Коллектив ученых из России и Тайваня впервые экспериментально обнаружил и теоретически обосновал возникновение антиферромагнитного слоя в композитном материале из углеродной пленки и наночастиц кобальта. Возникновение такого слоя в материале из полупроводника и намагниченного вещества приводит к появлению так называемого обменного сдвига — изменению в реакции намагниченности материала в ответ на внешнее магнитное поле. Материал с такими свойствами может быть использован для устройств спинтроники. Спинтроника — это новая отрасли электроники, которая позволит уменьшить размеры и повысить скорость работы электронных устройств. Материалы исследований опубликованы в журналах Carbon и Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Схематическое изображение ориентации спинов в&n...

Схематическое изображение ориентации спинов в антиферромагнитном слое на границе углерода и кобальта. На врезке электронно-микроскопическое изображение поперечного среза кобальта/углерода и графическое изображение обменного сдвига при магнетизации материала.

Спинтроника — новая отрасль электроники, в которой для хранения информации или передачи сигнала используются не только электрические сигналы, но и магнитные поля. Разобраться в том, что такое спин без формул или сложных выкладок практически невозможно. Для самого общего понимания будет достаточно знать, что спин характеризует магнитный момент электрона. Физики изображают спин в виде стрелки. Если представить электрон в виде вращающегося вокруг своей оси шарика, то, в зависимости от направления вращения, спин может быть направлен либо в одну, либо в другую сторону.

Вещества, в которых спины электронов ориентированы в одном направлении, называют ферромагнетиками. Они обладает магнитными свойствами без внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам относятся, например, железо или кобальт. У антиферромагнетиков, наоборот, спины электронов равны по силе, но направлены противоположно, они как бы компенсируют друг друга. В результате такое вещество обладает малой магнитной восприимчивостью и слабо реагирует на внешние магнитные поля. Создавая слоистые структуры из ферромагнитных и немагнитных материалов можно получать устройства, которые проводят или не проводят ток, в зависимости от ориентации спинов. Так получается простейшее устройство спинтроники.

Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (ФИЦ КНЦ СО РАН), Сибирского федерального университета и нескольких университетов Тайваня получили композитный материал из углеродной пленки с вкраплениями наночастиц кобальта. В этой паре кобальт является веществом с выраженными магнитными свойствами, а углерод — полупроводником. Однако при исследовании магнитных свойств композита выяснилось, что он обладает свойством характерным для слоистых структур из ферромагнитных и антиферромагнитных материалов. Это так называемый обменный сдвиг — не симметричное усиление и уменьшение намагниченности материала при последовательных переключениях направления внешнего магнитного поля. Оказалось, что на границе между кобальтом и углеродом, в результате взаимодействия электронов двух этих элементов, возникает тонкий антиферромагнитный слой. Этот эффект для структуры из углерода и ферромагнитного металла был зафиксирован и получил теоретическое объяснение впервые.

«Вообще мы движемся параллельно, в нашем институте сейчас разрабатываются схожие структуры, но на основе железа и кремния. В данном исследовании за основу взят углерод. У углерода есть одно важное преимущество. Это относительно дешевый материал. Более-менее понятно, как делать углеродные пленки. Но до каких-то промышленных применений пока далеко. Да, обнаружено, что при взаимодействии кобальта и углерода возникает антиферромагнитный слой. Наличие такого слоя — основа для использования спиновых эффектов, то есть управления электромагнитными свойствами материала с помощью внешнего магнитного поля. Вполне возможно, что в будущем использование других веществ, не кобальта, позволит получить более эффективные материалы. Сейчас во всем мире идут поиски материалов и попытки выйти на промышленное производство спиновых транзисторов. Это уменьшит размеры и ускорит работу многих электронных устройств», — рассказывает один из авторов работы, доктор физико-математических наук, заместитель директора Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Сергей Овчинников.

Электронно-микроскопические изображения попереч...

Электронно-микроскопические изображения поперечного среза многослойной структуры кобальта/углерода (Co/C) в исходном состоянии (слева) и после быстрого нагрева в вакууме до 600 градусов Цельсия (справа) полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения JEOL JEM-2100 в лаборатории электронной микроскопии ЦКП ИИФиРЭ СФУ. В исходном состоянии пленка представляет собой многослойную структуру Co/C (толщина индивидуального слоя кобальта — 6 нм, аморфного углерода — 5 нм). В результате быстрого нагрева формируется графитоподобная структура с характерным для графита межплоскостным расстоянием 0.34 нм.

Спиновые эффекты сегодня массово используются в жестких дисках памяти на всех без исключения электронных устройствах. Принцип работы спинтроники в этом случае прост. Информация в компьютере записывается и передается в виде последовательностей двух символов 0 и 1. Для того чтобы сохранить, а после считать эту информацию нужны крошечные устройства, которые могут находиться в двух состояниях. Например, вкл. — 0, а выкл. — 1. Диск памяти — это последовательность таких устройств, каждое из которых при взаимодействии со считывающей головкой будет находиться в нужном состоянии. Начиная с середины нулевых годов для производства жестких дисков памяти стали применять считывающие головки, использующие спиновые эффекты спинтроники. Взаимодействие магнитного поля, спинов ячейки и считывающей головки, ориентирует спины таким образом, что ячейка либо пропускает, либо не пропускает ток — состояния 0 или 1.

«Наше исследование — это классический пример международного сотрудничества. Сергей Жарков из Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, работая в центре коллективного пользования Сибирского федерального университета, обладает уникальным умением исследовать магнитные частицы на электронном микроскопе высокого разрешения. Все анализы структуры материала в этом исследовании — его рук дело, — поясняет особенности работы Сергей Овчинников — мой вклад был связана с теоретическим анализом причин возникновения антиферромагнитного слоя. Когда спиновые эффекты стали использовать для создания жестких дисков, произошел скачок в скорости считывания и объемах хранения информации. Сейчас электроника на основе полупроводников приближается к пределу миниатюризации. В классическом полупроводнике мы управляем его состоянием с помощью электрического поля. Если мы создаем спиновый транзистор, то добавляется возможность управлять его состоянием с помощью магнитного поля. Такие устройства занимают меньше места, работают быстрее и выделяют меньше тепла, чем обычные полупроводниковые конструкции. Более того, в нашей работе с тайванскими коллегами в качестве основного материала используется не привычный для электроники кремний, а углерод. Углеродная электроника рассматривается многими, как следующий, посткремниевый этап развития компьютерных технологий»

Исследование выполнено в рамках долгосрочного сотрудничества между Сибирским отделением Российской академии наук и Министерством науки и технологий Тайваня. Работа выполнялась в рамках проекта Совета по грантам при Президенте РФ по поддержке ведущих научных школ. Подробности исследования можно уточнить у Сергея Геннадьевича Овчинникова.

Группа научных коммуникаций Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН»