​Российские ученые решили проблему контролируемого синтеза тонких пленок полупроводниковых высших силицидов марганца и предложили новый подход получения этих материалов. Эти вещества могут применяться в термоэлектрических преобразователях и других приборах. Результаты работы сотрудников Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН и их коллег из Сибирского федерального университета были опубликованы в Journal of Materials Science.

Высшие силициды марганца MnSi~1,75 - это целое семейство соединений марганца и кремния с весьма экзотической кристаллической структурой, которая получила навание "лестница в трубе". Марганец формирует "трубу", а кремний - винтовые "лестницы". Члены такого семейства отличаются друг от друга лишь тем, насколько круто закручивается спираль кремниевой "лестницы". У самого известного члена этой "семьи" Mn4Si7 она закручена в наименьшей степени, у других одиннадцати, о которых сейчас известно ученым, "лестница" становится круче. Однако пока непонятно, насколько крута может быть "лестница" в такой структуре, есть ли способ целенаправленно синтезировать ту или иную структуру из такой большой семьи и каковы их физические свойства.

До сих пор ученые не знают, как можно контролируемо получать разные фазы высших силицидов марганца на кремниевых подложках, которые используются для термоэлектрических и фотовольтаических преобразователей, приборов оптоэлектроники и спинтроники. Обычно, когда ученые помещают материалы для получения силицидов марганца на подложку, происходит диффузия атомов кремния из подложки. Это ощутимо меняет результат, потому что количество кремния в известных фазах высших силицидов марганца меняется в очень маленьких пределах. Как раз из-за этой диффузии не выйдет положить на подложку кремния точное количество марганца и кремния, а потом нагревать и дожидаться образования нужной фазы. Дело в том, что из-за мигрирующих атомов кремния результат сильно изменится: атомы из подложки меняют содержание кремния в пленке неконтролируемым образом. В ходе данного исследования ученые хотели понять, как можно решить эту проблему.

Для целенаправленного синтеза были выбраны две фазы высших силицида марганца: Mn4Si7, с наименее закрученной кремниевой "лестницей", и Mn17Si30, с наибольшей крутизной "лестницы". Первая фаза, как и большинство хорошо изученных высших силицидов марганца, имеет дырочный тип проводимости. При нагревании вещества ковалентные связи в нем распадаются, и появляются свободные электроны, которые перемещаются с одного места на другое. На месте "вырвавшихся" электронов будут дырки, которые перемещаются в направлении, противоположном движению электронов. В таком типе проводимости ток создается дырками, причем течет он в том же направлении, в котором перемещаются дырки. У второй же фазы тип проводимости электронный. У такого типа носителем заряда будут свободные электроны.

"В этой работе мы использовали оригинальный подход для синтеза образцов. Мы предположили, что если образование высших силицидов марганца из аморфной смеси марганца и кремния происходит неконтролируемо, то их образование из смеси фаз других силицидов марганца, с более высоким содержанием марганца, для разных фаз марганца будет протекать по-разному. То есть неважно, какие составляющие находятся на кремниевой подложке с самого начала, последней фазой всегда будет кто-нибудь из семейства высших силицидов марганца. Проведя некоторые несложные термодинамические расчеты, мы выяснили, что должно находиться на подложке, чтобы в конечном итоге у нас сформировались фазы Mn4Si7 и Mn17Si30", - рассказал один из авторов статьи Иван Тарасов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физики магнитных явлений Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН.

Схема процесса синтеза для образцов Mn17Si30 слева и Mn4Si7 справа, Иван Тарасов/СФУ

Ученые решили реализовать их идею и в результате действительно получили такие структуры, после чего изучили их физические свойства. Электронный тип проводимости у Mn17Si30 не подтвердился. Причиной этому, как было показано на основании теоретических расчетов, может быть существование кремниевых вакансий, то есть отсутствие атомов в тех местах, где они должны находиться в кристаллической структуре Mn17Si30. При этом ученые зарегистрировали наиболее высокие показатели подвижности электронов среди пленок высших силицидов марганца.

"В ходе исследования свойств новой фазы силицида марганца мы получили довольно интересные результаты. Однако самое важное - это то, что оправдал ожидание метод, который мы разработали для синтеза таких пленок. В дальнейшем мы будем его совершенствовать и планируем применять для получения различных силицидов, которые будут обладать свойствами, необходимыми для работы в реальных термоэлектрических и фотвольтаических устройствах", - заключил один из авторов статьи Антон Тарасов, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Института физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, Института химии и химической технологии СО РАН, Уральского федерального университета и из Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. Работа проводилась в рамках проекта Российского научного фонда.

Похожие новости

  • 14/05/2018

    Сибирские ученые опробовали новый метод исследования полупроводниковых наночастиц

    ​Сотрудники Сибирского федерального университета и Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН применили новый метод для изучения наночастиц из кадмия и теллура. Они воспользовались особенностью данного соединения, взаимодействие которого со светом меняется в зависимости от магнитного поля.
    119
  • 24/01/2017

    Красноярские ученые рассчитали, как поймать свет с помощью диэлектрических шариков

    ​Теоретические расчеты красноярских физиков показали, что цепочка из одинаковых диэлектрических шариков может быть использована в качестве ловушки для электромагнитных волн. Такая цепочка будет вести себя как световод, который улавливает и захватывает свет, падающий на него под любым углом.
    721
  • 15/02/2017

    Красноярские ученые создали уникальный прибор для телескопа будущего

    Ученые в Красноярске создали уникальный прибор для телескопа, который планируют запустить космос не раньше 2025 года. Как сообщили в пресс-службе правительства края, ученые Института физики им Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН создали прибор для измерения термооптических свойств защитных покрытий и материалов космических аппаратов при сверхнизких температурах.
    816
  • 19/09/2017

    Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

    ​Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет.
    478
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    195
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    410
  • 20/10/2017

    Красноярские ученые разработали технологию управляемого синтеза магнитных нанопорошков

     Ученые Института физики им. Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН (КНЦ СО РАН) научились синтезировать магнитные наночастицы с ядром из никеля и непроводящей ток углеродной оболочкой.
    387
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    921
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    544
  • 13/04/2018

    Дилатометр измерит деформации космических материалов в вакууме

    Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали измерительную ячейку для исследования свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю.
    144