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 19-19-00009

НазваниеСоздание двумерных магнитных материалов и структур для спиновой электроники на базе промышленных полупроводников

РуководительСторчак Вячеслав Григорьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые словаспинтроника, полупроводники, кремний, германий, монослой, двумерные материалы, германен, графен, молекулярно-лучевая эпитаксия

Код ГРНТИ47.09.48

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фундаментальные физические ограничения препятствуют миниатюризации и росту вычислительных мощностей элементов традиционной электроники. Спинтроника предлагает альтернативный подход, основным преимуществом которого является энергоэффективность. Особенно перспективны разработки, в которых элементы спинтроники интегрированы со стандартными полупроводниковыми платформами. Стремление к ультракомпактной планарной наноэлектронике предполагает использование двумерных материалов с различной функциональностью. В частности, для приложений спинтроники исключительно важны двумерные магниты. Данное направление, получившее развитие несколько лет назад в связи с получением двумерных ван-дер-ваальсовых ферромагнетиков на уровне монослоев [Nature 2017, 546, 265; Nature 2017, 546, 270], интересно как необычными физическими свойствами двумерных магнитов, так и возможностями контроля над магнитным состоянием с помощью электрических и магнитных полей, электростатического допирования, напряжений. В настоящее время мировые тенденции состоят в активном исследовании возможности получения функциональных гетероструктур на основе двумерных магнитов. Наш подход к проблеме относится к редкоземельной спинтронике – нам удалось показать экспериментально [Nature Commun. 2018, 9, 1672], что при переходе к пределу нескольких монослоев соединения MSi2 (M - редкоземельный металл) становятся двумерными ферромагнетиками. В рамках Проекта 2019 были синтезированы различные двумерные магниты на основе редкоземельных элементов Eu и Gd. Получены новые классы двумерных магнитов, в частности, металлоксены - стехиометрические соединения ксенов (силицен, германен), а также их родоначальника графена с магнитными металлами. Существенным прорывом явилось создание первых субмонослойных магнитов [ACS Nano 2021, 15, 12034] – суперструктур металла на кремнии. В синтезированных материалах обнаружены замечательные свойства, такие как магнитный переход при уменьшении толщины материала до нескольких монослоев, управление эффективной температурой Кюри малыми магнитными полями, качественная зависимость электронного транспорта от количества монослоев, колоссальное отрицательное магнитосопротивление. В Проекте 2022 предполагается использовать двумерные магнитные материалы, полученные в рамках Проекта 2019, как компоненты функциональных гетероструктур. Тем самым, Проект 2022 является логическим продолжением Проекта 2019, следуя мировым тенденциям в исследовании двумерных магнитов. В частности, будут получены гетероструктуры, сочетающие графен и субмонослойные магниты с различным стехиометрическим составом. Материалы будут интегрированы с полупроводниковыми платформами кремния или германия. Предварительные эксперименты синтеза показали эффективность такого метода создания магнитных гетероструктур, сочетающих субмонослойные магнитные структуры с графеном. В рамках Проекта 2022 предлагается комплексное исследование процессов синтеза, атомной структуры, магнитных и транспортных свойств двумерных магнитных гетероструктур. С помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии будут осуществлены прямые синтезы гетероструктур на Si и Ge из прекурсоров графен/Si и графен/Ge, условия синтезов будут тщательно оптимизированы. Атомная структура материалов будет определена комбинацией методов дифракции быстрых электронов и аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. Магнитные свойства будут измерены с помощью СКВИД-магнитометрии, продемонстрировавшей высокую чувствительность при исследованиях двумерных магнитов, включая субмонослойные. Для определения латеральных транспортных свойств гетероструктур и их зависимости от стехиометрии двумерных магнитов будут измерены температурные зависимости сопротивления и полевые зависимости магнитосопротивления и эффекта Холла при различных температурах. Полученные данные будут проанализированы в приложении к спинтронике. Будут опубликованы не менее 12 статей в ведущих международных журналах. Новизна проекта определяется прежде всего тем, что предлагается создание и исследование новых систем. Более того, предлагаемые системы будут как первыми гетероструктурами двумерных магнитов на основе редкоземельных элементов, так и первыми гетероструктурами двумерных магнитов, интегрированными с кремнием и германием. Выполнимость проекта обеспечивается значительным научным заделом в области редкоземельной спинтроники и двумерного магнетизма, включая синтез субмонослойных магнитов, наличием у коллектива всего необходимого оборудования для выполнения работ по проекту и тем, что коллектив включает профессионалов по всем направлениям, ключевым для выполнения проекта. Работы коллектива соответствуют мировому уровню исследований и публикуются в ведущих журналах – так, по результатам Проекта 2019 опубликована серия из 17 статей в журналах Q1, из которых 9 – в журналах с импакт-фактором больше 10, зарегистрированы 4 патента РФ. Можно ожидать, что предлагаемые исследования приведут к существенному развитию спинтроники, а также к пониманию фундаментальных свойств двумерных ферромагнетиков.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта ожидаются следующие основные результаты: 1. Синтезированы гетероструктуры графена с субмонослойными суперструктурами европия на Si(001). 2. Синтезированы гетероструктуры графена с субмонослойными суперструктурами гадолиния на Si(001). 3. Синтезированы гетероструктуры графена с субмонослойными суперструктурами европия на Ge(001). 4. Синтезированы гетероструктуры графена с субмонослойными суперструктурами гадолиния на Ge(001). 