В Академическом университете состоялись две защиты кандидатских диссертаций

В Академическом университете состоялись две защиты кандидатских диссертаций!

1 октября в диссертационном совете Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета имени Ж. И. Алферова состоялись две защиты кандидатских диссертаций. Свои работы представили сотрудники лабораторий университета Иван Мельниченко и Никита Соломонов.

Оба исследования посвящены физике наноструктур и перспективным технологиям фотоники, однако рассматривают разные подходы к созданию и управлению компактными источниками света.

Иван Мельниченко: как уменьшить потери в микролазерах

Cотрудник Лаборатории нанофотоники Академического университета Иван Алексеевич Мельниченко защитил диссертацию на тему «Влияние поверхностных явлений и динамики носителей заряда на характеристики микродисковых лазеров с квантоворазмерной активной областью на основе InGaAs/GaAs» по специальности 1.3.11 — «Физика полупроводников».

_{Иллюстрация акустических мод шепчущей галереи, которые распределяются в аксиально-симметричных геометриях (например, в куполах соборов). Звуковые волны распространяются вдоль круга, поэтому шепчущий в одной части купола может быть услышан в противоположной части благодаря эффективному переносу энергии вдоль стен.}

_{Схематичное изображение микродиска с модами шепчущей галереи, которые располагаются вблизи его латеральных стенок. Здесь принцип работы такой же, только вместо акустических волн используются электромагнитные. Свет «зажат» внутри резонатора благодаря полному внутреннему отражению и «бегает» по периферии микродиска по кругу.}

Научный руководитель — доктор физико-математических наук, заведующий Лабораторией нанофотоники АУ Наталья Владимировна Крыжановская. Ведущая организация — Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН.

«Я исследовал миниатюрные полупроводниковые лазеры в форме диска. Когерентное излучение в них получается благодаря резонансу мод шепчущей галереи. Такие лазеры могут быть очень компактными, но при уменьшении их размеров всё сильнее проявляется влияние поверхности: часть носителей заряда теряется на боковой стенке, прежде чем успевает поучаствовать в излучении. Моя работа фокусировалась на том, чтобы понять, насколько велики эти потери, как они влияют на работу лазера и можно ли их уменьшить», — рассказал Иван Мельниченко.

Одним из основных результатов работы стало установление влияния обработки поверхности на характеристики микролазеров. Исследователи показали, что нанесение тонкого слоя диоксида кремния на поверхность микролазера может заметно улучшить его характеристики. В исследованных лазерах с электрической накачкой пороговый ток лазерной генерации после такой обработки снизился более чем вдвое.

_{Схематичное изображение микролазера до и после пассивации с изображением выходящего излучения из него.}

Кроме того, была установлена роль потерь носителей у края микродиска и утечки мод шепчущей галереи в подложку в формировании лазерного излучения.

Полученные результаты могут быть востребованы при разработке фотонных схем, в которых информация передаётся с помощью света. Для таких систем важны компактность источников излучения и энергия, необходимая для их работы. Снижение потерь в микролазерах позволяет уменьшить энергопотребление и сделать передачу данных более энергоэффективной.

«Мы также показали, что микродисковые лазеры реагируют на изменение оптических свойств окружающей жидкости, что может быть полезно при разработке компактных оптических сенсоров. В дальнейшем такие микролазеры могут быть использованы в микрофлюидных системах для детектирования нуклеиновых кислот и белков», — отметил Иван Мельниченко.

_{Thomson et al., Optica, 12, 1311, 2025, схематичное изображение микролазера, использованного в качестве биосенсора. Помещенный в биологическую среду, длина волны лазерной генерации будет меняться в зависимости от изменения окружающей среды.}

По словам исследователя, интерес к теме возник в том числе из-за сложности работы с поверхностью микроструктур:

«Поверхность таких микроприборов довольно легко испортить при изготовлении или обработке, а вот добиться устойчивого улучшения гораздо сложнее. Поэтому поиск подходящего способа её обработки оказался интересной и непростой задачей».

Самым сложным этапом стало объединить результаты разных экспериментов в единую картину и последовательно разобраться, какие процессы влияют на работу лазера.

«Сами исследования микрообъектов сложны сами по себе, требуют большой точности и аккуратности», — добавил учёный.

Подготовка к защите также стала важным этапом работы:

«Она позволила собрать воедино все полученные за несколько лет результаты, выстроить их в понятную последовательность и яснее сформулировать, что именно удалось за эти годы получить».

После защиты Иван планирует продолжить исследование влияния различных способов обработки поверхности на характеристики полупроводниковых микролазеров.

«В этой теме остаётся немало открытых вопросов. Но я не зацикливаюсь на текущих исследованиях и открыт для дальнейших новых исследований полупроводниковых микроструктур», — рассказал он.

Исследователь отдельно отметил вклад коллег в проведённую работу:

«Такая работа невозможна в одиночку. Я очень благодарен Наталье Владимировне Крыжановской, Алексею Евгеньевичу Жукову, а также коллегам из лаборатории нанофотоники и лаборатории квантовой оптоэлектроники ВШЭ, с которыми мы вместе проводили эксперименты, обсуждали результаты и формулировали научную интерпретацию наблюдаемым явлениям».

