Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ нашли дешевый способ получения изолятора нового поколения для квантовой электроники
Новости
Тонкие пленки селенида висмута получили двумя методами: вырастив их на подложках из слюды и электрохимически расщепив объемные кристаллы Bi2Se3, причем ученые добились формирования рекордно больших площадей образцов тонких пленок. Селенид висмута — перспективный материал для создания электронных устройств нового поколения высокой производительности.
Селенид висмута относится к классу топологических изоляторов — соединений, которые из-за особенностей своих свойств проводят спин-поляризованный электрический ток только по поверхности. При совмещении графена и электрохимически отслоенного селенида висмута удалось увеличить подвижность носителей заряда в пленках, что имеет большое значение для создания быстродействующих электронных устройств, работающих с минимальными тепловыми потерями. Результаты совместных работ специалистов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета НЭТИ опубликованы в журналах MaterialsResearchBulletin и Nanotechnology. На поверхности тополологических изоляторов можно управлять током электронов, имеющих одинаково направленные спины (спин-поляризованных). Практическое применение этого свойства позволит значительно уменьшить тепловыделение, которое существует в привычных электронных приборах, а значит увеличить быстродействие и скорость передачи информации. Спин — квантовая характеристика электрона (собственный момент импульса), не зависящая от внешних перемещений частицы.
Однако идеальные, предсказанные теоретически, свойства топологических изоляторов отличаются от тех, что наблюдаются в реальности: кристалл в объеме всё же проводит ток из-за структурных несовершенств. Чтобы воспользоваться технологически привлекательными характеристиками соединений, нужно создать им специальные условия. Решить эту задачу можно, получив идеальный бездефектный кристалл (что пока недостижимо), или тонкую пленку селенида висмута — по сути, поверхность в чистом виде: ее влияние становится заметным при толщинах пленки менее 100 нанометров. «Мы давно сотрудничаем со старшим научным сотрудником ИГМ СО РАН, кандидатом геолого-минералогических наук Константином Александровичем Кохом, у нас опубликовано около 60 совместных работ, касающихся характеристик объемных топологических изоляторов. Константин умеет выращивать высококачественные, практически бездефектные кристаллы, в том числе и селенида висмута. Их можно раскалывать по определенной плоскости и, соответственно, получать гладкую поверхность, которая проявляет нужные свойства, но все еще далекие от идеальных. Поэтому следующий этап развития исследований, к которому мы приступили, — синтез тонких монокристаллических пленок селенида висмута и исследование их электронных свойств», — комментирует исследования заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета, доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко.
Обычно тонкие полупроводниковые соединения выращивают дорогостоящим и сложным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Константину Коху удалось создать сравнительно простую по конструкции установку, в которой используется газотранспортный метод роста. Он является существенно более дешевым и в эксплуатации и в разработке.
«Внешне реактор похож на длинную пробирку, расположенную горизонтально. С одной стороны реактора происходит нагрев порошка селенида висмута: пары соединения перемещаются в более холодный участок установки и там осаждаются на подложку из слюды. На ней начинается рост тонкой кристаллической пленки благодаря определенному сходству кристаллической структуры слюды и селенида висмута, которое приводит к возникновению химических (ван-дер-ваальсовых) связей между этими соединениями», — объясняет кандидат геолого-минералогических наук старший научный сотрудник ИГМ СО РАН Константин Александрович Кох.
У синтезированных кристаллических пленок ученые ИФП СО РАН обнаружили несколько интересных для практического применения свойств. Во-первых, большие по площади размеры объектов — около сантиметра в поперечнике, во-вторых, высокая подвижность носителей заряда: именно от этой характеристики зависит быстродействие электроники. И, в-третьих, новые структуры могут использоваться как электроды, прозрачные для инфракрасного излучения.
Подбор оптимальных ростовых условий занял около полугода: специалисты ИГМ СО РАН варьировали температуры, продолжительность роста, руководствуясь сведениями об электрофизических характеристиках пленок, которые предоставляли ученые ИФП СО РАН. Выяснилось, что лучшие по электрофизическим параметрам образцы формируются при температуре около 500 градусов Цельсия и на расстоянии 4—6 сантиметров от нагревательного элемента. Для диагностики структурного совершенства пленок, толщины, поэлементного состава использовались дифракционные методы, Рамановская спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия.
«Параметры поверхности (рельеф, шероховатость) определялись с помощью атомно-силовой микроскопии, электрическое сопротивление измеряли четырехзондовым методом. В итоге, мы получили карту зависимости сопротивления от расстояния от источника испаряемого селенида висмута. Выяснилось, что удельное слоевое сопротивление пленок, сформированных в «оптимальной» зоне — низкое: до 50 Ом на квадрат», — комментирует научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Надежда Александровна Небогатикова.
