorus, Appl. Phys. Lett. 92, 091111 (2008).
4. S.G. Pavlov, U. Böttger, J. N. Hovenier, N. V. Abrosimov, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, and H.-W. Hübers, Stimulated terahertz emission due to electronic Raman scattering in silicon, Appl. Phys. Lett. 94, 171112 (2009).
5. S. G. Pavlov, U. Böttger, R. Eichholz, N. V. Abrosimov, H. Riemann, V. N. Shastin, B. Redlich, and H.-W. Hübers, Terahertz lasing from silicon by infrared Raman scattering on bismuth centers, Appl. Phys. Lett., 95, 201110 (2009).
6. В. Н. Шастин, С. Г. Павлов, Р. Х. Жукавин, H.-W. Hübers, H. Riemann, T. O. Klaassen, J. N. Hovenier, P. J. Phillips. Стимулированное излучение, вынужденное комбинационное рассеяние и инверсия населенности на внутрицентровых переходах доноров в кремнии. Тезисы докладов VII конференции по физике полупроводников, Москва, 18−23 сентября 2005 г. Звенигород, стр. 97.
7. S. G. Pavlov, H.-W. Hübers, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, D. A. Carder, P. J. Phillips, B. Redlich, V. N. Shastin, R. Kh. Zhukavin, Silicon Stokes terahertz laser, Program of the 28th International conference on Physics of Semiconductors, July 24−28, 2006, Vienna, Austria.
8. S. G. Pavlov, H.-W. Hübers, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, D. A. Carder, P. J. Phillips, B. Redlich, H. Riemann, N. V. Abrosimov, N. Notzel, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, Terahertz Donor and Raman Silicon Lasers, Proceedings of Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics September 18−22, 2006, Shanghai, China, p. 383.
9. S. G. Pavlov, H.-W. Hübers, U. Böttger, J. N. Hovenier, N. V. Abrosomov, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, B. Redlich and A. F. G. van der Meer, «Stimulated terahertz emission due to electronic Raman scattering in silicon», 16th International conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures, Montpellier, France, p. 174, Auguest 23−28, 2009.
10. Heinz-Wilhelm Hübers, S. G. Pavlov, U. Bötger, J. N. Hovenier, N. V. Abrosimov,
    H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, Terahertz Raman Laser from Silicon Doped by Arsenic, Procedings of IRMMW-THz 2009 conference, September 21−25, Paradise Hotel, Busan, Korea, T2A01.0100.

В спектрах примесной фотопроводимости гетероструктур с квантовыми ямами, легированными мелкими примесями, экспериментально обнаружены резонансы Фано, обусловленные взаимодействием электронов и дырок с продольными оптическими фононами. Показано, что в квантовых ямах ширина резонанса Фано определяется в основном силой взаимодействия носителей с фононами. Продемонстрирована возможность локальной диагностики характеристик оптических фононов в квантовых ямах с помощью измерений резонанса Фано в спектрах примесной фотопроводимости.

Руководитель

В.Я. Алешкин

Авторы

А.В. Антонов, В. И. Гавриленко, Л. В. Гавриленко, Д. В. Козлов — ИФМ РАН, Б. Н. Звонков — НИФТИ ННГУ.

Аннотация

Обнаружены ассиметричные максимумы в спектрах примесной фотопроводимости квантовых ям, легированных мелкими акцепторами и мелкими донорами при энергиях кванта, соответствующих энергии оптического фонона. Аналогичные особенности спектров фотопроводимости были известны для объемных полупроводников. Эти особенности обусловлены специфическими резонансными состояниями (резонансами Фано), появляющимися благодаря взаимодействию примесных состояний с продольными оптическими фононами. Показано, что в GaAs квантовых ямах, легированных мелкими донорами, ширина резонансного пика в спектре фотопроводимости пика может в несколько раз превышать таковую в объемном n-GaAs. Обнаружено, что в квантовых ямах, легированных мелкими акцепторами, ширина резонансного в спектре фотопроводимости пика оказывается меньшей, чем в объемном полупроводнике p-типа. Показано, что в напряженных квантовых ямах положение резонанса в спектрах фотопроводимости смещается из-за изменения энергии оптических фононов, что открывает возможность использования измерения спектров фототока для изучения оптических фононов в квантовых ямах.

Публикации

1. V. Ya. Aleshkin, A. V. Antonov, L. V. Gavrilenko, V. I. Gavrilenko Fano resonance study in impurity photocurrent spectra of bulk GaAs and GaAs quantum wells doped by shallow donors Phys. Rev. B v. 75,125201 (2007).
2. В.Я. Алешкин, А. В. Антонов, В. И. Гавриленко, Б. Н. Звонков, Д. В. Козлов. Примесная фотопроводимость в напряженных гетероструктурах p-InGaAs/GaAsP. Письма в ЖЭТФ, т.88, вып.3, с. 229−233 (2008).
3. В.Я. Алешкин, Л. В. Гавриленко, М. А. Одноблюдов, И. Н. Яссиевич. Примесные резонансные состояния в полупроводниках. ФТП, т.42, в. 8, сс. 899−922 (2008).
4. В.Я. Алешкин, А. В. Антонов, В. И. Гавриленко, Л. В. Гавриленко, Б. Н. Звонков. Резонансы Фано в спектре примесной фотопроводимости объемного GaAs и напряженной гетероструктуры InGaAs/GaAsP, легированных мелкими акцепторами. Направлено в ФТТ.
5. В.Я. Алёшкин, А. В. Антонов, Л. В. Гавриленко, В. И. Гавриленко, Б. Н. Звонков. Резонансы Фано в спектрах примесной фотопроводимости в гетероструктурах GaAs/InGaAsP с квантовыми ямами, легированными мелкими донорами. Нанофизика и наноэлектроника. XI Международный симпозиум, 10−14 марта 2007, Нижний Новгород, т.1.с. 191−193.
6. В.Я. Алёшкин, А. В. Антонов, Л. В. Гавриленко, В. И. Гавриленко, Б. Н. Звонков. Фононные резонансы Фано в спектре примесной фотопроводимости прямозонных полярных полупроводников и гетероструктур с квантовыми ямами n-типа. Тезисы докладов VIII Российской конференции по физике полупроводников. Екатеринбург, 30.09−05.10 2007 г. с. 345.
7. V. Ya. Aleshkin, A. V. Antonov, L. V. Gavrilenko, V. I. Gavrilenko Fano resonance study in impurity photocurrent spectra of InGaAsP/GaAs heterostructures doped by shallow donors. Proceedings of the 15th international Symposium «Nanostructures: physics and technology», Novosibirsk, Russia, June 25−29, 2007. pp.116−117.
8. В.Я. Алешкин, А. В. Антонов, Д. И. Бурдейный, В. И. Гавриленко, Б. Н. Звонков, Д. В. Козлов. Спектры примесной фотопроводимости напряженных гетероструктур InGaAs/GaAsP. XII Международный симпозиум. 10−14 марта 2008 г. Нижний Новгород. T.1, сс. 180−181
9. V. Ya. Aleshkin, A. V. Antonov, V. I. Gavrilenko, D. V. Kozlov, B. N. Zvonkov. Impurity photoconductivity in strained p-InGaAs/GaAsP heterostructures. Nanostructures: Physics and Technology 16 th International Symposium. Vladivostok, Russia, July 14−18, 2008. Proceedings. pp. 82−83.

Экспериментально обнаружено существенное влияние одноосной деформации кремния на характеристики терагерцового стимулированного излучения мелких доноров (P, Sb, As, Bi) при их оптическом возбуждении. Это проявляется в переключении длины волны рабочих переходов (для As, Bi), в значительном уменьшении пороговой интенсивности накачки, и увеличении эффективности излучения (10 — 100 раз). Указанные изменения вызваны увеличением времени жизни на возбужденных примесных состояниях, благодаря подавлению рассеяния на междолинных фононах при относительном смещении долин в деформированном кристалле.

Руководитель

В.Н. Шастин

Авторы

В.Н. Шастин, Р. Х. Жукавин, К. А. Ковалевский, В. В. Цыпленков, (Инстиут Физики Микроструктур РАН)
H.-W. Hubers, S. G. Pavlov, U. Bottger, German Aerospace Center, (Institute of Planetary Research)

Аннотация

Экспериментально исследовано влияние одноосной деформации на характеристики терагерцового стимулированного излучения доноров пятой группы (фосфор P, сурьма Sb, висмут Bi, мышьяк As) в монокристаллическом кремнии при их возбуждении излучением (9−11 мкм) CO2 лазера. Измерения проводились на образцах с концентрацией доноров 3−5Ч1015см-3 при охлаждении их жидким гелием. Обнаружено, что одноосная деформация сжатия в направлении [001] для Si: P и Si: Sb приводит к уменьшению пороговой интенсивности накачки на порядок до значений 1 кват/см2, и максимум выходного излучения достигается при давлениях P~1 кбар с уменьшением до нуля при P>2,5 кбар. При этом частоты линий стимулированного излучения 180 см-1 в Si: P и 172 см-1 в Si: Sb не меняются. Такого же рода деформация Si: As или Si: Bi напротив вызывает скачкообразное изменение характеристик стимулированного излучения. Стимулированное излучение развивается на 2p-1s (T2, E) переходах с частотами 201 см-1 и 212 см-1 для As, а также 192 см-1 и 205 см-1 для Bi в кремнии без деформации и переключается на 2p0-1s (В2) переход с частотой 171 см-1 в As и 164 см-1 в Bi при давлениях соответственно Р > 0,5 кбар и Р > 1 кбар. Изменение линий генерации сопровождается уменьшением порога накачки в ~10 раз для висмута и до 100 раз в мышьяке приближаясь к ~1 кват/см2, а соответствующая зависимость интенсивности выходного ТГц излучения от давления имеет немонотонный характер. Подавление стимулированного излучения для As и Bi центров наблюдается при Р > 3,5−4,5 кбар. Уменьшение порога накачки свидетельствует о значительном возрастании коэффициента усиления, который по оценкам достигает значения ~3−5 см-1.

