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.