RICERCA ITALIANA     

Colmare la distanza tra teoria ed esperimento: verso il controllo della crescita e delle proprietà delle nanostrutture di semiconduttori

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Abstract

I punti quantici (QDs) offrono la possibilità di controllare il numero di portatori al loro interno, confinandoli in una ristretta regione spaziale di alcune decine di nanometri. Sulla base di questa formidale proprietà sono state proposte delle applicazioni in questi ultimi anni (nanofotonica, computazione quantistica, etc.) che prevedono un'alta densità di dots e uniformità delle dimensioni e quindi, richiedono di ridurre al minimo le fluttuazioni casuali di posizione e di dimensione. La semplice auto-aggregazione dei dots sulla superficie piana durante la fase di crescita non consente di raggiungere questo obiettivo. Dal punto di vista sperimentale la strategia che si adotta è quella di guidare l'ordinamento laterale dei dots realizzando sulla superficie un reticolo di siti preferenziali di nucleazione utilizzando diverse tecniche di patterning. Il successo di questi procedimenti è stato solo parziale in quanto la pre-strutturazione del substrato spesso introduce difetti ed effetti non voluti sulla nucleazione. Inoltre, i dots così cresciuti presentano grandi variazioni nelle loro proprietà. Questo è dovuto anche in gran parte alla incapacità della teoria di spiegare e fare predizioni sulle caratteristiche strutturali ed elettroniche dei dots a partire dalle varie caratteristiche del processo di crescita e alla loro morfologia realistica.
Il presente progetto di propone di affrontare questo problema su un duplice fronte. Da una parte verrà compiuto uno >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Rita Magri Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo scopo scientifico principale del presente progetto è mettere a punto una metodologia teorico-sperimentale per lo studio dei complicati aspetti termodinamici e cinetici sottostanti la crescita delle nanostrutture semiconduttrici autoaggreganti sopra wetting layers delimitati spazialmente e la predizione delle proprità strutturali, elettroniche e ottiche del materiale cresciuto. I due anni del progetto verranno impiegati a costruire gli strumenti e le metodologie teoriche e sperimentali necessarie al compimento di questo obiettivo.
Il motivo fondamentale della necessità di un tale studio è che a tutt'oggi non si è ancora pienamente riusciti a controllare la crescita epitassiale delle nanostrutture, condizione indispensabile per l'impiego pieno delle loro potenzialità e proprietà uniche nei dispositivi avanzati (nanofotonica, quantum computation). Infatti il raggiungimento di questo scopo aprirebbe la strada alla progettazione di tutta una serie di dispositivi nanostrutturati di rilevante interesse scientifico e tecnologico non ancora esplorati basati su sistemi III-V tra cui il sistema InAs/(GaAs)InP che emette alla lunghezza d'onda 1.55 µm delle telecomunicazioni, i QDs basati sull'Sb che emettono nell'infrarosso medio e lontano per rivelatori del'inquinamento atmosferico, i dots InMnAs magnetici per applicazioni alla spintronica.
La piena comprensione dei complicati fenomeni fisici sottostanti l'autoaggregazione ed il >>>

Risultati parziali attesi

I risultati più importanti che ci si aspetta di conseguire al termine di questo programma di ricerca sono vari.
Al primo posto poniamo la creazione di una metodologia teorica multiscala nel campo della struttura della materia e nello studio delle proprietà elettroniche che può essere di grande aiuto nel costruire il ponte tra l’esperimento (che tratta i sistemi reali nella loro complessità) e la teoria (che usa modelli semplificati della realtà).
La filosofia sottostante a questa tecnologia multiscala parte dallo studio accurato, basato su sofisticate tecniche ab-initio, di elementi del sistema con pochi atomi. Di questi sistemi di base di piccole dimensioni (costituenti binari di una lega ternaria, piccole sezioni di superfici ricostruite, pochi adatomi) vengono calcolate la struttura atomica di equilibrio (cioè di energia totale minima) e la struttura dei livelli energetici di Kohn-Sham, o, dopo, l’applicazione di correzioni GW, lo spettro di quasiparticella. Questi calcoli sono computazionalmente molto pesanti.
A partire da una serie di questi calcoli, in genere, usati per esplorare molte configurazioni del sistema “piccolo”, vengono estratti dei parametri, che poi vengono utilizzati in modelli meno precisi ma più “leggeri” da un punto di vista computazionale. L’utilizzo di questi modelli, nel nostro caso, il kinetic Monte Carlo e/o rate equations per lo studio della cinetica di crescita, e lo pseudopotenziale empirico per lo studio della struttura >>>

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, etc.). 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].


Di fatto le applicazioni d'avanguardia più promettenti per la nanofotonica e la computazione quantistica sono basate sul singolo quantum dot e sulla capacità di >>>