Перечисленные особенности объясняются изменениями в спектре энергий и структуре волновых функций состояний доноров при деформационном смещении долин зоны проводимости. Положительным результатом является увеличение времени жизни рабочих состояний, вследствие подавления междолинного рассеяния на фононах f-типа, и повышение эффективности их накачки с уменьшением кратности вырождения. Подавление эффектов стимулированного излучения доноров при больших давлениях сжатия связано с увеличением времен жизни нижних состояний рабочего перехода из-за выхода их из резонанса взаимодействия с междолинными фононами g типа.

Публикации

1. R. Kh. Zhukavin, V. V. Tsyplenkov, K. A. Kovalevsky, V. N. Shastin, S. G. Pavlov, U. Bottger, H.-W. Hubers, H. Riemann, N. V. Abrosimov, and N. Notzel, Influence of uniaxial stress on stimulated terahertz emission from phosphor and antimony donors in silicon, Applied Physics Letters 90, 051101 (2007).
2. S.G. Pavlov, U. Bottger, and H.-W. Hubers, R. Kh. Zhukavin, K. A. Kovalevsky, V. V. Tsyplenkov, and V. N. Shastin, N. V. Abrosimov and H. Riemann, Low-threshold terahertz Si: As laser, Applied Physics Letters 90, 141109 (2007).
3. R. Kh. Zhukavin, V. V. Tsyplenkov, K. A. Kovalevsky, S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, V. N. Shastin, Silicon THz lasers performance under uniaxial stress, Proceedings of Conference Digest of the Joint 31Th international Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics, Shanghai, China, p.393 (2006).
4. Р.Х. Жукавин, В. Н. Шастин С. Г. Павлов, Н. А. Бекин, В. В. Цыпленков, H.-W. Hubers, M. H. H. Riemann, N. V. Abrosimov, Влияние одноосной деформации на стимулированное излучение доноров в кремнии при оптическом возбуждении, Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников, Звенигород, с. 135 (2005).
5. V.N. Shastin, R. Kh. Zhukavin, S. G. Pavlov H.-W. Hubers, THz lasing from donor centers in uniaxially stressed silicon, Progarm of school of solid state physics -35th Workshop: Physics & Technology of THz Photonics, Erice, Italy (2005).

Создан новый тип светоизлучающего диода на основе эпитаксиального Si: Er с неоднородным легированием области пространственного заряда, позволившим пространственно разнести в диоде туннельную генерацию носителей заряда и ударное возбуждение ионов эрбия. Благодаря этому преодолена проблема нестабильности (шнурования) тока в условиях развития лавинного пробоя, существенно увеличена длина области возбуждения ионов эрбия горячими электронами и мощность излучения на длине волны 1.54 mm. Светоизлучающий диод изготовлен полностью по кремниевым технологиям.

Руководитель

В.Б Шмагин

Авторы

Д.Ю. Ремизов, В. А. Козлов, К. Е. Кудрявцев, З. Ф. Красильник (ИФМ),
В. П. Кузнецов (НИФТИ ННГУ), С. В. Оболенский (РФФ ННГУ)

Аннотация

По результатам выполненных ранее исследований, включая численное моделирование ударного возбуждения ионов эрбия горячими носителями, разогреваемыми в электрическом поле обратно смещенного p/n-перехода, предложен новый тип диодных светоизлучающих структур на основе кремния, легированного эрбием, — диодные туннельно-пролетные структуры с расширенной областью пространственного заряда. Идея структуры состоит в реализации более сложного профиля легирования и пространственном разнесении областей туннельной генерации носителей заряда (область сильного поля) и ударного возбуждения ионов эрбия (область слабого поля).

Электрическое поле в области туннельной генерации носителей заряда должно быть достаточно сильным, чтобы инициировать туннельный пробой p+/n+-перехода. Это достигается легированием области n+-Si до концентрации 2•1018 см-3. Ширина области n+-Si при таком уровне легирования должна быть достаточно малой (~20 нм). Электрическое поле в области ударного возбуждения ионов Er3+ должно быть относительно слабым (~3•105 В/см при уровне легирования слоя n-Si: Er ND ~ 1•1016 см-3), чтобы не допустить формирования лавины. Его роль — компенсация потерь, связанных с рассеянием носителей заряда на тепловых колебаниях решетки. Такая конфигурация поля позволяет заметно расширить ОПЗ структуры (до 0,5−1,0 мкм), не переходя в режим лавинного пробоя p/n-перехода, для которого характерны неоднородное распределение плотности тока накачки по площади p/n-перехода и вызываемое этим заметное уменьшение интенсивности эрбиевой ЭЛ.

При той же эффективности возбуждения туннельно-пролетные структуры демонстрируют более интенсивную люминесценцию в диапазоне l ~ 1.5 mm, по сравнению с обычными диодными структурами с постоянным уровнем легирования базы. При комнатной температуре мощность, излучаемая в сферу, составила P ~ 2 мкВт при токе накачки ~ 500 мА, внешняя квантовая эффективность ~ 10-5. Методика изготовления туннельно-пролетных структур на основе Si: Er совместима с основной кремниевой технологией.

Публикации

1. В.П. Кузнецов, Д. Ю. Ремизов, В. Б. Шмагин, К. Е. Кудрявцев, В. Н. Шабанов, С. В. Оболенский, О. В. Белова, М. В. Кузнецов, А. В. Корнаухов, Б. А. Андреев, З. Ф. Красильник. Электролюминесценция ионов эрбия в кремниевых диодных структурах p++/nюSi: Er/n++. // Физика и техника полупроводников. 2007. Т.41. В. 11. С. 1329−1332.
2. Viacheslav B. Shmagin, Sergey V. Obolensky, Dmitry Yu. Remizov, Viktor P. Kuznetsov, Zakhary F. Krasilnik The effect of space charge region width on Er-related luminescence in reverse biased Si: Er-based light emitting diodes. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 12 (2006) 1556−1560.
3. S.V. Obolensky, V. B. Shmagin, V. A. Kozlov, K. E. Kudryavtsev, D. Yu. Remizov, Z. F. Krasilnik. A simple approach to the simulation of impact excitation of erbium in silicon light-emitting diodes. Semicond. Sci. Technol. 21 (2006) 1459−1463.
4. В.Б. Шмагин, Д. Ю. Ремизов, С. В. Оболенский, Д. И. Крыжков, М. Н. Дроздов, З. Ф. Красильник. Электролюминесценция ионов Er3+ в режиме пробоя диодной структуры p±Si/n-Si: Er/n±Si. Физика твердого тела. 2005. Т.47. В. 1. С. 120−123.
5. Д.Ю. Ремизов, В. Б. Шмагин, В. П. Кузнецов, З. Ф. Красильник. Эффективность возбуждения ионов Er3+ в диодных туннельно-пролетных структурах на основе Si: Er. XI Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 10 — 14 марта 2007, Нижний Новгород, Материалы симпозиума, т.2, стр. 422−423.
6. Д.Ю. Ремизов, В. Б. Шмагин, В. П. Кузнецов, З. Ф. Красильник Диодные туннельно-пролетные структуры на основе Si: Er, полученные методом сублимационной МЛЭ. VIII Российская конференция по физике полупроводников. Екатеринбург. 2007. Тезисы докладов. С. 417.

В эпитаксиальных Si: Er слоях при токовом возбуждении люминесценции обнаружена задержанная, включающаяся коротким импульсом обратного смещения и обусловленная ударным возбуждением эрбия запасенными в ловушках электронами. Эффективность возбуждения такой люминесценции более чем на два порядка превосходит соответствующее значение для ударного и инжекционного механизмов возбуждения Si: Er в p-n-переходе, а время жизни электронов в ловушках достигает 100 мс. Предложено применение диодов со встроенным Si: Er слоем для элементов электрооптической памяти.

Авторы

Б.А. Андреев, З. Ф. Красильник, Д. И. Крыжков — ИФМ РАН
В. П. Кузнецов — НИФТИ ННГУ
W. Jantsch — университет Линца, Австрия

Аннотация

При исследовании диодных светоизлучающих структур Si: Er/Si авторами проекта был обнаружен эффект электрооптического преобразования с долговременной памятью о протекании тока через p-n-переход — «запасённая» электролюминесценция. Эффект наблюдался на выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СЛМЭ) n+Si/n-Si/n-Si: Er/n-Si/p+-Si структурах с активным наноразмерным слоем, позиционированным в области пространственного заряда. Через длительное время после окончания возбуждающего импульса прямого смещения наблюдалась ЭЛ ионов Er3+ при приложении к диодной структуре импульса обратного смещения p-n-перехода при температурах T<120K. Очень важно, что во всех экспериментах: 1) напряжение импульсов обратного смещения, вызывающих «запасенную» ЭЛ, лежало в допробойной области и эффект излучения нельзя объяснить сигналом ЭЛ в режиме пробоя обратно смещенного p-n-перехода; 2) «запасенная» ЭЛ ионов Er3+ наблюдалась только в том случае, если импульсу обратного смещения предшествовало положительное смещение p-n-перехода. Эффект так же наблюдается если вместо электрического импульса прямого смещения подсвечивать образец оптическими импульсами с энергией кванта больше ширины запрещённой зоны кремния.

