Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью СИ

06.05.2019



Исследователи из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН при участии коллег из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН определили оптимальные условия для синтеза соединения «кремний-германий-марганец», которое относится к классу магнитных полупроводников. Электрическая проводимость таких материалов меняется под воздействием магнитного поля — благодаря этому свойству они могут применяться при создании квантовых компьютеров, а также спиновых транзисторов и других приборов, работающих на принципах квантовой электроники. Результаты опубликованы в «Журнале экспериментальной и теоретической физики».

Как известно, полупроводники — это материалы, которые занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: их способность проводить электричество проявляется при определенных условиях, чаще всего — при повышении температуры, а также при добавлении различных примесей. Если такая примесь будет иметь магнитные свойства, в результате возможно получить полупроводник, электрическую проводимость которого можно контролировать при помощи магнитного поля. Вероятная область применения магнитных полупроводников — так называемые спиновая электроника или спинтроника. В устройствах спинтроники, в отличие от классических электронных приборов, энергию или информацию переносит не электрический ток, а ток спинов (спин — магнитный момент электрона).

Команда новосибирских ученых провела серию экспериментов по изучению структуры и свойств одного из таких соединений, а именно полупроводниковой системы «кремний-германий», легированной марганцем. Специалисты определили оптимальные условия для синтеза и использования магнитных свойств функциональных элементов на базе такой системы.

Синтезирование полупроводниковых материалов проводится на установках молекулярно-лучевой эпитаксии. Такая технология позволяет выращивать кристаллические монослои (слои толщиной в один атом) и дает возможность исследовать их in situ, в процессе роста. «В качестве подложки мы используем стандартные кремниевые пластины, на базе которых монтируется вся микроэлектроника, — рассказывает старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Анатольевич Зиновьев. — На поверхность пластин осаждается германий. Из-за несовпадений кристаллических решеток кремния и германия граница раздела существенно деформируется: после осаждения трёх монослоев германия на абсолютно гладкой поверхности возникают шероховатости – нанокристаллы германия или “квантовые точки”. Одновременно запускается процесс легирования марганцем, атомы которого также встраиваются в них».

По словам Владимира Зиновьева, очень важно, чтобы марганец занял строго определенную позицию в квантовой точке — только в этом случае проявятся магнитные свойства. На процесс встраивания влияет концентрация марганца, а также температура, при которой происходит синтез материала. Для того чтобы определить оптимальные параметры системы, ученые синтезировали серию различных образцов, при этом концентрация марганца менялась от 2 до 20 %, а температура — от 400 до 500ºС. В результате было установлено, что оптимальная массовая доля марганца составляет порядка 2 %, а температура «приготовления» — 400 ºС.

Образцы исследовали методом EXAFS-спектроскопии на синхротроне ESRF в Гренобле, а также в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ), на накопителе ВЭПП-3. «Основная сложность в изучении строения полупроводниковых материалов связана с тем, что чаще всего это высокодисперсные — состоящие из очень мелких частиц — системы, при этом, от особенностей электронного строения и микроструктуры таких веществ напрямую зависят их свойства, — рассказывает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Симон Борисович Эренбург. — Классический рентгеноструктурный анализ для них не подходит — он эффективен только при изучении твердых тел, имеющих повторяющуюся кристаллическую решетку, поэтому для исследования мелкодисперсных соединений, а также растворов мы используем метод EXAFS-спектроскопии. Он позволяет исследовать “окружение” каждого конкретного атома, в данном случае — марганца и германия, что дает нам возможность определить микроструктуру вещества».

Среди первых шести станций ЦКП СКИФ — нового источника синхротронного излучения (СИ) на территории Новосибирской области, запуск которого планируется в 2024 году — будет и станция EXAFS-спектроскопии. «Этот метод широко применяется для исследования различных наноматериалов, в том числе и полупроводников, но основная область его применения — исследование структуры катализаторов, — рассказал советник РАН, руководитель ЦКП «СЦСТИ» академик Геннадий Николаевич Кулипанов. — Благодаря большой интенсивности нового источника СИ, в разы увеличится скорость измерения спектров, кроме того исследователи получат возможность наблюдать изменение структуры катализаторов прямо в процессе катализа, in situ».

По словам ученого, новая станция, которая станет базовой для ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН», полностью обеспечит потребности института, которые связаны не только с фундаментальными исследованиями, но и с различными прикладными разработками, в том числе с изготовлением катализаторов для химической промышленности и для частных компаний.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

Источник: Наука в Сибири

©РАН 2019