В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН прошел традиционный конкурс научных работ. Специалисты Института представили доклады по двум направлениям: «Фундаментальные исследования» и «Научно-прикладные исследования и технологические работы».

Директор ИФП СО РАН академик РАН Александр Васильевич Латышев напомнил, что в 2024 году конкурс посвящён 60-летию Института, и отметил: «В конкурсе участвуют и молодые, и более опытные специалисты Института, представляя лучшие результаты научных коллективов».

Докладчиками на конкурсе стали и специалисты молодёжных лабораторий. В Институте успешно работают четыре таких подразделения, недавно к ним присоединилось еще одно. «Лабораторию физико-технологических основ создания гетероструктур на базе элементов IV группы, совместимых с современной кремниевой технологией, для устройств фотоники возглавил молодой ученый кандидат физико-математических наук Вячеслав Алексеевич Тимофеев», — добавил А.В. Латышев.

«Трёхмерный топологический изолятор — новое состояние квантовой материи»

Доклад победительницы конкурса по «фундаментальному» направлению, ведущего научного сотрудника лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН доктора физико-математических наук Натальи Петровны Степиной был посвящён установлению механизма аномального магнетосопротивления и нелинейного эффекта Холла в плёнках трехмерного топологического изолятора (Bi, Sb)₂(Te, Se)₃.

«Трёхмерный топологический изолятор — новое состояние квантовой материи, заключающееся в том, что объём материала — узкозонный полупроводник, а поверхность представляет собой уникальный металл, состояния которого описываются релятивистским уравнением Дирака и ведут себя, как безмассовые частицы.

Из-за спин-орбитального взаимодействия и симметрии к обращению времени, импульс жёстко связан со спином — такие состояния топологически защищены от рассеяния назад на немагнитных примесях и дефектах», — рассказала об особенностях исследуемого материала Наталья Степина.

Она пояснила, что при анализе поперечного магнетосопротивления и эффекта Холла в плёнках топологического изолятора была обнаружена сильная, до 10% нелинейность коэффициента Холла в малых магнитных полях. Для объяснения явления учёные предложили модель совместного описания магнетосопротивления и эффекта Холла, включающую открытие щели в дираковском спектре поверхностных состояний в перпендикулярном магнитном поле за счёт эффекта Зеемана, приводящего к перераспределению токовых потоков, уменьшению проводимости поверхностных состояний и её вклада в эффект Холла.

Наталья Степина отметила, что в топологических изоляторах раньше такую нелинейность коэффициента Холла не наблюдали: «Чтобы её увидеть, нужно сочетание нескольких факторов: проводящего объёма и такого изгиба зон на поверхности, чтобы точка Дирака оказалась близка к уровню Ферми».

Результаты работы учёных получены в рамках проекта Российского научного фонда и опубликованы в журнале Physical Review B.

«В работе самое запоминающееся — результаты, которых не ожидаешь»

Победитель «технологического» направления, заведующий молодёжной лабораторией физико-технологических основ создания фотоприёмных устройств на основе полупроводников A₃B₅ №12 ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Максим Сергеевич Аксенов представил доклад «Влияние морфологии поверхности InAlAs и отжига на электрофизические параметры Ti/InAlAs контактов Шоттки».

Максим рассказал, что исследования, упомянутые в докладе, велись около шести лет и были инициированы в связи с появлением заказа от индустриального партнера на разработку технологии изготовления мощных сверхвысокочастотных фотодиодов с барьером Шоттки. Задача стояла в том, чтобы разобраться, какие нужны слои металлизации и температурные режимы отжига.

Учёный пояснил, что конструкция фотодиодов, изготавливаемых в ИФП СО РАН, нестандартна и отличается от коммерчески доступных, близких аналогов, которые изготавливаются в виде pin-фотодиодов, и при этом имеет ряд преимуществ. Однако она требовательна к соблюдению определённых условий производства: «Мы обнаружили, что в литературе очень мало информации о такого рода фотодиодах и конкретно о барьерах Шоттки Ti/InAlAs, поэтому было решено развить исследования.

В итоге мы разобрались во многих аспектах формирования контактов Шоттки, наши результаты были опубликованы в высокорейтинговых журналах, что говорит о востребованности и актуальности темы. Проведённые работы — сложные, комплексные, использовалось много методов. Но главное: удалось установить корреляцию электрофизических параметров с морфологией и химическим составом границы раздела — это объясняет интерес к нашим статьям. Надо сказать, что мы до определённого этапа не ожидали, что удастся опубликоваться в таких высокорейтинговых журналах по тематике данных исследований». Речь идёт об изданиях Surfaces and Interfaces и Applied Physics Letters.

«Кроме того, мы получили (методом просвечивающей электронной микроскопии) отличные иллюстрации особенностей, возникающих на границе раздела наших структур, благодаря мастерству специалистов лаборатории № 20 — ведущего научного сотрудника к.ф.-м.н. А.К. Гутаковского и старшего научного сотрудника к.ф.-м.н. В.И. Вдовина, а также наличию современного оборудования в Центре коллективного пользования “Наноструктуры”. Словом, в работе самое запоминающееся — результаты, которых не ожидаешь».