Можно предположить, что эффект «памяти», характерный для электрооптического преобразования, связан с наличием в структуре глубоких ловушек для свободных носителей. Во время импульса прямого смещения (или при подсвете оптическим импульсом) происходит заполнение ловушек носителями. При отрицательном смещении носители освобождаются из ловушек и могут возбудить ионы эрбия ударным или иным способом, если внешнее поле достаточно велико. У нас нет данных, которые позволили бы определить тип носителей, участвующих в этом процессе, но большая интенсивность «запасенной» ЭЛ свидетельствует об участии электронов в ударной ионизации, поскольку ударное возбуждение иона Er3+ электроном на три порядка более эффективно, чем дыркой. Очень важно, что оцененная эффективность возбуждения «запасённой» ЭЛ иона Er на два порядка превышает как эффективность ударного возбуждения иона Er при пробое p-n-перехода в режиме обратного смещения, так и эффективность инжекционного механизма возбуждения в режиме прямого смещения p-n-перехода. Эффект «запасённой» ЭЛ может быть положен в основу элемента памяти Si: Er/Si, запись информации в котором будет осуществляться электрическими или оптическими импульсами, а вывод информации оптическими на длине волны 1,54 мкм.

Публикации

1. Б.А. Андреев, З. Ф. Красильник, Д. И. Крыжков, В. П. Кузнецов, W. Jantsch. Эффект памяти в светоизлучающих кремниевых структурах, легированных эрбием //Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников. Звенигород. Россия 2005, С. 83.
2. Z.F. Krasilnik, B. A. Andreev, T. Gregorkiewicz, W. Jantsch, M. A. J. Klik, D. I. Kryzhkov, L. V. Krasilnikova, V. P. Kuznetsov, H. Przybylinska, D. Yu. Remizov, V. G. Shengurov, V. B. Shmagin, M. V. Stepikhova, V. Yu. Timoshenko, N. Q. Vinh, A. N. Yablonskiy, and D. M. Zhigunov. Erbium Doped Silicon Single- and Multilayer Structures for LED and Laser Applications. Journal of Materials Research V. 21 (3) P. 574−583 (2006)
3. B.A. Andreev, T. Gregorkiewicz, W. Jantsch, Z. F. Krasilnik, D. I. Kryzhkov and V. P. Kuznetsov 1.54 mm Si: Er light-emitting diode with memory function APL V. 88, 201101 (2006)
4. T. Gregorkiewicz, B. A. Andreev, M. Forcales, I. Izeddin, W. Jantsch, Z. F. Krasil’nik, D. I. Kryzhkov, V. P. Kuznetsov, J. M. Zavada Er-doped electro-optical memory element for 1.5 mm silicon photonics // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics on Silicon Photonics V. 12 (2006)
5. B.A. Andreev, T. Gregorkiewicz, W. Jantsch, Z. F. Krasilnik, D. I. Kryzhkov, V. P. Kuznetsov Electro-optic memory effect at 1.54 *m Si: Er light-emitting diodes 28th International Conference on the Physics of Semiconductors, July 24−28, 2006 Vienna, Austria, Program and Abstracts WeA2q.10 P.248
6. B.A. Andreev, T. Gregorkiewicz, W. Jantsch, Z. F. Krasilnik, D. I. Kryzhkov, V. P. Kuznetsov Electro-optic memory effect at 1.54 *m Si: Er light-emitting diodes 28th International Conference on the Physics of Semiconductors, July 24−28, 2006 Vienna, Austria, Program and Abstracts WeA2q.10 P.248

Предложен механизм спектрального потока квазичастиц и перекачки заряда в джозефсоновских контактах типа сверхпроводник/ изолятор/ нормальный металл/ изолятор/ сверхпроводник (SINIS) с адиабатически зависящим от времени потенциалом N области. Показана возможность существования гигантских ступенек Шапиро на вольт — амперной характеристике с амплитудой, существенно превосходящей значение критического тока контакта.

Авторы

А.С. Мельников — ИФМ РАН
Н. Б. Копнин — ИТФ РАН, LTL HUT Finland
В. М. Винокур — ANL, US

Аннотация

Теоретически исследованы транспортные свойства джозефсоновских контактов типа сверхпроводник — изолятор — нормальный металл — изолятор — сверхпроводник (SINIS) с адиабатически перестраиваемым во времени спектром локализованных электронных состояний. Адиабатическая перестройка спектра может быть реализована путем приложения нестационарного управляющего напряжения к нормальному участку системы. Такое управляющее напряжение на N затворе дает возможность изменять величины минищелей в спектре и, следовательно, влиять на вероятность туннелирования Ландау-Зинера между минизонами. В режиме заданного напряжения на сверхпроводящих электродах исследован резонансный механизм спектрального потока квазичастиц и стимуляции среднего по времени электрического тока через контакт, связанный с последовательным закрытием минищелей в спектре при изменении напряжения на затворе. Показана возможность существования гигантских ступенек Шапиро на вольт — амперной характеристике с амплитудой, существенно превосходящей значение критического тока контакта.

Публикация

1. N.B. Kopnin, A. S. Mel’nikov, V. M. Vinokur, «Resonance energy and charge pumping through quantum SINIS contacts», Phys. Rev. Lett. 96, 146802 (2006).

Предложен и реализован новый тип многопериодных светодиодных структур на основе Si: Er. Диодные структуры сформированы методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии и представляют собой серию последовательно включенных p-n-n+ переходов с примесью эрбия, позиционированной в n слое. Ударное возбуждение редкоземельной примеси в p-n переходе происходит в условиях пробоя. Пропорционально числу периодов увеличивается интенсивность излучения ионов эрбия на длине волны 1,54 мкм. Достигнутые значения мощности достаточны для оптоэлектронных соединений кремниевых интегральных схем.

Авторы

М.В. Степихова, А. М. Шаронов (ИФМ РАН), В. П. Кузнецов (НИФТИ ННГУ)

Аннотация

В работе предложен новый тип светоизлучающих диодных структур на основе кремния, легированного эрбием, реализующих принцип ударного возбуждения редкоземельной примеси. Рассмотрены многослойные периодические диодные структуры, представляющие собой серию последовательно включенных p±n-n+ переходов с примесью эрбия, позиционированной в n слое. Приводятся результаты теоретического анализа структур этого типа, даны критические параметры слоев, позволяющие реализовать многодиодный режим работы в условиях пробоя p-n перехода. Впервые периодические диодные структуры выращены методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, реализованы структуры с пятью p±n-n+ периодами и толщинами слоев, варьируемыми в диапазоне от 8 до 40 нм. Экспериментально показано, что формирование многодиодных структур p±n-n+… p±n-n+ типа позволяет значительно увеличить излучающий объем и, как следствие, люминесцентную эффективность структур Si: Er. Показано, в структурах данного типа имеет место значительное увеличение сигнала электролюминесценции, пропорциональное полной толщине легированных эрбием слоев активных диодных пар. Обнаружен эффект влияния встроенных прямосмещенных p±n+ переходов на величину пробоя активных диодных пар, проявляющийся в уменьшения напряжения пробоя и описанный в представлении многодиодной структуры серией p-n-p и n-p-n транзисторов. Приводимые экспериментальные результаты получены при комнатной температуре.

Публикации

1. Z.F. Krasilnik, B. A. Andreev, T. Gregorkiewicz et al. Erbium Doped Silicon Single- and Multilayer Structures for LED and Laser Applications // in Rare-Earth Doping for Optoelectronic Applications, (edited by Tom Gregorkiewicz, Yasufumi Fujiwara, Michal Lipson, John M. Zavada) Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 866, Warrendale, PA, 2005, V1.4
2. M.V. Stepikhova, A. M. Sharonov, V. B. Shmagin, Z. F. Krasil’nik, V. P. Kuznetsov, «Multiplication of Er- Related Electroluminescence Signal in Multidiode Si/Si: Er Structures» // E-MRS Spring Meeting, Symposium: «C — Rare earth doped photonic materials», Strasbourg, France, May 31 — June 3, 2005, oral presentation C-X.05.
3. M. Stepikhova, B. Andreev, T. Gregorkiewicz, Z. Krasilnik et al. «Epitaxial Si: Er multilayer nanostructures for optoelectronic applications» // Nanomeeting-2005, 24−27 May 2005, Minsk, Belarus, Conf. Program p.4 (invited).

Построена теория эффектов размерного квантования в спектрах квазичастиц в мезоскопических сверхпроводниках. Показано, что следствием конкуренции геометрического и андреевского механизмов квантования являются мезоскопические осцилляции энергетических уровней, амплитуда которых может существенно превышать расстояние между андреевскими уровнями в объемных образцах. Осцилляции в спектрах локализованных андреевских состояний в сверхпроводящих наноконтактах приводят к осциллирующей зависимости критического джозефсоновского тока, переносимого этими состояниями, от размера системы, а для одноквантового вихря в мезоскопическом цилиндре осцилляции уровней вызывают подавление минищели в спектре квазичастиц.

