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 23-42-00076
НазваниеУправление спин-орбитальным крутящим моментом и перемагничиванием в магнитных гетероструктурах на основе топологических материалов и их приложение
РуководительОгнев Алексей Вячеславович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет", Приморский край
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2025 г. |
Конкурс№74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления
Ключевые словаМагнитные гетероструктуры, топологические материалы, спин-орбитальная связь, спин-орбитальный момент (СОТ), переключение намагниченности, прозрачность интерфейса, эффект электрического поля, взаимодействие Дзялошинского-Мория (ДМИ), доменная структура, перпендикулярная магнитная анизотропия
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Для широкого применения магнитных устройств, таких как магнитная память с произвольным доступом (MRAM), логическая память и нейроморфные вычислительные устройства, необходимы эффективные способы управления локальной намагниченностью. Одним из лучших механизмов является спин-орбитальный крутящий момент (SOT), связанный со спиновыми токами в материалах с сильной спин-орбитальной связью. В частности, MRAM, управляемая SOT (SOT-MRAM), имеет более высокую скорость «чтения-записи» и более длительный срок службы, чем MRAM, в которой перемагничивание осуществляется посредством передачи вращательного момента (STT-MRAM). Благодаря этому эффект SOT привлек внимание как исследователей, так и разработчиков. Однако в настоящее время практическое применение SOT-MRAM по-прежнему сдерживается (1) высокой плотностью тока, необходимой для переключения намагниченности с помощью SOT, отсутствием селективности SOT эффекта, что не позволяет реализовать адресацию и приводит к (2) ошибкам при записи и чтении информации в многоразрядной ячейке памяти. Следовательно, для преодоления этих ограничений требуются новые материалы с SOT и более эффективные механизмы управления намагниченностью с помощью SOT.
В рамках проекта российско-китайская команда попытается снизить критическую плотность тока переключения намагниченности, путем использования новых топологических материалов, и исследует механизмы управления амплитудой и направлением SOT с помощью электрических полей. В качестве топологических материалов будут получены и исследованы тонкоплёночные полуметаллы Вейля и топологические изоляторы, которые имеют сильную спин-орбитальную связь и демонстрируют гораздо более высокую эффективность преобразования заряда в спиновый ток и, следовательно, больший SOT. Результаты проекта закладывают фундамент для развития нового направления - спин-орбитроники в тонкопленочных топологических материалах (топологические изоляторы и полуметаллы Вейля) и создания технологических решений, которые обеспечат уменьшение спинового тока, повышение плотности упаковки и быстродействие элементной базы наноэлектроники.
Российский и китайские коллективы накопили богатый опыт и знания в области спинтроники и спин-орбитроники, особенно в изучении SOT эффекта в гетероструктурах с тяжелыми металлами. Основываясь на истории сотрудничества, команды из Китая и России, как мы надеемся, получат новые функциональные материалы и будут совместно использовать разработанные технологии для решения двух вышеупомянутых проблем при реализации SOT-MRAM. Это позволит создать энергоэффективные и производительные носители информации и процессоры для новых направлений развития информационных технологий (интернет вещей, мобильные устройства, Web 3.0).
Ожидаемые результаты
В проекте будут получены три группы результатов: новые топологические материалы, технологии и лабораторные образцы SOT устройств.
1. Новые топологические материалы. Получены и комплексно исследованы тонкопленочные топологические материалы, обладающие большим потенциалом для значительного снижения плотности тока переключения и энергопотребления устройств: топологические изоляторы (Bi2Se3 и Bi1-xSbx) и полуметаллы Вейля (WTe2 и MoTe2). В комбинации с магнитные материалами (CoFeB, NiFe, NiO, [Co/Pt]n) изучено влияние интерфейсной магнитной анизотропии и взаимодействия Дзялошинского-Мория на зарождение киральных доменных границ и скирмионов, которые влияют на SOT и процессы переключения намагниченности.
2. Технологии. Разработаны технологии получения пленок полуметаллов Вейля (WTe2 и MoTe2) с помощью магнетронного осаждения и методом молекулярно-лучевой эпитаксии (режим эпитаксиального роста). В гетероструктурах «топологический материал/магнетик» отработана технология контроля взаимодействия Дзялошинского-Мория и эффективности SOT за счет управления структурой и морфологии интерфейса. Апробирована технология повышения эффективности SOT с помощью электрических полей и напряжений, которые могут изменять магнитную анизотропию, спин-орбитальную связь и взаимодействие Дзялошинского-Мория на границе раздела.
3. Лабораторные образцы SOT устройств. Разработаны два типа устройств SOT-MRAM, в которых в качестве источников спинового тока используют топологические изоляторы и полуметаллы Вейля, обеспечивающих высокоэффективное переключение намагниченности критическим током с низкой плотностью (менее 5* 10^6 A/cм2).
Благодаря международной коллаборации в области спин-орбитроники на основе топологических материалов будет достигнуто (1) понимание фундаментальных физических основ магнитных и магнитотранспортных эффектов в гетероструктурах на основе топологических материалов и (2) разработаны и адаптированы к внедрению высокоэнергоэффективные технологические решения для реализации практичных и стабильных микросхем SOT-MRAM.
