Российские исследователи создали два новых метода получения пленок селенида висмута. Материал поможет создать быстродействующие электронные устройства, работающие почти без тепловых потерь. Результаты исследования опубликованы в журналах Materials Research Bulletin и Nanotechnology.

С помощью топологических изоляторов можно управлять током электронов, которые имеют одинаково направленные спины. Это свойство позволит значительно уменьшить выделение тепла в электронных приборах. Это, в свою очередь, поможет повысить быстродействие и скорость передачи информации.

Однако теоретические свойства топологических изоляторов отличаются от реальных — в объеме материала все еще сохраняется проводимость из-за дефектов структуры. Чтобы воспользоваться важными характеристиками таких материалов, необходимо создать для них специальные условия. Это можно сделать, если получить идеальный бездефектный кристалл или тонкую пленку топологического изолятора.

Обычно тонкие полупроводниковые соединения синтезируют с помощью дорогостоящих и сложных методов молекулярно-лучевой эпитаксии. Исследователи из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, НГУ и НГТУ смогли создать сравнительно простую по конструкции установку, в которой используется газотранспортный метод роста. Он дешевле и быстрее эпитаксии.

«Наш реактор похож на горизонтальную пробирку. С одной стороны установки нагревается порошок селенида висмута: пары соединения перемещаются в более холодный участок установки и там осаждаются на лист слюды. На ней начинается рост тонкой пленки кристалла из-за сходства кристаллической структуры слюды и селенида висмута. Такое сходство приводит к возникновению ван-дер-ваальсовых связей между соединениями», ― рассказывает один из исследователей, старший научный сотрудник ИГМ СО РАН Константин Кох.

Полученные пленки / Надежда Небогатикова/ИФП СО РАН

Исследователи обнаружили, что пленки, синтезированные новым методом, имеют несколько интересных для практического применения свойств. Например, большая площадь объектов ― около сантиметра в поперечнике, а также высокая подвижность носителей заряда. Последняя характеристика влияет на быстродействие электроники. Также новые структуры могут использоваться, как электроды, прозрачные для инфракрасного излучения.

Чтобы подобрать оптимальные условия синтеза, исследователи потратили около полугода.

Ученые показали, что лучшие по электрофизическим параметрам образцы формируются при температуре около 500 °C и на расстоянии четырех-шести сантиметров от нагревательного элемента.

Для диагностики структурного совершенства пленок, толщины, поэлементного состава авторы использовали дифракционные методы, КР-спектроскопию и сканирующую электронную микроскопию.