Перейти на стартовую страницу
2019-05-13 14:42:00 /РИА "Сибирь" /Новосибирск
Новосибирские ученые подошли к синтезу магнитных полупроводников с помощью синхротронного излучнгия




Исследователи из Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН при участии коллег из Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН и Института ядерной физики имени 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 престижном научном издании "Журнал 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 Института физики полупроводников СО РАН, кандидат физико-математических наук Владимир 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 500? С. В результате было установлено, что оптимальная массовая доля марганца составляет порядка 2%, а температура "приготовления" - 400 ? С.

Образцы исследовали методом EXAFS-спектроскопии на синхротроне ESRF в Гренобле, а также в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения, 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 Института неорганической химии, кандидат физико-математических наук Симон 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 центра коллективного пользования 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 Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения академик Геннадий 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 Института катализа имени 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, сообщили в пресс-службе Института ядерной физики СО РАН.