Авторы

А.С. Мельников, В. И. Позднякова, Д. А. Рыжов, И. А. Шерешевский (ИФМ РАН), Н. Б. Копнин (ИТФ РАН, LTL HUT Finland), В. М. Винокур (ANL, US)

Аннотация

Проведены теоретические исследования влияния размерного квантования на свойства андреевских уровней квазичастиц в мезоскопических сверхпроводниках (с размерами порядка нескольких длин когерентности). При расчетах спектра квазичастичных возбуждений в таких системах, необходимо учитывать интерференцию волн, возникающую за счет нормального отражения от поверхности сверхпроводника. Показано, что конкуренция геометрического и андреевского механизмов квантования приводит к мезоскопическим осцилляциям энергетических уровней при изменении импульса Ферми или размера образца. Амплитуда осцилляций может существенно превышать расстояние между андреевскими уровнями в объемных образцах. Сформулированы общие условия квантования для замкнутых траекторий квазичастиц в присутствие нормального отражения на границах образца. Рассмотрены два конкретных примера мезоскопических систем:

• Локализованные андреевские состояния в одномерной квантовой яме. В качестве модельной задачи рассмотрен случай адиабатического квантового канала, в котором нормальное отражение квазичастиц от границ электродов происходит в области существенного андреевского отражения. Осцилляции спектра локализованных андреевских состояний в таком джозефсоновском контакте приводят к осциллирующей зависимости критического джозефсоновского тока, переносимого этими состояниями, от размера системы.
• Одноквантовый вихрь в мезоскопическом цилиндре. Найдены спектр и плотность состояний квазичастиц в с учетом нормального отражения на границах образца. Исследован механизм подавления минищели в спектре квазичастиц и появления конечной плотности состояний на уровне Ферми.

Публикации

1. N.B. Kopnin, A. S. Mel’nikov, V. I. Pozdnyakova, D. A. Ryzhov, I. A. Shereshevskii, and V. M. Vinokur, «Giant oscillations of energy levels in mesoscopic superconductors», Phys. Rev. Lett. 95, 197002 (2005).

Рассчитаны амплитуда и поляризация нелинейного отклика сверхпроводника со смешанным d и s параметром порядка на электромагнитное излучение СВЧ диапазона. Показано, что переход между фазами с различной симметрией параметра порядка проявляется в характерной особенности нелинейности, в то время как линейный отклик оказывается нечувствительным к подобным фазовым переходам.

Авторы

В.В. Курин, А. А. Уткин, ИФМ РАН.

Аннотация

Проведено теоретическое исследование процессов генерации третьей гармоники при отражении электромагнитного излучения от тонкой пленки сверхпроводника со смешанным d и s параметром порядка. В рамках теории Гинзбурга-Ландау для сверхпроводников с двухкомпонентным параметром порядка вычислена зависимость интенсивности и поляризации третьей гармоники от температуры, амплитуды и поляризации падающей волны. Проанализировано поведение нелинейного отклика в окрестности фазовых переходов между фазами с различной симметрией параметра порядка. В частности, показано, что в окрестности температуры, соответствующей фазовому переходу d-d+s интенсивность третьей гармоники значительно возрастает и неаналитична по амплитуде падающей волны, в то время как при переходе d-d+is особенность нелинейного отклика отсутствует. Показано, что линейный коэффициент отражения оказывается практически нечувствительным к этим фазовым переходам. Кроме того, показано, что зависимость амплитуды нелинейного отклика от поляризации падающей волны обладает той же симметрией, что и параметр порядка.

Публикации

1. В.В. Курин, А. А. Уткин, Высокочастотный нелинейный отклик тонких пленок сверхпроводников со смешанной d и s симметрией. ЖЭТФ, 127, 652−673 (2005)

Предсказаны качественно новые эффекты взаимодействия резонансов Фано в наноканалах и нанокольцах с встроенными в них квантовыми точками. Впервые обнаружено, что в таких системах путем изменения параметров системы можно осуществить столкновение диполей Фано (пар полюс-пик амплитуды рассеяния), а результатом такого столкновения является возникновение нового объекта (квазичастицы) — квадруполя Фано. Изучено периодическое движение нулей и полюсов квадруполя в магнитном поле, которое позволяет управлять кондактансом системы.

Авторы

А.М. Сатанин (ИФМ РАН), R. Casby, E. Hedin, Y. S. Joe (Department of Physics and Astronomy, Ball State University, USA), G. Klimeck (School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University, USA)

Публикации

1. Y.S. Joe, A. M. Satanin, and Gerhard Klimeck, Interactions of Fano resonances in the transmission for an Aharonov-Bohm ring with two embedded quantum dots in the presence of a magnetic field, Phys. Rev. B 72, 115310 (2005).
2. E. Hedin, R. M. Cosby, A. M. Satanin, and Y. S. Joe, Electron wave interferometry through an asymmetric Aharonov-Bohm ring, J. Appl. Phys., 97, 063712 (2005).
3. A.M. Satanin and Y. S. Joe, Fano-interference and resonances in open systems, Physical Review B 71, 205417 (2005).
4. A.M. Satanin, E. Hedin, and Y. S. Joe, Collision of Fano Resonances: an Exact Solvable Mode, Phys. Lett. A, V 348, Issue 4 (2005).
5. A.M. Satanin and Y. S. Joe, Manipulating of resonances in conductance of an electron waveguide with antidotes, J. of Computational Electronics, 4,149 (2005).
6. Y.S. Joe, J. S. Kim, E. Hedin, R. M. Cosby and A. M. Satanin, Fano resonance through quantum dots in tunable Aharonov-Bohm Rings, J. of Computational Electronics, 4, 129 (2005).
7. E.R. Hedin, A. M. Satanin, and Y. S. Joe, Collision of Fano Resonances in a Molecular Ring, 14th International Conference on Nonequilbrium Dynamics in Semiconductors (HCIS 14), Chicago, July 24−29, Book of Abstracts, P31 (2005).
8. E.R. Hedin, A. M. Satanin, and Y. S. Joe, Fano quadrupole resonance in an Aharonov-Bohm ring, Ohio section of the APS meeting, University of Dayton, April 8−9, D6.03 (2005).
9. A.M. Satanin and Y. S. Joe, and G. Klimeck, Fano quadrupole in a nanoscale ring, APS March Meeting, Los Angeles, March 20−24, (2005).
10. A.M. Satanin, R. M. Cosby, and Y. S. Joe, Probing of wavefunctions in 2D-electronic waveguides: an exact approach, APS March Meeting, Los Angeles, March 20−24, (2005).
11. A.M. Satanin and Y. S. Joe, Classical analogy of Fano interference, APS March Meeting, Los Angeles, March 20−24, (2005).

Впервые экспериментально осуществлено управление знаком завихренности в процессе перехода из однородного в одновихревое состояние ферромагнитных наночастиц, обусловленное нарушением киральной симметрии распределения намагниченности в неоднородном поле зонда магнитно-силового микроскопа.

Авторы:

В.Л. Миронов, Б. А. Грибков, А. А. Фраерман, И. Р. Каретникова, С. Н. Вдовичев, С. А. Гусев, Г. Л. Пахомов, Д. С. Никитушкин, И. М. Нефедов, И. А. Шерешевский

Аннотация

Проведены экспериментальные исследования индуцированных зондом магнитно-силового микроскопа эффектов перемагничивания эллиптических наночастиц Со. Обнаружены обратимые переходы между однородным и вихревым состояниями намагниченности. Показана возможность управления направлением завихренности в таких частицах в процессе перехода из однородного в одновихревое состояние, обусловленная нарушением киральной симметрии распределения намагниченности частиц в неоднородном поле зонда.

Публикации:

1. A.A. Fraerman, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, V. L. Mironov, N. I. Polushkin, S. N. Vdovichev — Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic nanoparticles // Physics of Low — Dimensional Structures, 2004, № ½, p. 117−122.
2. A.A. Fraerman, L. Belova, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, V. L. Mironov, D. S. Nikitushkin, G. L. Pakhomov, K. V. Rao, V. B. Shevtsov, M. A. Silaev, S. N. Vdovichev — Magnetic force microscopy to determine vorticity direction in elliptical Co nanoparticles // Physics of Low — Dimensional Structures, 2004, № ½, p. 35−40.
3. A.A. Fraerman, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, V. L. Mironov, N. I. Polushkin, S. N. Vdovichev — Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic nanoparticles // Proceedings of International Workshop «Scanning Probe Microscopy — 2004» (N.Novgorod, May 2−6, 2004), p. 95−98.
4. A.A. Fraerman, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, V. L. Mironov, D. S. Nikitushkin, G. L. Pakhomov, V. B. Shevtsov, M. A. Silaev, S. N. Vdovichev — Magnetic force microscopy to determine vorticity direction in elliptical Co nanoparticles // Proceedings of International Workshop «Scanning Probe Microscopy — 2004» (N.Novgorod, May 2−6, 2004), p. 201−204.
5. А.А. Фраерман, С. Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, В. Л. Миронов Н. И. Полушкин. — Индуцированные зондом МСМ эффекты перемагничивания эллиптических наночастиц FeCr и Co // Труды 6-го Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии? БелСЗМ — 2004?, (Минск, 12−15 октября 2004 г), с. 64 — 68.

Теоретически предсказана возможность существования эффекта сверхизлучения при движении вихрей в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках с внутренним эффектом Джозефсона, встроенных в волноводную систему с замедленной волной.

Авторы:

В.В. Курин, А. В. Чигинев

Аннотация

Теоретически исследованы процессы излучения электромагнитных волн джозефсоновскими вихрями, движущимися в слоистых высокотемпературных сверхпроводниках с внутренним эффектом Джозефсона встроенных во внешние волноведущие системы. Путем прямого численного моделирования изучены последовательности конфигурационных фазовых переходов в движущихся вихревых решетках в зависимости от тока накачки, внешнего магнитного поля и величины магнитной связи между слоями. Обнаружено, что в условиях, когда скорость электромагнитной волны во внешней электродинамической системе наименьшая по сравнению со скоростями Свихарта в многослойной сверхпроводящей структуре, при превышении некоторого критического тока происходит фазовый переход в режим сверхизлучения, характеризуемого полностью синфазным движением вихрей и интенсивностью, пропорциональной квадрату числа джозефсоновских переходов. Показана возможность создания эффективных джозефсоновских генераторов, использующих обнаруженный эффект сверхизлучения.

