dodano: 19.05.2010r.
Nowe typy nanostruktur – po raz pierwszy w Polsce

Warszawa, 19 maja 2010

Rozbudowa aparatury w Instytucie Fizyki PAN, realizowana dzięki Narodowemu Laboratorium Technologii Kwantowych, pozwoli naukowcom wytwarzać i badać nowe rodzaje nanostruktur półprzewodnikowych – druty kwantowe. Po raz pierwszy w Polsce będzie można wykorzystać je do budowy detektorów pojedynczych cząsteczek chemicznych i biologicznych oraz kropek kwantowychgenerujących pojedyncze fotony.

Unikatowa w skali kraju aparatura badawczo-pomiarowa, dostarczana przez Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK), umożliwi rozpoczęcie prac nad nowymi rodzajami półprzewodnikowych struktur o rozmiarach nanometrowych. „Wkrótce powinniśmy wytwarzać nanodruty zdolne wykrywać pojedyncze cząsteczki chemiczne i biologiczne, a także zawierające kropki kwantowe emitujące pojedyncze fotony” – mówi prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz, kierownik Środowiskowego Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych Instytutu Fizyki PAN. Badania pomogą zrozumieć fudamentalne zjawiska zachodzące w nanostrukturach kwantowych, otworzą również drogę do budowy urządzeń przeznaczonych do zastosowań medycznych, kryptografii kwantowej i przechowywania informacji z wykorzystaniem metod spintroniki.

Kropki kwantowe to struktury półprzewodnikowe o rozmiarach nanometrowych we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych. Uwięzione w nich elektrony i dziury emitują fotony o ściśle określonych energiach. Takie zachowanie jest charakterystyczne dla atomów, dlatego kropki często nazywa się „sztucznymi atomami”. Dla technologii kwantowych szczególnie istotny jest fakt, że za pomocą kropek można budować lasery i źródła pojedynczych fotonów. Źródła tego typu znajdują zastosowanie m.in. przy przesyłaniu informacji zaszyfrowanej kwantowo, a więc w sposób wykluczający możliwość podsłuchu. W Instytucie Fizyki PAN kropki kwantowe wytwarzano dotychczas metodą samoorganizacji – powstawały w sposób przypadkowy na odpowiednio spreparowanej płytce półprzewodnika. Nowa aparatura pozwoli produkować je również z wykorzystaniem nanodrutów. Najważniejszym odbiorcą takich kropek kwantowych będzie Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, jedna z instytucji członkowskich NLTK.

Nanodruty mają średnicę poniżej 50 nanometrów i długość ok. 1000 nm. Hoduje się je na płytkach półprzewodnikowych, zazwyczaj arsenku galu (GaAs), w warunkach ultra wysokiej próżni. Aby wzrastały, niezbędne są katalizatory nanometrowych rozmiarów, otrzymywane dzięki termicznej reorganizacji cienkiej warstwy złota naniesionej uprzednio na półprzewodnik. „Do tej pory napylanie tej warstwy odbywało się w osobnej komorze próżniowej, skąd próbkę trzeba było przenieść do drugiego urządzenia” – opisuje mgr Tomasz Wojciechowski z Instytutu Fizyki PAN. Nowa komora do napylania, połączona kanałem próżniowym z dotychczasową aparaturą, pozwoli uniknąć szkodliwego kontaktu napylonej próbki z atmosferą. Z kolei wyposażenie skaningowego mikroskopu elektronowego w działo jonowe i nanomanipulatory umożliwia obcinanie nanodrutów, nanoszenie na ich końcówki platynowych lub wolframowych kontaktów, mierzenie charakterystyk prądowych, a w przyszłości – elektrycznie indukowaną emisję pojedynczych fotonów „na żądanie”.

Z nanodrutów z kontaktami elektrycznymi można wytwarzać także lasery, tranzystory polowe, czujniki kwasowości i inne detektory. Szczególnie interesujące są potencjalne zastosowania chemiczne i medyczne. „Nanodrut to obiekt długi i cienki, w którym większość atomów znajduje się na powierzchni. Jeśli coś przyklei się do tej powierzchni, pod spodem powstanie obszar zubożony w ładunki, obejmujący nawet cały przekrój włókna. Efektem będzie znaczna zmiana oporu elektrycznego w nanodrucie” – wyjaśnia mgr Wojciechowski i dodaje, że detektor z pojedynczego nanodrutu jest w stanie reagować nawet na pojedyncze cząsteczki i wirusy, a więc stężenia trudno wykrywalne innymi metodami.

Dzięki nanodrutom w przyszłości będzie można również budować tanie i szybkie detektory do walki z zagrożeniami terrorystycznymi lub identyfikujące bakterie i wirusy. O tym, jakie substancje będą wykrywane, zadecyduje rodzaj powierzchni wychwytującej cząsteczki – prace w tym zakresie (tj. nad funkcjonalizacją powierzchni detekcyjnej) już są prowadzone przez Instytut Chemii Fizycznej PAN.

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

Kropki kwantowe:

    prof. dr hab. Jan Gaj
    Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
    tel. + 48 22 5532214, 5532329
    email: jan.gaj@fuw.edu.pl

Nanodruty:

    prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz
    Instytut Fizyki PAN
    tel. + 48 22 8431331, 8437001 lub 8436601 wew. 2551
    email: wojto@ifpan.edu.pl



POWIĄZANE STRONY WWW:

    http://www.ifpan.edu.pl/
    Strona Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk.



MATERIAŁY GRAFICZNE:

NLTK100519b_fot01s.jpg            HR: http://nltk.fuw.edu.pl/pliki/NLTK100519b_fot01.jpg
Tomasz Wojciechowski z Instytutu Fizyki PAN bada nanodruty kwantowe za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Neon 40 wersja Auriga, wyposażonego m.in. w działo jonowe i nanomanipulatory. (Źródło: NLTK/IF PAN/aFOTO)

NLTK100519b_fot02s.jpg            HR: http://nltk.fuw.edu.pl/pliki/NLTK100519b_fot02.jpg
Nanodruty kwantowe wykonane w Instytucie Fizyki PAN, oglądane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Podziałki w prawym dolnym rogu zdjęcia i wstawki odpowiadają 300 nanometrom. (Źródło: NLTK, IF PAN, aFOTO)