Fysikere overvåger dannelsen af ​​film med højere mangansilicid

Et team fra Kirensky Institute of Physics (Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences) sammen med kolleger fra Siberian Federal University har tilbudt en tilgang til den kontrollerede syntese af halvledende tyndfilm med højere mangansilicid. Filmene kan bruges i termoelektriske omformere og andre indretninger. Teamet foreslog også andre anvendelsesområder for disse materialer. Resultaterne af arbejdet blev offentliggjort i Journal of Materials Science .

Højere mangansilicider (MnSi ~ 1,75) er en gruppe af mangan- og siliciumforbindelser med en eksotisk krystalstruktur kaldet "skorstensstige". Manganatomer danner selve skorstenen, og silicium er formet svarende til spiraler. Forbindelser, der tilskrives denne gruppe, adskiller sig fra hinanden ved spiralernes twist. I Mn ₄ Si ₇ , gruppens mest berømte medlem, mangan er mindre snoet end i de andre 11 kendte faser. Stadig, vridningsmaksimum for spiraler i en sådan struktur er ukendt, samt midlerne til målrettet syntese af en bestemt struktur, der tilhører gruppen.

Der er også en tvetydighed i deres fysiske egenskaber. For at udføre målrettet syntese af forskellige faser af højere mangansilicider på et siliciumsubstrat, som kan bruges til termoelektriske og fotovoltaiske omformere optoelektroniske og spintroniske enheder, er stadig ret vanskelig for forskerne. Som regel, for at opnå tynde film med højere mangansilicid, mangan og silicium placeres på siliciumsubstratet, og bagefter, systemet udglødes. I denne tilstand, siliciumatomer diffunderer fra siliciumsubstratet til reaktionszonen og kan ændre faseformationssekvensen drastisk, da mængden af ​​silicium i forskellige faser med højere mangansilicid varierer inden for mindre end 1 procent. På grund af en sådan spredning, det er umuligt at opnå en ønskelig højere mangansilicidfase på siliciumsubstrat ved blot at placere den nødvendige mængde mangan og silicium, og derefter opvarmning af systemet. Siliciumatomer fra siliciumsubstratet ændrer siliciumindholdet i filmen ukontrollabelt. Teamet havde til formål at løse dette problem under undersøgelsen.

To faser af højere mangansilicider blev udvalgt til målrettet syntese:Mn ₄ Si ₇ med det mindste og Mn ₁₇ Si ₃₀ med de mest snoede spiraler. Ligesom de fleste kendte højere mangansilicider, den første fase har p-type ledning. Når stoffet opvarmes, dens kovalente links er forvrængede, og frie elektroner begynder at bevæge sig rundt. Dette skaber huller, der bevæger sig i den modsatte retning af elektronernes. Den anden fase viser ledning af n-typen. I dette tilfælde, de frie elektroner er ladningsbærerne.

"I dette arbejde, vi brugte en usædvanlig tilgang til syntese af prøver. Vi antog, at hvis højere mangansilicider ukontrollabelt dannes fra den amorfe blanding, deres dannelse fra blandinger af faser af andre mangansilicider med højere manganindhold skal også variere i forskellige faser. Uanset elementerne på siliciumbasen, en forbindelse fra den højere mangansilicidfamilie vil altid være det sidste trin. Efter at have foretaget nogle enkle termodynamiske beregninger, fandt vi ud af, hvad der skulle placeres på basen til Mn ₄ Si ₇ og Mn ₁₇ Si ₃₀ faser til dannelse, "forklarede medforfatter Ivan Tarasov, en stipendiat ved laboratoriet for fysikken i magnetiske fænomener, Kirensky Institute of Physics (Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences).

Forskerne besluttede at implementere denne idé og opnåede de målrettede strukturer. Bagefter, deres fysiske egenskaber blev også undersøgt. N-type ledningsevne af Mn ₁₇ Si ₃₀ blev ikke bekræftet. Teoretiske beregninger viste, at årsagen kan være ledige silicium, dvs. fraværet af atomer de steder, hvor de forventes at være i Mn ₁₇ Si ₃₀ krystalstruktur. Teamet registrerede den højeste ladningsbærermobilitet i film med højere mangansilicid.

"Efter at have undersøgt egenskaberne ved den nye fase af højere mangansilicid opnåede vi ganske interessante resultater. Vigtigst af alt, den fremgangsmåde, vi udviklede til syntetisering af sådanne film, viste sig at være effektiv. I fremtiden, vi vil forbedre det for at opnå forskellige silicider med de egenskaber, der kræves til brug i egentlige termoelektriske og fotovoltaiske enheder, "konkluderede medforfatter Anton Tarasov, lektor ved Siberian Federal University.