Преобразователь на основе квантовой молекулы

Преобразователь на основе квантовой молекулы
1. Классификация (тематическое направление, не более двух)
Электроника
2. Назначение и область применения
Область применения: Проект относится к оптонаноэлектронике, в частности к
устройствам на основе квантовых молекул (КМ) и может быть использован в лазерном
приборостроении при создании лазеров для лазерного спектрального анализа,
диагностики, фотохимии, волоконной оптики, медицины.
3. Краткое описание (суть) проекта
В основу предполагаемого проекта поставлена задача получения возможности
перестройки длины волны лазерной генерации из ИК- в диапазон видимого света.
4. Актуальность и новизна идеи (конкретное инновационное решение)
В настоящее время используются лазеры на красителях, активными веществами которых
служат сложные органические соединения, обладающие системой сопряженных связей и
интенсивными полосами поглощения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях
спектра. Вынужденное излучение красителей возникает в результате переходов между
различными колебательными подуровнями первого возбужденного и основного
синглетных электронных состояний. Лазеры на красителях обладают значительным КПД
преобразования. Их главная особенность - возможность перестройки длины волны
генерируемого излучения в широком диапазоне длин волн: 330 нм - 1,8 мкм. Заменой
красителей и источников накачки можно осуществить перестройку длины волны во всем
спектральном диапазоне от УФ до ближнего ИК. Однако чтобы перекрыть указанный
выше диапазон, необходим набор примерно из 30 соединений.
Применяются также лазеры на центрах окраски - лазеры, в которых активной средой
служат ионные кристаллы с центрами окраски. Центры окраски могут эффективно
поглощать и испускать кванты света, т.е. являются рабочими центрами активных сред
перестраиваемых лазеров. Выбором кристалла для одних и тех же центров окраски можно
смещать диапазон генерируемых длин волн, перекрывая область от 0,82 мкм до 2,0 мкм.
Например, перестраиваемый лазер на основе кристалла фторида лития с F2+ и F2- центрами
окраски (ЦО), работающий при комнатной температуре. Кристаллы LiF обладают
хорошими теплофизическими свойствами F2- ЦО в них стабильно работают при
комнатной и повышенных температурах, они не разрушаются под действием мощного
лазерного излучения, имеют широкую полосу поглощения от 0,85 до 1,1 мкм с высоким
сечением абсорбционного перехода. Полоса люминесценции F2- ЦО простирается от 1,0
до 1,3 мкм. Лазерную генерацию на F2- ЦО авторы получили используя поперечную схему
накачки путем передачи энергии от возбужденных F2+ ЦО. Перестройка осуществлялась
от 0,88 до 1,0 мкм на F2+ ЦО и от 1,1 до 1,2 мкм на F2- ЦО. Эффективность преобразования
излучения накачки в перестраиваемое излучение была низкой и составила около 0,5% от
падающей энергии лазера накачки.
К числу недостатков данного лазера относится низкий КПД преобразования излучения
накачки в перестраиваемое излучение и узкая область перестройки.
Известны лазеры на свободных электронах - генераторы электромагнитных колебаний, в
которых активной средой является поток электронов, колеблющихся под действием
внешнего электрического и (или) магнитного
поля
и
перемещающихся
с
релятивистской поступательной скоростью в направлении распространения излучаемой
волны. Благодаря эффекту Доплера частота излучения электронов в рассматриваемых лазерах во
много раз превышает частоту их колебаний. Достоинством лазера на свободных электронах
является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации путем
изменения скорости поступательного движения электронов. Недостаток лазера: высокие
экспериментальные затраты (особенно на источник релятивистских электронов).
В большинстве рассматриваемых аналогов перестройка длины волны генерации осуществляется за
счет модификации активной среды лазера, что сопряжено со значительными техническими
трудностями и отсутствует возможность для преобразования ИК - диапазона в диапазон видимого
света.
Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных квантовых точек
(КТ) соединений АзВ5, достаточно однородных по размеру и форме при большой поверхностной
плотности, привел к созданию полупроводниковых лазеров с КТ в качестве активной среды. В
результате спектральная область 1,0 - 1.7 мкм стала доступной для генерации как для лазеров
традиционной конструкции, так и для лазеров с вертикальным резонатором, использующих
квантовые точки InGaAs и подложки GaAs. В частности, оба типа лазеров могут генерировать
излучение с длиной волны 1,3 мкм с чрезвычайно низкими пороговыми токами и высокой
выходной мощностью.
5. Научно-техническое описание
Технический результат достигается тем, что преобразователь, содержит
базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных КТ –


