​​​​​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

  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    2507
  • 31/01/2020

    В Новосибирске изобрели устройство для экологичного сжигания нефтяных отходов

    ​Ученые Института теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) НЭТИ создали горелочное устройство, которое позволит сжигать нефтяные отходы и отработанное масло без вреда для экологии.
    1871
  • 19/04/2021

    Взрывное кино. «СКИФ» поможет запечатлеть изменения в структуре материалов

    ​Рентгенодифракционное кино – так романтически называется метод, позволяющий изучать in situ быстропротекающие процессы. В Институте ядерной физики СО РАН работы по использованию синхротронного излучения (СИ) в научных экспериментах ведутся с 1970-х годов.
    552
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6396
  • 28/01/2020

    «Открытую лабораторную» проведут в День российской науки

    ​8 февраля состоится четвертая по счету просветительская акция «Открытая лабораторная». Каждый желающий сможет проверить свою картину мира с точки зрения передовых естественно-научных знаний. Поучаствовать в «Лабе-2020» можно будет как офлайн, так и онлайн на сайте laba.
    2583
  • 24/05/2017

    Новосибирские ученые смоделировали вулканические процессы

    ​Процессы, проходящие в недрах Земли в областях активного вулканизма и сейсмичности, исследованы даже менее детально, чем космос или глубины океана. Их можно установить только при изучении обломков глубинных пород, вынесенных лавами при вулканических извержениях.
    2177
  • 16/06/2017

    Геологи подводят итоги международного пятилетнего проекта ЮНЕСКО

    ​В этом году геологи подводят итоги пятилетнего крупномасштабного проекта, в котором приняли участие 700 специалистов из разных стран мира. Проект Международной геологической программы ЮНЕСКО посвящен образованию континентальной коры Центральной Азии.
    2720
  • 05/04/2018

    Новосибирские геологи изучили поведение молекулы бензола при высоких давлениях и температурах ради новых знаний о космосе

    Ученые НГУ (Лаборатория экспериментальной геохимии и петрологии мантии Земли ГГФ НГУ) и Института геологии и минералогии СО РАН вместе с коллегами из Токийского университета изучили поведение бензола при высоких давлениях и температурах с использованием различных экспериментальных методов на нейтронном ускорителе J-PARC (Япония).
    2136
  • 10/05/2016

    В горах Тянь-Шаня геологи нашли древние «Гавайи»

    ​Международный коллектив ученых под руководством новосибирского геолога Инны Сафоновой обнаружил фрагменты древних океанических островов в горах Тянь-Шаня и оценил размеры исчезнувшего океана. Ученые считают, что по своей природе палеострова близки к современным Гавайским.
    3605
  • 20/01/2021

    Технологию безмазутного розжига котлов ТЭЦ успешно испытали инженеры НГТУ НЭТИ

    15 января 2021 года учёные и инженеры НГТУ НЭТИ и «КОТЭС Инжиниринг» успешно провели испытания электроионизационной технологии безмазутного розжига пылеугольных котлов на огневом стенде мощностью 5 МВт на площадке Института теплофизики СО РАН.
    1017