«Исследования продолжаются, — добавил Максим Сергеевич, — Ранее, в качестве металла, формирующего контакт Шоттки, мы использовали титан, он выполнял основную функцию. Теперь пробуем делать контакт из платины: она идёт первым, тонким слоем. Платина даёт некоторые преимущества: например, с ней высота барьера получается гораздо выше, но есть проблемы с её диффузией. Ход исследования близок к тому, что было раньше, материаловедческие вопросы встают похожие, но результаты иные. Естественно, есть и другие аспекты помимо контактов, в этом смысле, технология изготовления фотоприемных устройств в лаборатории непрерывно совершенствуется».

Максим заметил, что участие в конкурсе позволяет сравнить свои достижения с результатами других научных групп Института: «Высокие баллы, первое место — это признание коллег, которое говорит о том, что мы на правильном пути».

Стать лучшим докладчиком помогли научно-популярные выступления

О значимости признания коллег говорила и старший научный сотрудник лаборатории физики и технологии трёхмерных наноструктур ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Надежда Александровна Небогатикова.

Её доклад «Создание новых материалов и гетероструктур для гибкой электроники с использованием графена или путём его модификации» признан лучшим на конкурсе, а представляемая работа заняла второе место по направлению «Фундаментальные исследования».

Исследовательница поделилась, что при подготовке доклада опиралась на свой опыт научно-популярных публичных выступлений по этой теме: «Незадолго до конкурса готовился материал для сайта РНФ, он пригодился при формулировании тезисов выступления, выделения акцентов. Кроме того, про эту же научную статью я рассказывала на мероприятии сайенс-слэм в рамках региональной программы Всемирного фестиваля молодежи. Получается, вся весна прошла с докладами на данную тематику, но для разных аудиторий».

На конкурсе научных работ ИФП СО РАН Надежда представила два самых интересных результата из десятилетнего цикла исследований по наноструктурированию графена.

В обеих работах авторы отмечают изменение свойств материалов, обусловленное их взаимодействием с графеном, и возможность использовать полученные композиты для гибкой электроники.

Один из результатов связан с улучшением прочностных и электрофизических характеристик тонких плёнок селенида висмута при его выращивании на графеновой подложке, статья вышла в 2024 г. в «Журнале технической физики».

«Сам по себе селенид висмута — хрупкий материал. Но, когда он выращивается на графене, по-видимому, образуются связи между ними, которые меняют механические характеристики селенида висмута, так, что он может выдерживать бОльшие растяжения или изгибы, при которых раньше бы произошло растрескивание», — заключила Надежда.

История исследования или почему полезно ездить на конференции

Другое достижение касалось облучения тонких подвешенных графеновых пленок высокоэнергетичными ионами ксенона и опубликовано в 2024 году в журнале Carbon. В результате облучения в графеновой матрице наноалмазы формировались, оставаясь стабильными — не происходило их графитизации.

Появление наноалмазных кластеров повысило жёсткость графеновых плёнок, устойчивость к деформациям, такой материал перспективен для создания гибких, защитных, износостойких наноразмерных покрытий.

«Исследования по облучению графеновых плёнок мы начали после того, как услышали на конференции доклад главного научного сотрудника Института биохимической физики РАН теоретика Леонида Александровича Чернозатонского о том, что если взять слой графена и “вырезать” в нём периодические отверстия, откроется запрещённая зона. Конечно, в таком случае, образуется очень много оборванных связей на краях отверстий, будет очень сильное рассеяние и не слишком выраженный эффект. Поэтому Л. А. Чернозатонский предлагал взять два слоя графена, удалить атомы в слоях друг напротив друга и соединить края — все связи с соседних слоёв замкнутся друг на друга.

Доклад был сугубо теоретический, а руководитель нашей научной группы доктор физико-математических наук Ирина Вениаминовна Антонова предложила реализовать описанный процесс экспериментально при помощи облучения. В таком случае локально выделяется большое количество энергии, и можно сделать отверстия, как нанопаяльником, и сплавить края».

Надежда подчеркнула, что реальность оказалась сложнее предложенной теоретиками модели: «Да, там, где пролетает высокоэнергетичный ион, структурируется материал. Из-за передачи энергии атомы нагреваются, но не испаряются, как мы исходно себе представляли, а перестраиваются. В частности, формируются наноалмазы — мы обнаружили нанокристаллиты методом просвечивающей электронной микроскопии и по особенностям кристаллической структуры предположили, что это алмазы. А наши коллеги из Университета науки и технологий “МИСИС”, проведя моделирование, подтвердили предположение».

Условия стабильности полученных алмазов тоже были рассчитаны теоретиками МИСИС.

«Согласно расчётам, наноалмазы в графеновых структурах остаются стабильными, если число слоёв графена достигало минимум четырёх для ориентации <100> алмазного кластера и шести слоев для ориентации <110>», — добавила Надежда.

Победителей в конкурсе научных работ ИФП СО РАН 2024 — пятеро: трое по «фундаментальному направлению», двое по «технологическому». Кроме того, отдельно отмечен лучший докладчик из числа призеров и молодой сотрудник, соавтор работ-призеров.

На конкурс выдвигаются уже опубликованные или принятые в печать работы, получившие признание научного сообщества, поэтому призовое место — действительно значимый результат. При этом даже участие в конкурсе — знак качества, поэтому, характеризуя мероприятие в целом, А.В. Латышев называл его «состязанием победителей».

Пресс-служба ИФП СО РАН.