Разработанные структуры позволят увеличить скорость работы микропроцессоров и объем памяти жестких дисков.
Фото: проесс-служба СГУ им. Н.Г. Чернышевского
Физики ННГУ им. Н.И. Лобачевского совместно с коллегами из СГУ им. Н.Г. Чернышевского, Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и ИФМ РАН создали тонкие многослойные пленки, которые могут стать основой для альтернативной электроники.
Проект направлен на разработку технологии получения и исследование свойств многослойных тонкоплёночных структур ферромагнетик/тяжелый металл (Ф/ТМ, где Ф = Co, ТМ = Pt, Pd) с отсутствием четких границ. В настоящее время Ф/ТМ пленки рассматриваются как перспективный материал для создания элементной базы спинтроники, а также устройств хранения и обработки информации. В основе используемых функций этих материалов лежат их уникальные магнитные свойства, такие как наличие перпендикулярной магнитной анизотропии, сильное спин-орбитальное взаимодействие. Кроме того, считается, что магнитные свойства пленок во многом определяются поверхностным взаимодействием Дзялошинского-Мория (ВДМ), возникающим на границе слоев. Именно наличием ВДМ объясняется существование нетривиальных магнитных структур – скирмионов, обладающих (с точки зрения теории) свойством топологической устойчивости, что делает их (с практической точки зрения) интересными для создания элементов энергонезависимой памяти.
«Особенность проекта – это формирование плёнок методом электронно-лучевого испарения в отличие от большинства исследований, где используется метод магнетронного распыления. Преимуществом электронно-лучевого испарения является более низкая, чем при магнетронном распылении, энергия осаждаемых частиц. Это позволяет использовать метод электронно-лучевого испарения для формирования ферромагнитных пленок непосредственно на поверхности полупроводниковых наноструктур, минимизируя количество вносимых дефектов в приповерхностные области полупроводника. При этом используется крайне малая (меньше параметра решетки) номинальная толщина магнитных слоев Co (1-3 Å), в несколько раз меньше типичных значений, используемых при магнетронном распылении. Поэтому в пленке возможно образование поликристаллических сплавов, представляющих собой комбинацию нескольких кристаллических фаз. Подобные образцы соответствуют классу многослойных структур с нечёткими границами», – рассказал ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского физико-технического института Михаил Дорохин.
Для решения поставленных задач было использовано технологическое и исследовательское оборудование, находящегося в распоряжении ННГУ им. Н.И. Лобачевского (технологические ростовые установки, оборудование для рентгено-дифракционных исследований и рентгенофазового анализа, для химического анализа - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, для исследования микромагнитной структуры - магнитно-силовая микроскопия, для изучения интегральных магнитных характеристик: намагниченности, магнитооптических и магнитотранспортных характеристик), и принадлежащее Центру коллективного пользования «Физика и технология микро- и наноструктур» Института физики микроструктур РАН (просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, вторично-ионная масс-спектрометрия).
В результате выполнения проекта развита теория взаимодействия Дзялошинского-Мория в пленках Ф/ТМ в отсутствие непосредственной границы между слоями ферромагнетика и тяжелого металла, исследованы процессы зарождения скирмионов и возможности управления ими, изучено влияние киральных магнитных структур на транспортные свойства пленок. Изучено влияние фазово-химического состава на магнитные свойства плёнок Ф/ТМ, где Ф = Co, ТМ = Pt, Pd), определены технологические режимы, позволяющие управлять важнейшими магнитными характеристиками плёнок, влияющими на энергию взаимодействия Дзялошинского-Мория. На текущей стадии проекта разработанные технологии апробируются при создании лабораторных образцов приборов электроники нового поколения.