Зачем нужно испарять и окислять железо
Магнитная нанопленка позволит компьютерам и смартфонам работать дольше
Ученые из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН) разработали ультратонкую магнитную нанопленку, которая позволит электронным устройствам работать на спиновом токе.
Фото: Reuters
Современные электронные устройства работают на полупроводниках, самый распространенный из которых — кремний, поэтому электроника называется кремниевой. Главный принцип работы такой электроники — это электрический ток, то есть направленное перемещение электронов, переносящих заряд.
В устройствах магнитоэлектроники (спинтроники) электроны никуда не перемещаются — переориентируются спины электронов. Спин можно условно представить как характеристику вращающегося электрона и возникающий при этом вращении магнитный момент. Одновременно спин электрона можно сравнить с магнитной стрелкой, которая имеет только два положения: «вверх» и «вниз». Изменять поляризацию спинов электронов, то есть переключать стрелку из одного положения в другое, можно с помощью магнитного поля. Таким образом можно передавать не только спиновый ток (аналог электрического), но и, например, переключать компьютерные биты: одно положение спина будет соответствовать нулю, другое — единице.
Этот эффект предлагается использовать, например, для записи, хранения и считывания информации. Спинтронные жесткие диски будут работать без помощи магнитной катушки, благодаря подводимому к ним электрическому току. Такие диски не будут самопроизвольно размагничиваться. Кроме того, одно и то же устройство будет представлять собой и элемент памяти, и элемент логики одновременно. Однако сегодня здесь существует один главный и нерешенный вопрос: как надежно контролировать и удерживать поляризацию спинов?
Главное в этом — тонкая магнитная пленка, которую ученые смогли получить с помощью технологии реактивного осаждения. В ее основе лежит химическая реакция между атомами железа и молекулами кислорода на поверхности кремниевого кристалла, покрытого слоем оксида кремния. Процесс происходит в стерильной вакуумной камере. Внутри находится разогретая до температуры около 1500 градусов небольшая пластинка железа. Атомы железа испаряются и оседают на кремниевой подложке. Одновременно ученые подают в камеру кислород, поступление отдельных атомов которого контролируют с помощью специального вентиля. Структура полученной таким образом пленки варьируется под влиянием разного количества молекул кислорода, подаваемого в камеру.
«Технология позволяет получить пленку магнетита (Fe3O4) с высокой чистотой состава, что важно для поляризации спинов. Недостаток в том, что ее вряд ли можно использовать для промышленного производства. Однако в этот раз перед нами стояла задача определить оптимальные условия для получения пленки, с чем мы успешно справились. Добиться этих условий роста вполне возможно и другими методами»,— рассказал инженер кафедры физики низкоразмерных структур Школы естественных наук ДВФУ, старший научный сотрудник лаборатории гибридных структур Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Вячеслав Балашев.
Толщина такой пленки всего 75 нанометров, а ее магнитные и магнитоэлектрические свойства могут помочь в разработке высокопроизводительных гибридных устройств полупроводниковой электроники с новыми спинтронными элементами.
«Современная электроника практически достигла предела развития. Это связано с невозможностью дальнейшего уменьшения ее функциональных элементов ввиду ряда физических ограничений. Я уверен, что интеграция кремниевой электроники и энергоэффективной спинтроники уже не за горами»,— заключил доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ Александр Самардак.