Моделирование низкоразмерных магнитных гетероструктур для спинтронных устройств нового поколения

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 проекта 23-79-01298

НазваниеМоделирование низкоразмерных магнитных гетероструктур для спинтронных устройств нового поколения

Руководитель Ларионов Константин Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова спинтроника, ферромагнетизм, магнитосопротивление, графен, дихалькогениды переходных металлов, сплав Гейслера, спиновый клапан, транзистор

Код ГРНТИ29.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Задача поиска новых способов хранения и обработки информации является крайне актуальной в настоящее время, поскольку традиционные кремниевые технологии фактически достигли предела плотности записи информации и дальнейшей миниатюризации. Одним из решений данной проблемы является рассмотрение электрона как носителя заряда с двумя основными «степенями свободы», определяемыми его спином. Так, благодаря эффектам гигантского и туннельного магнитосопротивлений, эффектам спинового переноса и ряду других фундаментальных свойств в настоящий момент активно разрабатываются спинтронные устройства – основа технологий хранения и обработки информации нового поколения. Однако, несмотря на доказанный высокий потенциал спинтронных технологий (с точки зрения низкого энергопотребления и скорости), они всё еще находятся на стадии становления в масштабах потребительского рынка. Предполагается, что в скором времени магниторезистивные (MRAM) устройства смогут конкурировать с привычной флеш-памятью. Но для этого необходимо решить ряд задач, требующих развития методов синтеза стабильных наноразмерных гетероструктур и способов управления их свойствами на атомном уровне. Ключевую роль в решении этих задач могут сыграть двумерные материалы. Действительно, с момента открытия графена и родственных материалов плёнки атомарной толщины стали рассматриваться как потенциальная составляющая ультракомпактной архитектуры устройств и радикально новых способов обработки информации. Научные достижения в области спинтронных устройств на основе 2D материалов, а также недавний прогресс в крупномасштабной совместной интеграции 2D структур с традиционными материалами микроэлектроники открыли многообещающие перспективы для развития технологии MRAM. В рамках проекта предлагается впервые провести комплексное теоретическое исследование целого ряда перспективных туннельных магнитных гетероструктур (ТМГ) на основе ферромагнитных и двумерных материалов, для которых возможно наблюдение эффектов магнитосопротивления и спиновой инжекции – основы работы спиновых клапанов и транзисторов. Так, будут изучены новые границы раздела на основе железа и кобальта, включая полуметаллические сплавы Гейслера, и их гетеросоединение с двумерными структурами, такими как графен и дихалькогениды переходных металлов с различным составом. Несмотря на широкую популярность данных материалов в отдельности, гетероструктуры на их основе изучены недостаточно, а экспериментальные работы и дальнейшее применение для спинтронных приложений предварительно требуют подробного теоретического анализа структуры, свойств и природы спин-связанных эффектов. В проекте методами квантово-химического моделирования и неравновесного транспорта впервые будут получены подробные сведения об электронной и магнитной конфигурации наиболее перспективных ТМГ, описаны равновесные свойства гетеропереходов, а также выполнен расчет квантовой проводимости и изучен эффект туннельного магнитосопротивления. Кроме того, впервые будут смоделированы и изучены туннельные гетероструктуры с внедренным слоем оксида MoO3 – перспективным для эффективной спиновой инжекции в двумерных материалах за счет эффекта близости. Полученные результаты позволят существенно расширить область знаний о спин-транспортных свойствах новых магнитных гетероструктур на основе экспериментально известных ферромагнитных материалов и двумерных пленок. Также будут детально обоснованы перспектива их применения в магниторезистистивных и других спинтронных устройствах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Ларионов К.В., Сорокин П.Б., Кондратьев О.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Engineering of a Layered Ferromagnet via Graphitization: An Overlooked Polymorph of GdAlSi Journal of the American Chemical Society, ACS Publishing, год 2024, том 146, выпуск 23, страницы 15761–15770 (год публикации - 2024)
10.1021/jacs.4c01472

2. Ларионов К.В., Сорокин П.Б. Trace of altermagnetism in GdAlSi films: towards the 2D limit Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2025,13, 8665-8670 (год публикации - 2025)
10.1039/D4TC04774E

