ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

— Сегодня в информатике все шире используются магнитные материалы. Специалисты в области спинтроники (спиновой электроники) разрабатывают электронные приборы и устройства, в которых спин электрона наравне с его зарядом (как в классической электронике) используется для получения, обработки, хранения и передачи информации. В последние годы в спинтронике особенно актуальными стали исследования антиферромагнитных материалов — материалов с несколькими (минимум двумя) магнитными подрешетками, векторы намагниченности которых ориентированы почти противоположно друг другу, но под углом, меньшим 180°. В литературе за такими магнитными материалами закрепился термин «слабые ферромагнетики», поскольку величина вектора «антиферромагнетизма» по модулю существенно больше величины вектора «ферромагнетизма», а соответствующая область науки получила название антиферромагнитной (АФМ) спинтроники. Ортоферрит иттрия — классический модельный слабый ферромагнетик.

Для наноструктур со слоями из антиферромагнитных материалов были предсказаны принципиально новые эффекты, непосредственно связанные с физическими особенностями их магнитной подсистемы.

— Как правило, физические свойства материала начинают исследовать на образцах с типичными размерами порядка миллиметров. Такие материалы называют объемными. Когда мы говорим о тонких пленках, то имеем в виду толщины порядка нанометров или одной миллиардной части метра. Изменение размеров или толщин от тысячных до миллиардных долей метра критично для физических свойств. Встает фундаментальный вопрос о том, насколько свойства наноразмерных объектов (тонких пленок, нанопорошков, нанотрубок, нанопроволок) могут отличаться от свойств объемных материалов того же химического состава. Для возникновения этих отличий существует множество причин. Прежде всего, с существенным уменьшением размеров объекта отношение площади его поверхности к объему сильно возрастает, и все более важную роль начинают играть явления и механизмы, связанные с поверхностью. Так, с уменьшением толщины тонких пленок существенно возрастает роль явлений, обусловленных границей раздела между пленкой и подложкой, которая в данном случае представляет собой объемный материал с толщиной порядка долей миллиметра. Практически никогда в системе пленка/подложка не удается подобрать такую пару материалов, для которой параметры их кристаллических решеток (расстояния между атомами, а также их взаимное расположение, характеризующее симметрию кристаллической структуры) совпадали. Рассогласование этих кристаллографических параметров неизбежно приводит к появлению механических напряжений на границе раздела. Кроме того, процесс роста тонких пленок, как правило, идет при повышенных температурах с последующим охлаждением до комнатной температуры, из-за чего возможны взаимная диффузия материалов, изменения состава интерфейсных слоев вплоть до образования новых фаз. Исследования этих процессов чрезвычайно актуальны, если мы хотим использовать новые тонкопленочные наноструктурные материалы в современных прорывных технологиях.

— В 1980-е годы были разработаны физические модели, описывающие основные закономерности поведения магнитной подсистемы двухподрешеточных антиферромагнетиков. Тогда же было установлено, что только в ортоферрите иттрия наблюдается очень большая скорость движения доменных стенок: порядка 20 километров в секунду при комнатной температуре. Однако тонкие пленки ортоферрита были получены сравнительно недавно, и необходимо было выяснить, как их свойства соотносятся со свойствами объемного материала. Измерения свойств тонких пленок и наноструктур представляют собой технически очень сложную задачу, поскольку масса исследуемого материала очень мала. Эту потерю массы можно компенсировать увеличением мощности зондируемого воздействия, используя, например, синхротроны.

Наиболее существенной характеристикой существования АФМ магнитной фазы является температура Нееля: при более высокой температуре антиферромагнитное упорядочение отсутствует. Для тонких пленок магнитных материалов этот вопрос чрезвычайно важен. При очень малых толщинах пленки могут терять свои магнитные свойства, либо эти свойства будут сильно отличаться от свойств объемных материалов. В литературе можно встретить термин «магнито-мертвые слои», который первоначально был введен для очень тонких пленок вблизи границ раздела. С увеличением толщины пленок магнитные характеристики начинают все более приближаться к таковым для объемных материалов, но быстроту приближения, как правило, очень сложно предсказать. Единственный надежный источник — экспериментальные результаты.

Как показали наши исследования, проведенные на синхротроне ESRF (Гренобль, Франция), пленки ортоферрита иттрия являются «слабо ферромагнитными» до толщин порядка 4 нм. Характеристики такого магнитного состояния несколько хуже, чем у объемного материала, но магнитное упорядочение не исчезает и при таких очень малых толщинах. Это дает основания утверждать, что основные магнитные характеристики, ранее определенные для объемных материалов, с соответствующими поправками, зависящими от конкретного значения толщины, могут быть использованы до этих толщин (~4 нм). Полученные результаты имеют важное значение для развития физики и технологий наноструктур, в которых используются слои из магнитных материалов с антиферромагнитным упорядочением. На основе таких наноструктур сегодня разрабатываются прототипы устройств сотовой связи следующего поколения 6G, которые будут работать в диапазоне частот от 300 ГГц до 3 ТГц.