Публикации:

1. A.V. Chiginev, V. V. Kurin, In-phase vortex flow and superradiance in Josephson superlattice embedded in a waveguide, Phys. Rev. B, 70, (2004)

В эпитаксиальных структурах Si: Er обнаружен новый оптически активный центр, люминесцирующий в области 1,54 мкм. Центр характеризуется серией из восьми линий, спектральная ширина наиболее интенсивной из которых (6502 см -1) не превышает 10 мкэВ. Выявлены парамагнитная природа оптически активного центра и его кристаллографическая орторомбическая симметрия I (C2v) из эффекта Зеемана, впервые наблюденного в кремнии, легированном эрбием. Развитая технология формирования преимущественно одного оптически активного центра иона Er3+ с предельно узкой линией люминесценции делает эпитаксиальные Si: Er структуры перспективными для оптоэлектронных приложений.

Руководитель:

З.Ф. Красильник

Авторы:

Б.А. Андреев, З. Ф. Красильник, Л. В. Красильникова, М. В. Степихова — ИФМ РАН
В.П. Кузнецов — НИФТИ ННГУ
N.Q. Vinh, T. Gregorkiewicz — Van der Waals-Zeeman Institute, Amsterdam
H.Przybylinska — Institute of Physics, Polish Academy of Sciences

Публикации:

1. Z.F. Krasilnik, V. Ya. Aleshkin, B. A. Andreev, O. B. Gusev, W. Jantsch, L. V. Krasilnikova, D. I. Kryzhkov, V. P. Kuznetsov, V. G. Shengurov, V. B. Shmagin, N. A. Sobolev, M. V. Stepikhova, A. N. Yablonsky. SMBE grown uniformly and selectively doped Si: Er structures for LEDs and lasers. In «Towards the First Silicon Laser» Eds. L. Pavesi, S. Gaponenko, L. Dal Negro, NATO Science Series: II: Mathematics, Physics and Chemistry, vol.93, Kluwer Academic Publishers, pp.445−454 (2003).
2. N.Q. Vinh, H. Przybylinska, Z. F. Krasilnik, T. Gregorkiewicz. Phys. Rev. Letters 2003, V. 90, N.6, pp.0664011−0664014.
3. H.Przybylinska, N. Q. Vinh, B. A. Andreev, Z. F. Krasilnik, and T. Gregorkiewicz. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2003, V. 770, pp.1711−1717.

Аннотация:

Определена микроскопическая структура оптически активного центра, впервые обнаруженного в структурах Si: Er, выращенных методом сублимационной молекулярно- пучковой эпитаксии. В спектре фотолюминесценции в области 1,5 мкм центр характеризуется серией из восьми линий, спектральная ширина наиболее интенсивной из которых (6502 см-1) не превышает 10 мкэВ. Впервые наблюдался и был исследован эффект Зеемана в спектрах фотолюминесценции в магнитных полях до 5,5 Т. Показана парамагнитная природа оптически активного центра. Установлено, что симметрия центра является орторомбической I (C2v) с компонентами эффективного g-тензора g ~ 18.4 и g^ ~ 0 в основном состоянии. Малая величина компоненты g^ ~ 0 оптически активного центра объясняет причину отсутствия возможности наблюдения ЭПР.

Условия формирования в эпитаксиальных структурах Si: Er преимущественно одного оптически активного центра иона Er3+ с предельно узкими линиями в люминесцентном спектре характеризуют материал как перспективный для оптоэлектронных приложений.

Показана возможность наблюдения в нелинейной среде с аномальной дисперсией обращенного эффекта Доплера. Построена теория распространения видеоимпульсов в такой среде с преобразованием энергии видеоимпульсов в высокочастотный сигнал. Преобразование энергии может составлять до 60−80%, а электронная перестройка частоты заполнения радиоимпульса до 20%. Основные выводы теории подтверждены наблюдением обращенного эффекта Доплера в экспериментах по генерации мощных (порядка 100 МВт) радиоимпульсов с частотами заполнения о 200 до 1000 МГц в линиях передач с ферритом.

Авторы:

А.М. Белянцев, А. Б. Козырев — ИФМ РАН

Публикации:

1. А.М. Белянцев, А. И. Дубнев, С. Л. Климин, Ю. А. Кобелев, Л. А. Островский. Генерация радиоимпульсов ударной электромагнитной волной в линиях передачи с ферритом. ЖТФ, том 65, вып. 8, стр. 132−142 (1995).
2. A.M. Belyantsev, A. B. Kozyrev. Generation of high-frequency oscillations by electromagnetic shock wave on transmission lines on the basis of multilayer heterostructures. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol. 18, no 6, pp. 1169−1186, June 1997.
3. А.М. Белянцев, А. Б. Козырев. Влияние локальной дисперсии на переходные процессы при генерации высокочастотного излучения ударной электромагнитной волной. ЖТФ, том 68, вып. 1, стр. 89−95, (1998).
4. А.М. Белянцев, А. Б. Козырев. Генерация высокочастотных колебаний фронтом ударной электромагнитной волны в связанных линиях передачи с аномальной и нормальной дисперсией. ЖТФ, том 71, № 7, стр. 79−82 (2001).
5. А.М. Белянцев, А. Б. Козырев. Обращенный эффект Доплера при отражении от фронта ударной электромагнитной волны. ЖТФ, т.72, вып.11, с. 133−139 (2002)

Аннотация:

Построена теория и проведено численное моделирование нестационарного процесса прямого преобразования видеоимпульса в радиоимпульс при его распространении в линии передачи (ЛП) с дисперсией и с нелинейностью, длительное время сохраняющей насыщенное состояние. Эффект основан на возбуждении фронтом ударной электромагнитной волны синхронной с ним прямой или обратной волны. Энергетическая эффективность преобразования видеоимпульса в радиоимпульс в линии передачи с ферритом (мощные радиоимпульсы в диапазоне от десятков мегагерц до нескольких гигагерц) и в линии передачи на основе асимметричных многослойных гетероструктур (диапазон порядка 100 ГГц) составляет 60−80%. Основные выводы теории подтверждены в экспериментах с линиями передачи, заполненными ферритами при генерации мощных (порядка 100 МВт) радиоимпульсов с частотами заполнения от 200 до 1000 МГц. В нелинейных электродинамических системах с прямыми и обратными волнами при насыщенной нелинейности показана возможность генерации радиоимпульсов с двухчастотным заполнением и реализация обращенного эффекта Доплера. В последнем случае фронт ударной электромагнитной волны одновременно играет роль и «источника излучения» и «бегущего зеркала», от которого отражается синхронная обратная волна (после отражения от входа линии передачи). Экспериментально обращенный эффект Доплера (увеличение частоты) наблюдался при отражении обратной волны в линиях передачи с ферритом. (N.Seddon and T. Bearpark «Observation of the Inverse Doppler Effect», Science, v. 302, 28, pp.1537−1540, November 2003).

В рамках теории Гинзбурга — Ландау рассчитана зависимость критической температуры Tc (H) гибридных систем сверхпроводник/ферромагнетик с доменной структурой. Показано, что в таких системах возможно формирование сверхпроводящих каналов и появление особенностей на зависимости Tc (H) (возвратная сверхпроводимость и осцилляции Tc).

Авторы:

А.Ю. Аладышкин, А. С. Мельников, Д. А. Рыжов, А. А. Фраерман, А. В. Соколов — ИФМ РАН
А.И. Буздин — Universite' Bordeaux 1, France

Публикации:

1. A.Yu.Aladyshkin, A. S. Mel’nikov, D. A. Ryzhov. Little-Parks effect in a hybrid superconductor-ferromagnet system. J. Phys.: Condensed Matter 15, 6591−6597 (2003).
2. A.Yu.Aladyshkin, A. I. Buzdin, A. A. Fraerman, A. S. Mel’nikov, D. A. Ryzhov, A. V. Sokolov. Domain wall superconductivity in hybrid superconductor — ferromagnetic structures. Phys. Rev. B 68, 184508 (2003).

Аннотация:

Предлагается новый подход к созданию мезоскопических сверхпроводящих каналов, основанный на особенностях поведения сверхпроводников в неоднородном магнитном поле. Неоднородное магнитное поле приводит к формированию сверхпроводящих каналов вблизи нулей или минимумов компоненты полного магнитного поля, перпендикулярной пленке. При этом положением каналов и их формой можно управлять, изменяя внешнее поле H. Выполнен расчет фазовых диаграмм на плоскости магнитное поле — температура гибридных систем сверхпроводник/ферромагнетик с доменной структурой и сверхпроводящих пленок с ансамблем магнитных частиц. Для двумерного распределения намагниченности и для систем, состоящих из магнитной частицы и сверхпроводящей пленки, предсказаны осцилляции Tc (H), связанные с квантованием флуксоида внутри кольцеобразного сверхпроводящего зародыша (аналог эффекта Литтла — Паркса).

Впервые в мире разработана методика изготовления четырехуголковых отражающих систем на многослойных структурах для фокусировки излучения квазиточечных источников жесткого рентгеновского излучения. Светосила таких систем в четыре раза превосходит светосилу наиболее эффективных на сегодняшний день симметричных скрещенных систем и в 16 раз светосилу «классических» систем Киркпатрика-Байеза.

