Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН и Новосибирского государственного университета работали с наномеханическим резонатором, который представлял собой очень тонкую (сотни нанометров) колеблющуюся «подвешенную» полупроводниковую мембрану. При воздействии на нее светом выяснилось, что добротность — одна из основных характеристик резонатора — изменилась и не вернулась к прежнему состоянию после «выключения» света.

Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters, статья вошла в число лучших материалов в издании.

Экспериментальный образец, готовый к измерениям...

Экспериментальный образец, готовый к измерениям. Фото предоставлено Андреем Шевыриным

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) позволяют исследовать свойства физических величин в наномире. Например, с помощью НЭМС можно измерить массу единичной молекулы. Изучение и создание НЭМС — один из трендов современной физики, однако в России этой тематикой занимаются лишь несколько научных групп, одна из которых работает в ИФП СО РАН.

Нанорезонатор обладает собственной частотой колебаний (резонансной частотой). Она меняется под действием внешних сил, например веса молекулы, и это можно измерить. Также нанорезонаторы способны преобразовать энергию колебаний в оптический сигнал или «уловить» появление новых молекул в исследуемой среде и, соответственно, могут использоваться как сенсоры для распознавания крайне малых количеств вещества.

— Факт того, что в результате светового воздействия поменялась добротность устройства — удивителен, и ранее его никто не наблюдал. Нанорезонаторы часто исследуют с помощью оптических методов, теперь очевидно, что это не всегда корректно: проводя измерение, мы влияем на саму изучаемую систему. Добротность — одна из самых значимых характеристик резонатора: чем она выше, тем лучше задана резонансная частота устройства, а значит тем точнее можно измерить с его помощью нужные физические величины. Поэтому понимание механизмов, которые определяют добротность, имеет ключевое значения для изучения и разработки нанорезонаторов, — говорит первый автор статьи, научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Шевырин.

Исследование нанорезонатора под микроскопом, на...

Исследование нанорезонатора под микроскопом, на фото Андрей Шевырин. Автор фото: Надежда Дмитриева

Для создания нанорезонатора в описываемой работе использовалась полупроводниковая многослойная структура на основе арсенида галлия с двумерным электронным газом. При помощи ряда процедур один из промежуточных слоев — жертвенный — избирательно вытравливался и, таким образом, удавалось «подвесить» тонкую полупроводниковую мембрану над подложкой. Колеблющаяся мембрана — это и есть резонатор.

Изображение нанорезонатора, полученное с помощь...

Изображение нанорезонатора, полученное с помощью электронного микроскопа, масштаб: 1 микрон (одна тысячная миллиметра). Источник фото: Shevyrin et.al/APL, 2020

Свойства полупроводниковых наноструктур с двумерным электронным газом, квантовыми нитями и квантовыми точками — состояниями, в которых движение электронов ограничено (квантуется) в одном или нескольких направлениях — предмет активного интереса в современной физике. А если эту систему дополнительно еще «заставить» колебаться, то обнаруживаются новые эффекты, недоступные при исследовании в статичном состоянии.

— Эффект изменения добротности — «замороженный», т.е. нанорезонатор «помнит», что на него воздействовали светом и не возвращается в прежнее состояние. Раньше наблюдалось похожее явление — «замороженной» фотопроводимости, объясняющееся так называемыми DX-центрами. Наши эксперименты показали, что, по всей видимости, легирующая примесь (она вводится в полупроводник, чтобы изменить его электрические свойства — Прим. авт), находясь в состоянии такого центра, определяет не только электронные, но и механические свойства систем. В частности — то, насколько быстро затухают механические колебания в среде. Вполне возможно, что DX-центры можно будет в дальнейшем исследовать с помощью нанорезонаторов, например, тех, что мы создаем, — добавляет Андрей Шевырин.

DX центры — это особые состояния донорной (т.е. отдающей электроны) примеси в полупроводнике, которая вводится, чтобы изменить его электрические свойства. Исследование свойств DX центров имеет ключевое значение для практических применений полупроводниковых материалов.

Сотрудники Института физики полупроводников им....

Сотрудники Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова д.ф.-м.н. Артур Погосов и к.ф.м-.н. Андрей Шевырин. Автор фото: Надежда Дмитриева

— Наша группа давно занимается полупроводниковыми наноструктурами на основе арсенида галлия, и их свойства нам очень хорошо известны. Наноэлектромеханические системы — сравнительно новая для нас область, которая связывает электрические и механические свойства наноструктур, то есть находится на стыке двух направлений. Как показывают наши эксперименты, это позволяет обнаружить принципиально новые явления, — комментирует соавтор статьи, главный научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем, заведующий кафедрой общей физики НГУ доктор физико-математических наук Артур Погосов.

Работа выполнялась при поддержке Российского научного фонда (проект № 18-72-10058) и госзадания ИФП СО РАН (проект № 0306-2019-0019).