Лаборатория «Спектроскопия полупроводников и наноструктур»

Руководитель направления:

• д.ф.м.-н., профессор Фирсов Дмитрий Анатольевич

Научный коллектив:

• д.ф.м.-н., профессор Шалыгин Вадим Александрович
• к.ф.м.-н., доцент Винниченко Максим Яковлевич
• старший преподаватель Паневин Вадим Юрьевич
• старший преподаватель Мелентьев Григорий Александрович
• инженер, аспирант Харин Никита Юрьевич
• инженер, аспирант Граф Сергей Владимирович
• инженер, аспирант Устименко Ратмир Владленович
• стажер-исследователь, студент Караулов Данила Андреевич 
• стажер-исследователь, студент Норватов Илья Алексеевич

В рамках работ направления выполнены и защищены ряд диссертаций (см. выше список коллектива), опубликовано большое количество статей, монографий, учебных пособий (список каждого члена коллектива см. на его личной странице).

• Основными направлениями исследований являются
  1. Приборы полупроводниковой оптоэлектроники и наноэлектроники:
     ⇒ лечебно-диагностический стоматологический лазерный комплекс (Патент 2015 г.) и комплекс диагностики, профилактики и лечения онкологических заболеваний (Патенты 2012, 2013 гг.)
     ⇒ лазеры терагерцового диапазона на горячих дырках в германии (государственная премия СССР, 1987 г.)
     ⇒ быстродействующие модуляторы ИК излучения на горячих носителях заряда
     ⇒ лазеры и детекторы среднего ИК диапазона на базе наногетероструктур с квантовыми ямами и точками
     
  2. Новые оптические и кинетические явления в полупроводниках в сильных электрических полях при разогреве носителей заряда, а также в сильных скрещенных электрических и магнитных полях:
     ⇒ внутризонное и межподзонное излучение света горячими электронами и дырками
     ⇒ внутри- и межзонное поглощение света горячими электронами и дырками, в том числе и индуцированное неравновесными оптическими фононами
     ⇒ эффекты Фарадея и Керра на горячих электронах и дырках в однодолинных и многодолинных полупроводниках
     ⇒ индуцированное неравновесными оптическими фононами межзонное поглощение света
     ⇒ оптическая активность, индуцированная током
     ⇒ увлечение фотонов током дырок в германии
     ⇒ интерференция света при разогреве электронов
     ⇒ инверсия населенности горячих носителей заряда и генерация излучения дальнего ИК диапазона.
  3. Оптические явления в наногетероструктурах, связанные, главным образом, с внутризонными (внутриподзонными и межподзонными) переходами неравновесных носителей заряда в квантовых ямах, с внутризонными межуровневыми переходами неравновесных носителей заряда в квантовых точках, динамика поглощения и излучения света в наноструктурах в пикосекундном диапазоне:
     ⇒ излучение и поглощение света дальнего ИК (терагерцового) диапазона при внутри- и межподзонных переходах горячих электронов и дырок
     ⇒ поглощение и преломление света при разогреве электронов в квантовых ямах
     ⇒ внутризонное излучение света из квантовых точек и квантовых ям
     ⇒ циркулярный фотогальванический эффект на межподзонных переходах в квантовых ямах
  4. Ориентация спинов электрическим током
  5. Физика плазмон-поляритонов в двумерных наноструктурах

• Актуальность исследований

  Современная оптоэлектроника базируется на самых разнообразных оптических, фотоэлектрических и фотогальванических явлениях. Обнаружение новых эффектов при воздействии на полупроводниковые структуры оптического излучения, электрического и магнитного полей открывает новые функциональные возможности, ведет к созданию более совершенных приборов.

  Физика полупроводниковых структур с пониженной размерностью – актуальное и быстро развивающееся направление в области физики полупроводников. В наноструктурах с квантовыми ямами, в одиночных гетеропереходах с двумерными электронами, в графене возникает целый ряд физических явлений, которые невозможно наблюдать в объемных материалах. В значительной степени это обусловлено более низкой симметрией двумерных полупроводниковых структур по сравнению с объемными полупроводниками.

