Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН) разработали наногетероструктуру толщиной всего 75 нанометров, магнитные и магнито-электрические свойства которой могут помочь в разработке высокопроизводительных гибридных устройств полупроводниковой электроники с новыми спинтронными элементами. Статья об этом опубликована в Journal of Alloys and Compounds.
Наногетероструктура состоит из нанокристаллической пленки магнетита Fe3O4, которую нанесли на подложку из кремния (SiO2/Si) с дополнительным слоем оксида кремния. Повышенный интерес к ней связан, в первую очередь, с возможностью использования в качестве источника спин-поляризованных электронов для полупроводниковой подложки кремния. В своей работе ученые впервые определили оптимальные условия для формирования пленок, содержащих исключительно нанокристаллы Fe3O4. Кристаллическая решетка внутри этих структур имеет ту или иную преимущественную ориентацию относительно Si-подложки.
«Реактивное осаждение уже стало технологией с доказанной эффективностью для изготовления нанопленок. В своей работе мы применили реактивное осаждение железа и кислорода в условиях сверхвысокого вакуума. Нами впервые исследовано влияние структуры и морфологии выращенных нанопленок Fe3O4 на их магнитные и электрические свойства. Мы определили условия, при которых можем получать пленки с наилучшими характеристиками для новых приборов, принцип работы которых основан на инжекции спин-поляризованных электронов через ультратонкий слой SiO2 в кремний. Таким образом, результаты фундаментального исследования могут быть широко использованы в прикладной физике», — рассказал инженер кафедры физики низкоразмерных структур Школы естественных наук ДВФУ, старший научный сотрудник лаборатории гибридных структур Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Вячеслав Балашев.
В новой наногетероструктуре поляризация спинов электронов происходит с гораздо более высокой эффективностью, чем в пленках других магнитных материалов. Это поможет создать спиновые инжекторы для устройств спинтроники.
«Учеными всего мира вот уже два десятилетия пристально изучают магнитные и проводящие свойства наночастиц и тонких пленок магнетита Fe3O4. Причина в том, что это материал с теоретически предсказанной стопроцентной спиновой поляризацией электронов. Это показатель мечты для устройств спинтроники, для работы которых необходим чистый спиновый ток, более эффективный аналог электрического тока. Спиновый ток обусловлен только переносом спинов электронов, а не их заряда, поэтому в разрабатываемых устройствах нет затрат энергии на нагрев», — отметил доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ Александр Самардак.
Учёный рассказал, что высокая спиновая поляризация магнетита пока что не была доказана экспериментально, однако существуют перспективные области исследований в этом направлении. Одна из них — разработка пленок магнетита с заданной кристаллической структурой на полупроводниковых подложках. Именно структура в конечном итоге определяет магнитные и транспортные свойства нанопленок. Это приближает нас к созданию высокоэффективных инжекторов чистого спинового тока, которые могут быть использованы в гибридных устройствах на основе полупроводников и магнитных материалов.
«Современная электроника практически достигла предела развития. Это связано с невозможностью дальнейшего уменьшения её функциональных элементов в виду ряда физических ограничений. Уверен, что интеграция кремниевой электроники и энергоэффективной спинтроники уже не за горами», — заключил Александр Самардак.
Работа выполнена при частичной поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания (3.5178.2017/8.9 и 3.4956.2017) и софинансировании по комплексной программе фундаментальных исследований ДВО РАН 2018-2020 №18-3-022 (0226-18-0031).