Авторы:

А.Д. Ахсахалян, А. А. Ахсахалян, Е. Б. Клюенков, В. А. Муравьев, Н. Н. Салащенко, А. И. Харитонов -ИФМ РАН

Публикации:

1. А.Д. Ахсахалян, Е. Б. Клюенков, В. А. Муравьев, Н. Н. Салащенко. // Оптимизация многослойных рентгеновских зеркал в системах эллиптических цилиндров и эллипсоидов вращения. // Матер. Совещ. «Рентгеновская оптика — 2003». Н. Новгород. 2003. С. 160−172.
2. А.А. Ахсахалян, А. Д. Ахсахалян, Б. А. Володин и др.// Квадраэллиптический отражатель на многослойных структурах для жесткого рентгеновского диапазона// Матер. Совещ. «Рентгеновская оптика — 2003». Н. Новгород. 2003. С. 187−191; Известия РАН, сер. физическая. 2004.
3. А.Д. Ахсахалян, Б. А. Володин, Е. Б. Клюенков и др.//Термопластический метод изготовления цилиндрических рентгеновских отражателей.// Поверхность. 2000. № 1. С. 112
4. A.D. Akhsakhalyan, N. I. Chkhalo, A. I. Kharitonov. //Method of manufacturing of doubly bent X-ray optics.// Nucl. Instr. Meth. A470. 2001. P.142−144.
5. А.А. Ахсахалян, А. Д. Ахсахалян, В. А. Муравьев, А. И. Харитонов. Изготовление цилиндрических поверхностей методами термопластического и упругого изгиба стеклянных пластин.// Поверхность. 2002. № 1. С. 51.
6. А.А. Ахсахалян, А. Д. Ахсахалян, М. С. Бибишкин, и др.// Особенности изготовления короткофокусных рентгеновских цилиндрических отражающих систем.// Поверхность. 2003. № 1. С. 81−86.
7. А.А. Ахсахалян, А. Д. Ахсахалян, Д. Г. Волгунов и др.// Изготовление цилиндрических рентгеновских отражателей репликационными методами.// Поверхность. 2003. № 1. С. 78−81.

Аннотация:

Начиная с работ Киркпатрика-Байеза, для фокусировки излучения квазиточечного рентгеновского источника используются скрещенные системы из цилиндрических зеркал с взаимно перпендикулярными образующими, осуществляющих фокусировку излучения во взаимно перпендикулярных направлениях. Наибольшей светосилой обладают симметричные системы, в которых параметры направляющих и координаты начала и конца зеркал совпадают. Такие системы выпускаются фирмой «Osmic» в качестве коммерческого продукта. Дальнейшего увеличения светосилы можно добиться в многоуголковых системах, состоящих из нескольких отражающих углов, симметрично расположенных относительно оптической оси. Экспериментально многоуголковые системы нигде в мире не изготавливались (но запатентованы «Osmic»).

В ИФМ разработан метод изготовления четырехуголковой системы, которую мы назвали квадраэллиптическим отражателем (КО). Система состоит из четырех одинаковых многослойных зеркал, имеющих форму эллиптического цилиндра. Отдельные зеркала изготавливались по ранее опубликованным методикам и затем объединялись в общую сборку. Для иллюстрации возможностей разработанной методики изготовления был изготовлен оптимизированный КО на длину волны lCuKa =0.154 нм с угловой апертурой системы DW = 6×10-4 стерадиан.

При изучении фокусирующих свойств системы в качестве источника использовалась микрофокусная рентгеновская трубка прострельного типа БСВ-1 с размером фокусного пятна d = 95 мкм. Измеренная интенсивность во втором фокусе оказалась в 100 раз больше интенсивности прямого пучка при практически расчетном размере изображения источника D «300 мкм.

Изготовлены торцевые джозефсоновские переходы Nb/SiNx/Nb с критическим током в диапазоне 10−1000 mA, нормальным сопротивлением 1−10 Ом и рекордно малой емкостью 10-15-10-16 Ф. Емкость уменьшается благодаря торцевой, непланарной геометрии перехода. Переходы с подобными свойствами могут быть использованы в СВЧ технике, для исследований субмикронных магнитных структур и в элементах квантовой логики.

Авторы:

С.Н. Вдовичев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Рогов — ИФМ РАН

Публикации:

1. С.Н. Вдовичев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Рогов. Торцевые джозефсоновские переходы с прослойкой из нитрида кремния. Направлена в «Письма в Журнал технической физики».
2. A.Y. Aladyshkin, A. A. Fraerman, S. A. Gusev, A. Y. Klimov, Y. N. Nozdrin, G. L. Pakhomov, V. V. Rogov, S. N. Vdovichev. Influence of ferromagnetic nanoparticles on the critical current of Josephson junction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 258−259, p.406 (2003).
3. A.Y. Aladyshkin, S. A. Gusev, A. A. Fraerman, A. Y. Klimov, Y. N. Nozdrin, V. V. Rogov, G. L. Pakhomov and S. N. Vdovichev. Influence of ferromagnetic nanoparticles on the critical current of Josephson junction. Book of abstracts: International Conference on Theoretical Trends in Low Dimensional Magnetism, Firenze, Italy, 23−25 July 2003, p.27.
4. Фраерман А. А., Вдовичев С. Н., Ноздрин Ю. Н., Гусев С. А., Климов А. Ю., Рогов В. В., Аладышкин А. Ю., Пахомов Г. Л. Исследование влияния полей рассеяния ферромагнитных наночастиц на величину критического тока джозефсоновского контакта. Труды XXXIII Совещания по физике низких температур, стр. 140−141, Екатеринбург, 17−20 июня, 2003.
5. A.Y. Aladyshkin, A. A. Fraerman, S. A. Gusev, A. Y. Klimov, Y. N. Nozdrin, G. L. Pakhomov, V. V. Rogov, S. N. Vdovichev. Flux pinning in short Josephson junctions with ferromagnetic nanoparticles. Book of abstracts: Moscow International Symposium on Magnetism MISM'2002, June 20−24, 2002, Moscow, Russia, p.101.

В одно- и многослойных гетероструктурах с GeSi наноостровками получена фотолюминесценция в области 1,5 мкм при комнатной температуре. Механизм длинноволновой фотолюминесценции GeSi наноостровков связан с излучательной рекомбинацией электронов в кремнии и дырок в островках, локализованных по разные стороны от гетерограницы II типа. Подтверждением этому является впервые наблюденный сигнал фотолюминесценции от наноостровков на длине волны l ~ 2 мкм, что соответствует энергии, значительно меньшей ширины запрещенной зоны германия.

Руководитель:

З.Ф. Красильник

Авторы:

Н.В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, А. Н. Яблонский — ИФМ РАН

Аннотация:

Исследована зависимость спектров фотолюминесценции структур с GeSi/Si (001) самоорганизующимися островками от температуры роста. Показано, что смещение пика фотолюминесценции от островков в область меньших энергий при понижении температуры роста связано с подавлением диффузии Si в островки и увеличением доли Ge в них. Впервые обнаружен сигнал фотолюминесценции от GeSi островков в области энергий вплоть до 0.6 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны объемного Ge. С учетом реального состава и размеров островков положение пика фотолюминесценции от островков хорошо описывается моделью не прямого в реальном пространстве оптического перехода между дырками, локализованными в GeSi островках, и электронами, находящимися в Si на гетерогранице II-типа с островком. Получены одно и многослойные структуры с GeSi/Si (001) самоорганизующимися наноостровками, имеющими сигнал фотолюминесценции в области 1.3 е2 mм при комнатной температуре.

Публикации:

1. N.V. Vostokov, S. A. Gusev, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov, L. D. Moldavskaya, A. V. Novikov, V. V. Postnikov, Z. F. Krasil’nik, M. Miura, N. Usami, Y. Shiraki, V. A. Uakhimchuk, M. Ya. Valax, N. Mestres, J. Pascual, «The relation between composition and sizes of GeSi/Si (001) islands grown at different temperatures», Phys. Low-Dim. Struct., ¾, 295−302 (2001).
2. A.V. Novikov, B. A. Andreev, N. V. Vostokov, Yu. N. Drozdov, Z. F. Krasil’nik, D. N. Lobanov, L. D. Moldavskaya, A. N. Yablonskiy, M. Miura, N. Usami, Y. Shiraki, M. Ya. Valakh, N. Mesters and J. Pascual, «Strain-driven alloying: effect on sizes, shape and photoluminescence of GeSi/Si (001) self-assembled islands», Materials Science and Engineering B 89, 62−65 (2002).
3. М.Я. Валах, Н. В. Востоков, С. А. Гусев, Ю. Н. Дроздов, З. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, Л. Д. Молдавская, А. В. Новиков, В. В. Постников, М. В. Степихова, Н. Усами, Ю. Шираки, В. А. Юхимчук, «Влияние диффузии Si на рост, параметры и фотолюминесценцию GeSi/Si (001) самоорганизующихся наностровков», Известия Академии наук: Серия физическая, т. 66, № 2, с. 160−163 (2002).
4. Z.F. Krasil’nik, P. Lytvyn, D. N. Lobanov, N. Mesters, A. V. Novikov, J. Pascual, M. Ya. Valakh and V. U. Yukhymchuk, «Microscopic and optical investigation of Ge nanoislands on silicon substrates», Nanotechnology v. 13, pp.81−85 (2002).
5. Н.В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, З. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, А. Н. Яблонский, «Низкоэнергетическая фотолюминесценция структур с GеSi/Si (001) самоорганизующимися наноостровками», Письма в ЖЭТФ, том. 76, вып. 6, стр. 425−429, 2002.