  В последнее десятилетие широко ведутся исследования спиновых явлений в полупроводниках и наноструктурах: изучаются особенности спин-орбитального взаимодействия, спиновая динамика электронов и дырок, процессы передачи углового момента фотона электронной системе. Кроме традиционных исследований по оптической ориентации спинов носителей заряда проводятся также эксперименты, нацеленные на изучение спинового эффекта Холла и спиновой ориентации носителей заряда под действием электрического тока.

  Поглощение поляризованного света в полупроводниковых структурах может приводить не только к выстраиванию спинов носителей заряда, но и к выстраиванию их импульсов, в результате чего, наряду с оптической ориентацией, наблюдаются также различные фотогальванические эффекты. Исследование фотогальванических эффектов в двумерных структурах дает возможность выявлять симметрию структур и доминирующие механизмы рассеяния носителей заряда, определять времена релаксации энергии, импульса и спина, создавать фотоприемники различного функционального назначения.

  Весьма информативным является также исследование оптического поглощения и двулучепреломления наноструктур с двумерным электронным газом в электрических полях. Подобные исследования не только имеют важное фундаментальное значение для физики двумерных электронов, но и обеспечивают надежные методы характеризации наноструктур, открывают путь для создания быстродействующих модуляторов оптического излучения.

• Исследования сегодняшнего и завтрашнего дня

  Создание новых источников излучения терагерцового диапазона – актуальная задача полупроводниковой оптоэлектроники. Для практических применений наиболее удобны источники излучения с электрическим возбуждением. В связи с этим ставится задача исследования различных механизмов эмиссии терагерцового излучения из полупроводниковых микро- и наноструктур в электрическом поле. Одним из перспективных направлений в этой области является использование оптических переходов горячих (неравновесных) электронов между примесными состояниями в полупроводниках.

  Другой проект, реализуемый в настоящее время, связан с терагерцовой плазмоникой. Физика плазмон-поляритонов в двумерных наноструктурах активно развивается в последнее дясятилетие. Новым направлением в этой области является получение эмиссии терагерцового излучения за счет поверхностных плазмон-поляритонов, взаимодействующих со структурными неоднородностями наноматериала. В рамках данного проекта предполагается изготовить и исследовать тонкие проводящие слои из различных полупроводников А3В5, содержащие как случайные, так и регулярно расположенные неоднородности, что позволит реализовать условия для эффективного возбуждения плазмон-поляритонов в терагерцовом диапазоне частот, а также для интенсивной эмиссии терагерцового излучения.

  Таким образом, данные проекты предусматривают проведение фундаментальных и прикладных исследований в актуальных направлениях физики полупроводников и наноматериалов (оптика горячих электронов и терагерцовая плазмоника) и нацелены на создание эффективных источников излучения терагерцового диапазона.

• Оборудование
  1. Вакуумный широкополосный фурье-спектрометр Bruker Vertex 80v на диапазон 0.5-1000 мкм – для изучения спектров поглощения и эмиссии излучения среднего, дальнего инфракрасного и терагерцового диапазонов.
  2. Фотоприёмники с усилителями на инфракрасный и терагерцовый диапазоны (в том числе, высокочувствительный кремниевый болометр на терагерцовый диапазон, охлаждаемый жидким гелием, и малоинерционные детекторы в криостате замкнутого цикла – Ge:Ga и болометр на горячих электронах в InSb), необходимые для регистрации излучения дальнего, среднего инфракрасного и терагерцового диапазонов.
  3. Импульсный YAG:Nd лазер с удвоением частоты, непрерывные полупроводниковые лазеры – для оптической межзонной накачки структур и создания неравновесных носителей заряда.
  4. Непрерывный терагерцовый лазер на парах метанола и непрерывный лазер на углекислом газе для исследования поглощения излучения терагерцового и ИК диапазонов свободными электронами.
  5. Решеточный инфракрасный спектрометр Horiba Jobin Yvon, необходимый для характеризации образцов по спектрам фотолюминесценции ближнего инфракрасного диапазона.
  6. Осциллографы (в т.ч. цифровые LeCroy WavePro 715 Zi, Tektronix TDS2014, Agilent Technologies DSO 6034), генераторы импульсов сильного поля, источники питания и т.п., необходимые для проведения измерений.
  7. Фазочувствительные синхронные детекторы (Lock-in amplifier) SR830 с усилителями тока и напряжения SR570, SR560, необходимые для регистрации слабых выходных сигналов фотоприемников, а также импульсный синхронный детектор Boxcar SR250.
  8. Криостат замкнутого цикла Janis PTCM (Т=4-350 К), для проведения исследований поглощения света и эмиссии излучения из наноструктур при разных температурах.

