КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-73-10409

НазваниеМатериалы и гетероструктуры для магнитоэлектроники

РуководительСмирнова Мария Николаевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2019

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые словаМагнитные полупроводники и диэлектрики, порошки, пленки, синтез, свойства, межфазные границы

Код ГРНТИ31.15.19

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку порошкообразных материалов на основе ферритов микроэлектронного качества, пригодных для последующего создания пленочных структур на коммерческих подложках Si и GaN для устройств спинтроники и магноники. До настоящего времени практически не существовало сверхвысокочастотных устройств на основе гетероструктур, состоящих из пленок ферритов и полупроводниковых подложек. Связано это с тем, что процесс кристаллизации ферритов, протекающий, как правило, при температурах ~ 900С, сопровождается диффузией и взаимодействием между компонентами структур, что приводит к деградации их функциональных характеристик. Реализация поставленной задачи будет осуществляться на основе разрабатываемого с участием автора проекта нового подхода, который заключается в создании на первом этапе работы методом сжигания гелей порошкообразных нанокристаллических материалов на основе ферритов с температурой кристаллизации менее 700С и унимодальным распределением частиц по размерам. Полученные порошкообразные материалы будут использованы на втором этапе в качестве мишеней для синтеза пленок. Синтез пленок будет осуществляться методом ионно-лучевого напыления на полупроводниковую подложку. Такой метод синтеза позволяет получать пленки с высокой адгезией на холодных подложках. При этом первоначально предполагается синтезировать затравочный сплошной слой пленки феррита, составляющий не более 10 нм. Важно отметить, что при таком методе получения пленок особое внимание необходимо уделить гомогенности, размерной унимодальности частиц исходного порошкообразного материала. К примеру, даже небольшое содержание примесей (наличие незначительного количества фаз отдельных оксидов) может приводить к значительному повышению температуры кристаллизации пленки, что в дальнейшем неизбежно приведет к протеканию процессов диффузии и взаимодействий на межфазной границе. После нанесения затравочного слоя путем импульсного отжига при температурах ~ 700С пленка будет закристаллизована. Режим отжига в этом случае позволяет кристаллизовать пленки ферритов без разогрева полупроводниковой подложки. Последующее повторное нанесение материала мишени на поверхность пленки до заданных значений толщин происходит на закристаллизованный зародышевый слой, идеально совпадающий по кристаллографическим параметрам с распыляемым ферритом, то есть рост пленки имеет квазиэпитаксиальный характер. При этом последующая кристаллизация пленки протекает также без разогрева полупроводниковой подложки. В качестве объектов исследования будут использованы: Mg(Fe0.8Ga0.2)2O4 и Y3Fe5O12. Магнитный полупроводник Mg(Fe0.8Ga0.2)2O4 с ТС=450 К, впервые полученный в нашей научной группе, благодаря своим высоким функциональным характеристикам, рассматривается в настоящее время, как один из основных материалов для устройств спинтроники. Пленки Y3Fe5O12 характеризуются чрезвычайно низким коэффициентом затухания распространения спиновой волны, который на частоте 3,2 ГГц составляет 3,410-4. При этом ширина линии ферромагнитного резонанса на монокристаллической диэлектрической подложке Gd3Ga5O12, идеально совпадающей по кристаллографическим параметрам с Y3Fe5O12, составляет 0.6…1.2 Э. Ставится задача получить указанный материал на рассогласованных по кристаллографическим параметрам полупроводниковых подложках. В качестве подложек при получении пленок будут использованы коммерческие Si и GaN. При этом особое внимание будет уделено GaN из-за его высокой радиационной и химической стойкости, а также не менее высокой теплопроводности и термической стабильности. В связи с этим, GaN в мировом научном сообществе рассматривается как перспективный материал для изготовления высокочастотных приборов, функционирующих в агрессивных средах в условиях повышенной радиации и при высоких температурах. Важно отметить, что необходимым условием для возникновения указанных выше функциональных характеристик пленочных структур являются магнитная однородность пленки по толщине и качество межфазной границы. Этим и определяется решающая роль прекурсоров для синтеза пленок и способов создания пленочных структур, исключающим процессы диффузии и взаимодействий между компонентами

