High-coherent oscillations in IR spectra of macroporous silicon with nanocoatings

• Published in: Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics
• Date: 2020
• Main Authors: Karachevtseva, L.A., Lytvynenko, O.O.
• Format: Article
• Language: English
• Published: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2020
• Subjects: Optics
• Online Access: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/215850
• Journal Title: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Cite this: High-coherent oscillations in IR spectra of macroporous silicon with nanocoatings / L.A. Karachevtseva, O.O. Lytvynenko // Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. — 2020. — Т. 23, № 3. — С. 316-322. — Бібліогр.: 20 назв. — англ.

IR light absorption oscillations in 2D macroporous silicon with CdTe, ZnO, and CdS surface nanocrystals, microporous, and SiO₂ layers were compared, taking into account the electro-optical Wannier–Stark effect. We proposed a high-coherent optical quantum computer based on ZnO nanoparticles on macroporous silicon surface with the broadening parameter of the Wannier–Stark steps of 10⁻³ and the IR oscillation coherence of 0.250.4% at room temperature. This value is much less than the coherence of cold atoms (5%) and diamond crystal with the nitrogen impurity (10–17%). A logical qubit of this quantum computer is the presence/absence of the infinite resonance scattering of oscillated electron by the Wannier levels in the electric field at the silicon matrix – nanocoating boundary. The scattering amplitudes are controlled and measured at room temperature by using the resonant maxima of IR absorption. Одним з перспективних матеріалів для розробки двовимірних фотонних структур є макропористий кремній, отриманий за допомогою фотоанодного травлення. Наявність періодично розташованих циліндричних пор, розділених кремнієвими колонами, забезпечує велику ефективну поверхню структур, покращує оптичні та фотофізичні характеристики макропористого кремнію. У даній роботі досліджено осциляції ІЧ-поглинання двовимірними структурами макропористого кремнію з мікропористими шарами кремнію, SiO₂ нанопокриттями та CdTe, ZnO поверхневими нанокристалами з урахуванням електрооптичного ефекту Ваньє–Штарка. Аналіз експериментальних спектрів поглинання здійснено в рамках моделі резонансного розсіювання електронів з нескінченною амплітудою на поверхневих станах у сильному електричному полі, з різницею між двома резонансними енергіями, що дорівнює сходинці Ваньє–Штарка. Постійність періоду осциляцій вказує на реалізацію ефекту Ваньє–Штарка на довільно розподілених поверхневих станах на межі «кремнійно-нанопокриття». Проведено порівняння ІЧ-поглинання світла в 2D-структурах макропористого кремнію з поверхневими нанопокриттями, проаналізовано зрушення і відхилення вершин коливань. Когерентність осциляцій ІЧ-спектрів підвищується в результаті зменшення концентрації поверхневих станів та оптимальної площі контакту нанокристалів до поверхні макропор. Таким чином, зсув осциляцій для наночастинок ZnO з оптимальним розміром нанокристалів (3,7…4,4 нм) призводить до відхилень коливань у межах 0,26…0,42 меВ, тобто узгодженість коливань досягає 0,25…0,4%. Малий параметр уширення сходинок Ваньє–Штарка Г = 0,3…0,8 см⁻¹ дорівнює цьому параметру для поверхневих тонких плівок напівпровідників II–VI. Контрольованість і когерентність дослідженої системи визначаються формуванням когерентних рівнів Ваньє у вузькій трикутній потенціальній ямі, сформованій в електричному полі на границі «кремній–нанопокриття». У результаті було запропоновано висококогерентний оптичний квантовий комп’ютер на основі реалізації квантового електрооптичного ефекту Ваньє–Штарка на кремнієвій матриці з макропорами та шаром нанокристалів на поверхні макропор.