5. Для всех исследуемых материалов охарактеризована атомная структура, используя методы дифракции быстрых электронов и аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. 6. Магнитные свойства всех гетероструктур (температуры магнитных переходов, моменты насыщения, коэрцитивные силы) определены с помощью СКВИД-магнитометрии. Выявлены зависимости магнетизма от химического состава двумерного магнита в составе гетероструктуры. 7. Определены транспортные свойства полученных магнитных гетероструктур, включая температурную зависимость сопротивления, зависимости магнитосопротивления и эффекта Холла от магнитного поля для ряда температур. Определено влияние на них химического состава двумерного магнита. Проанализированы возможные приложения данных гетероструктур в спинтронике. 8. По результатам исследований опубликована серия статей в ведущих международных журналах. Данные результаты будут соответствовать мировому уровню в области двумерных ферромагнетиков и их гетероструктур и определять его в исследованиях субмонослойных магнитных материалов, а также в исследованиях двумерных материалов на основе редкоземельных элементов. Научная значимость предлагаемых исследований состоит в том, что изучаемые материалы объединяют в себе два перспективные направления – двумерный ферромагнетизм и субмонослойные суперструктуры, позволяют сочетать функциональные свойства графена и двумерных магнитов. Ожидается, что это сочетание, а в особенности исследование свойств в зависимости от химического состава двумерного магнита, позволит выявить новые эффекты спинтроники и исследовать фундаментальные законы поведения спиновых систем при переходе к двумерному пределу. С практической точки зрения, результаты будут важны для приложений в электронике. В частности, они предоставят набор гетероструктур на основе двумерных магнитов. Особенно важно, что эти гетероструктуры будут интегрированы с промышленными полупроводниками. Результаты проекта должны привести к существенному прогрессу в спинтронике и способствовать переходу к альтернативной, более эффективной элементной базе электроники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В настоящее время активно исследуются функциональные гетероструктуры на основе двумерных магнитов для выполнения задач разработки и создания материалов и приборов ультракомпактной спинтроники. В этой области исследований важны обе составляющие гетероструктур. С одной стороны, двумерные магниты интересны необычными физическими свойствами и возможностями контроля над магнитным состоянием. С другой стороны, в материале, сопряженном с двумерным магнитом, можно индуцировать спин-зависимые свойства за счет эффекта близости. В нашем исследовании таким материалом был графен. В качестве двумерных магнитов были предложены суперструктуры металлов на кремнии. Создание таких субмонослойных магнитов было осуществлено в результате выполнения проекта 19-19-00009, предшествующего данному проекту. Существенным преимуществом гетероструктур графен/металл/Si является их естественная интеграция с кремниевой платформой. Исследования включали в себя 3 основных стадии: синтез гетероструктур, их структурная характеризация и исследование свойств, магнитных и транспортных. Для синтеза гетероструктур нами был использован метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Первым этапом синтеза являлось приготовление гетероструктур графен/Si(001) с прямым контактом между графеном и кремнием. Для этой цели из коммерческих образцов графен/SiO2/Si был термически удален слой SiO2. В качестве металлов в гетероструктурах графен/металл/Si были выбраны европий и гадолиний ввиду магнитных свойств их соединений, в частности с кремнием. Также был предложен стронций для получения немагнитных гетероструктур для сравнения. Синтез гетероструктур осуществлялся путем высокотемпературной интеркаляции металла между графеном и кремнием. Высокая температура также способствовала образованию двумерных поверхностных структур, а не объемных силицидов. Основным методом исследования атомной структуры являлась дифракция быстрых электронов. В частности, с его помощью был осуществлен контроль над удалением SiO2, приводящий к характерной 2x1 реконструкции поверхности Si(001), обусловленной образованием димеров Si-Si. Также, дифракция быстрых электронов позволила установить, что Eu, Gd и Sr образуют упорядоченные структуры под слоем графена с параметрами двумерной решетки, согласующимися с параметрами решетки кремния. Gd и Sr образуют реконструкции 1x2, известные для адсорбции этих металлов на Si(001), без графена. В то же время, Eu образует реконструкцию 1x6, которая не образуется без графена. Таким образом, графен контролирует химическую реакцию поверхности кремния с европием. Дальнейшее исследование атомной структуры материалов осуществлялось с помощью методов электронной микроскопии. Нами были исследованы магнитные свойства гетероструктур на основе Eu и Gd. Были получены температурные и полевые зависимости намагниченности. Одним из результатов явилось то, что магнитный момент в насыщении в несколько раз меньше теоретической оценки, соответствующей 7 магнетонам Бора на ион европия или гадолиния. Такая ситуация характерна для двумерных магнитов на основе Eu и Gd и объясняется сосуществованием ферромагнитных и антиферромагнитных состояний. На основе зависимости температуры магнитного перехода от слабых магнитных полей сделан вывод о двумерной природе наблюдаемого магнетизма. Также был исследован латеральный электронный транспорт в гетероструктурах, обусловленный графеновым слоем. Были измерены температурные зависимости сопротивления, полевые зависимости магнитосопротивления для различных направлений магнитного поля, а также эффект Холла. На основе полученных данных были найдены температурные зависимости концентрации и подвижности носителей заряда. Появление отрицательного магнитосопротивления и аномального эффекта Холла, а также рост подвижности электронов ниже температуры магнитного перехода свидетельствуют о спиновой поляризации носителей заряда в графене за счет эффекта близости к двумерному магниту.

