Поиск - новости науки и техники

Хвала халькогенидам! Накопители энергии станут значительно мощнее.

Есть, оказывается, такие любопытные вещи, как селениды олова. И не только любопытные, но и способные двинуть еще дальше технический прогресс. А мы, во всяком случае многие из нас, до сих пор даже не подозревали об их существовании. Корреспондент “Поиска” с помощью младшего научного сотрудника Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН кандидата физико-математических наук Андрея МАТЕЦКОГО спешит пополнить знания наших читателей в этой области. Молодой ученый сейчас как раз в теме: ведет изыскания по поддержанному грантом Президента РФ проекту “Рост и исследование электронной структуры селенидов олова”. Вот что он рассказал.

– Одно из важных направлений работ в области физики твердого тела – поиск новых функциональных материалов, – объясняет Андрей Владимирович. – И хотя большинство природных минералов давно известны, у многих из них обнаруживают новые уникальные свойства. Примером могут служить халькогениды – бинарные, то есть представленные элементами двух видов, химические соединения халькогенов (халькогены – группа элементов, в число которых входит, в частности, селен). Второй элемент таких соединений – металл. Так вот, некоторые халькогениды обнаруживают свойства топологических изоляторов – особого типа материалов, внутренняя часть объема которых представляет собой диэлектрик, а поверхность способна проводить электрический ток. Благодаря этому не только заряд электрона, но и его магнитный момент можно использовать в качестве дополнительного носителя информации.
Согласно расчетам, селенид олова SnSe должен иметь свойства топологического изолятора. Кроме того, это соединение можно использовать в качестве электродов для так называемых суперконденсаторов – приборов, которые в ближайшем будущем могут потеснить обычные аккумуляторы. Селенид четырехвалентного олова SnSe2 благодаря своей слоистой структуре используют как изолирующий слой в некоторых гетероструктурах. В таких структурах из-за относительно слабой дипольной связи можно легко чередовать сверхтонкие слои материалов, что открывает новые возможности при конструировании функциональных элементов.
– Как получают селениды олова? 
– Выращивание тонких пленок – достаточно кропотливая задача. Мы используем метод так называемой молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ): в условиях сверхвысокого вакуума на подложку из нагретых тиглей осаждаются элементы. Необходимо подобрать соответствующую подложку. К сожалению, мы пока ограничены в выборе и в основном используем кремний. Иногда предварительно наносим на него буферные (защитные) слои – в нашем случае это селенид висмута, – которые препятствуют кремнию реагировать с осаждаемыми элементами. Также необходимо подобрать температуру подложки и соотношение потоков олова и селена. От этих параметров зависит получаемый фазовый состав селенида олова (SnSe, SnSe2 или смеси). Важно, что относительно высокая температура подложки позволяет использовать заведомо высокий поток селена, который в отсутствие олова не прилипает к поверхности. Технология МЛЭ дает возможность изучать сверхтонкие пленки толщиной вплоть до одной постоянной кристаллической ячейки (это примерно 1 нанометр). Свойства таких пленок сильно отличаются от свойств объемного материала.
– Что представляет собой электронная структура селенидов олова? Как вы ее исследуете? 
– Для изучения электронной структуры мы используем метод фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР), который основан на широко известном явлении фотоэффекта. Он позволяет получить структуру заполненных электронных состояний. По сути, мы имеем карту электронной плотности в зависимости от энергии связи и импульса электронов в кристалле. Кроме того, некоторую информацию, например ширину запрещенной зоны (это диапазон энергий, которым не могут обладать электроны в конкретном кристалле), можно извлечь из данных сканирующей туннельной спектроскопии, когда снимается зависимость величины туннельного тока от смещения.
– Как давно вы занимаетесь этой темой и есть ли уже результаты?
– Долгое время наш отдел проводил исследования поверхностных реконструкций, которые образуют металлы на кремнии. Это достаточно хрупкие системы с субмонослойными покрытиями вещества. Халькогенидами мы занялись в 2013 году. В мире интерес к этим материалам начал расти примерно с 2008 года, что связано с открытием топологических изоляторов. А нам как раз хотелось взяться за новую тему. Она действительно интересная и, что немаловажно, “модная”. Поначалу мы находились в позиции догоняющих, но быстро приобрели необходимый опыт и сейчас выполняем актуальные исследования по росту гетероструктур с применением наших материалов. Как я уже говорил, мы использовали селенид висмута (Bi2Se3) в качестве буферного слоя для роста SnSe2. Нам удалось получить монокристаллические эпитаксиальные пленки SnSe2, в которых основные кристаллические направления соответствуют направлениям подложки. Это позволило впервые экспериментально исследовать зонную структуру используемого селенида. Большой интерес вызывает и возможность чередовать слои топологического изолятора Bi2Se3 и обычного изолятора SnSe2, создавая некоторую гетероструктуру или суперрешетку. Каждая граница раздела между тривиальным и топологическим изолятором в такой структуре будет нести топологически защищенные поверхностные состояния. Как это можно применить? В печати появляется множество теоретически рассчитанных моделей и приборов с использованием комбинаций этих состояний: квантовые компьютеры, приборы спинтроники. Однако теоретические модели далеко не всегда работают на практике, и, возможно, еще реже экспериментальные образцы оформляются в законченную технологию. Надеюсь, когда-нибудь на основе наших разработок удастся создать реальный прибор.
– Кто вместе с вами работает? 
– В нашем проекте не так много людей. Один из них – Иван Кибирев, аспирант. Я помогаю ему в освоении оборудования и методов. Раньше приходилось все делать самому, теперь он взял на себя процесс приготовления образцов, постепенно осваивает методы анализа: сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и ФЭСУР. Я веду поиск в научной литературе, пытаюсь придумать, что можно еще вырастить, и ввожу в эксплуатацию нашу новую установку, которая позволит измерять транспортные свойства полученных нами образцов. Наши завлабы: Александр Александрович Саранин и Андрей Вадимович Зотов – всегда помогают с написанием статей, направляют нас по верному пути в случае трудностей. 
– Как вы распределяете имеющиеся средства?
– Расклад простой: заработная плата, поездки на конференции, мелкие расходы (материалы, оргтехника), крупные расходы (запчасти для экспериментальных установок), новые экспериментальные установки. К сожалению, научное оборудование стоит дорого, даже запчасти. Поэтому необходимы дополнительные средства. На две лаборатории мы имеем несколько грантов РФФИ, грант Президента РФ и один грант РНФ. Этого как-то хватает на все, кроме нового оборудования. Обычно для таких крупных покупок выделяется целевое финансирование.
– Что планируете получить в результате работы над проектом? 
– Хочется серьезно поучаствовать в развитии избранного направления. Думаю, халькогениды и гетероструктуры на их основе обладают не меньшим потенциалом, чем полупроводники A3B5, ставшие популярными в свое время. Кроме ростовых задач с последующим ФЭСУР- и СТМ-анализом у нас в планах изучение электронного транспорта и термоэлектрических свойств этих материалов. Наряду с нынешними системами обязательно будем выращивать новые соединения и структуры. 
Каждую неделю на сайте архива электронных публикаций arxiv.org появляются препринты статей с какими-то моделями или расчетами по нашей тематике и смежным направлениям. После критического анализа мы пытаемся реализовать что-то из предложенного в тех статьях. Иногда “выстреливают” и собственные идеи. Думаю, в течение нескольких лет удастся собрать материал для докторской диссертации.
Беседу вел 
Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено А.Матецким

Нет комментариев