Опыт, полученный от совместной реализации инновационных идей в области энергоэффективных нанотехнологий и спинтроники, поможет вывести существующие научные достижения на мировой уровень. Сотрудничество создаст и укрепит тесную и эффективную связь между Дальневосточным федеральным университетом (ДВФУ) и тремя известными университетами в трех провинциях на северо-востоке Китая: Даляньский технологический университет (ДТУ), Цзилиньский университет и Северо-Восточный университет. В России за счет коллаборации ДВФУ и Казанского федерального университета (КФУ) будут развиты компетенции в области SOT-FMR (ST-FMR). Результаты исследования будут интегрированы в новые дисциплины в программах магистратуры «Прикладная физика» и «Вычислительная физика».
Коллаборация коллективов двух стран, имеющих опыт публикации в ведущих мировых журналах в области физики, будет способствовать укреплению авторитета Российского и Китайского магнитных сообществ как одних из ведущих движителей современной физики магнитных явлений и магнитной наноэлектроники. Несомненно, одним из главный достижений проекта станут статьи, опубликованные в таких авторитетных журналах, как Nature (Physics, Materials, Communications), Science Advances, Scientific Reports, Advanced Materials, Physical Review X/Letters/Applied/Materials/B, Applied Physics Letters и других. Результаты исследований будут представлены на ведущих международных конференциях, включая MISM, EASTMAG, ICAUMS, InterMag и др.
В проекте с обеих сторон будут вовлечены молодые ученые (аспиранты и студенты). Международная коллаборация будет способствовать ускоренному профессиональному росту исследователей, что позволит воспитать новое поколение высококлассных специалистов и экспертов в области физики и нанотехнологий. Мы планируем, сформировать новые молодежные международные коллективы, которые будут расширять спектр решаемых задач и смогут участвовать в новых конкурсах. Целенаправленная работа с молодым поколением приведет к укреплению научной школы по магнитной наноэлектронике на Дальнем Востоке России, которая фокусирует свои усилия на работе с азиатскими партнерами, что является одним из стратегических направлений для Российской науки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В соответствии с планом работ проведена модернизация установки для получения гетероструктур с полуметаллами. Установлено, откалибровано и успешно протестировано 3 новых источника для напыления: высокотемпературный испаритель, среднетемпературный испаритель, электронно-лучевой испаритель.
Проведены ab initio расчеты буферных слоев для WTe2: модель А (WTe2 на Al2O3), модель Б (WTe2 на Cu), модель В (WTe2 на MgO). Установлено, что с точки зрения структурных характеристик оптимальным вариантом является сапфир. В модели с сапфировой подложкой наблюдается наименьшее несоответствие решеток и как следствие наименьшее растягивание ячейки WTe2. При этом стоит отметить, что MgO с Cu тоже обладают потенциалом для использования с точки зрения совпадения решеток, но в случае формирования суперячеек. По электронным характеристикам наиболее подходящий кандидат – медь. Структура с медной подложкой отличается наиболее низким уровнем Ферми и как следствие большим количеством свободных электронов.
Проведены исследования ростовых процессов буферных слоев для последующего эпитаксиального роста полуметаллов Вейля.
Установлено, что рост буферного слоя Cu до толщины 2 нм происходит по квазипослойному механизму. На начальных стадиях конденсации образуется тонкий слой силицида меди, который наблюдается до покрытий в 3 атомных слоя, на котором в дальнейшем формируется чистая медная пленка.
Был изучен рост Pd на буферном слое меди. Параметр решетки палладия на начальных стадиях роста достаточно резко увеличивается, что связано с достаточно большим числом кристаллических напряжений из-за сильного несоответствия параметров решетки по сравнению с буферным слоем Cu. Палладий растет в режиме островкового роста с постоянным увеличением шероховатости при увеличении ширины. Обнаружен участок в диапазоне толщин от 1,5 до 4 нм с очень незначительным изменением шероховатости. Дальнейшее увеличение толщины пленки приводит к достаточно существенному практически линейному росту шероховатости, что обусловлено ростом трехмерных островков.
Получены ферромагнитные тонкопленочные образцы, содержащие слой дителлурида вольфрама (WTe2). В качестве подложек использовали термически окисленный кремний Si(100)/SiO2 с толщиной слоя окисла ~ 300 нм, а также сапфир Al2O3 (0001). Оптимизирована технология получения слоя WTe2 на обоих типах подложки, включая температуру отжига и толщину слоя полуметалла. В качестве подслоя использовалась платина - тяжелый металл, позволяющий индуцировать перпендикулярную магнитную анизотропию (ПМА) в тонком слое ферромагнетика. В качестве покрывающего слоя оксид магния, который в результате отжига позволяет усилить ПМА. В качестве ферромагнитного слоя использовали 0,9 нм Co, который при такой толщине демонстрирует максимальное значение ПМА.
Проведено проектирование микроволновой планарной структуры для исследований методом ФМР (ST-FMR) в частотном диапазоне до 20 и 40 ГГЦ.
Вместе с китайскими партнерами были проведены 2 онлайн семинара, на которых обсуждали планы экспериментальных работ и проведения ab-initio расчетов.
Проведены совместные исследования в Лаборатории спиновых квантовых материалов и устройств Даляньского технологического университета.
Публикации