Een team van het Kirensky Institute of Physics (Siberische afdeling van de Russische Academie van Wetenschappen) heeft samen met collega's van de Siberische Federale Universiteit een benadering geboden voor de gecontroleerde synthese van halfgeleidende dunne films van hoger mangaansilicide. De films kunnen worden gebruikt in thermo-elektrische omzetters en andere apparaten. Het team stelde ook andere toepassingsgebieden voor deze materialen voor. De resultaten van het werk zijn gepubliceerd in Tijdschrift voor materiaalkunde .

Hogere mangaansiliciden (MnSi-1,75 ) zijn een groep mangaan- en siliciumverbindingen met een exotische kristalstructuur die "schoorsteenladder" wordt genoemd. Mangaanatomen vormen de schoorsteen zelf, en silicium heeft dezelfde vorm als helices. Verbindingen die aan deze groep worden toegeschreven, verschillen van elkaar door de draaiing van helices. in Mn ₄ Si ₇ , het meest bekende lid van de groep, mangaan is minder gedraaid dan in de andere 11 bekende fasen. Nog altijd, het draaimaximum van helices in een dergelijke structuur is onbekend, evenals de middelen voor gerichte synthese van een bepaalde structuur die tot de groep behoort.

Er is ook een dubbelzinnigheid in hun fysieke eigenschappen. Om de gerichte synthese van verschillende fasen van hogere mangaansiliciden op een siliciumsubstraat uit te voeren, die kunnen worden gebruikt voor thermo-elektrische en fotovoltaïsche omvormers, opto-elektronische en spintronische apparaten, is nog best moeilijk voor de wetenschappers. Als een regel, om dunne films met een hoger mangaansilicide te verkrijgen, mangaan en silicium worden op het siliciumsubstraat geplaatst, en daarna, het systeem is gegloeid. In deze conditie, siliciumatomen diffunderen van het siliciumsubstraat naar de reactiezone en kunnen de fasevormingsvolgorde drastisch veranderen aangezien de hoeveelheid silicium in verschillende hogere mangaansilicidefasen binnen minder dan 1 procent varieert. Door een dergelijke verspreiding, het is onmogelijk om een ​​gewenste hogere mangaansilicidefase op siliciumsubstraat te verkrijgen door alleen de vereiste hoeveelheid mangaan en silicium aan te brengen, en vervolgens het systeem verwarmen. Siliciumatomen uit het siliciumsubstraat veranderen het siliciumgehalte in de film ongecontroleerd. Het team wilde dit probleem tijdens het onderzoek oplossen.

Twee fasen van hogere mangaansiliciden werden geselecteerd voor gerichte synthese:Mn ₄ Si ₇ met de minste en Mn ₁₇ Si ₃₀ met de meest gedraaide helices. Zoals de meeste bekende hogere mangaansiliciden, de eerste fase heeft p-type geleiding. Wanneer de stof wordt verwarmd, zijn covalente banden zijn vervormd, en vrije elektronen beginnen te bewegen. Hierdoor ontstaan ​​gaten die in de richting tegengesteld aan die van de elektronen bewegen. De tweede fase toont n-type geleiding. In dit geval, de vrije elektronen zijn de ladingsdragers.

"In dit werk, we gebruikten een ongebruikelijke benadering voor de synthese van monsters. We gingen ervan uit dat als hogere mangaansiliciden zich ongecontroleerd vormen uit het amorfe mengsel, hun vorming uit de mengsels van fasen van andere mangaansiliciden met een hoger mangaangehalte zal ook voor verschillende fasen verschillen. Wat de elementen op de siliconenbasis ook zijn, een verbinding uit de hogere familie van mangaansiliciden zal altijd de laatste fase zijn. Na enkele eenvoudige thermodynamische berekeningen te hebben uitgevoerd, we hebben ontdekt wat er op de basis moet komen voor Mn ₄ Si ₇ en Mn ₁₇ Si ₃₀ fasen te vormen, " legde co-auteur Ivan Tarasov uit, een research fellow bij het laboratorium van de fysica van magnetische verschijnselen, Kirensky Institute of Physics (Siberische tak van de Russische Academie van Wetenschappen).

De wetenschappers besloten dit idee uit te voeren en verkregen de beoogde structuren. Nadien, hun fysieke eigenschappen werden ook bestudeerd. De n-type geleidbaarheid van Mn ₁₇ Si ₃₀ werd niet bevestigd. Theoretische berekeningen toonden aan dat de reden misschien siliciumvacatures zijn, d.w.z. de afwezigheid van atomen op de plaatsen waar ze verwacht worden in de Mn ₁₇ Si ₃₀ kristal structuur. Het team registreerde de hoogste mobiliteit van ladingsdragers in films met een hoger mangaansilicide.

"Na bestudering van de eigenschappen van de nieuwe fase van hoger mangaansilicide hebben we behoorlijk interessante resultaten verkregen. Het belangrijkste is:de aanpak die we ontwikkelden voor het synthetiseren van dergelijke films bleek effectief te zijn. In de toekomst, we zullen het verbeteren om verschillende siliciden te verkrijgen met de eigenschappen die nodig zijn voor gebruik in werkelijke thermo-elektrische en fotovoltaïsche apparaten, " concludeerde co-auteur Anton Tarasov, hoofddocent aan de Siberische Federale Universiteit.