Исследователи Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН совместно с коллегами из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН достигли впечатляющих результатов в изучении магнитных полупроводников. В центре их работы оказалась система «кремний-германий-марганец», обладающая уникальными свойствами, которые могут стать основой для новых технологий – от квантовых компьютеров до перспективных элементов спиновой электроники. Такая команда ученых показывает высокий уровень синергии научного сообщества Сибири и его огромный вклад в развитие фундаментальной и прикладной науки.
Магнитные полупроводники: основа технологий будущего
Полупроводники традиционно используются в большинстве электронных устройств, поскольку они способны изменять свою проводимость в зависимости от внешних условий и введенных добавок. Однако магнитные полупроводники находятся на стыке между электроникой и магнетизмом. Специальные примеси, наделяющие материал магнитными характеристиками, позволяют управлять проводимостью не только электрическим током, но и магнитным полем. Это открывает дорогу к созданию устройств, где информация или энергия передается не только зарядом, а также спином – так называемых спиновых транзисторов и элементов для квантовых вычислений.
Секреты синтеза: молекулярно-лучевая эпитаксия
Для получения материалов столь высокого качества специалисты применили молекулярно-лучевую эпитаксию – передовую технологию по выращиванию кристаллов толщиной в один атом. Такой подход обеспечивает создание идеальных структур без дефектов, что критически важно для сверхтонких слоев, используемых в микроэлектронике. В ходе работы на кремниевую подложку наносили тончайшие слои германия, что приводило к формированию особых наноструктур – квантовых точек, обладающих особыми электронными и магнитными свойствами. Их формирование сопровождается легированием марганцем, атомы которого встраиваются в кристаллическую решетку, усиливая функциональность материала.
EXAFS-спектроскопия в Измерении структуры катализаторов и материалов
В рамках исследований особую роль сыграла EXAFS-спектроскопия – современный метод, позволяющий чрезвычайно детально анализировать структуру материалов на атомном уровне. Этот инструмент дал возможность точно определить состояние марганца в синтезированных слоях и оптимально подобрать пропорции для наилучших магнитных характеристик. Такой подход не только позволил углубиться в природу образования магнитных полупроводников, но и создал предпосылки для целенаправленного проектирования катализаторов нового поколения, связанных, в том числе, с разработками Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).
Открытия для квантовых и спиновых технологий
Эксперименты позволили подобрать параметры синтеза – температуру, скорость осаждения атомов, концентрацию магнитной примеси – для управления формой и размерами квантовых точек, а также их распределением в слое. Полученные материалы обладают стабильной магнетизацией даже при комнатной температуре, что значительно расширяет область их применения. В будущем такие материалы могут стать основой для квантовых схем, сверхчувствительных датчиков магнитного поля, энергоэффективных элементов памяти и других компонентов современных вычислительных систем.
Объединение экспертизы – ключ к прорыву
Данное исследование является наглядным примером того, как междисциплинарная кооперация ведет к важным открытиям. Химики, физики и специалисты по материалам объединили усилия, используя современные методы анализа и инновационные технологии выращивания кристаллов. Участие Институтов СО РАН и экспертов таких имен, как Симон Эренбург, Геннадий Кулипанов, позволяет надеяться на значительный прорыв в области полупроводниковых материалов для квантовой электроники и спинтроники. Дальнейшее развитие таких исследований поддерживает российские позиции на передовой линии научного и технологического прогресса, формируя фундамент для создания умных устройств нового поколения.
Таким образом, российская наука уверенно движется вперед, создавая условия для появления инновационных технологий мирового уровня и давая старт промышленным применением самых перспективных материалов будущего.
Исследования в области наноматериалов и полупроводников постоянно выходят на новый уровень благодаря инновационным методам и современным установкам. В последние годы специалисты уделяют особое внимание контролю магнитных свойств квантовых точек, что открывает перспективы для создания уникальных материалов с заданными характеристиками. Фундаментальные открытия, полученные в ходе экспериментов с марганцевыми квантовыми точками, дают возможность расширить горизонты не только фундаментальной, но и прикладной науки.