квантовую молекулу (КМ), легированную D - и A - центрами с КТ на основе GaAs
радиусами 20 нм и 200 нм соответственно, с амплитудой потенциала конфайнмента 0.2 эВ
и длиной волны двухфотонной накачки   80 мкм (ИК- диапазоне)
На рис. 1 изображена феймановская диаграмма рассматриваемого процесса, на рис. 2 энергетическая схема квантовой молекулы, в которой осуществляется широкодиапазонная
перестройка частоты генерации W, где
D - - отрицательно заряженный донор;
А+ - положительно заряженный акцептор;
- двухфотонный переход электрона из D - - состояния в
размерно-квантованные состояния КТ (а) с дискретным спектром;
- туннельный переход электрона из КТ (а) с дискретным
спектром в КТ (b) с квазинепрерывным спектром;
- безизлучательный переход на дно КТ (b) за счет взаимодействия с
фононной модой;
- излучательный переход электрона из состояния КТ (b) на А+ - центр.
Как видно из диаграммы Феймана (рис. 1) поглощение первого фотона сопровождается
переходом электрона в виртуальное состояние с последующим поглощением второго
фотона, в результате которого электрон совершает оптический переход в
размерноквантовое состояние КТ (a). Далее, за счет туннельной прозрачности
потенциального барьера электрон туннелирует в КТ (b).
КМ выращивались в стеклянной матрице по технологии, описанной в статье С.В.
Гапоненко «Оптические процессы в полупроводниковых нанокристаллитах ( квантовых
точках)» // Физика и техника полупроводников. – 1996. – т. 30. - № 4. –с. 577-619.) Это
широко распространенная технология, которая
заключается в приготовлении
неорганиченного стекла, окрашенного кристаллитами соединений A3 B5 . Этот способ
тесно связан с промышленной технологией получения отрезающих и фотохромных
светофильтров. Основным его преимуществом является возможность получения
стабильных твердотельных квазинульмерных структур, а также доступность
коммерческих образцов цветного и фотохромного стекла для широкого исследования.
Поскольку в данной технологии расстояние между КТ является случайной величиной, то
вероятность образования КМ достаточно велика.
В предлагаемом преобразователе перестройка длины волны генерации осуществляется по
следующей схеме (рис. 2): в КТ (а) происходит процесс двухфотонной накачки
за счет фотоионизации D - -центра с энергией фотона ħω ≥ ( | Еλ | +Е0)/ 2,
где | Еλ | - энергия связи D - -состояния, отсчитываемая от дна КТ (а);
Е0 - энергия основного состояния КТ (а).
Далее, поскольку правила отбора при двухфотонных переходах отличны от правил отбора в
случае однофотонных переходов, происходит процесс туннелирования фотовозбужденного
электрона в КТ (b)
, где электрон «сбрасывает» свою энергию кристаллической
решетке и оказывается вблизи дна КТ (b), имеющей квазинепрерывный спектр
, т.к. КТ (b) легирована A+ - центром, то следующим процессом является
излучательный переход электрона на A+ - центр
. Оценка длины волны
излучаемого фотона λ1 (ширина запрещенной зоны GaAs Еg ≈ 1,43 эВ при 300 К) дает
λ1≈ 0,8 мкм (диапазон видимого света).
6. Предлагаемая к выпуску продукция
Преобразователь на основе квантовой молекулы
7. Существующие аналоги и преимущества перед ними
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лазер
(преобразователь), в котором перестройка длины волны генерации осуществляется
способом, основанным на неоднородном уширении электронных переходов в массиве
нетождественных КТ (базовый элемент). При некотором увеличении пороговых токов она
может достигать 200 нм (от 1,033 мкм до 1,234 мкм). Однако в рассматриваемом
прототипе отсутствует возможность для преобразования ИК - диапазона в диапазон
видимого света.
Предлагаемый преобразователь на основе квантовой молекулы с характерным размером
220 нм позволяет осуществлять перестройку длины волны генерации из ИК-диапазона в
диапазон видимого света. При этом интенсивность рекомбинационного излучения может
быть существенно увеличена за счет концентрации КМ в прозрачной диэлектрической
матрице.
8. Анализ рынка (потенциальные потребители, география проекта)
На стадии технического проекта буду проведены детальные маркетинговые исследования
состояния рынка в предметной области
9. Защита интеллектуальной собственности (наличие правоохранных и
прочих документов)
Планируется к защите
10. Информация об участии проекта в конкурсах инновационных
проектов, в т.ч. в федеральных (название конкурса, организатор, сроки
проведения, результаты участия)
Не участвовал
11. Состояние проекта
Стадия разработки: НИР
12. Фотоматериал (3-5 фотографий)
Рис. 1 Преобразователь на основе квантовых молекул
Рис. 2 Преобразователь на основе квантовых молекул
13. Схема реализации проекта (предстоящие этапы и основные
сложности - риски)
Виды сотрудничества, способы финансирования проекта: Вид сотрудничества, способ
финансирования разработки: привлечение венчурного инвестора.
На этапе технического проекта при составлении бизнес-плана будут определены
предстоящие этапы и основные риски.
14. Имеющиеся ресурсы для реализации проекта (производственные
мощности, сырье, трудовые ресурсы, инвестиционная площадка,
инфраструктура)
Не имеется
15. Необходимые ресурсы для реализации проекта
Наименование статьи затрат
1.
Развитие
теории
оптоэлекроники
легированных наноструктур.
2.
Разработка
преобразователя на основе
квантовой молекулы
3. Разработка рекомендаций
по методике применения
преобразователя на основе
квантовой молекулы.
Расшифровка статьи
Сумма, тыс. руб.
1.1.
Развитие
теории
250
оптоэлекроники
легированных наноструктур
с примесями донорного и
акцепторного типа.
1.2.
Развитие
теории
оптоэлекроники
легированных наноструктур
туннельно-связанных
квантовых
точек
–
квантовых
молекул,


