RICERCA ITALIANA     

Nucleazione spazialmente controllata di punti quantici per emettitori a singolo fotone

Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

Abstract

L'interesse scientifico e tecnologico dei dispositivi a singolo punto quantico è legato alla particolare densità degli stati di questa nanostruttura che viene spesso descritta come un atomo artificiale. Il QD offre la possibiltà di controllare il numero di portatori al suo interno, confinandoli in una ristretta regione spaziale di alcune decine di nanometri. L'immagazzinamento di singoli elettroni nel QD è il punto di partenza per realizzare emettitori a singolo fotone. Il presente progetto si propone di affrontare il problema della crescita per epitassia da fasci molecolari (MBE)di punti quantici di InAs e InGaAs, su substrati opportunamente strutturati di GaAs al fine di ottenere la nucleazione controllata di singoli QD in nanobuchi con dimensioni di 50-100 nanometri per dispositivi luminescenti a singolo emettitore. A tal fine è necessario che il nanoemettitore sia una sorgente efficiente di luce e quindi che le fluttuazioni casuali di posizione e di dimensione siano drasticamente ridotte. Verranno messe a punto strategie di localizzazione efficienti, basate sulla prestrutturazione del substrato e guidate da precise indicazioni teoriche della cinetica superficiale su scale temporali e spaziali realistiche. Il metodo sperimentale prescelto in questo progetto per nucleare i QD prevede l'uso di una maschera di SiO2 depositata sul substrato e litografata con fascio elettronico in modo da produrre nanobuchi e quindi procedere alla crescita dei dots di In(Ga)As nelle area non >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Adalberto BALZAROTTI Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Tra le applicazioni più promettenti dei punti quantici per dispositivi optoelettronici innovativi vi è quella dei LED emettitori in microcavità. La realizzazione pratica di tale dispositivo implica la capacità di far nucleare il singolo emettitore, cioè il singolo punto quantico, in un'area selezionata della superficie, di dimensioni tipicamente 100 nm, in maniera controllata e ripetibile. Questo obiettivo, benchè perseguito ampiamente da molti gruppi di ricerca con varie strategie che combinano tecniche di crescita epitassica e tecniche di strutturazione del substrato, non è stato ancora conseguito appieno.
Lo scopo principale del presente progetto è di affrontare il problema della crescita di punti quantici di InAs, su substrati opportunamente strutturati di GaAs al fine di ottenere la nucleazione controllata di singoli QD in nanobuchi con dimensioni di 50-100 nanometri per applicazioni optoelettroniche basate sul singolo emettitore. Al fine di essere utilizzati come centri luminescenti per emettitori a singolo fotone, è necessario che il nanoemettitore sia una sorgente efficiente di luce. Si devono scegliere configurazioni che incrementino il rate di generazione di fotoni e quindi la disposizione spaziale dei QD all'interno della microcavità deve essere tale che l'accoppiamento fra gli stati elettronici del QD e i modi del campo elettromagnetico nella cavità cambi la probabilità di emissione spontanea (SER) dell'atomo artificiale schematizzabile come un sistema >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I punti quantici (Quantum Dots, QDs) sono nanostrutture a semiconduttore dove gli stati elettronici sono perfettamente quantizzati, e il loro studio presenta molte analogie con la fisica atomica. In particolare, nel caso dei QD basati su materiali a gap diretta quali il GaAs e l'InAs, l'interazione di un singolo QD con la radiazione dà luogo a fenomeni analoghi a quelli noti nella spettroscopia atomica (righe di emissione discrete, struttura fine, ecc) e nell'ottica quantistica con singoli atomi (generazione di stati nonclassici del campo elettromagnetico, strong coupling, …). Negli ultimi anni l'applicazione dei singoli QDs nel sistema InAs/GaAs, ha avuto notevoli successi, quali la generazione di stati a singolo fotone [1], e la loro applicazione per la crittografia quantistica [2], il controllo dell'emissione spontanea in microcavità [3], la dimostrazione di interferenza tra due fotoni generati da singoli QDs [4], e di strong coupling tra un singolo eccitone e un modo di microcavità [5]. Il controllo coerente della carica o dello spin in singoli QD puo' essere utilizzato per la realizzazione di porte quantistiche e potenzialmente di un computer quantistico, come proposto in molti lavori teorici [6,7], con prime interessanti conferme sperimentali [8, 9].
Da quanto detto appare evidente che la crescita controllata di QD di (InGa)As su superfici di GaAs con elevato grado di confinamento laterale (dell'ordine di 50-100 nm) e' di grande interesse. Il raggiungimento di >>>