Разработан метод учета нелокальности взаимодействия зонд-поверхность в сканирующей туннельной микроскопии, что позволило впервые восстановить тонкую структуру поверхностной плотности электронных состояний образцов с субатомным разрешением (~0,4 A).

Руководитель:

К.П. Гайкович

Авторы:

К.П. Гайкович, В. Л. Миронов, Б. А. Грибков, С. А. Тресков — ИФМ РАН, А. В. Жилин — НИИИС

Аннотация:

Двумерное распределение (изображение) туннельного тока, измеренное в режиме z=const, может быть представлено сверткой локальной плотности электронных состояний поверхности образца и передаточной функции зонда, сглаживающее действие которой ограничивает разрешение СТМ масштабами ~2−3 A при точности позиционирования зонда ~0,1 A. Для определения истинного распределения из решения уравнения свертки использовался метод обобщенной невязки Тихонова с передаточной функцией взаимодействующего атома зонда (J.Tersoff), имеющей характерный масштаб осреднения, близкий к размеру отдельного атома на СТМ изображении.

Развитый метод апробирован на образцах пиролитического графита, о котором известно, что структура распределения плотности электронных состояний поверхности имеет более тонкие детали, чем масштаб осреднения, определяемый передаточной функцией взаимодействующего атома зонда. Кроме того, СТМ изображения пиролитического графита имеют ту специфику, что туннельный ток в местах расположения атомов, имеющих ближайший соседний атом во втором слое, существенно меньше, чем для мест атомов, под которыми атом углерода во втором слое отсутствует, то есть только половина атомов решетки отчетливо видна в исходных СТМ изображениях, а атомы первого типа выглядят как тени между атомами второго типа. В данной работе мы восстановили изображение истинной структуры решетки графита, на которой отчетливо видны не только атомы обоих упомянутых типов, но и более тонкие, субатомные детали электронной конфигурации. Эта тонкая структура скрыта в исходном СТМ изображении из-за сглаживания реальной картины на масштабе размера взаимодействующего атома зонда.

Публикации:

1. Gaikovich K. P., Gribkov B. A., Mironov V. L., Treskov S. A., and Zhilin A. V. Image retrieval in scanning probe microscopy taking into account the probe-surface interaction nonlocality. Physics of Low-Dimensional Structures, 2002, v. 5/6, pp.85−92.
2. Gaikovich K. P., Gribkov B. A., Zhilin A. V., Mironov V. L. Image retrieval in microwave sounding and microscopy. 2001 11th International Conference «Microwave&Telecommunication Technology» (CriMiCo'2001). Conference Proceedings. September 10−14, 2001 — Sevastopol: «Weber», 2001, pp.556−558.
3. Gaikovich K. P., Gribkov B. A., Mironov V. L., Treskov S. A., Zhilin A. V. Image retrieval in scanning probe microscopy with regard for the probe-surface interaction nonlocality. Proceedings of International Workshop «Scanning Probe Microscopy — 2002' (Nizhny Novgorod, March 3−6, 2002), Institute for Physics of Microstructures RAS, pp. 255−257.
4. Гайкович К. П., Грибков Б. А., Жилин А. В., Миронов В. Л. Восстановление СТМ изображения атомарной структуры пиролитического графита методом деконволюции с учетом нелокальности взаимодействия в системе зонд-поверхность. Сборник докладов 5-го Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии (7−8 октября 2002 г., Минск, Белоруссия), Минск: Издат. Центр БГУ, 2002, с. 123−127.

Руководитель:

Н.Н. Салащенко

Авторы:

С.С. Андреев, С. В. Гапонов, С. А. Гусев, С. Ю. Зуев, Е. Б. Клюенков, К. А. Прохоров, Н. И. Полушкин, Е. Н. Садова, Л. А. Суслов — ИФМ РАН

Аннотация:

Основой схем проекционной литографии 13 нм диапазона являются многослойные зеркала. Для обеспечения требуемой скорости засветки резиста (до 10 см2/с) зеркала должны иметь коэффициенты отражения на рабочей длине волны до 70%. Для реализации пространственного разрешения («30 нм) многослойные покрытия должны наноситься на подложки с асферической формой поверхности, изготовленные с отклонением формы поверхности от расчетной не хуже 0.2−0.3 нм при высоте неровностей поверхности не больше 0.2 нм. При этом многослойные покрытия не должны создавать механических напряжений в подложках, чтобы не увеличить отклонение формы поверхности.

Механические напряжения, в принципе, всегда можно компенсировать в самой «рабочей» многослойной структуре, но при этом не выполняется условие получения максимальной отражательной способности от такой структуры. Т. е. необходимо компенсировать механические напряжения какой-то дополнительной, компенсирующей, структурой. Эта проблема хорошо известна и в мире проводятся широкие исследования в этом направлении.

Еще одна проблема связана с тем, что все многослойные оптические элементы схемы с различной формой поверхностей и строго заданным распределением толщины периодов по каждой поверхности должны иметь одинаковую (с точностью «0.05 нм) резонансную длину волны. Поэтому крайне желательно иметь технологию, обеспечивающую возможность реставрации чрезвычайно дорогих подложек после каждого неудачного нанесения многослойной структуры без изменения исходных формы и гладкости поверхности. Предлагаемый научный результат позволяет оптимизировать технологию нанесения многослойных структур с коэффициентами отражения до 70%, обеспечить путем нанесения одной буферной структуры возможности компенсации внутренних механических напряжений в многослойных структурах без уменьшения их отражательной способности и реставрации подложек без ухудшения исходных формы и гладкости поверхности подложки.

Публикации:

1. S.S. Andreev, S. V. Gaponov, S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, N. I. Polushkin, K. A. Prokhorov, N. N. Salashchenko, M. H. Haidl. Mo/Si Multilayers for 13 nm Spectral Region. // Thin Solid Films. 2002, 415/1−2, 123−132.
2. N.N. Salashchenko. Multilayer optics for spectral range 0.01−30 nm: Technology fabrication and application.// Abstracts the 6-th Intern. Conf. On the Physics of x-ray multiplayer structures, 2002 Chamonix, France, p.1.
3. С.С. Андреев, С. В. Гапонов, С. А. Гусев, С. Ю. Зуев, Е. Б. Клюенков, К. А. Прохоров, Н. И. Полушкин, Е. Н. Садова, Н. Н. Салащенко, Л. А. Суслов, M. N. Haidl. Оптимизация технологии изготовления многослойных Mo/Si зеркал. // Поверхность № 1, с. 66−73, 2001.
4. S.S. Andreev, N. N. Salashchenko, L. A. Suslov, A. N. Yablonsky and S. Yu. Zuev. Stress reduction of Mo/Si multilayer structures. // NIMA 2001, V. 470, Nos. 1+2, p. 162−167.

На основе пленок высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO разработан и изготовлен механически перестраиваемый высокодобротный контур ВЧ диапазона. Контур имеет рекордный диапазон перестройки резонансной частоты (30МГц — 8МГц) и рекордную во всем диапазоне собственную добротность 110'000 — 180'000 при Т = 77 К.

Руководитель:

С.А. Павлов

Авторы:

Д.Г. Волгунов, Е. А. Вопилкин, А. Е. Парафин. — ИФМ РАН Л. И. Пономарев — МАИ

Аннотация:

Максимальные значения добротности контуров в ВЧ диапазоне, приводимые в литературе составляют около 40'000. Использование ферроэлектриков не дает возможности перестраивать резонансную частоту в широком диапазоне, кроме того, их применение снижает добротность сверхпроводящих устройств. В разработанном нами перестраиваемом контуре резонансная частота перестраивается за счет изменения расстояния между подложками. Чтобы реализовать возможности контура по перестройке, необходимо обеспечить точное и жесткое позиционирование подложек с точностью в единицы ангстрем (крутизна перестройки достигает 1Гц/нм). Подложки перемещаются пьезодвигателем, работающим в шаговом и аналоговом режимах при азотной температуре.

Обычно качество пленок характеризуется величиной поверхностного сопротивления на частоте 10ГГц и затем пересчитывается на другие частоты по закону Rs~w2 (двухжидкостная модель). Мы не имели возможности измерить поверхностное сопротивление непосредственно на пленках, из которых изготавливаются контуры, но на основании предыдущих измерений можно с большой вероятностью считать, что его величина порядка 1 мОм. Если воспользоваться этим значением и по закону Rs~w2 вычислить сопротивление катушки индуктивности, то добротность контура должна составить ~ 107, на частоте 30МГц и расти с уменьшением частоты. Однако экспериментальная зависимость добротности от частоты (расстояния между подложками, составляющими перестраиваемый контур) имеет максимум, а значения добротности существенно ниже рассчитанных по двухжидкостной модели. Важно отметить, что зависимость снята в линейном режиме. Полная емкость контура включает межвитковые емкости одиночных контуров и емкость воздушного зазора, Можно полагать, что добротность на максимальной частоте определяется потерями в подложках. Поскольку емкость воздушного зазора растет при сближении подложек, то растет и добротность полной емкости контура. Этот эффект хорошо объясняет высокочастотный участок зависимости добротности от частоты. На низкочастотном участке добротность падает с уменьшением частоты, а ход кривой соответствует наличию в контуре последовательно включенного постоянного сопротивления. Проведенные измерения величины критического тока через катушки индуктивности показывают, что это не может быть сопротивление, вызванное наличием в полоске нормального участка. На наш взгляд механизм, объясняющий потери на низкочастотном участке связан с движением вихрей. например запинингованные вихри на частотах ниже частоты депининга дают не зависящее от частоты сопротивление.