Точная настройка состава и условий синтеза
Владимир Зиновьев отмечает, что для проявления магнитных свойств крайне важно добиться правильного расположения и концентрации атомов марганца внутри квантовой точки. От этого зависят ключевые характеристики будущих материалов. В ходе исследований учёные варьировали концентрацию марганца в пределах от 2 до 20% и температуру проведения синтеза — от 400 до 500°C. Это позволило провести масштабную серию экспериментов и определить наиболее удачные параметры. В итоге было выявлено, что идеальным соотношением компонентов оказываются 2% марганца и температура 400°C. При таких условиях достигается оптимальная магнитная активность материала, что стало важным шагом вперёд для создания новых устройств на основе наночастиц.
EXAFS-спектроскопия — ключ к микроструктуре
Для анализа структуры полученных материалов исследовательская группа прибегла к современной EXAFS-спектроскопии, используя крупные научные центры — синхротрон ESRF в Гренобле и Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ) с накопителем ВЭПП-3. Кандидат физико-математических наук Симон Эренбург подчёркивает, что традиционные методы исследования, такие как рентгеноструктурный анализ, плохо применимы к сверхмелким, дисперсным материалам без чёткой кристаллической решётки. Благодаря EXAFS-спектроскопии появилась возможность буквально "заглянуть" в микромир: определить, как окружён каждый отдельный атом марганца и германия, что позволяет детально описать микроструктуру и, соответственно, управлять свойствами вещества.
Развитие инфраструктуры: новые возможности для учёных
В скором времени научное сообщество получит ещё более мощный инструмент для исследований — на территории Новосибирской области готовится к запуску новый крупный центр коллективного пользования "СКИФ", основанный на источнике синхротронного излучения нового поколения. В числе первых шести исследовательских станций "СКИФ" предусмотрена и станция для проведения экспериментов методом EXAFS-спектроскопии. Как подчёркивает академик РАН Геннадий Кулипанов, благодаря высокой интенсивности излучения учёные смогут проводить замеры спектров значительно быстрее и точнее. Более того, появится возможность следить за динамикой структурных изменений катализаторов прямо в условиях их функционирования (in situ), что невероятно важно для промышленной химии и разработки новых технологий.
От фундаментальных исследований к практическим приложениям
Внедрение новых исследовательских станций открывает широчайшие перспективы для институтов и компаний, работающих в области химии и материаловедения. Новая EXAFS-станция станет не только научной базой для Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, но и позволит решать самые актуальные задачи современной промышленности. Это касается как фундаментального изучения структуры материалов, так и разработки эффективных катализаторов, востребованных в промышленном производстве и частном секторе. Россыпь новых знаний и инструментов, появившихся благодаря внедрению синхротронных технологий, поможет научному сообществу России и мира осваивать новые вершины — от создания уникальных полупроводников до разработки экологически чистых катализаторов, способных трансформировать экономику в сторону устойчивого развития.
Иллюстрация: Современная установка для молекулярно-лучевой эпитаксии, предоставлено Владимиром Зиновьевым
Оптимальные условия синтеза магнитного полупроводника определены учёными СО РАН
Российские исследователи делают уверенный шаг вперёд в развитии современной науки и технологий. Команда ученых из Сибирского отделения РАН провела уникальное исследование, результатом которого стало определение наилучших условий для синтеза инновационного магнитного полупроводника. Это открытие открывает широкие перспективы для дальнейшего развития электронной промышленности и новых направлений в исследовании материалов.
Уникальность магнитных полупроводников заключается в их способности совмещать свойства магнетика и полупроводникового материала, что существенно расширяет спектр их применения. Такие материалы позволяют создавать высокоэффективные приборы для хранения и обработки информации, а также новые поколения микросхем для вычислительной техники и систем искусственного интеллекта.
Потенциал для инновационных разработок
В ходе исследований специалисты выявили оптимальные параметры температурного режима, давления и состава, необходимые для эффективного синтеза магнитного полупроводника. Детальное изучение полученных образцов подтверждает: правильный подбор параметров важен для получения высококачественного материала с уникальными электро- и магнитоактивными свойствами. Это значительно увеличивает потенциал использования таких полупроводников в промышленном масштабе.
Открытие ученых становится не только значимым этапом фундаментальной науки, но и важным вкладом в развитие стратегически важных технологий будущего. Применение этих материалов, обладающих уникальными характеристиками, открывает перспективы для создания устройств нового поколения, способных работать быстрее, эффективнее и надёжнее. Данный успех укрепляет позиции отечественных исследователей на мировой научной арене и вселяет уверенность в динамичном развитии инновационных направлений.
Источник: scientificrussia.ru
