​​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. 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.

fig1a 

Атомно-силовая микроскопия поверхности магнитного полупроводника SiGe/Mn (фото предоставлено Владимиром Зиновьевым)

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.

установка молекулярно лучевой эпитаксии 

Установка молекулярно-лучевой эпитаксии (фото предоставлено Владимиром Зиновьевым)

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».

Figure3 EXAFS копия 

EXAFS - спектры образцов с различным содержанием марганца (фото предоставлено Симоном Эренбургом)

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.

Проект ЦКП «СКИФ» в Новосибирске реализуется в соответствии с Поручением президента РФ и является флагманом программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0». Сибирский источник синхротронного излучения четвертого поколения в будущем станет частью отечественной сетевой инфраструктуры синхротронных и нейтронных исследований. ЦКП «СКИФ» – это центр коллективного пользования, который будет включать в себя не только ускорительный комплекс, но и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный корпус. Запуск первой очереди проекта намечен на 2024 год.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН 

Источники

Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 06/05/2019
Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью СИ
Наука в Сибири (sbras.info), 06/05/2019
Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 06/05/2019
Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения
SMIonline (so-l.ru), 06/05/2019
Сибирские ученые нашли новый способ синтеза полупроводника для квантовых компьютеров
Национальные проекты: будущее России (futurerussia.gov.ru), 06/05/2019
Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью СИ
Российская академия наук (ras.ru), 06/05/2019
Сибирские ученые определили оптимальные условия синтеза материала для квантовой электроники
Seldon.News (news.myseldon.com), 06/05/2019
Ученые определили условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения
Индикатор (indicator.ru), 07/05/2019
Материал для квантового компьютера
Академгородок (academcity.org), 08/05/2019
ИЯФ СО РАН
ФСМНО (sciencemon.ru), 08/05/2019
Ученые определили условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения
Nanonewsnet.ru, 09/05/2019
Сибирские ученые нашли новый способ синтеза полупроводника для квантовых компьютеров
RussiaGoodNews.ru, 08/05/2019
Сибирские ученые нашли "нужную комбинацию" для создания квантового компьютера
Cont.ws, 11/05/2019
Сибирские ученые продвинулись в создании квантового компьютера: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 11/05/2019
Сибирские ученые продвинулись в создании квантового компьютера
Дело (delo-kira.ru), 11/05/2019
Сибирские ученые продвинулись в создании квантового компьютера
Vistanews.ru, 11/05/2019
Сибирские ученые продвинулись в создании квантового компьютера
Seldon.News (news.myseldon.com), 11/05/2019
Сибирские ученые нашли "нужную комбинацию" для создания квантового компьютера: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 11/05/2019
В РФ нашли комбинацию для создания полупроводников квантового компьютера
Экономическое обозрение (finobzor.ru), 10/05/2019
Сибирские ученые нашли "нужную комбинацию" для создания квантового компьютера
Политэксперт (politexpert.net), 10/05/2019
Сибирские ученые нашли "нужную комбинацию" для создания квантового компьютера
Горячая линия ДНР (dnr-hotline.ru), 10/05/2019
Исследователи поделились успехами в создании квантового компьютера
Goroday (goroday.ru), 12/05/2019
Новосибирские ученые подошли к синтезу магнитных полупроводников с помощью синхротронного излучнгия
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 13/05/2019
Сибирские ученые нашли "нужную комбинацию" для создания квантового компьютера
Око планеты (oko-planet.su), 13/05/2019
Сибирские ученые продвинулись в создании квантового компьютера
Центр кластерного развития Томской области (innoclusters.ru), 13/05/2019
Сибирские ученые продвинулись в создании квантового компьютера
Faktom.ru, 14/05/2019
" Сибирские ученые нашли "нужную комбинацию" для создания квантового компьютера
Portalinweb.com, 15/05/2019
Шаг к квантовому компьютеру
Честное слово (chslovo.com), 15/05/2019
Ученые СО РАН определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника
Научная Россия (scientificrussia.ru), 27/05/2019
Микроэлектроника: В СО РАН научились синтезировать магнитные полупроводники
Abloud.blogspot.ru, 29/05/2019
Ученые определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника с помощью синхротронного излучения
Nanonewsnet.ru, 30/05/2019
Ученые СО РАН определили оптимальные условия для синтеза магнитного полупроводника
1k.com.ua, 28/05/2019

