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 26-29-20055
НазваниеСоздание магниторезистивных устройств на основе нового перспективного источника эффективной генерации спин-поляризованного тока - аморфного бинарного нестехиометрического сплава Гейслера Fe65Si35
Руководитель Ивков Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" , Воронежская обл
Конкурс №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые слова Сплавы Гейслера, спиновая поляризация, электронное строение, ферромагнетизм, тонкие пленки, транспортные свойства, магнитооптические свойства, спинтроника, аморфные материалы, многослойные наноструктуры, туннельное магнетосопротивление, межфазные взаимодействия
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Поиск новых магнитных материалов для использования в качестве ферромагнитного электрода в устройствах современной области твердотельной электроники – спинтроники является актуальной задачей. В настоящее время, эффективная генерация спин-поляризованного тока в наноструктурах различной архитектуры все еще неразрешенная проблема, требующая неотложного решения. Наиболее распространенный ферромагнетик, применяемый в производстве магниторезистивной оперативной памяти, магнитных датчиков - это аморфный сплав CoFeB. Однако его значение спиновой поляризации на уровне Ферми ограничивает дальнейшее развитие устройств на основе наноразмерного эффекта туннельного магнетосопротивления. Поэтому, для перехода разработке устройств спинтроники следующего поколения, в качестве источника спин-поляризованного тока были предложены сплавы Гейслера. Их теоретически предсказанная 100% спиновая поляризация на уровне Ферми, большой магнитный момент, высокая температура Кюри и совместимость кристаллической решетки с большинством элементов современной микроэлектроники сделали полуметаллические сплавы Гейслера предметом пристального внимания научных групп и IT-корпораций всего мира. Тем не менее, полуметалличность тонких пленок сплавов Гейслера не была достигнута, что связано с наличием дефектов в реальных структурах. Примером принципиально нового подхода к этой проблеме является предложение использовать аморфные ферромагнитные сплавы Гейслера, вместо упорядоченных кристаллических ферромагнитных материалов. Переход на проектирование аморфных наноструктур также актуален тем, что технология изготовления идеально упорядоченных кристаллических тонких пленок сплавов Гейслера требует дорогостоящего сверхтехнологичного оборудования, в отличие от технологий создания аморфных материалов. В ряде научных исследований была продемонстрирована принципиальная возможность производства аморфных тонких пленок на основе нестехиометрического сплава Гейслера со значениями спиновой поляризации и выдающимися электротранспортными и магнитооптическими свойствами, превышающими сплав CoFeB. Однако необходимо отметить, что до сих пор не было представлено ни экспериментальных, ни теоретических исследований, объясняющих фундаментальные механизмы перехода сплава от высоких значений спиновой поляризации к низким. Теме не менее, данные дают основание полагать, что использование таких соединений в магниторезистивных устройствах позволит существенно увеличить значение туннельного магнетосопротивления и приведет к созданию приборов спинтроники следующего поколения. Например, в качестве эффективного источника спин-поляризованного можно использовать аморфный нестехиометрический бинарный сплав Гейслера Fe65Si35, обладающий 70% спиновой поляризацией. В Проекте планируется создание и исследование аморфных многослойных наноструктур на основе ферромагнитного сплава Гейслера Fe65Si35 с диэлектрическими прослойками Al2O3. Предполагается изготовление серии образцов с различными параметрами слоёв и прослоек и изучение закономерностей изменения значений туннельного магнетосопротивления и изменения электромагнитных свойств в зависимости от параметров слоёв. Для этого будет проведен синтез и экспериментальное исследование морфологии, электронного строения, электротранспортных и магнитных свойств серии многослойных наноструктур Fe65Si35/Al2O3. В результате проведенных исследований будут получены новые сведения о закономерностях и механизмах наблюдаемых переходов от низких значений магнетосопротивления к высоким, в зависимости от относительных толщин слоёв, элементного состава и электронного строения многослойных наноструктур Fe65Si35/Al2O3; разработка фундаментальных основ механизмов наблюдаемых переходов с помощью полученных новых экспериментальных данных об особенностях локальной атомной и электронной структуры; исследование влияния электронной структуры на электротранспортные, магнитные и магнитооптические свойства.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты:
- будут изготовлены и экспериментально исследованы аморфные многослойные наноструктуры на основе нестехиометрического ферромагнитного сплава Гейслера Fe65Si35;
- будет определена кристаллическая структура, морфология поверхности, толщина, плотность и шероховатость серии многослойных наноструктур Fe65Si35/Al2O3;
- будет исследовано влияние морфологии образцов на электротранспортные, магнетоструктурные, магнитные и магнитооптические свойства этих материалов;
- будут получены новые экспериментальные данные о влиянии изменения параметров слоёв аморфных многослойных наноструктур Fe65Si35/Al2O3 на электронно-энергетическое строение s, p, d оболочек кремния и железа и возможной их гибридизации;
- будет проведено измерение значений туннельного магнетосопротивления для серии многослойных наноструктур Fe65Si35/Al2O3;
- будут получены новые сведения о закономерностях и механизмах наблюдаемых переходов от низкого значения магнетосопротивления к высокому, в зависимости от параметров слоёв и электронного строения многослойных наноструктур Fe65Si35/Al2O3;
- будут выработаны рекомендации по использованию полученных в ходе проекта результатов экспериментальных исследований для разработки новых технологий и устройств спинтроники на основе эффекта туннельного магнетосопротивления.
Полученные в ходе выполнения проекта научные результаты будут направлены на разработку новых материалов для магнитных применений, учитывающих их специфическую электронную структуру. Особый акцент ставится на проектирование нового соединения, которое сможет успешно заменить сплав CoFeB в качестве источника спин-поляризованного тока. Результаты исследований новых ферромагнитных электродов со спин-поляризованными характеристиками могут быть востребованы для разработки магниторезистивной оперативной памяти, магнитных датчиков, считывающих головок жестких дисков, а также новых логических элементов следующего поколения.
По результатам выполнения данного проекта российские научные группы и предприятия микроэлектронной промышленности смогут принять участие в гонке за создание технологии перехода на второе поколение устройств спинтроники «спиновая динамика (spin dynamics)», где источник спин-поляризованного тока должен иметь значение спиновой поляризации около 100%. Это поколение включает в себя магниторезистивную оперативную память, спин-поляризованную сканирующую туннельную микроскопию и другие. В перспективе же находятся устройства третьего поколения, включающие в себя спиновую память (racetrack spin memory), источники спина (spin sources), спиновые диоды и транзисторы, спиновые генераторы сигнала (spin oscillators). Кроме того, наша научная лаборатория уже имеет удачный опыт создания и изучения нанокомпозитных и многослойных наноструктур на основе аморфных ферромагнитных сплавов CoFeB и CoFeZr с различной полупроводниковой и диэлектрической матрицей. Успешное создание нового материала для эффективной генерации спин-поляризованного тока позволит, уже на отработанной производственной и исследовательской базе, в краткие сроки создать опытные образцы магниторезистивных устройств.
Научные результаты будут опубликованы в ряде статей в высокорейтинговых специализированных журналах.