• Избранные публикации группы за последние 5 лет
  1. Sofronov, A.N., Vorobjev, L.E., Firsov, D.A., Balagula, R.M., Tonkikh, A.A. Temperature depopulation of the GeSi/Si quantum dots with non-equilibrium charge carriers. Superlattices and Microstructures, 107, pp. 228-233 (2017).
  2. Maxim Vinnichenko, Roman Balagula, Ivan Makhov, Dmitry Firsov, Leonid Vorobjev, Leon Shterengas, Gregory Belenky The effect of Auger recombination on the nonequilibrium carrier recombination rate in the InGaAsSb/AlGaAsSb quantum wells. Superlattices and Microstructures 109 743-749 (2017).
  3. V. Akimov, D.A. Firsov, C.A. Duque, V. Tulupenko, R.M. Balagula, M. Ya. Vinnichenko, L.E. Vorobjev Temperature shift of intraband absorption peak in tunnel-coupled QW structure. Optical Materials, Vol. 66, pp.160-165 (2017).
  4. I.S. Makhov, V.Yu. Panevin, A.N. Sofronov, D.A. Firsov, L.E. Vorobjev, M.Ya. Vinnichenko, A.P. Vasil'ev, N.A. Maleev The effect of stimulated interband emission on the impurity-assisted far-infrared photoluminescence in GaAs/AlGaAs quantum wells. Superlattices and Microstructures 112 79-85 (2017).
  5. Shalygin V.A., Moldavskaya M.D., Danilov S.N., Farbshtein I.I., Golub L.E. Circular photon drag effect in bulk tellurium. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics 93 (4), 045207 (2016).
  6. S.Hanna, B.Eichenberg, D.A.Firsov, L.E.Vorobjev, V.M.Ustinov, A.Seilmeier. Electromagnetically induced transparency in a cascade-type quantum well subband system under intense picosecond excitation. Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures 75, 12111, pp. 93-96 (2016).
  7. G.A.Melentev, V.A.Shalygin, L.E.Vorobjev, V.Yu.Panevin, D.A.Firsov, L.Riuttanen, S.Suihkonen, V.V.Korotyeyev, Yu.M.Lyaschuk, V.A.Kochelap, V.N.Poroshin. Interaction of surface plasmon polaritons in heavily doped GaN microstructures with terahertz radiation. Journ. of Appl. Phys. 119, 093104 (2016).
  8. Agekyan, V. F., Borisov E. V., Vorobjev L. E., Melentyev G. A., Nykänen H., Riuttanen L., Serov A.Y., Suihkonen S., Svensk O., Filisofov N.G., Shalygin V.A., Shelukhin L.A. Optical and electrical properties of GaN: Si-based microstructures with a wide range of doping levels. Physics of the Solid State, 57(4), 787-793 (2015).
  9. Sofronov A. N., Vorobjev L. E., Firsov D. A., Panevin V. Y., Balagula R. M., Werner P., Tonkikh A. A.. Photoinduced mid-infrared intraband light absorption and photoconductivity in Ge/Si quantum dots. Superlattices and Microstructures, 87, 53-57 (2015).
  10. Д.А.Фирсов, Л.Е.Воробьев, В.Ю.Паневин, А.Н.Софронов, Р.М.Балагула, И.С.Махов, Д.В.Козлов, А.П.Васильев. Терагерцовое излучение, связанное с примесными переходами электронов в квантовых ямах при оптической и электрической накачке. Физика и техника полупроводников 49, вып. 1, 30-34 (2015).