3. Ларионов К.В., Мочалова Е.А., Паис Переда Х.Х., Сорокин П.Б. Теоретическое исследование новых магнитных гетероструктур WX2/CFGG (X = S, Se, Te) Журнал структурной химии, ЖСХ, т.66, №8, 2025, 149532 (год публикации - 2025)
10.26902/JSC_id149532

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках второго этапа выполнения проекта были проведены теоретические исследования электронных, магнитных и спин-транспортных свойств ряда материалов с целью оценки их применимости в спинтронных устройствах нового поколения. Сначала были смоделированы и рассмотрены периодические туннельные магнитные гетероструктуры (ТМГ, прототип спиновых клапанов) на основе полуметаллического сплава Гейслера Co2FeGe1/2Ga1/2 (CFGG) в сочетании с немагнитными многослойными пленками дихалькогенидов переходных металлов (WTe2, WS2). Используя метод теории функционала плотности, было установлено, что по аналогии с непериодическими границами раздела, при определенных терминациях поверхности сплава удается сохранить устойчивую полуметалличность и высокую степень спиновой поляризации вблизи поверхности. Кроме того, показано, что средний (из трех) слой ДПМ сохраняет полупроводниковый характер с шириной запрещенной зоны порядка 1 эВ, в то время как в контактирующих с электродами слоях наблюдается разрушение запрещенной зоны и выраженная спиновая асимметрия. Далее в проекте были напрямую рассчитаны характеристики спинового транспорта в ТМГ на основе CFGG/MoTe2/CFGG. С помощью метода баллистического транспорта и неравновесных функций Грина было показано, что в параллельной конфигурации проводимость ТМГ для состояний спин-вверх на 7 порядков превышает проводимость для спин-вниз, что свидетельствует о высоком уровне спиновой фильтрации, обусловленной ранее доказанной стабильностью полуметалличности вблизи границы раздела. В антипараллельной конфигурации проводимость симметрична для обоих спиновых каналов, что подтверждает корректность модели. Итоговый рассчитанный коэффициент туннельного магнитосопротивления достигает значений 4×10^5 %, что существенно превышает многие экспериментальные и теоретические оценки из литературы для традиционных составов ТМГ. Кроме того, изначальный проект был расширен за счет анализа магнитных свойств тетрагональной фазы GdAlSi, потенциально обладающей уникальными альтермагнитными свойствами — нового магнитного класса, сочетающего нулевую намагниченность с эффективным спиновым расщеплением. Моделирование различных терминаций и толщин плёнок показало, что внеплоскостная антиферромагнитная конфигурация (AFM-UDUD) является наиболее стабильной. При этом эффект нерелятивистского спинового расщепления сохраняется вплоть до толщины в два монослоя, что подтверждает возможность наблюдения связанных с альтермагнетизмом свойств в двумерных системах. При дальнейшем уменьшении толщины до одного слоя или меньше симметрия нарушается, и признаки альтермагнитного поведения исчезают. Дополнительные расчеты также показали повышение концентрации носителей заряда в однослойных пленках по сравнению с объемным кристаллом, что повышает эффективность их применения в области спинтроники. Проведенные исследования продемонстрировали широкий потенциал новых гетероструктур и магнитных пленок для применения в спинтронике. Установлено, что сочетание полуметаллических электродов и дихалькогенидов переходных металлов позволяет создавать стабильные спиновые клапаны, а материалы с альтермагнитным порядком открывают путь к разработке наноэлектронных устройств с новыми физическими принципами.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Глобальный рынок спинтроники прогнозируется к росту до $8,2 млн в 2030 г., а рынок MRAM ожидает увеличение до $84,77 млрд к 2034 г. Благодаря новым туннельным магнитным гетероструктурами с высокими значениями КМС, отечественные технологии могут стать конкурентоспособными на мировом рынке микросхем памяти и логических элементов. Кроме того, спинтронные устройства обладают высокой чувствительностью к малым магнитным полям, что делает их идеальными для неинвазивной регистрации. Они могут применяться в имплантируемых медицинских датчиках для постоянного мониторинга сердечной и мозговой активности, а также в качестве датчиков магнитных онкомаркеров и при диагностике других заболеваний.