>
>
>
«Красивая научная идея»: как в Красноярске выращивают нанокристаллы

«Красивая научная идея»: как в Красноярске выращивают нанокристаллы

21.02.2018
15

О красоте научной идеи

Тарасов Иван Анатольевич, победитель «УМНИК-2015»
Проект: Разработка технологии изготовления светоизлучающих диодов на основе полупроводникового дисилицида железа в виде нитевидных нанокристаллов
Текущая должность: Научный сотрудник Института физики Л.В. Киренского

Полное название нашего проекта, над которым мы работаем с коллегами в лаборатории Института физики им. Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН, звучит как «Разработка технологии изготовления светоизлучающих диодов на основе полупроводникового дисилицида железа в виде нитевидных нанокристаллов». В 2015 году мы представили нашу идею в рамках федеральной государственной программы «УМНИК» и получили грант на её реализацию.

Перед нами стояла задача создать полупроводниковый материал, который можно было бы использовать для изготовления светоизлучающих диодов телекомуникационной волны длиной 1,5 мкм. Такой длины достаточно для передачи сигнала в волоконно-оптических линиях связи.

Сейчас для аналогичных целей используются полупроводники на основе достаточно дорогих малораспространённых элементов, таких как индий, галлий и мышьяк. Поэтому научное сообщество ищет новые функциональные материалы, которые были бы доступнее, дешевле и безопаснее. Мы, следуя общемировой тенденции, работаем над созданием технологии таких экологически безопасных полупроводниковых материалов. Это такая красивая научная идея, но не самая простая в своей реализации.

О материале

Подходящими для нашей цели могут быть широко распространённые в земной коре железо и кремний, и именно с ними мы и работаем. При определённых условиях эти химические элементы формируют упорядоченное полупроводниковое соединение — дисилицид железа β-FeSi2. Такой материал известен достаточно давно, и почему бы не использовать его для создания светоизлучающих диодов? Однако учёные-исследователи поняли, что он весьма чувствителен к структурным дефектам, что ухудшает его излучательную способность (а ведь именно определенная длина волны наша конечная цель!).

Тем не менее, научное сообщество не оставляет надежды и уже более 20 лет ведёт активные работы по преодолению тех преград, которые выставила природа на пути к заветному диоду на основе β-FeSi2. Свою лепту внесли и мы.

О методе

Материалы по теме
Проект, грант, престижная работа: карьера успешного современного ученого
Как программа «УМНИК» помогает молодым красноярским ученым

Что нами было проделано? Для начала был получен сам дисилицид железа β-FeSi2. Для этого существует много различных методов, но мы использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии. В чем он заключается? В его основе — осаждение испаренного вещества (в нашем случае железа или кремния) на кристаллическую подложку.

Для этого мы используем специальную вакуумную установку. В вакууме давление паров вещества, разогретых до определённой температуры, превышает давление среды, и его атомы могут оседать на поверхности кремниевой подложки. Регулируя условия испарения, скорость, температуру, мы можем синтезировать фазу β-FeSi2.

С помощью такой вакуумной камеры происходит осаждение испаренного железа и кремния на подложку.

Дальше нам предстояло уменьшить дефектность, о которой я говорил выше. Чтобы достичь цели, требовалось уменьшить физический размер кристалла β-FeSi2. Но и это ещё не всё. В итоге нам нужно было получить из наночастиц нитевидные нанокристаллы, как бы вытянув их. Это важно, поскольку упорядоченные ансамбли нитевидных нанокристаллов обладают рядом преимуществ. Одно из них — узкая направленность излучаемого света, а именно это нам и нужно. Поэтому идея выращивания нитевидных нанокристаллов (или, как их еще называют, нановискеров) стала основной в нашей работе.

О кристаллах, похожих на пальцы

Однако в итоге задачу мы поставили крайне непростую. Нитевидные нанокристаллы выращивались и прежде, но для полупроводниковой фазы β-FeSi2 известные способы не подходят. Как вообще выращивают нановискеры? Обычно берут катализатор и также осаждают на подложку. Происходит так, что при осаждении на поверхность подложки атомы бегут сами под этот катализатор. В итоге в определенных местах скапливается больше атомов, и они образуют нанокристаллы, которые торчат с поверхности, словно пальцы.

Так выглядят выращенные с помощью катализатора нанокристаллы

Так вот, этот метод не подходит для β-FeSi2. Атомы железа, когда прилетают на поверхность кремния, предпочитают вступать с ним в связь, образуя фазу, и заманить их под катализатор не так просто. Нам предстояло придумать, как быть, и мы пришли к идее между кремнием и β-фазой создать прослойку, способствующую необходимому скоплению атомов и их росту в виде нитевидных нанокристаллов. Плюс, чтобы не допустить образования других силицидов в пространстве между островками прослойки, мы решили закрыть их специальным слоем.

Большое будущее маленьких кристаллов

Что мы получили в итоге? Нам удалось успешно контролировать и вырастить до нужной формы определенную долю нанокристаллов, но пока их плотность на поверхности ещё низкая для их практического использования.

Впереди нас ждёт работа над увеличением количества кристаллов на удельную единицу площади. Однако то, что было сделано и получено, уже само по себе имеет большую научную ценность.

Нанокристаллы, выращенные красноярскими учеными в лаборатории Института физики им. Л.В. Киренского
Об «УМНИКе»
«УМНИК» — это государственная программа поддержки молодых ученых в возрасте от 18 до 30 лет. Продолжительность участия в программе 2 года, размер гранта, выделяемого на разработку инновационного проекта, 500 тыс. руб. В Красноярском крае программу курирует КГАУ «КРИТБИ»

Даже если наша технология окажется неприменима для светоизлучающих диодов, ее можно пробовать адаптировать для фотовольтаики или термоэлектричества. Главное, что у нас есть результат, который уже можно показывать, чтобы привлекать для дальнейшей работы людей и инвестиции. За рубежом такие проекты выполняются большими группами ученых и при бОльшем финансировании.

Однако даже в Японии, где созданием аналогичной технологии занимаются на более высоком уровне уже 20 лет, до сих пор нет коммерчески доступного светоизлучающего диода на основе β-FeSi2.

Это говорит о том, что его создание является очень сложной задачей, и для нас решить её в течение двух лет программы «УМНИК» и при гранте в 400 тысяч рублей было бы просто огромной удачей. Пока предоставленные «УМНИКом» возможности стали для нас стимулом, чтобы систематично заниматься этой проблемой, выделить на неё время среди других задач нашей лаборатории. И мы обязательно будем продолжать работать в выбранном направлении.

Как принять участие в программе «УМНИК»

По всем вопросам, касающимся участия в программе «УМНИК», подачи заявки и получения консультаций можно обращаться в проектный офис Красноярского регионального инновационно-технологического бизнес-инкубатора:

Гардер Кристина Александровна — начальник отдела сопровождения проектов, тел. (391) 201-77-77 доб. 3210, gka@kritbi.ru

Кристина Иванова специально для интернет-газеты Newslab.ru, фотографии Алины Ковригиной

Рекомендуем почитать