легированных D - и A центрами с квантовыми
точками на основе GaAs .
2.1.
Разработка
1750
преобразователя на основе
квантовой
молекулы,


легированной D - и A центрами с квантовыми
точками на основе GaAs.
2.2. Решение проблемы
перестройки длины волны
генерации из ИК-диапазона
в диапазон видимого света
для
разрабатываемого
преобразователя, включая
экспериментальную
апробацию
на
базе
Нижегородского
гос.
университета
им.
Н.И.
Лобачевского.
3.1.
Разработка
1500
рекомендаций по методике
применения
преобразователя на основе
квантовой
молекулы,


легированной D - и A центрами с квантовыми
точками на основе GaAs,
для целей современной
наноэлектроники
Итого:
3500
16. Финансовые показатели проекта
Общая
стоимость
проекта,
млн. руб.
Необходимы
е
для
привлечения
инвестиций,
млн. руб.
Срок
реализац
ии
проекта,
мес.
Период
окупаемост
и проекта,
мес.
3,5
3,5
24
На
этапе
техническо
го проекта
при
составлени
и бизнесплана будет
проработан
вопрос
периода
окупаемост
и проекта
Предполагаемый
объем выпуска и
реализации, млн.
руб./год
Имеющиеся
ресурсы
для
реализации
проекта
(производствен
ные мощности,
сырье,
труд.
ресурсы и др. )
На
этапе Не имеется
технического
проекта
при
составлении
бизнес-плана
будут
проработаны
вопросы
предполагаемого
объема выпуска и
реализации
продукции
17. Перспективы развития (при получении инвестиций), возможные
результаты по этапам реализации проекта
Перспективы развития проекта будут сформулированы по окончанию работ по текущему
этапу.
Стадия разработки на завершающем этапе: патент на изобретение
18. Ожидаемый социально-экономический эффект (количество
создаваемых рабочих мест, налоговые поступления в бюджеты всех
уровней)
На этапе технического проекта при составлении бизнес-плана будут проработаны вопросы
ожидаемого социально-экономического эффекта.
19. Команда проекта
19.1. Руководитель проекта (Ф.И.О., место работы/учебы, должность)
Кревчик Владимир Дмитриевич, кафедра «Физика», зав. кафедрой
19.2. Участники проекта (Ф.И.О., место работы/учебы, должность, роль в
проекте)
1) Семенов Михаил Борисович, кафедра «Физика», профессор, разработчик
20. Контактная информация
20.1. Название предприятия (организации)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пензенский государственный университет»
20.2. Информация о предприятии (сфера деятельности)
Образовательная деятельность, научная деятельность, инновационная деятельность
20.3. Руководитель (Ф.И.О., должность)
Волчихин Владимир Иванович, ректор
20.4. Адрес
440026, г. Пенза, ул. Красная, 40
20.5. Телефон/Факс, электронная почта, web-сайт
(8412) 56-35-11/(8412) 56-51-22, [email protected], http://www.pnzgu.ru/
21. Дата представления или последнего обновления информации
14.11.2010