Kodėl puslaidininkiuose šviesą kuriančios dalelės – elektronai ir skylutės elgiasi panašiai kaip žmonės? Kokie spąstai jų tyko? Šias ir kitas XXI a. elektronikos mįsles mėgina įminti Lietuvos fizikai, naudodami savo sukurtus unikalius tyrimo metodus.
Sakoma, kad gyvenimas – daugiasluoksnis, it svogūnas. Norint pažinti tikrą daiktų prigimtį, tenka skverbtis pro kelis materijos ar medžiagų sluoksnius. Tai ne tik graži mus supančio pasaulio ir žmonių santykių metafora, bet ir rūsti tikrovė.
Konstruodami vis tobulesnius elektronikos pramonės, medicinos ir daugelio kitų sričių instrumentus, kurdami naujas medžiagas, pasižyminčias unikaliomis savybėmis, mokslininkai priversti manipuliuoti įvairiomis molekulėmis, cheminėmis reakcijomis ir net atomais, kurti iš jų daugiasluoksnes nanometrų storio struktūras. Kantriai modeliuoti, išrasti naujus metodus ir… nuolat sulaukti netikėtų siurprizų.
Nano pasaulyje galiojančios taisyklės ne visada paklūsta sveikam protui ir mūsų norams. Nors kartais molekulių ar elektronų elgesys stebėtinai primena žmonių gyvenimą. Tą savo kailiu patyrė Lietuvos fizikai, ne vieną dešimtmetį tyrinėjantys puslaidininkines medžiagas.
Vilniaus universiteto (VU) fizikos fakulteto prof. Kęstutis Jarašiūnas sako: „Mes tęsiame savo veiklą – puslaidininkinių medžiagų diagnostiką. Kuriame naujus metodus. Paskutinį dešimtmetį perėjom prie tokių medžiagų, kaip Si karbidas, Ga nitridas ir kt. charakterizavimo.“
Jos naudojamos daugelyje sričių. Be silicio karbido neįsivaizduojama pažanga didelės galios ir temperatūros elektronikoje, nitridiniai junginiai ir jų lydalai yra pagrindinės technologinės medžiagos puslaidininkinių lazerių ir šviestukų gamybai. Todėl šių medžiagų paklausa sparčiai auga, rinka reikalauja vis efektyvesnių, ilgiau veikiančių ir didesnės galios, ryškiau šviečiančių komponentų.
Na, o norint sukurti kažką naujo, reikia suprasti procesus, pasiūlyti, ką ir kaip keisti, kad daugiasluoksnė medžiaga būtų kokybiškesnė, efektyvesnė, atspari pokyčiams ir nebrangi.
„Mes nebetiriam, kaip anksčiau, plonų sluoksnių arba tūrinių kristalų, bet labai sudėtingas heterosandaras. Įvairių puslaidininkinių sluoksnių kombinaciją, skirtingų darinių sandaras“, – pasakoja K. Jarašiūnas.
Ir čia prasideda problemos net tokiems patyrusiems vilkams, kaip VU fizikos fakulteto senbuviai. Mat tokiais pažangiausiais metodais sukurti daugiasluoksniai kvantiniai puslaidininkiai elgiasi ne visai taip, kaip tikimasi. Ten, kur galioja kvantų mechanikos dėsniai, puslaidininkių medžiagų optinės ir elektrinės savybės keičiamos, keičiant sluoksnio storį.
„Dabartiniai puslaidininkiai gaunami, naudojant metalo oksido garų fazės epitaksijos metodą. Jis leidžia formuoti nanometrinius sluoksnius ir keisti sluoksnių prigimtį. Tokie sluoksniai įdomūs tuo, kad juose krūvininkai įgauna visai kitas savybes. Jie pasislepia nuo defektų ir gali efektyviai emituoti šviesą. Šviestukai tuo ir remiasi“, – sako laidos pšnekovas.
Kas gi tie krūvininkai ir kodėl jie yra patys svarbiausi gimstančios šviesos kūrėjai? Geriausia tą paaiškinti, naudojant labai žmogišką analogiją. Įsivaizduokite erdvę – kvantinį lakštą arba gilų tarpeklį, kurio dugne pašėlusiu greičiu juda elektronai ir skylutės. Tai – krūvininkai.
Jų bendravimas primena kai kuriuos vyrų ir moterų santykius. Kai elektronas su skylute susiporuoja, gimsta svarbiausias šviestuko produktas – šviesa. Tačiau ta kvantinė erdvė kupina žinomų ir dar nežinomų pavojų šiems judriesiems šviesos gamintojams. Galima sakyti, ji – magiška, tarsi Viduržemis, po kurį klaidžioja filmo „Hobitas“ herojai.
Visų pirma, skirtingų lyčių krūvininkai privalo susitikti kuo greičiau – antraip jie pavieniui išmiršta. Kita vertus, elektronui ir skylutei nepakanka tik susitikti – jiems dar reikia atrasti toje dykvietėje laisvą namuką-oazę (moksliškai vadinamą lokalizacijos centru), ir jau tuomet tikrai gims šviesa.
Deja, ir namukų kiekis ribotas, ir krūvininkų negalima suleisti pernelyg daug, nes nuo to šviestuko našumas ne tik neauga, bet netgi ima mažėti. Kaip automobilių judėjimo greitis gatvėse piko metu. Kur čia kvantinis šuo pakastas? Tai ketina sužinoti prof. K. Jarašiūno grupė.