Никита Соломонов: источник света размером в несколько нанометров

Младший научный сотрудник Лаборатории возобновляемых источников энергии Академического университета Никита Александрович Соломонов защитил диссертацию на тему «Исследование эмиссии фотонов из туннельного контакта с оптическими наноантеннами или полупроводниковыми волноводами при неупругом туннелировании электронов» по специальности 1.3.8 — «Физика конденсированного состояния».

Научный руководитель — проректор на науке АУ, заведующий Лабораторией возобновляемых источников энергии доктор физико-математических наук Иван Сергеевич Мухин. Ведущая организация — Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

В своей работе Никита Соломонов исследовал возникновение света при неупругом туннелировании электронов через барьер толщиной всего 1–2 нанометра, разделяющий электроды.

«Несмотря на то, что такой процесс позволяет создавать рекордно маленькие источники излучения, “зажигать” их и управлять спектром излучения с помощью электрического напряжения, сам процесс, как правило, очень неэффективный, и свет не всегда можно увидеть даже самыми чувствительными детекторами — счётчиками фотонов. Основная задача — понять, как можно усилить излучение из туннельного контакта и можно ли на его основе создать очень компактные электрически управляемые источники света для фотонных интегральных схем», — объяснил исследователь.

Для решения этой задачи он изучал два типа перспективных систем: массивы полых золотых наноантенн диаметром около 500 нанометров и полупроводниковые нанокристаллы фосфида галлия диаметром около 100 нанометров.

Для проведения измерений Никита Соломонов собрал систему на основе сканирующего туннельного микроскопа и счётчика фотонов. Она позволила одновременно наблюдать топографию наноструктур и с нанометровой точностью определять, из каких именно участков возникает оптический сигнал.

Источник излучения на основе наноантенн

_{Схематическое изображения процесса исследования, СТМ зонд.}	_{Фотография наноантенн в сканирующем электронном микроскопе.}

_{Фотография образца.}	_{Процесс исследования источника в СТМ.}

_{Рельеф антенны.}	_{Антенна светится при туннелировании электронов.}

Одним из основных результатов стало то, что массивы золотых наноантенн могут значительно усиливать свет, возникающий при неупругом туннелировании электронов. При этом переключением электрического напряжения между 2,5 и 0,7 В можно переключаться между излучением в видимом и инфракрасном диапазонах.

Источник излучения на основе нитевидных кристаллов

_{Схематическое изображения источника.}	_{Фотография кристаллов в сканирующем электронном микроскопе.}

_{Рельеф кристалла GaP, легированного кремнием.}	_{Кристалл светится при туннелировании электронов.}

Другой важный результат связан с кристаллами фосфида галлия с примесью бериллия. Исследование показало, что такой кристалл может излучать свет только в определённых частях, связанных с особенностями его кристаллического строения. При этом остальные части кристалла слабо поглощают оптическое излучение. Таким образом, формируется встроенный в нановолновод источник излучения, что позволяет решить одну из задач фотоники — согласование излучения от маленьких источников с волноводами.

_{Кристалл GaP:Be светится при туннелировании электронов только в определенных частях.}

Полученные результаты связаны с развитием фотонных интегральных схем, в которых информация передаётся не электрическими сигналами, а светом. Для таких систем необходимы источники излучения, которые одновременно могли бы возбуждаться электрическим сигналом, быть компактными и работать с высокой скоростью.

«Именно на создание и исследование физических принципов работы таких источников излучения и направлена моя работа», — отметил Никита Соломонов.

Этой тематикой исследователь начал заниматься в Академическом университете и работал над ней на протяжении всей аспирантуры.

«Меня привлекла сложность поставленных задач, высокая планка “ювелирности” необходимых измерений и интересная физика явлений», — рассказал он.

Одним из самых сложных этапов исследования стала работа с нитевидными нанокристаллами. На протяжении года не удавалось получить результаты — даже записать топографию в сканирующем туннельном микроскопе. Зонды постоянно ломались, а сами образцы плохо подходили для измерений.

«Казалось, что я трачу многие сотни и даже тысячи часов впустую. Однако в результате упорной работы у меня получилось собрать множество уникальных и интересных данных, опубликовать их в высокорейтинговых журналах и собрать в диссертацию», — поделился Никита Соломонов.

Защита стала завершением многолетнего этапа работы. При этом сам исследовательский проект для него на этом не заканчивается.

«Сама тема и моя научная работа на этом точно не заканчивается, хотелось бы реализовать такие источники вне “тепличных” условий и потрогать готовое устройство собственными руками», — отметил Никита Соломонов.

Защиты в диссертационном совете Академического университета стали важным этапом научной работы молодых исследователей университета и представили два направления исследований на стыке физики полупроводников, нанофотоники и фотонных технологий.

Поздравляем Ивана Мельниченко и Никиту Соломонова с успешной защитой кандидатских диссертаций! Желаем дальнейших научных успехов, интересных исследований и новых значимых результатов!