Красноярские физики благодаря цепи ошибок открыли новые свойства меди

Ученые Красноярского научного центра академии наук , СФУ и СибГУ им. М.Ф. Решетнева получили новое соединение, которое обладает электрическим сопротивлением в тысячу раз меньше, чем у обычного нитрида титана. Изучая материал физики открыли новое явление сегрегации меди, которая не распределялась, как принято по всей пленке, а скапливалась на ее поверхности.

К открытиям красноярских физиков привела цепь случайных технических ошибок и исследование их последствий. Исследователи планировали получить чистый нитрид титана, чтобы его использовать для изготовления резисторов в интегральных микросхемах. Однако все пошло «не по плану».

В камере для роста пленок оказались примеси кислорода. Поэтому вместо запланированного чистого вещества, на выходе ученые получили оксинитрид титана, который к тому же обладал нехарактерными свойствами. Сопротивление получившегося вещества оказалось в тысячу раз ниже, чем у чистого оксинитрида титана.

Потом в составе пленок обнаружили примеси меди. Как оказалось, она попала туда из-за ошибочно скомпонованного оборудования. Газовый баллон, используемый в установке, пришел к ученым с латунным вентилем вместо нержавеющей стали. С него-то и летели частицы меди, выбиваемые газом прямо в камеру роста.  Поведение меди тоже оказалось нетипичным: она не распределялась по всей пленке, а собиралась на ее поверхности и образовывала дополнительный слой. В результате красноярские ученые не только получили новый материал, но и открыли новое явление – сегрегацию меди. И сделали это сравнительно дешевым, по меркам современных индустрий, методом.

Тонкие пленки на основе нитрида титана широко используются в различных промышленных и технологических областях. Например, в производстве кремниевых микропроцессоров и других больших интегральных микросхем, фотокатализаторов, преобразователях солнечной и тепловой энергии в электрическую, в стоматологии. Аналогов для их замены на настоящий момент нет.

«Мы складывали этот пазл три года. Когда измерили сопротивление получившегося оксинитрида титана, оно оказалось очень низким по сравнению с чистым материалом. Мы были сбиты с толку. Стали исследовать пленки, и оказалось, что в них есть примесь меди. Это поменяло все наше представление, ведь медь очень хорошо проводит электричество.

Дальнейшее исследование показало, что медь вместо того, чтобы равномерно распределяться по пленке, стала всплывать на поверхность и накапливаться там узким слоем в 5-10 нанометров. В результате мы открыли новое явление сегрегации меди. То, что она не размешивается, а выталкивается наружу – очень хорошее подспорье для технологов. Более того, мы случайно поймали фазовый переход между состоянием сильно легированной меди и слаболигированной. Переход получился достаточно интересным с точки зрения физики.

Меняя степени легирования, можно получать разные типы проводимости. При этом, в случае сильного легирования, из меди получался полуметалл со свойствами как металлов, так и неметаллов. В результате мы получили возможность создавать проводящие слои.

Это может пригодиться в приборостроении, например, для устройств, которые работают на высоких частотах. Поэтому данная разработка в перспективе может пригодиться для приборов, которым необходимо низкое сопротивление, например, транзисторов, резисторов, конденсаторов, фотокатализаторов и солнечно-селективных поглощающих покрытий», – рассказал научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Филипп Барон, PhD.