  11. L.E.Vorobjev, D.A.Firsov, V.Yu.Panevin, A.N.Sofronov, R.M.Balagula, A.A.Tonkikh. Mid-infrared light absorption by photo-excited charge carri-ers in Ge/Si quantum dots. J. Phys.: Conf. Ser. 586 012001 (2015).
  12. Д.А.Фирсов, Л.Е.Воробьев, М.Я.Винниченко, Р.М.Балагула, М.М.Кулагина, А.П.Васильев. Влияние поперечного электрического поля и температуры на поглощение света в туннельно-связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs. Физика и техника полупроводников 49, вып. 11, 1473-1477 (2015).
  13. Firsov D.A., Vorobjev L.E., Panevin V.Y., Sofronov A.N., Balagula R.M., Kozlov D.V.. Impurity-related terahertz emission from quantum well nanostructures. Lithuanian Journal of Physics 54, Iss. 1, 46-49 (2014).
  14. Y.Lin, D.Wang, D.Donetsky, G.Kipshidze, L.Shterengas, L.E.Vorobjev, G.Belenky. Transport properties of holes in bulk InAsSb and performance of barrier long-wavelength infrared detectors. Semiconductor Science and Technology, Vol 29, Num. 11, pp. 112002-112007(6) (2014).
  15. P. Olbrich, C. Drexler, L. E. Golub, S. N. Danilov, V. A. Shalygin, R. Yakimova, S. Lara-Avila, S. Kubatkin, B. Redlich, R. Huber, S. D. Ganichev. Reststrahl band-assisted photocurrents in epitaxial graphene layers. Phys. Rev. B, 2013, Vol. 88, Issue 24, 245425 (7 pages).
  16. М.Я.Винниченко, Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, М.О.Машко, Р.М.Балагула, G.Belenky, L.Shterengas, G.Kipshidze. Зависимость концентрации носителей заряда от тока в инжекционных лазерах среднего инфракрасного диапазона с квантовыми ямами. Физика и техника полупроводников 47, вып. 11, 1526-1529 (2013).
  17. В.Ю.Паневин, А.Н.Софронов, Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, М.Я.Винниченко, Р.М.Балагула, А.А.Тонких, P.WernerB.Fuhrman, G.Schmidt. Латеральная фотопроводимость структур с квантовыми точками Ge/Si. Физика и техника полупроводников 47, вып. 12, 1599-1603 (2013)

  Учебные пособия

  1. В.Э.Гасумянц, С.Н.Лыков, Д.А.Пшенай-Северин, Д.А.Фирсов. Размерное квантование. Часть 2. Оптические и кинетические свойства полупроводниковых наноструктур. С.-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2010 г. Учебное пособие. 242 стр.
  2. В.Э.Гасумянц, С.Н.Лыков, Д.А.Пшенай-Северин, С.А.Рыков, Д.А.Фирсов. Размерное квантование. Часть 1. Энергетический спектр наноструктур. С.-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2008 г. Учебное пособие под ред. С.Н.Лыкова. 258 стр.
  3. В.Э.Гасумянц, Д.А.Фирсов. Электроны и фононы в квантоворазмерных системах. С.-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2008 г. Учебное пособие. 96 стр.
  4. Воробьёв Л.Е., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Оптические свойства наноструктур (Под ред. Е.Л.Ивченко и Л.Е.Воробьева). С.-Петербург, Изд-во Наука, 2001. 188 с.
  5. Воробьев Л.Е., Данилов С.Н., Ивченко Е.Л., Левинштейн М.Е., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах. Учебное пособие/ Под редакцией Л.Е.Воробьева. СПб.: "Наука", 2000. 160 стр.