Другой способ получения тонких пленок селенида висмута, модифицированный той же исследовательской группой, — электрохимическое отщепление от объемного кристалла Bi2Se3. Объемные кристаллы для эксперимента выращивались методом Бриджмена-Стокбаргера, их также предоставил Константин Кох. Кристалл выступал в качестве одного из электродов и погружался в электролит-проводящую жидкость определенного состава. В результате подачи напряжения в цепь выделялись пузырьки газов, в частности водорода, которые и отслаивали пленки. Меняя электрическое напряжение и состав электролита, ученые ИФП СО РАН подобрали оптимальные условия отщепления: ведь если пузырьков мало, то процесс идет долго. Если же слишком много — пузырьки могут разрывать отделяющиеся слои.
«На данный момент этот метод позволяет получать наиболее совершенную поверхность пленок — атомно-гладкую. Варьируя условия расщепления, мы можем получать пленки с различной толщиной или латеральными размерами», — добавляет Надежда Небогатикова.
Оказалось, что при создании слоистых структур, состоящих из электрохимически отщепленных пленок Bi2Se3, перенесенных на графеновые «листы», такие характеристики пленок как проводимость и подвижность носителей заряда становятся лучше. Причем эффект наблюдался даже при комнатной температуре, на открытом воздухе, а не только в особо чистых условиях, что особенно важно для практических применений.
«Мы обнаружили, что в случае переноса на графен слоя «отщепленного» селенида висмута и последующего создания вертикальных гетероструктур наблюдается значительное увеличение и проводимости и подвижности носителей. Это дополнительно расширяет возможности использования таких слоев», — поясняет ведущий научный сотрудник ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук Ирина Вениаминовна Антонова.
Площади образцов тонких пленок селенида висмута, полученные новосибирскими учеными как первым, так и вторым методом, составили от сотен микрон до квадратных сантиметров, что значительно больше, чем синтезировали ранее другие научные группы, в том числе за рубежом.
«Отличительная черта наших работ — продуктивное междисциплинарное сотрудничество исследователей разных специальностей: физиков и геохимиков», — подчеркивает Константин Кох.
Исследования выполнялись при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований.
На снимках:
Селенид висмута относится к классу топологических изоляторов — соединений, которые из-за особенностей своих свойств проводят спин-поляризованный электрический ток только по поверхности. При совмещении графена и электрохимически отслоенного селенида висмута удалось увеличить подвижность носителей заряда в пленках, что имеет большое значение для создания быстродействующих электронных устройств, работающих с минимальными тепловыми потерями. Результаты совместных работ специалистов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета НЭТИ опубликованы в журналах MaterialsResearchBulletin и Nanotechnology. На поверхности тополологических изоляторов можно управлять током электронов, имеющих одинаково направленные спины (спин-поляризованных). Практическое применение этого свойства позволит значительно уменьшить тепловыделение, которое существует в привычных электронных приборах, а значит увеличить быстродействие и скорость передачи информации. Спин — квантовая характеристика электрона (собственный момент импульса), не зависящая от внешних перемещений частицы.
Однако идеальные, предсказанные теоретически, свойства топологических изоляторов отличаются от тех, что наблюдаются в реальности: кристалл в объеме всё же проводит ток из-за структурных несовершенств. Чтобы воспользоваться технологически привлекательными характеристиками соединений, нужно создать им специальные условия. Решить эту задачу можно, получив идеальный бездефектный кристалл (что пока недостижимо), или тонкую пленку селенида висмута — по сути, поверхность в чистом виде: ее влияние становится заметным при толщинах пленки менее 100 нанометров. «Мы давно сотрудничаем со старшим научным сотрудником ИГМ СО РАН, кандидатом геолого-минералогических наук Константином Александровичем Кохом, у нас опубликовано около 60 совместных работ, касающихся характеристик объемных топологических изоляторов. Константин умеет выращивать высококачественные, практически бездефектные кристаллы, в том числе и селенида висмута. Их можно раскалывать по определенной плоскости и, соответственно, получать гладкую поверхность, которая проявляет нужные свойства, но все еще далекие от идеальных. Поэтому следующий этап развития исследований, к которому мы приступили, — синтез тонких монокристаллических пленок селенида висмута и исследование их электронных свойств», — комментирует исследования заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета, доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко.
Обычно тонкие полупроводниковые соединения выращивают дорогостоящим и сложным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Константину Коху удалось создать сравнительно простую по конструкции установку, в которой используется газотранспортный метод роста. Он является существенно более дешевым и в эксплуатации и в разработке.
