للتحكم في النقاط الكمومية، أخذنا في الاعتبار تضاريس السطح

تشبه النقاط الكمومية الذرات في خصائصها البصرية: فهي أيضًا قادرة على إصدار وامتصاص ضوء بطول موجي محدد بدقة. ومع ذلك، على عكس الذرات الحقيقية، يمكن التحكم في خصائصها عن طريق تغيير حجمها وتكوينها. اليوم، يتم استخدامها ليس فقط لإنشاء مصابيح LED وأشعة ليزر عالية الكفاءة، ولكن أيضًا أجهزة جديدة بشكل أساسي – مصادر الفوتونات المفردة (الحد الأدنى من أجزاء الضوء)، والتي تعتبر ضرورية للاتصالات الكمومية والحوسبة الكمومية. لإنشاء مثل هذه الأجهزة، من الضروري التحكم بدقة في موضع النقاط الكمومية على سطح “الشريحة”. أحد الأساليب الواعدة هو تكوين نقاط كمومية ليس على سطح مستو، ولكن داخل منخفضات محفورة خصيصًا بحجم النانو. يتيح لك ذلك تبسيط موقعها والحصول على صفائف ذات كثافة منخفضة، عندما يمكن “توصيل” النقاط الفردية واحدة تلو الأخرى. ومع ذلك، حتى الآن لم يفهم العلماء بشكل كامل ما يحدث لمثل هذه الهياكل عندما يتم بناء طبقة “واقية” فوقها – وهذه مرحلة إلزامية في إنشاء أي جهاز. قرر موظفو مختبر التقنيات الفوقية INEP وNIS SFU، جنبًا إلى جنب مع زملاء من المختبر الدولي للإلكترونيات الضوئية الكمومية التابع للمدرسة العليا للاقتصاد بجامعة الأبحاث الوطنية، النظر في هذه المشكلة. في هذا العمل، قام علماء من الجامعة الفيدرالية الجنوبية بزراعة نقاط كمومية من زرنيخيد الإنديوم على ركائز زرنيخيد الغاليوم (زوج كلاسيكي من المواد للإلكترونيات الضوئية)، ثم قاموا بترسيب طبقة واقية فوق هذه البنى النانوية بمعدلات مختلفة. للمقارنة، تم استخدام ثلاثة أنواع من الهياكل: النقاط الكمومية على سطح مستو، والآبار الكمومية فائقة الرقة (طبقات ثنائية الأبعاد يبلغ سمكها عدة ذرات)، والنقاط الكمومية داخل تجاويف نانوية على سطح بارز. ونتيجة لدراسات الخصائص البصرية باستخدام القدرات التكنولوجية لمختبر HSE، أصبح من الواضح أنه على سطح مستو، أدت الزيادة في معدل ترسيب الطبقة الواقية إلى تحول في طيف التألق الضوئي (التوهج) من النقاط الكمومية إلى منطقة الموجة الطويلة. بكلمات بسيطة: عندما نمت الطبقة بسرعة، احتفظت النقاط الكمومية بأحجامها وتكوينها الأصلي، أي أنها بدت وكأنها “مجمدة”. هذا لم يسمح لذرات الإنديوم “بمغادرة” البنى النانوية وأدى إلى تحول أحمر في أطياف الانبعاث بسبب زيادة تركيز الإنديوم في النقاط الكمومية. إذا تم تطبيق الطبقة ببطء، بدأت ذرات الإنديوم في الهجرة بنشاط، و”ذابت” النقاط الكمومية جزئيًا، وانخفض حجمها، وتحول التوهج إلى منطقة الموجة القصيرة (إلى الجانب الأزرق) من الطيف. فريق SFU و HSE / © الأرشيف الشخصي لمركز الاتصالات العامة في SFU ولكن على سطح الإغاثة حدث كل شيء عكس ذلك تمامًا. أدى التطبيق السريع للطبقة إلى تحول الطيف إلى منطقة الطول الموجي القصير (أصبحت النقاط أصغر)، وتطبيق بطيء على منطقة الطول الموجي الطويل (أصبحت النقاط أكبر). “لقد أظهرنا لأول مرة أن الاعتماد على سطح