„Yra problema – kaip padaryt daugiau tokių lokalizacijos centrų. Mokslininkai bando įdėti daugiau Indžio, kuris yra lokalizacijos centras, bando keisti technologijas. Bando keisti padėklą, ant kurio auginama, kad geriau sujungtų „namus“ prie tų elektronų judrių. Ieško būdų, kad pagerint susijungimo procesą. Bet automatiškai atsiranda ir daugiau defektų centrų. Technologija taip lemia“, – dalijasi mokslininkas. Taigi posakis „kas per daug, tas nesveika“ tinka ne tik žmonių, bet ir kvantiniam pasauliui.
„Krūvininkai įmetami tarsi į dykumą. Joje yra oazės – namai, kuriuos reikia pasiekti. Ta dykuma nėra lygi. Ir kai daugiau krūvininkų atsiranda, susiformuoja tarsi pelkė – trukdžiai, kurie trukdo jiems greitai judėti. Jeigu jie negali greitai nubėgt iki namų, jie žūna“, – vaizdingai pasakoja K. Jarašiūnas.
Vienintelis kelias – kuo geriau suprasti, kas ir kodėl tą lemia. Pagamintos puslaidininkinės sandaros savybės dažniausiai tikrinamos, sužadinus ją intensyvia lazerio šviesa. Taip tarsi iš snaudulio pažadinti krūvininkai ima judėti ir poruotis, išspinduliuodami savo aistros energiją – šviesą.
Liuminescencija – vienintelis komerciškai prieinamas tokios kokybinės analizės būdas. Lietuvos fizikai jau naudoja naujus, savo sukurtus, kur kas sudėtingesnius kompleksinius tyrimus. Pvz., holografinis matavimo būdas yra daug galingesnis. Jis leidžia giliau įžvelgti krūvininkų judėjimo ypatumus, jų persiskirstymą erdvėje, gyvavimo trukmes, pamatyti spąstus, į kuriuos jie pakliūva ir – kodėl pabėga iš namų.
Būtent tam skirtas projektas, vadinamas „Optoelektronikos poreikiams skirtų nitridinių junginių heterosandarų netiesinė optinė ex-situ diagnostika ir optimizavimas“.
„Taip prognozuojame veikimą prietaiso, kuris bus pagamintas šios medžiagos pagrindu. Šitos medžiagos labai sudėtingos, nevienalytės. Reikia pamatyti, kaip tie krūvininkai erdvėje pasiskirsto, kaip keičiasi jų spektras, ir kas atsitinka juos sužadinus. Tai leidžia pasakyti, ar bus efektyvus tas šviestukas“, – paaiškina fizikas.
Pirmiausia fizikai pasigamins tyrimams reikalingas medžiagas, naudodami jau minėtą metalo oksidų garų fazės epitaksijos metodą. Kelis milijonus litų kainavusiame reaktoriuje gimsta daugiasluoksniai puslaidininkiai. Tai naujos kartos medžiagos, naudojamos saulės energetikos, nanotechnologijų, lazerių ir optoelektronikos technologijų srityse.
Sudėtingus fizikinius procesus, vykstančius krūvininkų pasaulyje, mokslininkams padės suprasti daugiafunkciniai metodai, leidžiantys tyrinėti erdvinę, laikinę ir spektrinę krūvininkų persiskirstymo evoliuciją. Pagrindiniai tyrimų instrumentai – Lietuvoje pagaminti pikosekundiniai ir femtosekundiniai lazeriai. Naudojant du skirtingų spalvų pluoštelius, fiksuojami procesai, trunkantys mažiau nei vieną milijardinę sekundės dalį.
„Esmė paprasta. Mes sužadinam ne paprastą plėvelę – naudojam du lazerio pluoštelius, kurie pagamina medžiagoj interferencines juosteles. Kai tos juostelės išnyksta, vėliau jos susilieja dėl difuzijos. Ir mes galim pasakyti, ar tie krūvininkai judrūs.
Nes reikia, kad šviestukuose jie būtų nejudrūs. Kad jie surastų rekombinacijos centrus ir ten būtų. Jie išsilaksto iš ten dėl įvairių priežasčių. Ir matom, kad tas išsilakstymas veikia negatyviai. Neigiamas savybes mes siejam su difuzijos padidėjimu“, – pasakoja mokslininkas.
Tai iš tiesų didelė problema, kurios kol kas niekaip nepajėgia išspręsti net geriausi pasaulio technologiniai centrai.
„Šiuo metu šviestukai, kurie dirba mėlynoj srity, pasiekia 60-70 proc., bet daugiau galios jie nebegali duoti. Tuo aktualiau, jeigu norime pereiti į žalią sritį. Raudonoj srity išvis neegzistuoja tokie šviestukai. Žalioj srity jų efektyvumas dešimt kartų mažesnis.
Ta pati problema – norint injektuoti daugiau krūvininkų, jų efektyvumas nedidėja. Tai fundamentali problema, kuri svarbi visiems šviestukams“, – svarsto K. Jarašiūnas.
Jeigu specialistams pavyktų išspręsti šią įsisenėjusią problemą ir padidinti kvantinio našumo įsotinimo slenkstį, atsivertų didelės galios šviestukų ir balto spektro šviestukų pasaulinės rinkos.
K. Jarašiūnas prognozuoja: „Tolimesnė perspektyva – gaminti ne tik mėlynus, bet žalius ir raudonus šviestukus. Tai didžiausia problema šiandien. Todėl ir pagrindinis tikslas – viena technologija pagaminti visus šviestukus.“
