Une équipe de l'Institut de physique Kirensky (branche sibérienne de l'Académie des sciences de Russie) et des collègues de l'Université fédérale de Sibérie ont proposé une approche pour la synthèse contrôlée de couches minces semi-conductrices de siliciure de manganèse supérieur. Les films peuvent être utilisés dans des convertisseurs thermoélectriques et d'autres dispositifs. L'équipe a également suggéré d'autres domaines d'application pour ces matériaux. Les résultats des travaux ont été publiés dans Journal de la science des matériaux .

Les siliciures de manganèse supérieurs (MnSi ~ 1,75 ) sont un groupe de composés de manganèse et de silicium avec une structure cristalline exotique appelée "échelle de cheminée". Les atomes de manganèse forment la cheminée elle-même, et le silicium a une forme similaire à des hélices. Les composés attribués à ce groupe diffèrent les uns des autres par la torsion des hélices. En Mn 4 Si 7 , le membre le plus célèbre du groupe, le manganèse est moins tordu que dans les 11 autres phases connues. Toujours, le maximum de torsion des hélices dans une telle structure est inconnu, ainsi que les moyens de synthèse ciblée d'une structure particulière appartenant au groupe.

Il existe également une ambiguïté dans leurs propriétés physiques. Réaliser la synthèse ciblée de différentes phases de siliciures de manganèse supérieurs sur un substrat de silicium, qui peut être utilisé pour les convertisseurs thermoélectriques et photovoltaïques, dispositifs optoélectroniques et spintroniques, est encore assez difficile pour les scientifiques. Comme règle, pour obtenir des couches minces de siliciure de manganèse plus élevées, du manganèse et du silicium sont placés sur le substrat de silicium, et après, le système est recuit. Dans cette condition, les atomes de silicium diffusent depuis le substrat de silicium vers la zone de réaction et peuvent changer radicalement la séquence de formation de phases car la quantité de silicium dans différentes phases de siliciure de manganèse supérieure varie de moins de 1 %. En raison d'une telle diffusion, il est impossible d'obtenir une phase de siliciure de manganèse supérieure souhaitable sur un substrat de silicium en plaçant simplement la quantité requise de manganèse et de silicium, puis chauffer le système. Les atomes de silicium du substrat de silicium modifient de manière incontrôlable la teneur en silicium du film. L'équipe a cherché à résoudre ce problème au cours de l'étude.

Deux phases de siliciures de manganèse supérieurs ont été sélectionnées pour une synthèse ciblée :Mn 4 Si 7 avec le moins et Mn 17 Si 30 avec les hélices les plus tordues. Comme la majorité des siliciures de manganèse supérieurs bien connus, la première phase a une conduction de type p. Lorsque la substance est chauffée, ses liens covalents sont déformés, et les électrons libres commencent à se déplacer. Cela crée des trous qui se déplacent dans la direction opposée à celle des électrons. La deuxième phase montre une conduction de type n. Dans ce cas, les électrons libres sont les porteurs de charge.

"Dans ce travail, nous avons utilisé une approche inhabituelle pour la synthèse des échantillons. Nous avons supposé que si des siliciures de manganèse supérieurs se forment de manière incontrôlable à partir du mélange amorphe, leur formation à partir des mélanges de phases d'autres siliciures de manganèse à teneur plus élevée en manganèse doit également différer pour différentes phases. Quels que soient les éléments sur la base de silicium, un composé de la famille supérieure des siliciures de manganèse sera toujours la dernière étape. Après avoir effectué quelques calculs thermodynamiques simples, nous avons découvert ce qui devrait être placé sur la base pour Mn 4 Si 7 et Mn 17 Si 30 phases à former, " a expliqué le co-auteur Ivan Tarasov, chercheur au laboratoire de physique des phénomènes magnétiques, Institut de physique Kirensky (branche sibérienne de l'Académie des sciences de Russie).

Les scientifiques ont décidé de mettre en œuvre cette idée et ont obtenu les structures ciblées. Après, leurs propriétés physiques ont également été étudiées. La conductivité de type n du Mn 17 Si 30 n'a pas été confirmé. Des calculs théoriques ont montré que la raison pourrait être des lacunes de silicium, c'est-à-dire l'absence d'atomes aux endroits où ils devraient être dans le Mn 17 Si 30 structure en cristal. L'équipe a enregistré la mobilité des porteurs de charge la plus élevée dans les films de siliciure de manganèse plus élevés.

"Après avoir étudié les propriétés de la nouvelle phase de siliciure de manganèse supérieur, nous avons obtenu des résultats assez intéressants. Plus important encore, l'approche que nous avons développée pour synthétiser de tels films s'est avérée efficace. À l'avenir, nous l'améliorerons pour obtenir différents siliciures avec les propriétés requises pour une utilisation dans les dispositifs thermoélectriques et photovoltaïques actuels, " a conclu le co-auteur Anton Tarasov, maître de conférences à l'Université fédérale de Sibérie.