Ожидаемые результаты
Главным ожидаемым результатом проекта следует считать разработку комплексного подхода к созданию пленок ферритов микроэлектронного качества на полупроводниковых подложках. Данный подход позволит контролировать качество исходных порошкообразных материалов, пленок с заданными свойствами, созданных на их основе, а также стабильность межфазных границ пленочных гетероструктур. Это будет способствовать созданию СВЧ устройства с принципиально новыми характеристиками, к примеру, СВЧ фильтры на спиновых волнах и приборы спинтроники, работающие в СВЧ диапазоне. Таким образом, прогнозируемые результаты представленного проекта соответствуют мировому уровню исследований

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
За отчетный период реализации проекта методом сжигания геля осуществлен синтез порошкообразных галлийзамещенного феррита магния Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4 и со-замещенных ферритов со структурой граната системы Y2O3-Bi2O3-Fe2O3-Ga2O3. Данные ферриты благодаря магнитным и полупроводниковым/диэлектрическим характеристикам являются перспективными материалами для разработок магнетоэлектроники. С помощью ИК-спектрального, термического, рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии установлено, что эффективность условий выбранного способа синтеза основана на сочетании гомогенизации гелеобразных прекурсоров с кратковременной высокотемпературной обработкой продукта в режиме пламенного горения. Выявлена взаимосвязь между морфологическими особенностями порошкообразных материалов Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4 с «органическим топливом» используемом в методе сжигания геля. Полученные данные свидетельствуют о том, что наиболее мелкодисперсным и унимодальным с точки зрения размера частиц являются образец, для получения которого использовалась смесь глицина с уротропином. Анализ гелеобразных прекурсоров (ИК-спектроскопия, исследования ТГ-ДСК), учитывающий особенности исходных реагентов, свидетельствует о том, что глицин, находясь в состоянии цвиттер-иона, выполняет роль основного структурирующего агента, предотвращающего осаждение ионов металлов в процессе испарения воды, за счет формирования системы водородных связей (NH3+ -группы – доноры протонов, СОО–-группы, NO3+-группы, кристаллизационные молекулы воды – акцепторы). Уротропин, в большей степени, влияет на тепловое поведения геля - генерирует большое количество тепла, обеспечивает кратковременное пламенное горение геля в самоподдерживающем режиме. Такие условия дают возможность получать кристаллические порошки непосредственно после синтеза и исключают необходимость применения высокотемпературного длительного отжига. При этом в процессе горения геля происходит выделение большого количества газообразных веществ, которые «разрыхляя» промежуточный продукт синтеза, так называемый ксерогель, способствуют получению наноразмерных порошков с унимодальным распределением частиц по размерам. Кристаллическая и магнитная структура порошкообразного образца, отличающегося наиболее унимодальным распределением частиц по размерам уточнена с помощью нейтронной дифракции. Получение порошка галлийзамещенного феррита магния Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4, характеризующегося фазовой однородностью, унимодальностью распределения частиц по размерам позволило выявить потенциальную возможность применение ионно-лучевого метода с чередованием операций напыления/распыления пленки для создания пленочных гетероструткур феррит/полупроводник со стабильными межфазными границами (Уведомление Федерального института промышленной собственности о регистрации заявки на изобретение «Гетероструктура со стабильными межфазными границами», регистрационный № 2017128782) Разработанный способ получения порошкообразных материалов был успешно апробирован на феррит-гранатах системы Y2O3-Bi2O3-Fe2O3-Ga2O3.. Изучение твердых растворов указанной системы имело комплексный характер, за отчетный период, на основании экспериментальных исследований более 30 порошкообразных образцов, удалось оценить возможность введения Bi3+ в структуру при эквимолярном отношении катионов Ga3+ и Fe3+, а также проанализировать влияние катионных соотношений Y:Bi:Fe:Ga на фазовый состав образцов при смещении с плоскости Y3Fe5O12-Y3Ga5O12-Bi3Ga5O12-Bi3Fe5O12 до треугольника Y2O3-Ga2O3-Fe2O3. Использование данной трансформации области гомогенности твердого раствора позволило получить новые сведения о лабильности структуры железо-иттриевого граната в отношении катионных замещений. Использование двух катионов-заместителей (Bi3+ и Ga3+) в структуре Y3Fe5O12, в результате их взаимовлияния, привело к локальным концентрационным упорядочениям и немонотонной модификации фазового объема граната в пространстве составов. Полученные сведения существенно расширяют представление о возможных вариациях катионных соотношений Y:Bi:Fe:Ga и далее будут использованы для поиска и создания новых стабильных магнитооптических материалов с воспроизводимыми функциональными свойствами. Таким образом, разработан универсальный способ синтеза наноразмерных порошкообразных сложнооксидных материалов, характеризующихся отсутствием примесных фаз, размерной унимодальностью частиц. Эффективность данного метода продемонстрирована на замещенных ферритах со структурой шпинели и граната. Получение порошкообразного материала, удовлетворяющего заданным характеристикам позволило оценить возможность практического использования уникальной технологии чередования операций напыления/распыления пленки ионно-лучевым методом для создания пленочных гетероструктур со стабильными межфазными границами. Анализ результатов отчетного периода позволил определить направления дальнейших исследований. Программа запланированных исследований в отчетный период полностью выполнена.

