В НИЯУ МИФИ получен новый полупроводник для оптоэлектроники

Исследователи НИЯУ МИФИ в составе международного научного коллектива впервые синтезировали станнат стронция, легированный атомами лантана, рутения и индия и определили его электронные, магнитные и оптические характеристики. Новый материал может найти применение в оптоэлектронике, в устройствах памяти и спинтронике. Результаты исследований  опубликованы в высокорейтинговом журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Новый материал относится к категории перовскитов- то есть кристаллических соединений, молекула которых состоит из 5 атомов- двух положительных ионов и трех отрицательных. Перовскиты,  в состав которых входит один атом олова и три атома кислорода, называются станнаты и систематически привлекают внимание исследователей, поскольку обладают перспективами применения в области фотокатализа, энергетики и сенсорики.

Одно из ключевых соединений в этом семействе – станнат стронция, молекула которого состоит из одного атома стронция одного атома олова и трех атомов кислорода (SrSnO_3). Стоннат стронция выделяется своей структурной гибкостью, уменьшенными параметрами решетки и достаточно широкой запрещенной зоной порядка 4 эВ. Кроме того, при легировании, другими словами, замещении стронция или олова атомами других элементов, орторомбическая структура перовскита SrSnO₃ искажается, что приводит к поглощению в видимом диапазоне излучения.

Несмотря на то, что станнаты интенсивно изучаются, на сегодняшний день не существует подробных экспериментальных или теоретических исследований, показывающих как совместное легирование, например, атомами индия и рутения влияет на электронные и магнитные свойства SrSnO₃, в формате тонкой пленки или объемного образца.

Исследователи НИЯУ МИФИ вместе с зарубежными коллегами впервые синтезировали станнат стронция, легированный атомами лантана, рутения и индия. Новый наноразмерный полупроводниковый перовскит La_0.25Sr_0.75Sn_0.4In_0.25Ru_0.35O₃ (LSSIRuO, см. рис.) был получен в виде порошка с использованием экологически чистого механохимического синтеза, известного своей простотой и экономической эффективностью.

Контроль получившегося материала с помощью рентгеноструктурного анализа и инфракрасной спектроскопии подтвердил, что образец кристаллизовался в структуру типа перовскита GdFeO₃.

Ученые определили электронные, магнитные и оптические характеристики нового материала. Например, данные проведенных экспериментов и теоретического анализа указывают на достаточно узкую полупроводниковую щель ~1.5 эВ по сравнению с нелигированным станнатом стронция.

«Мы установили, что ширина запрещенной зоны может изменяться в зависимости от соотношения атомов олова и рутения в образце. Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительное легирование атомами рутения стимулирует переход из диэлектрического состояния в полупроводниковое, а затем и в полуметаллическое/металлическое», – прокомментировал автор работы профессор Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ Михаил Маслов.

По его словам, этот эффект позволяет настраивать электронные характеристики материала, регулируя число атомов модифицирующих добавок.

Кроме того, авторы установили, что LSSIRuO показал более высокую электропроводность по сравнению с незамещенным SrSnO₃, а также проявил ферромагнитную природу при температурах ниже 155 К.

Таким образом, небольшая ширина полупроводниковой щели в сочетании с уникальными электрическими и магнитными характеристиками, по мнению ученых, делает LSSIRuO перспективным кандидатом для применения в оптоэлектронике, а также в устройствах памяти и спинтроники.