Публикации

1. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Кондратьев О.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Exchange Bias State at the Crossover to 2D Ferromagnetism ACS Nano, 16,19482–19490 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09452

2. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. 2D magnetic phases of Eu on Ge(110) Nanoscale, 14, 12377-12385 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/d2nr02777a

3. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Submonolayer Eu superstructures—A class of 2D magnets Nano Research, опубликована online https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-4694-7 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s12274-022-4694-7

4. Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Кондратьев О.А., Борисов М.М., Якунин С.Н., Каратеев И.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Layer-controlled evolution of electron state in the silicene intercalation compound SrSi2 Materials Horizons, 9, 2854–2862 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/D2MH00640E

5. Токмачев А.М., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Сторчак В.Г. Two-dimensional magnetism in Xenes Elsevier, Cambridge, United States, Kidlington, United Kingdom, Глава "Two-dimensional magnetism in Xenes" в книге "Xenes: 2D Synthetic Materials Beyond Graphene" издательства Elsevier, 2022, Pages 353-375 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823824-0.00005-8

6. Д.В. Аверьянов, И.С. Соколов, А.М. Токмачёв, В.Г. Сторчак Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием -, 2022127027 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В последние несколько лет активно развивается область исследования двумерных материалов с магнитными свойствами. Это связано как с возможностью получения новых фаз и квантовых свойств, так и с потребностями ультракомпактной спинтроники. Особое внимание уделяется созданию гетероструктур, объединяющих двумерный магнит с немагнитным двумерным материалом, таким как графен. Предполагается, что за счет эффектов близости в немагнитном материале можно получить спин-зависящий транспорт и связанные с этим явления. В рамках проекта в 2023 году мы исследовали семейство таких систем, в которых графен сочетается с субмонослойными магнитами на германии. Эти двумерные магниты представляют собой регулярные суперструктуры (реконструкции) магнитных металлов на поверхности Ge(001). Их явным преимуществом является естественная интеграция с полупроводниковой платформой германия. В качестве магнитных металлов мы использовали европий и гадолиний, чьи ионы имеют открытую 4f-оболочку. Для сравнения были также изучены немагнитные гетероструктуры графен/Sr/Ge(001). Основными этапами исследования являлись синтез гетероструктур, их структурная характеризация, измерение магнитных и транспортных свойств. Синтез гетероструктур был проведен методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Основной идеей синтеза являлась интеркаляция атомов металла под слой графена с образованием реконструкции металла на германии. Первым этапом такого процесса было получение гетероструктур графен/Ge(001) с непосредственным контактом между графеном и германием. Для этой цели мы использовали системы, полученные переносом графена на подложку Ge(001), с последующим термическим удалением слоя естественного оксида из-под графена. Интеркаляция была проведена при высоких температурах с тем, чтобы избежать образования кластеров металла на поверхности графена или включений германидов под графеном. Все процессы контролировались в ростовой камере с помощью дифракции быстрых электронов. Для исследований ex situ гетероструктуры были покрыты при комнатной температуре защитным слоем аморфного оксида кремния. Мы провели исследования магнитных и транспортных свойств гетероструктур. С помощью СКВИД-магнитометрии охарактеризовано ферромагнитное состояние в системах с магнитными структурами на основе Eu и Gd. Его возникновение подтверждается наблюдениями гистерезиса в кривой намагничивания и остаточного магнитного момента. На основе зависимости температуры магнитного перехода от малых магнитных полей сделан вывод о двумерной природе ферромагнетизма в этих гетероструктурах. Магнитные моменты насыщения согласуются с субмонослойным характером магнитных слоев. В то же время, они заметно меньше теоретически максимальных моментов, то есть 7 магнетонов