Публикации

1. Смирнова М.Н., Копьева М.А., Береснев Э.Н., Гоева Л.В., Симоненко Н.П., Никифорова Г.Е., Кецко В.А. Синтез MgFe1.6Ga0.4o4 методом сжигания геля с использованием глицина и уротропина Журнал неорганической химии, № 4, том 68, стр. 411-415 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.7868/S0044457X18040037

2. Смирнова М.Н., Нипан Г.Д., Никифорова Г.Е. Твердый раствор со структурой граната (Y1-xBix)3Fe2,5Ga2,5O12 Доклады Академии наук, № 2, том 478, стр. 172-174 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0012500818010056

3. Смирнова М.Н., Нипан Г.Д., Никифорова Г.Е. Концентрационный объём гомогенности граната в системе Ga2O3–(Y, Bi)3(Fe, Ga)5O12–Fe2O3 Доклады академии наук, № 3, том 480, с. 303–307 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.7868/S0869565218150094

4. М.Н. Смирнова, А.И. Стогний, А.В. Беспалов, О.Л. Голикова, Н.Н. Новицкий, А.А. Гераськин, В.А. Ермаков, В.А. Кецко Гетероструктура со стабильной межфазной границей -, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Исследования, реализованные в отчетный период, направлены на разработку технологии получения функциональных пленочных гетероструктур с применением ионно-лучевого напыления. Эффективность данного способа создания пленочной гетероструктуры значительно зависит от фазовой и морфологической гомогенности порошкообразного материала, используемого для создания мишеней-напыления в ионно-лучевом методе. Неоднородность порошка, как показали экспериментальные исследования, не позволяет реализовать в полной мере многостадийный процесс формирования гетеростуктур, негативно влияет на конформность пленки, наличие примесных фаз вынуждает использовать высокотемпературные режимы термической обработки, что неизбежно приводит к появлению дефектов, как в объеме самой пленки, так и на межфазной границе пленка/подложка. Синтезированы наноразмерные порошкообразные ферриты оксидных систем Y2O3-Bi2O3-Fe2O3-Ga2O3, MgO-Fe2O3-Ga2O3. Для каждой из систем выявлены оптимальные условия синтеза образцов, пригодных для создания на их основе методом ионно-лучевого напыления бездефектных пленочных гетероструктур. С целью поиска новых материалов перспективных для осуществления разработок в магнитоэлектронике исследованы концентрационные границы области гомогенности твердого раствора систем Y2O3-Bi2O3-Fe2O3-Ga2O3, MgO-Fe2O3-Ga2O3. Проведены лабораторные исследования функциональных свойств синтезированных ферритов. Определены магнитные моменты, удельная намагниченность и магнитная восприимчивость керамических образцов. Анализ полученных результатов свидетельствует о перспективности работы по дальнейшему изучению образцов системы Y2O3-Bi2O3-Fe2O3-Ga2O3 и получению на их основе материала пригодного для создания структур магнитоэлектроники. За отчетный период реализации проекта с учетом результатов, полученных на 1-м этапе реализации работы, был разработан способ синтеза наноразмерных порошкообразных сложнооксидных материалов. Эффективность данного метода основана на оптимальном сочетании гомогенизации гелеобразных прекурсоров с кратковременной высокотемпературной обработкой продукта в режиме пламенного горения. Получение порошкообразного материала, удовлетворяющего заданным характеристикам позволило разработать способ создания пленочных гетероструктур со стабильными межфазными границами с применением уникальной технологии чередования операций напыления/распыления пленки ионно-лучевым методом.

