Четвертый день Летней Алфёровской школы

Четвертый день участники Летней Алфёровской школы продуктивно трудятся над интересными проектами!

Лаборатория Оптики гетерогенных структур и оптических материалов (зав. лаб. д.ф.-м.н. Липовский Андрей Александрович) представила на Школе авторский проект ― «Фотодетекторы на базе нитевидных нанокристаллов фосфида галлия». Руководит проектом инженер Кондратьев Валерий.

В рамках проекта участники пройдут полный цикл создания фотодетектора, от синтеза полупроводниковых микро- и наноструктур до их исследования и приборного применения:

• синтезируют нанокристаллы фосфида галлия своими собственными руками;
• освоят методы растровой электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа и электронной дифракции;
• инкапсулируют полученные кристаллы в полимерную матрицу и изготовят серию фотодетекторов;
• проведут полное исследование характеристик полученных фотодетекторов, а также изучат программные пакеты для численного анализа и визуализации полученных данных.

Проект направлен на формирование фундаментальных и прикладных компетенций в области нанотехнологий.

Совместный проект лаборатории Оптики гетерогенных структур и оптических материалов (зав. лаб. д.ф.-м.н. Липовский Андрей Александрович) и лаборатории Эпитаксиальных нанотехнологий (зав. лаб. д.ф.-м.н. Цырлин Георгий Эрнстович) ― «Гибридные светоизлучающие наноструктуры на основе полупроводниковых нитевидных нанокристаллов III-N материалов». Руководители проекта – аспиранты Шугабаев Талгат и Кузнецов Алексей.

Сложно представить современный мир без сверхэкономичных светодиодных ламп, телевизоров, смартфонов и т.д. Все эти обыденные вещи объединяет то, что в их основе лежат светоизлучающие компоненты на основе полупроводниковых соединений.

С момента изобретения первых прототипов светодиодов прошло не менее 90 лет, но современные технологии так и не смогли преодолеть проблему под названием “green gap”. Ее суть заключается в том, что ввиду ограниченного набора подходящих полупроводниковых материалов, в желто-зеленом спектральном диапазоне образуется провал в эффективности светодиодов, что создаёт проблему в создании источников белого света, качественной цветопередачи экранов и т.д.

Крайне перспективным кандидатом для решения проблемы "green gap" являются нитевидные нанокристаллы (ННК) на основе нитрида галлия (GaN), разбавленного изовалентными элементами, например индием (In).

Целью проекта является изучение и анализ оптических параметров гибридных структур на основе ННК GaN и серебряных наночастиц (НЧ). Участники узнают о физике процессов фотолюминесценции, плазмонных колебаний и принципах численных расчетов ближних полей, научатся синтезировать коллоидные серебряные НЧ, определять их размеры, анализировать их спектры поглощения, а также проводить измерения интегральных карт фотолюминесценции (ФЛ). С помощью ПО Ansys Lumerical численно рассчитают пространственное распределение электромагнитных полей внутри ННК и проанализируют влияние НЧ на их локализацию.

Кафедра Общей физики представляет на Школе проект своего руководителя – д.ф.-м.н. Полозкова Романа Григорьевича ― «Квантово-механическое моделирование наноструктур из первых принципов».

Реальные объекты физики конденсированного состояния – жидкости и твердые тела, состоят из очень большого числа атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и электронов. Это существенно квантовые объекты, которые надо описывать на языке квантовой механики. Существует много приближенных подходов к решению подобных задач, но, благодаря прогрессу в развитии современной вычислительной техники, в последнее время активно применяется так называемый подход квантово-механического моделирования из первых принципов (ab-initio подход). По сути, это численное моделирование пространственной структуры системы, энергетического спектра ее электронов и оптического отклика путем численного решения уравнений, аналогичных уравнению Шредингера. Наиболее известным и широко применяемым ab-initio подходом является теория функционала плотности (Density functional theory - DFT). Разумеется, на данный момент времени созданы уже готовые к применению инструменты для подобных расчетов в виде пакетов квантово-механического моделирования на базе DFT, такие как QuantumEspresso, Gaussian, Gamess, Octopus, VASP, GPAW и другие.

В рамках данного проекта участникам предлагается провести конкретные расчеты для поиска оптимальной геометрии элементарной ячейки кристалла, энергетического спектра электронов в кристалле и оптического отклика кристалла. Для выполнения проекта будут использоваться два бесплатных пакета – QuantumEspresso и GPAW.

Для участников Школы представлен ещё один проект лаборатории Нанобиотехнологий (зав. лаб. д.х.н. Рязанцев Михаил Николаевич) ― «Биоэлектроника − портал в мир симбиоза физики и биологии». Руководитель проекта – к.ф.-м.н., м.н.с. Ступин Даниил.

Электроника за время своего примерно двухсотлетнего развития достигла фантастических высот и прочно вошла в нашу жизнь, породив огромное количество различных по своему функциональному назначению приборов: от компактных лазерных указок до супер-ЭВМ и не только. Тем не менее биология, которая создавала свое многообразие в течение примерно четырех миллиардов лет, очевидно, достигла результатов еще более выдающихся. По этой причине слияние биологии и электроники открывает новые перспективы для расширения спектра доступных человечеству инструментов, которые сейчас, в частности, начинают активно применяться для решения таких актуальных задач как зрительное и слуховое протезирование, создание диагностических тест-систем для определения вирусов и онкологических заболеваний, разработка исследовательских платформ для изучения клеток и т.д.

В ходе выполнения проекта участники научатся осуществлять симбиоз биологии и электроники, а также смогут создать свой собственный биоэлектронный прибор. Сам проект состоит из теоретического блока, в котором объясняются принципы работы биоэлектронных сенсоров, и практического блока, на котором участники научатся подключаться к живым клеткам in vitro и считывать с них электрический сигнал. В качестве бонуса также предусмотрен дополнительный блок, посвященный применению искусственного интеллекта для наиболее наглядного представления полученных данных.

фото - Олег Баронов