Бора на ион Eu или Gd. Это свойство является типичным для двумерных магнитов на основе Eu и Gd и может быть связано с сосуществованием ферромагнитных и антиферромагнитных состояний. Был изучен латеральный электронный транспорт в гетероструктурах на основе германия. При низких температурах в нем доминирует транспорт по слою графена. Для всех материалов были установлены температурные зависимости сопротивления, зависимости эффекта Холла и магнетосопротивления от температуры и величины магнитного поля, найдена анизотропия магнетосопротивления, определены концентрации носителей и их подвижности. В частности, показано, что магнетосопротивление для магнитных полей в плоскости образца имеет разный знак для гетероструктур европия и гадолиния. Сделаны выводы об эффектах близости к двумерному магниту на транспорт по слою графена.

Публикации

1. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Каратеев И.А., Кондратьев О.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Thickness-dependent superconductivity in a layered electride on silicon Small, том 19, No. 2302065 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/smll.202302065

2. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. A class of high-mobility layered nanomaterials by design Journal of Materials Science & Technology, том 64, с.179-187 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.04.059

3. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Парфенов О.Е., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Interfacial bond engineering for direct integration of functional oxides with Si and Ge Journal of Materials Chemistry C, том 11, с. 5481-5489 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D3TC00400G

4. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Кондратьев О.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Intrinsic exchange bias state in silicene and germanene materials EuX2 Nanoscale Horizons, том 8, с. 803-811 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D3NH00009E

5. Кац В.Н., Шелухин Л.А., Усачев П.А., Аверьянов Д.В., Каратеев И.А., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Токмачев А.М., Сторчак В.Г., Павлов В.В. Femtosecond optical orientation triggering magnetization precession in epitaxial EuO films Nanoscale, том 15, с. 2828-2836 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D2NR04872H

6. Назин В.Г., Лебедев А.М., Чумаков Р.Г., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Парфенов О.Е., Кондратьев О.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. A silicene-based 4f magnet probed by X-ray photoemission spectroscopy Journal of Alloys and Compounds, том 962, No. 171078 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171078

7. Соколов И.С., Аверьянов Д.В., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Рыбин М.Г., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Proximity coupling of graphene to a submonolayer 2D magnet Small, том 19, No. 2301295 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/smll.202301295

8. Д.В. Аверьянов, И.С. Соколов, А.М. Токмачев, В.Г. Сторчак Способ создания интерфейса для интеграции монокристаллического оксида европия с германием -, RU 2793379 C1 (год публикации - )

9. Д.В. Аверьянов, И.С. Соколов, А.М. Токмачев, О.Е. Парфенов, В.Г. Сторчак Способ создания устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда -, RU 2805282 C1 (год публикации - )

10. - Сверхтонкий магнит связал графен с кремниевой технологией Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )

11. - «Основа новых технологий хранения и передачи информации»: российские учёные создали материалы для спиновой электроники Russia Today, - (год публикации - )

12. - СВЕРХТОНКИЙ МАГНИТ СВЯЗАЛ ГРАФЕН С КРЕМНИЕВОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ Научная Россия, - (год публикации - )

13. - Ученые создали сверхтонкий магнит, связав графен с кремниевой технологией Российская наука и технологии, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Возможна разработка компонентов спиновой электроники на гетероструктурах графен/двумерный магнит. На данный момент такие гетероструктуры используются для создания спиновых транзисторов и оптических сенсоров. Мы планируем использовать материалы, полученные в ходе реализации проекта, для разработки макетов спинтронных устройств. С этой целью налажено взаимодействие со специалистами ГК «Микрон» (г. Зеленоград).