منظم يأخذ طابعًا مختلفًا جذريًا. لفهم الآلية، عليك أن تتخيل المنافسة بين تيارين من الذرات. من ناحية، بسبب الضغوط المرنة، تميل ذرات الإنديوم إلى مغادرة النقطة الكمومية – إنها مثل زنبرك مضغوط يريد أن يستقيم. ومن ناحية أخرى، يمكن للذرات أن تتراكم في تجاويف نانوية عن طريق التحرك على طول السطح. اعتمادًا على مدى السرعة التي نبني بها الطبقة، تفوز عملية أو أخرى. على سطح مستو، يؤدي النمو السريع إلى “تجميد” الذرات في مكانها، مع الحفاظ على نقاط البداية. وفي المنخفضات، على العكس من ذلك، لا تسمح نفس التقنية بسحب الذرات إلى النقطة من المناطق المجاورة، فتتناقص”، كما يعلق نيكيتا شانديبا، الباحث المبتدئ في مختبر البحث العلمي في LET بالجامعة الفيدرالية الجنوبية والحائز على منحة رئيس الاتحاد الروسي. نيكيتا شانديبا هو الفائز بالمنحة الرئاسية الروسية لطلاب الدراسات العليا والطلاب المساعدين. فاز الباحث الشاب بهذه المسابقة في عام 2025 بموضوع أطروحته: “تطوير وبحث الأسس التكنولوجية لإنشاء أسلاك A3B5 النانوية على ركائز السيليكون لعناصر النانو والإلكترونيات الضوئية المتقدمة”. بالإضافة إلى ذلك، تشارك نيكيتا بنشاط في أنشطة كلية الهندسة المتقدمة بجامعة SFU “هندسة المنصات السيبرانية” (المشروع الوطني “الشباب والأطفال”)، وتعمل في مختبر أبحاث التقنيات الفوقي. واكتشف العلماء أيضًا أن العينة ذات النقاط الكمومية الموجودة في التجاويف النانوية لا تحتوي على ما يسمى بطبقة الترطيب، وهي طبقة رقيقة تتشكل دائمًا أثناء نمو النقاط الكمومية وهي جزء لا يتجزأ من هذا النظام، بينما تمتلك تألقًا ضوئيًا يختلف عن النقاط الكمومية. لم تكن هذه الطبقة موجودة في الهياكل الموجودة على سطح الإغاثة، وكانت النقاط نفسها تنبعث منها ما يصل إلى 1100 نانومتر (هذا هو نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو مهم لاتصالات الألياف الضوئية) عند درجة حرارة 5 كلفن (ناقص 268 درجة مئوية). فقط خطوط النقاط الكمومية الفردية مرئية بوضوح في الأطياف، مما يؤكد انخفاض كثافتها وملاءمتها للتطبيقات الكمومية. القيمة العملية لمثل هذا العمل المعقد هي أنه يمنح المهندسين أداة تحكم إضافية: من خلال تغيير معلمة تكنولوجية واحدة فقط – معدل ترسيب الطبقة الواقية – من الممكن التحكم على نطاق واسع في الحجم والخصائص البصرية للنقاط الكمومية. علاوة على ذلك، فإن اتجاه هذا التغيير يعتمد بشكل مباشر على ما إذا كنا نعمل مع سطح مستو أو منظم. وهذا يعني أن مطوري المعالجات الكمومية المستقبلية ومصادر الفوتون الفردي سيكونون قادرين على ضبط خصائص أجهزتهم بدقة أكبر، وتحقيق اللون المطلوب للضوء والكثافة المطلوبة للعناصر. وخلص الباحث إلى أن “نتائج هذه الدراسة تقربنا من حل إحدى المشاكل الرئيسية للضوئيات الحديثة، وهي إنشاء مصادر إشعاع موثوقة وقابلة للتكرار بخصائص محددة، والتي هي مطلوبة في كل من التقنيات الكمومية والإلكترونيات الضوئية”. ونشرت نتائج البحث في مجلة علوم الأسطح التطبيقية.