В ДВФУ предложили инновационный метод, который поможет созданию миниатюрной электроники будущего

Ученые ДВФУ совместно с коллегами из России, Южной Кореи и Австралии предложили инновационный метод управления спин-электронными свойствами и функциональностью тонкопленочных магнитных наносистем. Открытие важно для создания нового поколения миниатюрной электроники (спин-орбитроники) и сверхбыстрой высокоемкой компьютерной памяти.

В ДВФУ предложили инновационный метод, который поможет созданию миниатюрной электроники будущего / ©img3.akspic.ru

Статья опубликована в журнале NPG Asia Materials. Ученые из лаборатории пленочных технологий Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) предлагают управлять функциональностью магнитной наносистемы, построенной по принципу сэндвича, через поверхностные шероховатости магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелого металла и покрывающим слоем.

Варьируя амплитуду шероховатостей на нижней и верхней поверхностях (интерфейсах) магнитной пленки в диапазоне менее нанометра, что сравнимо с размерами атомов, исследователи смогли максимизировать полезные спин-электронные эффекты, важные для работы электроники будущего. Установлено, что для этого на нижнем и верхнем интерфейсе магнитной пленки шероховатости должны повторять друг друга.

Работоспособность подхода впервые продемонстрировали на примере магнитной системы, состоящей из слоя палладия (Pd) толщиной в диапазоне от 0 до 12 нанометров (нм), покрытого слоем платины толщиной 2 нм и ферромагнетика (сплав CoFeSiB) толщиной 1,5 нм. Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO), тантала (Ta) либо рутения (Ru) — разные материалы-«крышки» позволяют расширить возможности по управлению магнитными свойствами наносистемы.

«В современной электронике размеры транзисторов все время уменьшаются. При этом общий тренд развития направлен на получение атомарно-гладких бездефектных поверхностей, — объясняет Александр Самардак, автор идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе. — Однако, было бы большой ошибкой стремиться к идеальным интерфейсам, потому что много новых и практически востребованных физических эффектов лежат за пределами атомарного упорядочения и идеально плоских поверхностей.

С уменьшением функциональных элементов электроники роль поверхностных шероховатостей очень сильно возрастает. 
Во многом благодаря развитию высокочувствительного аналитического оборудования, мы только сейчас начали глубоко проникать в природу обнаруженных явлений и понимать роль шероховатостей и атомарного перемешивания на интерфейсах. Главный посыл нашего исследования заключается в том, что атомарные шероховатости можно использовать во благо для реализации новых спин-орбитронных устройств с улучшенными свойствами».

Алексей Огнев, ведущий научный сотрудник лаборатории пленочных технологий кафедры физики низкоразмерных структур Школы естественных наук ДВФУ и Александр Самардак, проректор по науке ДВФУ / ©Пресс-служба ДВФУ
Алексей Огнев, ведущий научный сотрудник лаборатории пленочных технологий кафедры физики низкоразмерных структур Школы естественных наук ДВФУ и Александр Самардак, проректор по науке ДВФУ / ©Пресс-служба ДВФУ

Ученый рассказал, что последние пять лет в мире активно развивается новая область физики, спин-орбитроника. Она изучает не просто спин электрона (собственный момент импульса электрона — квантовое свойство, не связанное с движением, перемещением или вращением, электрона как целого), а спин-орбитальное взаимодействие. Такое взаимодействие возникает между электроном, вращающимся по орбите вокруг атомного ядра и создающим магнитное поле, и его собственным магнитным моментом, который обусловлен спином электрона.

Преимущество спин-орбитроники в том, что функциональность создаваемых устройств (например, магнитной памяти) обеспечивается непосредственно через управление спин-орбитальным взаимодействием в составляющих их наноматериалах, например, в тяжелых металлах. Достаточно сильным спин-орбитальным взаимодействием обладают тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Если один из таких металлов привести в контакт с ультратонкой, толщиной в несколько атомных слоев, магнитной пленкой (например, Co, Ni, Fe, Py), можно радикально поменять электронные и магнитные свойства системы.

«Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки, — так делают в современных жестких дисках и разрабатываемых носителях нового поколения, чтобы повысить плотность хранения информации, увеличить скорость записи/чтения данных и количество циклов перезаписи.

Во-вторых, сильное спин-орбитальное взаимодействие в тяжелом металле приводит к «деформации» электронных орбиталей атомов магнитного материала (пленки), в результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его магнитного слоя.

Это антисимметричное взаимодействие ведет к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации.

Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота» спинов электронов. Такие устройства будут работать на скоростях передачи битов до нескольких километров в секунду под действием только электрического тока и вмещать на порядок больше данных», — говорит Александр Самардак.

Для эксперимента методом молекулярно-лучевой эпитаксии исследователи вырастили серию палладиевых пленок с идеальной монокристаллической структурой (рисунок 1a). Ученые обнаружили, что шероховатая поверхность пленок Pd может быть описана синусоидальной функцией. Изменяя толщину пленок Pd в диапазоне от 0 до 12,6 нм, им удалось управлять амплитудой и периодом шероховатостей в диапазоне от 0 до 2 нм и от 0 до 50 нм соответственно.

Рисунок 1 (a) Идеальная монокристаллическая структура палладиевой пленки. Видны упорядоченные атомные плоскости / ©Пресс-служба ДВФУ
Рисунок 1 (a) Идеальная монокристаллическая структура палладиевой пленки. Видны упорядоченные атомные плоскости / ©Пресс-служба ДВФУ

После этого магнетронным напылением в вакууме на поверхность палладия нанесли тонкие пленки платины и магнитного сплава Pt(2 нм)/CoFeSiB (1,5 нм) и покрыли их разными материалами (оксидом магния, танталом, рутением), (рисунок 1b). Материал «крышки» сильно влиял на магнитную анизотропию, в то время как влияние на взаимодействие Дзялошинского-Мория было не таким значительным. При этом наносимые слои Pt и CoFeSiB повторяли морфологию поверхности Pd.

Рисунок 1 (b) Многослойная структура Pd/Pt/CoFeSiB/Ta/TaOx, слои которой обладают кривизной (скоррелированными шероховатостями) / ©Пресс-служба ДВФУ
Рисунок 1 (b) Многослойная структура Pd/Pt/CoFeSiB/Ta/TaOx, слои которой обладают кривизной (скоррелированными шероховатостями) / ©Пресс-служба ДВФУ

В итоге исследователи обнаружили, что, не изменяя состава магнитной системы, а только варьируя поверхностные шероховатости в суб-нанометровом диапазоне путем изменения толщины слоя Pd, можно радикально менять ее функциональные свойства. Например, величина взаимодействия Дзялошинского-Мория повышалась в 2,5 раза при толщине слоя Pd в 10 нм. Именно при этой толщине шероховатости нижнего и верхнего интерфейсов магнитной пленки были максимально скоррелированы.

По словам Александра Самардака, исследование заняло около четырех лет, еще год потребовался для публикации статьи в престижном журнале издательства Nature. Рецензенты долго не могли поверить в возможности управления спин-орбитальными свойствами путем модулирования шероховатостей. В ходе переписки авторам удалось убедить рецензентов и отстоять свою точку зрения.

В настоящее время идет подготовка новых образцов совместно с зарубежными партнерами для изучения влияния шероховатостей интерфейсов на спиновый эффект Холла и эффект передачи спин-орбитального крутящего момента импульса, что позволит вплотную подойти к реализации ячеек памяти, магнитный момент которых переключается только электрическим током.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Минобрнауки России «Многофункциональные магнитные наноструктуры для спинтроники и биомедицины: синтез, структурные, магнитные, магнито-оптические и транспортные свойства». Ученые ДВФУ ведут фундаментальные исследования и практические разработки по приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития РФ, включая такое направление, как новые виды материалов, которые необходимы для перехода к технологиям будущего. 

Источник https://naked-science.ru/article/column/v-dvfu-predlozhili-innovatsionnyj-metod