«Внешне реактор похож на длинную пробирку, расположенную горизонтально. С одной стороны реактора происходит нагрев порошка селенида висмута: пары соединения перемещаются в более холодный участок установки и там осаждаются на подложку из слюды. На ней начинается рост тонкой кристаллической пленки благодаря определенному сходству кристаллической структуры слюды и селенида висмута, которое приводит к возникновению химических (ван-дер-ваальсовых) связей между этими соединениями», — объясняет кандидат геолого-минералогических наук старший научный сотрудник ИГМ СО РАН Константин Александрович Кох.
У синтезированных кристаллических пленок ученые ИФП СО РАН обнаружили несколько интересных для практического применения свойств. Во-первых, большие по площади размеры объектов — около сантиметра в поперечнике, во-вторых, высокая подвижность носителей заряда: именно от этой характеристики зависит быстродействие электроники. И, в-третьих, новые структуры могут использоваться как электроды, прозрачные для инфракрасного излучения.
Подбор оптимальных ростовых условий занял около полугода: специалисты ИГМ СО РАН варьировали температуры, продолжительность роста, руководствуясь сведениями об электрофизических характеристиках пленок, которые предоставляли ученые ИФП СО РАН. Выяснилось, что лучшие по электрофизическим параметрам образцы формируются при температуре около 500 градусов Цельсия и на расстоянии 4—6 сантиметров от нагревательного элемента. Для диагностики структурного совершенства пленок, толщины, поэлементного состава использовались дифракционные методы, Рамановская спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия.
«Параметры поверхности (рельеф, шероховатость) определялись с помощью атомно-силовой микроскопии, электрическое сопротивление измеряли четырехзондовым методом. В итоге, мы получили карту зависимости сопротивления от расстояния от источника испаряемого селенида висмута. Выяснилось, что удельное слоевое сопротивление пленок, сформированных в «оптимальной» зоне — низкое: до 50 Ом на квадрат», — комментирует научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Надежда Александровна Небогатикова.
Другой способ получения тонких пленок селенида висмута, модифицированный той же исследовательской группой, — электрохимическое отщепление от объемного кристалла Bi2Se3. Объемные кристаллы для эксперимента выращивались методом Бриджмена-Стокбаргера, их также предоставил Константин Кох. Кристалл выступал в качестве одного из электродов и погружался в электролит-проводящую жидкость определенного состава. В результате подачи напряжения в цепь выделялись пузырьки газов, в частности водорода, которые и отслаивали пленки. Меняя электрическое напряжение и состав электролита, ученые ИФП СО РАН подобрали оптимальные условия отщепления: ведь если пузырьков мало, то процесс идет долго. Если же слишком много — пузырьки могут разрывать отделяющиеся слои.
«На данный момент этот метод позволяет получать наиболее совершенную поверхность пленок — атомно-гладкую. Варьируя условия расщепления, мы можем получать пленки с различной толщиной или латеральными размерами», — добавляет Надежда Небогатикова.
Оказалось, что при создании слоистых структур, состоящих из электрохимически отщепленных пленок Bi2Se3, перенесенных на графеновые «листы», такие характеристики пленок как проводимость и подвижность носителей заряда становятся лучше. Причем эффект наблюдался даже при комнатной температуре, на открытом воздухе, а не только в особо чистых условиях, что особенно важно для практических применений.
«Мы обнаружили, что в случае переноса на графен слоя «отщепленного» селенида висмута и последующего создания вертикальных гетероструктур наблюдается значительное увеличение и проводимости и подвижности носителей. Это дополнительно расширяет возможности использования таких слоев», — поясняет ведущий научный сотрудник ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук Ирина Вениаминовна Антонова.
Площади образцов тонких пленок селенида висмута, полученные новосибирскими учеными как первым, так и вторым методом, составили от сотен микрон до квадратных сантиметров, что значительно больше, чем синтезировали ранее другие научные группы, в том числе за рубежом.
«Отличительная черта наших работ — продуктивное междисциплинарное сотрудничество исследователей разных специальностей: физиков и геохимиков», — подчеркивает Константин Кох.
Исследования выполнялись при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований.
На снимках:
- Фото кристалла селенида висмута после скола по плоскости спайности, размер кристалла около 6 см. Фото предоставлено О. Е. Терещенко
- Фото кристалла селенида висмута, предоставлено К. А. Кохом
- Фото пленок селенида висмута, предоставлено Н. А. Небогатиковой
Автор: При участии пресс-службы ИФП СО РАН