​​​​​Тонкие пленки селенида висмута получили двумя методами: вырастив их на подложках из слюды и электрохимически расщепив объемные кристаллы Bi2Se3, причем ученые добились формирования рекордно больших площадей образцов тонких пленок. Селенид висмута относится к классу топологических изоляторов ― соединений, которые из-за особенностей своих свойств проводят спин-поляризованный электрический ток только по поверхности. При совмещении графена и электрохимически отслоенного селенида висмута удалось увеличить подвижность носителей заряда в пленках, что имеет большое значение для создания быстродействующих электронных устройств, работающих с минимальными тепловыми потерями. Результаты совместных работ специалистов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета опубликованы в журналах Materials Research Bulletin и Nanotechnology
 
На поверхности тополологических изоляторов можно управлять током электронов имеющих одинаково направленные спины (спин-поляризованных). Практическое применение этого свойства позволит значительно уменьшить тепловыделение, которое существует в привычных электронных приборах, а значит увеличить быстродействие и скорость передачи информации. 
 
Однако идеальные, предсказанные теоретически, свойства топологических изоляторов отличаются от тех, что наблюдаются в реальности: кристалл в объеме всё же проводит ток из-за структурных несовершенств. Чтобы воспользоваться технологически привлекательными характеристиками соединений, нужно создать им специальные условия. Решить эту задачу можно, получив идеальный бездефектный кристалл (что пока недостижимо), или тонкую пленку селенида висмута ― по сути, поверхность в чистом виде: ее влияние становится заметным при толщинах пленки менее 100 нанометров.  

Обычно тонкие полупроводниковые соединения выращивают дорогостоящим и сложным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Cтаршему научному сотруднику ИГМ СО РАН кандидату геолого-минералогических наук Константину Александровичу Коху удалось создать сравнительно простую по конструкции установку, в которой используется газотранспортный метод роста. Он является существенно более дешевым и в эксплуатации и в разработке. 
 
«Внешне реактор похож на длинную пробирку, расположенную горизонтально. С одной стороны реактора происходит нагрев порошка селенида висмута: пары соединения перемещаются в более холодный участок установки и там осаждаются на подложку из слюды. На ней начинается рост тонкой кристаллической пленки благодаря определенному сходству кристаллической структуры слюды и селенида висмута, которое приводит к возникновению химических (ван-дер-ваальсовых) связей между этими соединениями», ― объясняет Константин Кох.​​ 
 
У синтезированных кристаллических пленок, ученые ИФП СО РАН обнаружили несколько интересных для практического применения свойств. Во-первых, большие по площади размеры объектов ― около сантиметра в поперечнике,  во-вторых, высокая подвижность носителей заряда: именно от этой характеристики зависит быстродействие электроники. И, в-третьих, новые структуры могут использоваться, как электроды, прозрачные для инфракрасного излучения. 
 
Подбор оптимальных ростовых условий занял около полугода: специалисты ИГМ СО РАН варьировали температуры, продолжительность роста, руководствуясь сведениями об электрофизических  характеристиках пленок, которые предоставляли ученые ИФП СО РАН. Выяснилось, что лучшие по электрофизическим параметрам образцы формируются при температуре около 500 градусов Цельсия и на расстоянии 4―6 сантиметров от нагревательного элемента. Для диагностики структурного совершенства пленок, толщины, поэлементного состава использовались дифракционные методы, Рамановская спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия. 
 
Другой способ получения тонких пленок селенида висмута, модифицированный той же исследовательской группой ― электрохимическое отщепление от объемного кристалла Bi2Se3. Объемные кристаллы для эксперимента выращивались методом Бриджмена-Стокбаргера, их также предоставил Константин Кох. Кристалл выступал в качестве одного из электродов и погружался в электролит ― проводящую жидкость определенного состава. В результате подачи напряжения в цепь, выделялись пузырьки газов, в частности водорода, которые и отслаивали пленки. Меняя электрическое напряжение и состав электролита, ученые ИФП СО РАН подобрали оптимальные условия отщепления.​ 

пленки.jpg 
  Пленки селенида висмута 
​​​
«На данный момент этот метод позволяет получать наиболее совершенную поверхность пленок ― атомно-гладкую. Варьируя условия расщепления, мы можем получать пленки с различной толщиной или латеральными размерами», ― говорит научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Надежда Александровна Небогатикова
 
Оказалось, что при создании слоистых структур, состоящих из  электрохимически отщепленных пленок Bi2Se3, перенесенных на графеновые «листы», такие характеристики пленок как проводимость и подвижность носителей заряда становятся лучше. Причем эффект наблюдался даже при комнатной температуре, на открытом воздухе, а не только в особо чистых условиях, что особенно важно для практических применений.  
 
Площади образцов тонких пленок селенида висмута, полученные новосибирскими учеными, как первым, так и вторым методом, составили от сотен микрон до квадратных сантиметров, что значительно больше, чем синтезировали ранее другие научные группы, в том числе за рубежом. 
 
Исследования выполнялись при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований: проекты № 17-12-01047 и  № 18-29-12094, соответственно. 
 
