Одно из наиболее перспективных направлений научных исследований, которое позволяет уменьшить размер и понизить тепловыделение электронных устройств, – спинтроника. Российские физики получили новый класс двумерных кремниевых магнитов – спинтронных материалов, которые могут лечь в основу прорывных технологий хранения и передачи информации. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Полученные результаты опубликованы в журнале Nature Communications, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.
В отличие от обычной электроники, спинтроника использует для хранения и передачи информации не только заряд электрона, но и его спин (одно из его квантовых свойств). Работа со спином может привести к созданию принципиально новых транзисторов, элементов компьютерной памяти, логических элементов. «Перспектива создания ультракомпактной спинтроники – альтернативы современной электронике – обуславливает поиск магнетизма в низкоразмерных системах. Мы открыли целый класс двумерных магнитов – новых материалов спинтроники», – рассказал автор исследования, доктор физико-математических наук, профессор Вячеслав Сторчак, начальник лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий (нано-, био-, инфо-, когнитивных и социогуманитарных технологий).
Традиционная спинтроника использует обычные (3D) магнитные материалы, чтобы управлять спином электрона. В то же время перспектива создания ультракомпактной спинтроники, совместимой с распространенной планарной технологией, придает значительный импульс исследованиям магнетизма в низкоразмерных системах. В последние годы был достигнут значительный прогресс в инжиниринге магнетизма в 2D-материалах за счет внешних факторов, таких как дефекты или эффект близости. Необходимые для приложений 2D-материалы с внутренне присущим им магнетизмом оставались неизвестны до недавнего открытия ферромагнетизма в нескольких монослоях Ван-дер-Ваальсовых кристаллов на основе хрома.
Для детектирования магнетизма на таком уровне пришлось использовать оптические методы с исключительно высокой чувствительностью. Данное открытие привело к активному поиску 2D-магнитов с сильным ферромагнетизмом, измеримым стандартными магнетометрами, с сопутствующими полезными свойствами. Особенно важно, что эти магниты совместимы с современной полупроводниковой технологией. Недавно российским физикам удалось открыть новый класс 2D-материалов с ферромагнитными свойствами на основе силицена.
Силицен – кремниевый аналог знаменитой двумерной формы углерода, графена, который был открыт в 2008 году. Силицен, 2D-материал, естественно интегрируемый с кремниевой технологией, в теории должен быть идеальной платформой для спиновых явлений и приложений спинтроники. У графена и силицена атомы уложены в один слой шестиугольников, напоминающий пчелиные соты, но если у графена этот слой плоский, то шестиугольники силицена «гофрированные». Монослой силицена сильно реагирует с окружающими материалами, поэтому экспериментировать с ним непросто. Российские физики разработали методику, позволяющую синтезировать слои силицена различной толщины, сопряженные с 2D-решетками редкоземельных элементов. Чередующиеся 2D-слои силицена и атомов редкоземельных металлов удалось синтезировать, используя молекулярно-лучевую эпитаксию – наращивание одного кристаллического монослоя поверх другого в сверхвысоком вакууме. Атомы металла направлялись на нагретую кремниевую поверхность. Чтобы в дальнейшем избежать взаимодействия силицена с воздухом, полученный материал защищали тонким слоем оксида кремния. Такой подход можно использовать и для синтеза монослоев других аналогов графена, например, германена, состоящего из атомов германия.
Схематическое представление экспериментов. Синтез силиценовых структур
(a). В результате возникает многослойный (b) или однослойный (c)
силицен. В зависимости от числа слоев происходит переход от объемного
антиферромагнитного состояния (d) к ферромагнитному (e); температура
ферромагнитного перехода имеет характерную зависимость от магнитного
поля (e). В качестве атомов металла (M) можно использовать такие
редкоземельные элементы, как гадолиний или европий. Источник: Вячеслав
Сторчак
Основной результат работы – открытие того, что слоистые структуры, образованные силиценом, сопряженным с 2D-решетками редкоземельных элементов, демонстрируют сильный 2D-ферромагнетизм в пределе одного или нескольких монослоев. В отличие от материалов на основе хрома, ферромагнетизм в силиценовых материалах возникает из антиферромагнетизма родительского 3D-соединения. Открытые редкоземельные магниты проявляют и другие отличительные черты: намного большую чувствительность температуры перехода к слабым магнитным полям (характерное свойство 2D-ферромагнетизма) и значительный магнитный момент, дающий возможность исследования с помощью обычных магнетометров.
«Открытие первого класса 2D-магнитов, совместимых с кремниевой технологией, может значительно повлиять на различные области науки и технологии, – подытожил Вячеслав Сторчак. – Опубликованные результаты могут служить новой платформой для исследования двумерных явлений в слоистых структурах. Это одно из очень немногих исследований силиценовых материалов, где удалось пойти дальше структурных исследований, и, возможно, первое, где удалось экспериментально продемонстрировать определяющую роль силиценовой решетки. Структура силиценовых магнитов замечательно подходит для создания различных гетероструктур на кремнии, что может найти применение в создании новых элементов электроники».
