Ученые из МИЭТа и МПГУ выиграли грант РНФ в номинации «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых»

Российский научный фонд опубликовал перечень проектов, поддержанных по итогам конкурса 2020 года на получение грантов по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными. Среди победителей совместный проект группы ученых из МИЭТа и МПГУ «Интегральные устройства нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов» (номер проекта: 20-79-10322), реализация которого продлится до 2023 года, а общая сумма финансирования составит 14,9 млн. рублей.

Руководитель проекта, доцент Института ПМТ Петр Лазаренко комментирует основные задачи ученых в рамках данного исследования:

«Создание логических интегрально-оптических схем, в том числе полностью оптических нейронных вычислительных систем, требует разработки различных элементов нанофотоники, обеспечивающих многоуровневое управление параметрами оптических сигналов при минимальных энергетических затратах. Широкие перспективы в данной области открывает применение халькогенидных полупроводниковых материалов, фазовое состояние которых можно изменять сверхкоротким низкоэнергетическим лазерным или электрическим воздействием (PCMs – phase change materials).

Тонкие пленки PCMs, в частности Ge₂Sb₂Te₅, благодаря существенному изменению оптических и электрических свойств при фазовых превращениях между аморфным и кристаллическим состояниями, уже нашли коммерческое применение в электрической фазовой памяти с произвольным доступом (PCRAM) для запоминающих устройств класса storage-class memory (SCM).

Схематичное изображение ячейки электрической фазовой памяти в разрезе

Однако высокая скорость фазовых превращений (менее 16 нс), большая величина электрического и оптического контраста и низкое энергопотребление при переключении обуславливают активный исследовательский интерес к поиску все новых областей их применения. В рамках выполнения данного проекта мы планируем совмещение достоинств PCM материалов со современными достижениями нанофотоники, что позволит создать целый ряд энергонезависимых нанофотонных устройств (делители сигнала, микрокольцевые резонаторы, интерферометры Маха-Цендера и т.д.), а также существенно усовершенствовать и расширить возможности создаваемых интегрально-оптических схем.

3D модель энергонезависимого многоуровневого интерферометра Маха-Цендера на основе функционального PCM материала

Одной из основных особенностей разрабатываемых нанофотонных устройств будет являться возможность обратимого многоуровневого управления параметрами оптического сигнала, проходящего по тонкопленочному волноводу, за счет изменения степени кристаллизации наноразмерных областей PCM.

Влияние степени кристалличности тонкой пленки Ge₂Sb₂Te₅ на ее оптические свойства, а также уровень сигнала на выходе из нанофотонного устройства

В рамках решения сформулированных задач за три года будет достигнут целый ряд новых фундаментальных результатов в области применения перспективных функциональных материалов на основе халькогенидных полупроводниковых соединений в энергонезависимых интегральных элементах нанофотоники. При этом несомненной практической значимостью будет обладать отработанная в рамках проекта полностью отечественная технология изготовления многоуровневых устройств нанофотоники с возможностью изменения параметров оптического сигнала».

Проект выполняется совместно молодыми учеными из Лаборатории неупорядоченных полупроводников (Институт ПМТ, НИУ МИЭТ) и Лаборатории квантовых детекторов (ФГБОУ ВО МПГУ), обладающих значительным научным заделом и опытом проведения исследований различной сложности в областях материаловедения, а также разработки и создания устройств нанофотоники.