Публикации:

1. Л.И. Пономарев, А. Ю. Ганицев, А. С. Жуков, Е. А. Вопилкин, С. А. Павлов, А. Е. Парафин, В. В. Владимиров, А. Г. Летяго, В. В. Паршиков «Высокодобротный контур высокочастотного диапазона», Патент на изобретение № 2170489 (Российская Федерация), 10 июля 2001 г.
2. Е.А. Вопилкин, А. Е. Парафин, С. А. Павлов, Л. И. Пономарев, А. Ю. Ганицев, А. С. Жуков, А. Г. Летяго, В. В. Паршиков «Высокодобротный перестраиваемый сверхпроводящий контур ВЧ диапазона «11-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 10−14 сентября 2001 Севастополь, Крым, Украина стр. 432−433.
3. Д.Г. Волгунов, Е. А. Вопилкин, А. Е. Парафин, С. А. Павлов, Л. И. Пономарев, А. С. Жуков, А. Г. Летяго, В. В. Паршиков, «Высокодобротный перестраиваемый сверхпроводящий контур ВЧ диапазона на основе высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO», Микросистемная техника, № 7, 2002, стр. 3−6+обложка.
4. Д.Г. Волгунов, Е. А. Вопилкин, А. Е. Парафин, С. А. Павлов, Л. И. Пономарев, А. С. Жуков, В. В. Паршиков, О. В. Терехин» Частотная зависимость добротности высокодобротного перестраиваемый ВТСП колебательного контура» 12-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 9−13 сентября 2002 Севастополь, Крым, Украина стр. 441−442.

На основе кремниевых слоев, селективно легированных эрбием, созданы светоизлучающие диодные структуры с интенсивной электролюминесценцией иона Er3+ на длине волны 1,54 мкм в интервале температур 77−300 К. Интенсивность люминесценции более чем на порядок превышает таковую в однородно легированных структурах. В диодах с двумя p-n-переходами, содержащими слои, сильно легированные эрбием и бором, одновременно с люминесценцией эрбия при комнатной температуре получено связанное с межзонной рекомбинацией в кремнии интенсивное излучение на длине волны 1,2 мкм.

Руководитель:

З.Ф. Красильник

Авторы:

Б.А. Андреев, В. Б. Шмагин, М. В. Степихова — ИФМ РАН В. П. Кузнецов, С. П. Светлов, В. Н. Шабанов, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков — НИФТИ ННГУ О. Б. Гусев, А. М. Емельянов, П. Е. Пак, Н. А. Соболев — ФТИ РАН

Аннотация:

Методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) с двумя типами сублимирующих источников (поликристаллическим источником Si: Er и с металлическим источником Er) получены высокоэффективные светоизлучающие диодные структуры Si: Er/Si для спектрального диапазона 1.54 мкм, оптимального для волоконно-оптических систем связи. Интенсивная электролюминесценция, связанная с внутрицентровым переходом 4I13/2→4I15/2 иона Er3+ наблюдалась в режиме обратного смещения в широком интервале температур 4.2 — 300 К при слабом температурном гашении для двух типов пробоя: лавинный пробой в структурах с относительно низким уровнем легирования и туннельный пробой в структурах с концентрацией носителей в активной области (1−2)1018 см-3. В режиме туннельного пробоя наблюдался практически линейный рост интенсивности электролюминесценции с увеличением плотности тока накачки до 12 А/см2. В случае лавинного пробоя насыщение люминесценции наблюдалось при плотности тока 2 А/см2. Экспериментальное значение произведения эффективного сечения возбуждения t на время жизни иона эрбия в возбужденном состоянии tst = 2,7 10-19 см2 с, полученное для диодов с лавинным пробоем, показывает высокую эффективность возбуждения электролюминесценции в разработанных эпитаксиальных структурах. В структуре с двумя p-n-переходами, содержащими области, легированные бором (p-Si) и эрбием (n-Si) одновременно с внутрицентровой люминесценцией иона Er3+ на длине волны 1,54 мкм, наблюдалось интенсивное излучение на длине волны 1,2 мкм при комнатной температуре, связанное с межзонной рекомбинацией в кремнии. Существенное (до порядка величины) увеличение квантовой эффективности электролюминесценции (в режиме прямого смещения) и фотолюминесценции при низких температурах наблюдалось в многослойных селективно легированных структурах с толщиной легированных слоев от 2 до нескольких десятков нанометров, разделенных «чистым» кремнием, что связано с уменьшением безызлучательной рекомбинации в нелегированных слоях. Получение таких структур является преимуществом СМЛЭ по сравнению с широко применяемым методом ионной имплантации.

Публикации:

1. M.Stepikhova, B. Andreev, V. Kuznetsov, Z. Krasil’nik, A. Soldatkin, V. Shmagin and M. Bresler. Effect of Selective Doping on Photo- and Electroluminescence Efficiency in Si: Er Structures // Solid State Phenomena V. 82−84 p. 629−637 (2002)
2. B.Andreev, V. Chalkov, O. Gusev, A. Emel’yanov, Z. Krasil’nik, V. Kuznetsov, P. Pak, V. Shabanov, V. Shengurov, V. Shmagin, N. Sobolev, M. Stepikhova, S. Svetlov. Realization of photo- and electroluminescent Si: Er structures by the method of sublimation molecular beam epitaxy // Nanotechnology (2001) (in press)
3. M.Stepikhova, B. Andreev, V. Shmagin, Z. Krasil’nik, N. Alyabina, V. Chalkov, V. Kuznetsov, V. Shabanov, V. Shengurov, S. Svetlov, E. Uskova, N. Sobolev, A. Emel’yanov, O. Gusev, P. Pak Features of the photo- and electroluninescence in uniformly and selectively doped Si: Er/Si structures produced by sublimation MBE method .// Материалы совещания «Нанофотоника» 26−29 марта 2001 г. Н. Новгород с. 265−268.
4. В.Г. Шенгуров, В. Н. Шабанов, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, Е. А. Ускова, З. Ф. Красильник, Б. А. Андреев, М. В. Степихова, В. Б. Шмагин, О. Б. Гусев, П. Е. Пак Электролюминесценция диодных структур, полученных из сублимирующих источников кремния и эрбия в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. //Материалы совещания «Нанофотоника» 26−29 марта 2001 г. Н. Новгород с. 269−271.

Рассчитана кривая намагничивания мезоскопических сверхпроводящих образцов квадратной формы во всем диапазоне изменения магнитного поля. Вычислена плотность состояний в многоквантовых вихрях и вихревых молекулах. Вычислена проводимость образца вдоль магнитного поля, определяемая как резонансным, так и нерезонансным туннелированием через электронные состояния в корах вихрей. Получаемая ступенчатая и/или осциллирующая зависимость проводимости от магнитного поля позволяет рассматривать мезоскопические сверхпроводники как квантовые переключатели, где роль управляющего напряжения играет магнитное поле.

Руководитель:

А.С. Мельников

Авторы:

П.П. Вышеславцев, И. М. Нефедов, Д. А. Рыжов, И. А. Шерешевский — ИФМ РАН,
V.M. Vinokur — Argonne National Laboratory (USA)

Аннотация:

Работа посвящена теоретическому исследованию свойств смешанного состояния в мезоскопических сверхпроводниках, размер которых составляет несколько длин когерентности. Экспериментальные и теоретические исследования таких систем указывают на наличие целого ряда фазовых переходов в магнитном поле, связанных как с изменением числа вихрей в образце, так и с перестройкой вихревых конфигураций. Проведенные нами исследования влияния геометрии образцов на структуру вихревых состояний представляются важными для интерпретации фазовой диаграммы реальных систем. Транспортные измерения (в частности с использованием СТМ) могли бы предоставить уникальную информацию о свойствах различных вихревых фаз. Таким образом, проведенные нами исследования электронной структуры, когерентного транспорта в вихревом состоянии мезоскопических образцов представляются весьма актуальными.

Структура вихревых состояний в мезоскопических сверхпроводниках квадратной формы исследовалась нами с помощью численного моделирования нестационарных уравнений Гинзбурга-Ландау. Исследованы различные вихревые состояния (изолированные вихри, вихревые молекулы, многоквантовые вихри) и рассчитана кривая намагничивания. Показано, что ряд особенностей на кривой намагничивания связан с распадом вихревых молекул и многоквантовых вихрей. Показано также, что устойчивость вихревой конфигурации, образованной вихрями и антивихрями сильно зависит от нарушений симметрии, вызванными наличием малых дефектов.

В рамках теории Боголюбова-де Жена проанализирована электронная структура и плотность состояний для различных типов вихревых структур. Проанализирован как резонансный вклад в транспорт связанный с наличием квантованных уровней в вихре, так и нерезонансный механизм туннелирования через вихрь. Показана возможность управления когерентным транспортом через образец посредством изменения числа флуксоидов и их конфигурации. Таким образом, мезоскопические образцы с малым числом вихрей представляют собой новый тип магнито-чувствительных андреевских волноводов. Проводимость образца в направлении магнитного поля определяется коэффициентом прозрачности вихревых состояний (многоквантовых вихрей и вихревых молекул), образующих квантовые каналы. Коэффициент прохождения каждого канала определяется процессами андреевского и нормального отражения от коров вихрей. Эти эффекты приводят к ступенчатой и/или осциллирующей зависимости проводимости от магнитного поля. Таким образом, можно рассматривать мезоскопические сверхпроводники как квантовые переключатели, в которых роль управляющего напряжения играет магнитное поле.

Публикации:

1. A.S. Mel’nikov and V. M. Vinokur. Mesoscopic superconductor as a ballistic quantum switch. Nature, 415, 60−62 (2002)