Похожие новости

  • 20/03/2017

    Институт катализа СО РАН и Лицей № 130 откроют совместную химическую лабораторию

    Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Лицей № 130 имени академика М.А. Лаврентьева откроют совместную химическую лабораторию. Учащиеся смогут со школьной скамьи получить опыт работы в настоящей лаборатории под руководством научных сотрудников, решая реальные исследовательские задачи.
    2566
  • 05/06/2016

    Спечь или взорвать?: разработки ученых Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

    ​​Шарики вместо метеоритов, танки из военного училища и шедевр японского приборостроения для «выпечки» новых материалов. О том, как ученые Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН создают новые материалы для авиации, космоса и повседневной жизни.
    3998
  • 03/10/2018

    В Новосибирске к 2026 году планируется построить центр нанотехнологий

    ​Единственный в России Центр нанотехнологий, в котором будут выполняться работы полного цикла - от разработки до мелкосерийного производства - планируется построить в новосибирском Академгородке к 2026 году.
    659
  • 17/08/2017

    В новосибирском Академгородке прошла конференция «Графен: Молекула и 2D-кристалл»

    В Новосибирском государственном университете завершилась вторая российская конференция "Графен: Молекула и 2D-кристалл". Ее участниками стали 110 специалистов из России (Москвы, Новосибирска, Санкт-Петербурга, Черноголовки, Дубны, Якутска, Омска, Томск, Кемерово, Красноярска, Екатеринбурга, Улан-Удэ, Уфы, Челябинска), США, Беларуси, Испании, Германии и Великобритании.
    1964
  • 03/07/2016

    В ИЯФ пройдет конференция по синхротронному и терагерцовому излучению

    ​С 4 по 8 июля 2016 в Институте ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) состоится Международная конференция по генерации и использованию синхротронного и терагерцового излучения​, посвященная одному из самых "прикладных" направлений, представленных в институте.
    2699
  • 20/05/2019

    Городские дни науки-2019: КЛАССный учёный

    С 2017 года в рамках городских дней науки проходят выездные лекции для школьников — проект «КЛАССный ученый». Он создан для того, чтобы ученики разных школ Новосибирска узнали, что такое настоящая наука, какие работы в разных областях знаний сейчас находятся на передовом её крае, а также вживую пообщались с исследователями из научных институтов, вузов и образовательных организаций нашего города.
    683
  • 23/05/2019

    Археологи выделили на юге Западной Сибири новую культуру эпохи неолита – барабинскую

    Ученые Института археологии и этнографии СО РАН (ИАЭТ СО РАН) выделили на юге Западно-Сибирской равнины новую неолитическую культуру – барабинскую. Основой полученных данных стали исследования уникального комплекса, состоящего из двух жилых сооружений, артефактов из них, а также нескольких своеобразных ям для заготовки рыбы.
    708
  • 25/06/2018

    Павел Логачев: источник синхротронного излучения будет центром, который объединит разные научные направления

    ​В проекте Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) уже сейчас задействовано много институтов, а в будущем установка станет крупным центром общего пользования. Представители нескольких научных направлений рассказали, почему источник синхротронного излучения (СИ) важен для Академгородка и его ученых.
    1011
  • 19/05/2017

    Энергия молодости как движущая сила науки

    Так же, как российское могущество прирастает Сибирью, могущество Сибирского отделения прирастает молодыми учеными. Они приходят в науку разными путями, но затем все эти тропинки сливаются в одну дорогу, ведущую в будущее.
    1973
  • 29/08/2019

    В Новосибирске появится главный российский синхротрон

    В июле Владимир Путин подписал указ о мерах по развитию синхротронно-нейтронных исследований в России. За ближайшие три месяца экспертному сообществу под эгидой Минобрнауки нужно разработать федеральную научно-техническую программу развития синхротронно-нейтронных исследований на 2019–2027 годы.
    298