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.
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 (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».
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.