Проконтролировано формирование пленок высших силицидов марганца с разной крутизной «лестниц»

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.

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.
Источник http://rscf.ru