Кристаллы сегодня используются для создания многих высокоточных приборов, поэтому ученые стремятся улучшить их характеристики и усовершенствовать методы роста. За работу в этой области специалист Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН получил президентскую премию в области науки и инновации для молодых учёных.
Президентская премия учреждена в 2008 годудля поддержки молодых ученых и специалистов, поощрения их участия в инновационной деятельности. Соискателями могут быть граждане РФ в возрасте не старше 35 лет, размер награды —2,5 миллиона рублей.
Константин Кох получил премию «за развитие методов получения халькогенидных соединений и создание функциональных кристаллов для высокотехнологичных устройств».
Существует масса широко известных способов создавать кристаллы. Старший научный сотрудник Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Константин Кох сумел усовершенствовать один из них — метод Бриджмена.
— Представьте стакан с кофе, который вынесли на мороз, — говорит ученый. — Жидкость в нем начнет замерзать с краев, а центр кристаллизуется в последнюю очередь. Это плохо отражается на свойствах получившегося кристалла. Метод Бриджмена, по сути, предлагает поместить этот стакан в печку, которая будет поддерживать температуру с боков, а затем постепенно опускать его на мороз — тогда фронт кристаллизации станет распространяться снизу вверх.
Идея Констатина Коха заключается в том, чтобы в методе Бриджмена нагревать расплав чуть сильнее с определенной стороны. Такое простое, казалось бы, изменение, имеет далеко идущие последствия. Из-за разницы температур в сосуде усиливается естественная конвекция (потоки жидкости, как в кастрюле с кипящей водой) — при правильно подобранных пораметрах это приводит к росту более совершенного кристалла.
Помимо работ над модифицированным методом, исследования Константина Коха посвящены улучшению свойств кристаллов за счет допирования — внедрения примесем. Например, существует селенид галлия (GaSe) — широко известное соединение с интересными оптическими свойствами, которое открыли еще в прошлом веке. Но есть проблема: GaSe очень мягкий, что затрудняет его использование в оптических системах вне лабораторий. Чтобы исправить это, ученые не раз пытались его допировать. Однако эксперименты велись беспорядочно и результата не приносили. В лаборатории роста кристаллов ИГМ СО РАН совместно с коллегами из Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и Сибирского физико-технического института провели систематические исследования и выяснили, какие примеси могут решить поставленную задачу:добавка алюминия и серы в определенных концентрациях доводят свойства кристалла GaSe до уровня, достаточного для практического применения.
Это довольно важно, потому что уникальные физические свойства селенида галлия позволяют использовать его в качестве эффективного источника терагерцового излучения: оно находится в диапазоне между инфракрасным и микроволновым, обладает проникающей способностью, сравнимой с рентгеном, но при этом не наносит вред живым организмам (из-за невысокой энергии фотонов). Сегодня терагерцовое излучение и возможности его применения изучают многие специалисты, однако отсутствие дешевых источников ТГц пока не позволяет использовать его повсеместно. Существует несколько способов использовать эти кристаллы для генерации и детектирования терагерцового излучения. Например, на них можно воздействовать фемтосекундным лазером (то есть лазером с ультракороткими импульсами) — из-за этого в кристаллах возбуждается носители заряда, которые при релаксации генерируют излучение.
Другая область исследований Константина Коха — материалы со структурой тетрадимита (Bi2Te2S). Они были открыты еще в 1930-е годы и подробно исследованы благодаря тому, что обладают термоэлектрическим эффектом, то есть конвертируют тепловую энергию в электрическую и наоборот. Однако, как недавно выяснилось, у тетрадимитов есть и другое, более интересное свойство — они могут выступать в роли топологических изоляторов. Это относительно недавно обнаруженный тип материала, который внутри представляет собой диэлектрик (изолятор), а на поверхности проводит электрический ток.
— Казалось бы, подобным сложно кого-то удивить: возьмите кусок дерева, наклейте на него фольгу и получите те же свойства, — говорит Константин Кох. — Тем не менее, у топологических изоляторов есть особенность: их поверхность проводит спин-зависимый ток, то есть электроны там могут двигаться только в одном направлении — это потенциально очень важно для создания квантовых компьютеров. Конечно, до них очень далеко, но один из шагов в нужном направлении уже сделан.
Чтобы убедиться в том, что эта область исследований очень актуальна, достаточно напомнить: за теоретические открытия топологических фаз вещества в 2016 году присудили Нобелевскую премию по физике. Сложность работы с тетрадимитами заключается в том, что прежде для исследования термоэлеткрических свойств хватало мелкозернистых «таблеток» Bi2Te2S, а работа с топологическими изоляторами требует принципиально другого материала — монокристалла с макисмально совершенной структурой. Уже сейчас ученые ИМГ СО РАН научились выращивать низкодефектные кристаллы, которые, к тому же, не окисляются на воздухе. Однако исследования продолжаются — специалисты стремятся создать образцы, в которых внутренняя проводимость будет максимально низкой.
«Наука в Сибири»
Фото предоставлено Константином Кохом
