Un team del Kirensky Institute of Physics (Siberian Branch dell'Accademia Russa delle Scienze) insieme ai colleghi dell'Università Federale Siberiana hanno offerto un approccio per la sintesi controllata di film sottili di siliciuro di manganese superiore semiconduttori. I film possono essere utilizzati in convertitori termoelettrici e altri dispositivi. Il team ha anche suggerito altre aree di applicazione per questi materiali. I risultati del lavoro sono stati pubblicati in Giornale di Scienza dei Materiali .

I siliciuri di manganese superiori (MnSi~1.75) sono un gruppo di composti di manganese e silicio con una struttura cristallina esotica chiamata "scala del camino". Gli atomi di manganese formano il camino stesso, e il silicio ha una forma simile alle eliche. I composti attribuiti a questo gruppo differiscono l'uno dall'altro per la torsione delle eliche. in Mn ₄ si ₇ , il membro più famoso del gruppo, il manganese è meno attorcigliato rispetto alle altre 11 fasi conosciute. Ancora, il massimo di torsione delle eliche in una tale struttura è sconosciuto, nonché i mezzi di sintesi mirata di una particolare struttura appartenente al gruppo.

C'è anche un'ambiguità nelle loro proprietà fisiche. Per effettuare la sintesi mirata di diverse fasi di siliciuri di manganese superiori su un substrato di silicio, utilizzabili per convertitori termoelettrici e fotovoltaici, dispositivi optoelettronici e spintronici, è ancora piuttosto difficile per gli scienziati. Di regola, per ottenere film sottili di siliciuro di manganese più alti, manganese e silicio sono posti sul substrato di silicio, e dopo, il sistema è ricotto. In questa condizione, gli atomi di silicio diffondono dal substrato di silicio alla zona di reazione e possono cambiare drasticamente la sequenza di formazione della fase poiché la quantità di silicio in diverse fasi di siliciuro di manganese superiore varia entro meno dell'1%. A causa di tale diffusione, è impossibile ottenere una fase di siliciuro di manganese più desiderabile sul substrato di silicio semplicemente ponendo la quantità richiesta di manganese e silicio, e poi riscaldare l'impianto. Gli atomi di silicio del substrato di silicio modificano in modo incontrollato il contenuto di silicio nel film. Il team mirava a risolvere questo problema durante lo studio.

Per la sintesi mirata sono state selezionate due fasi di siliciuri di manganese superiori:Mn ₄ si ₇ con il minimo e Mn ₁₇ si ₃₀ con le eliche più contorte. Come la maggior parte dei ben noti siliciuri di manganese superiori, la prima fase ha conduzione di tipo p. Quando la sostanza viene riscaldata, i suoi legami covalenti sono distorti, e gli elettroni liberi iniziano a muoversi. Questo crea buchi che si muovono nella direzione opposta a quella degli elettroni. La seconda fase mostra la conduzione di tipo n. In questo caso, gli elettroni liberi sono i portatori di carica.

"In questo lavoro, abbiamo utilizzato un approccio insolito per la sintesi dei campioni. Abbiamo ipotizzato che se siliciuri di manganese superiori si formano incontrollabilmente dalla miscela amorfa, anche la loro formazione dalle miscele di fasi di altri siliciuri di manganese con contenuto di manganese più elevato sarà diversa per le diverse fasi. Qualunque siano gli elementi sulla base di silicio, un composto della famiglia dei siliciuri di manganese superiore sarà sempre l'ultimo stadio. Dopo aver eseguito alcuni semplici calcoli termodinamici, abbiamo scoperto cosa dovrebbe essere posizionato sulla base per Mn ₄ si ₇ e Mn ₁₇ si ₃₀ fasi da formare, " ha spiegato il coautore Ivan Tarasov, assegnista di ricerca presso il laboratorio di fisica dei fenomeni magnetici, Kirensky Institute of Physics (sezione siberiana dell'Accademia delle scienze russa).

Gli scienziati hanno deciso di implementare questa idea e hanno ottenuto le strutture mirate. in seguito, sono state studiate anche le loro proprietà fisiche. La conduttività di tipo n di Mn ₁₇ si ₃₀ non è stato confermato. I calcoli teorici hanno mostrato che la ragione potrebbe essere la disponibilità di silicio, cioè l'assenza di atomi nei luoghi in cui dovrebbero essere nel Mn ₁₇ si ₃₀ struttura di cristallo. Il team ha registrato la più alta mobilità dei portatori di carica nei film di siliciuro di manganese più alti.

"Dopo aver studiato le proprietà della nuova fase del siliciuro di manganese superiore abbiamo ottenuto risultati piuttosto interessanti. Soprattutto, l'approccio che abbiamo sviluppato per sintetizzare tali film si è dimostrato efficace. Nel futuro, lo miglioreremo per ottenere diversi siliciuri con le proprietà richieste per l'uso in dispositivi termoelettrici e fotovoltaici reali, " ha concluso il co-autore Anton Tarasov, docente presso l'Università Federale Siberiana.