Пресс-служба ИФП СО РАН 
 
Фото Олега Терещенко и Надежды Небогатиковой 

Н​а фото анонс: кристалл селенида висмута 

Источники

Сибирские ученые разработали новые способы получения изолятора на основе селенида висмута
Наука в Сибири (sbras.info), 16/07/2020
Сибирские ученые разработали новые способы получения двумерного топологического изолятора
Infopro54.ru, 16/07/2020
В Сибири нашли новые способы получения двумерного топологического изолятора на основе селенида висмута
Время Электроники (russianelectronics.ru), 16/07/2020
Сибирские ученые разработали новые способы получения двумерного топологического изолятора на основе селенида висмута. Селенид висмута - перспективный материал для создания электронных устройств нового поколения высокой производительности
Поиск (poisknews.ru), 16/07/2020
Получены рекордные пленки двумерного топологического изолятора
Индикатор (indicator.ru), 16/07/2020
Сибирские ученые получили топологические изоляторы на основе селенида висмута новыми способами
Наука в Сибири (sbras.info), 16/07/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ нашли дешевый способ получения изолятора нового поколения для квантовой электроники
Новосибирский государственный технический университет (nstu.ru), 17/07/2020
Дешевый способ получения изолятора нового поколения для квантовой электроники нашли российские ученые
Elec.ru, 17/07/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ удешевили способ получения изолятора нового поколения для квантовой электроники
Energyland.info, 17/07/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ удешевили способ получения изолятора нового поколения для квантовой электроники
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 17/07/2020
Представлены рекордные пленки двумерного топологического изолятора
Anonsens.ru, 17/07/2020
Получены рекордные пленки двумерного топологического изолятора
Nanonewsnet.ru, 18/07/2020
Новосибирские ученые нашли дешевый способ получения изолятора для квантовой электроники
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 18/07/2020
Полупроводник тоньше волоса создали ученые Академгородка
Все новости Новосибирской области (vn.ru), 21/07/2020
Полупроводник тоньше волоса создали ученые Академгородка
Новости Новосибирска (novosibirsk-news.net), 22/07/2020
Новосибирские ученые сделали шаг навстречу квантовым компьютерам
Большой Новосибирск (polit-center.org), 25/07/2020
Новосибирские ученые сделали шаг навстречу квантовым компьютерам
БезФормата Новосибирск (novosibirsk.bezformata.com), 25/07/2020
В Сибири разработали новые способы создания топологического изолятора на основе селенида висмута
Научная Россия (scientificrussia.ru), 29/07/2020
Сибирские ученые разработали новые способы получения двумерного топологического изолятора на основе селенида висмута
Nanonewsnet.ru, 01/08/2020

Похожие новости

  • 04/02/2019

    Итоги совместного конкурса РФФИ— Национальный центр научных исследований Франции 2019 г (конкурс НЦНИ_а)

    ​На конкурс было подано 68 заявок. По результатам экспертизы, проведенной независимо российской и зарубежными сторонами, поддержано 19 проектов. Код конкурса: (НЦНИ_а) Совместный конкурс с НЦНИ Франции.
    1445
  • 02/04/2019

    Гранты РНФ-2019: победители конкурсов на продление проектов 2016 года и конкурса для отдельных научных групп 2019 года

    ​Российский научный фонд объявил победителей двух конкурсов: на продление проектов, реализация которых завершилась в 2018 году, и конкурса для отдельных научных групп с началом финансирования в 2019 году.
    3138
  • 12/07/2017

    Сибирские ученые начали поиск новых месторождений алмазов в Архангельской области

    ​Ученые Института геологии и минералогии (ИГМ) Сибирского отделения (СО РАН) при поддержке Российского научного фонда (РНФ) начали масштабное исследование минералов для поиска новых алмазных месторождений в Архангельской области.
    2437
  • 15/06/2020

    Минобрнауки опубликовало список заявок, допущенных к конкурсу крупных проектов

    ​Минобрнауки допустило 367 вузов и научных организаций к участию в конкурсном отборе на предоставление грантов для реализации крупных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития.
    1203
  • 18/10/2019

    L’OREAL — UNESCO: они этого достойны

    Три молодых исследовательницы из Новосибирска вошли в число десяти лауреаток конкурса «Для женщин в науке» L’OREAL — UNESCO 2019. Его цель — улучшение позиций женщин-ученых и признания их заслуг. Мы поговорили с победительницами об их работе и о препятствиях, которые им приходится преодолевать.
    1211
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    2758
  • 19/07/2017

    Новосибирские геологи узнают о прошлом Азии с помощью Тихого океана

    ​Геологи НГУ и ИГМ СО РАН изучают прошлое Центральной и Восточной Азии с помощью тихоокеанского региона. Исследования ведутся на средства 90-миллионного мегагранта правительства РФ. Руководителями проекта являются японский профессор Шигенори Маруяма и российский геолог Инна Сафонова.
    1620
  • 24/10/2018

    Около 100 фундаментальных исследовательских проектов представлено в Новосибирской области в рамках Фестиваля науки

    ​Презентация проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований и Правительством Новосибирской области, прошла в регионе 24 октября в рамках VI Фестиваля науки. Представленные проекты представляют большую ценность для фундаментальной науки и развития экономики региона.
    2067
  • 07/06/2019

    Новосибирские студенты победили на всероссийском чемпионате по решению нефтегазовых кейсов «Oilcase»

    ​​Соревнования по решению нефтегазовых кейсов «Oilcase» проводятся второй раз для студентов всех российских вузов. Организаторами чемпионата и авторами задач являются представители таких компаний-гигантов, как «Газпромнефть НТЦ», «Halliburton», НК «Нефтиса», «Startus», «Econophysica» и других.
    1142
  • 26/12/2019

    РФФИ: Подведены итоги трех международных конкурсов

    ​Российский фонд фундаментальных исследований сообщает об итогах трех международных конкурсов 2019 и 2020 гг.   Итоги конкурса на лучшие научные проекты фундаментальных исследований, проводимого совместно РФФИ и Немецким научно-исследовательским сообществом  Код конкурса: (ННИО_а) Совместный конкурс фундаментальных исследований с Немецким научно-исследовательским сообществом Год конкурса: 2020 На конкурс 2020 года было получено 215 заявок.
    923