Публикации

1. Нипан Г.Д., Смирнова М.Н., Никифорова Г.Е. Полиэдр граната в изобарно-изотермическом тетраэдре Y2O3-Bi2O3-Fe2O3-Ga2O3 Неорганические материалы, - (год публикации - 2019)

2. Смирнова М.Н., Копьева М.А., Береснев Э.Н., Гоева Л.В., Симоненко Н.П., Никифорова Г.Е., Труханов А.В., Кецко В.А. Синтез Mg(Fe0.8Ga0.2)2O4 методом сжигания геля с использованием глицина и крахмала Журнал неорганической химии, № 10, том 63, стр. 1239-1243 (русскоязычная версия); № 10, Vol. 63. P. 1257-1261 (англоязычная версия) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0036023618100182

3. Смирнова М.Н., Никифорова Г.Е., Гоева Л.В., Симоненко Н.П. One-stage synthesis of (Y0,5Bi0,5)(3)(Fe0,5Ga0,5)(5)O-12 garnet using the organometallic gel auto-combustion approach CERAMICS INTERNATIONAL, Том 45 Выпуск 4 Стр.: 4509-4513 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.11.133

4. Смирнова М.Н., Нипан Г.Д. Влияние содержания висмута на стабильность твердых растворов со структурой граната (R,Bi)3(Fe,Me)5О12 (R - Ln или Y, а Me - Ga или Al) Неорганические материалы, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S0002337X19070194

5. Смирнова М.Н., Нипан Г.Д., Никифорова Г.Е. Область твердого раствора (Y1-xBix)3(Fe1-yGay)5O12 на диаграмме Йенеке Неорганические материалы, № 7, том 54, стр. 721-726 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.7868/S0002337X18070114

Возможность практического использования результатов
В рамках проекта разработан подход к созданию пленочных функциональных гетероструктур на основе ферритов для устройств магнитоэлектроники. Характерной особенностью таких устройств является огромное быстродействие, высокая скорость обработки информации при минимальном энергопотреблении. Важно отметить, что функционирование таких устройств значительно (не менее чем в 15 раз по сравнению с традиционными устройствами микроэлектроники) понижается уровень воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты. В то же время предложенный подход имеет универсальный и практико-ориентированный характер. Технологические режимы и условия вариабельны в зависимости от используемых материалов пленки и подложки, исключают необходимость применение нежелательных, особенно в условиях производства, высоких температур термической обработки. Масштабирование способа получения пленочных структур перспективно для создания активных элементов микроэлектронных устройств нового поколения и не требует значительной модификации существующих производственных технологий, так как структуры будут создаваться на базе современной полупроводниковой микроэлектроники.