Исследователи БФУ имени Иммануила Канта в составе международной команды провели уникальный эксперимент по изучению магнитных свойств тонких пленок на основе соединений металлов. В рамках эксперимента исследователи обнаружили новые важные эффекты формирования спинтронных структур, в основе работы которых лежит изменение магнитных моментов (спинов) электронов. Так, например, в многослойных пленках на основе кобальта-железа-бора при нанесении слоя молибдена авторы описали ключевой для современных спинтронных устройств эффект перпендикулярной магнитной анизотропии. Результаты исследования опубликованы в журнале Vacuum.
Спинтроника — это одна из наиболее быстро развивающихся областей современной наноэлектроники, в которой устройства для работы используют спиновую степень свободы электронов. С помощью таких устройств можно достичь большой плотности записи данных при высокой ее скорости, существенно снизить энергопотребление, а также создать ячейки памяти, способные хранить информацию даже при отключении питания. Для реализации таких устройств нужны материалы с особыми магнитными свойствами. Одно из них — перпендикулярная магнитная анизотропия — способность тонких материалов в виде пленок намагничиваться в направлении, перпендикулярном их плоскости (то есть по своей очень небольшой толщине). Однако исследовать это явление в тонких металлических пленках, которые можно использовать в спинтронике, сложно из-за малых масштабов и интерфейсных эффектов. Существующие подходы не обеспечивают необходимой точности, поэтому ученые ищут эффективные альтернативы.
Исследователи из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта с коллегами из Швеции, Франции и Германии сформировали многослойные тонкие пленки из различных соединений металлов и в режиме реального времени исследовали их магнитные свойства. Эксперимент провели с использованием специально разработанной установки: компактной вакуумной камеры, интегрированной в нейтронный рефлектометр — прибор, подающий пучки нейтронов (нейтральные частицы) на исследуемый материал. По отражению нейтронов от образца можно с высокой точностью отслеживать магнитные свойства атомных слоев. Такая система позволяет выращивать многослойные тонкие пленки в реальном времени и сразу измерять их свойства.
Камера для нанесения слоев работает по принципу лазерного напыления: под действием лазера тонкие слои соединений металлов осаждаются на кремниевую подложку, формируя структуру толщиной в миллионные доли миллиметра. После каждого осажденного слоя на образец направляется пучок нейтронов, которые, взаимодействуя с магнитными моментами атомов, отражаются специфическим образом. Это позволяет фиксировать изменения в магнитной структуре с атомарной точностью.
Эксперимент с использованием тонких пленок из кобальта-железа-бора показал, что при нанесении на них слоя молибдена возникает перпендикулярная магнитная анизотропия. Этот эффект объясняется влиянием тяжелых атомов молибдена на соседние магнитные атомы, что заставляет их ориентироваться перпендикулярно плоскости пленки. Перпендикулярная магнитная анизотропия — ключевой эффект для современных спинтронных устройств, поэтому его обнаружение потенциально позволит использовать исследуемые структуры в спинтронных устройствах.
Мы смогли наблюдать, как именно на границах слоев начинают формироваться магнитные свойства, которые критически важны для устройств хранения данных и энергоэффективной электроники. Это стало возможным благодаря уникальной международной коллаборации и использованию передовой установки нейтронной рефлектометрии,— комментирует Петр Швец, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией сложных оксидов БФУ им. И. Канта.
Исследования проводятся в рамках Десятилетия науки и технологий в России.