Материалы портала «Научная Россия»

Ученые СО РАН определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника

Ученые СО РАН определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника
Электропроводимость таких материалов меняется под воздействием магнитного поля - благодаря этому свойству они могут применяться при создании приборов, работающих на принципах квантовой электроники

Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) при участии коллег из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) определили оптимальные условия для синтеза соединения «кремний-германий-марганец», которое относится к классу магнитных полупроводников, сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН. 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 будет контролировать при помощи магнитного поля. Возможной областью применения магнитных полупроводников может стать 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 кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИФП СО РАН 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 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 кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИНХ СО РАН 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 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 академик РАН, советник РАН, руководитель ЦКП «СЦСТИ» 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 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.

Иллюстрация: Установка молекулярно-лучевой эпитаксии. Фото предоставлено Владимиром Зиновьевым

Источник: www.inp.nsk.su

квантовая электроника магнитный полупроводник молекулярно-лучевая эпитаксия

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.