Новые возможности для реализации спинтронных приборов

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в сотрудничестве с Московским инженерно-физическим институтом (МИФИ) созданы новые наноструктуры, которые позволяют реализовать энергонезависимую магниторезистивную память.

Стремительный процесс миниатюризации полупроводниковых приборов требует новых материалов. В обычной полупроводниковой электронике в качестве носителя информации используется электрический заряд электрона. В так называемой спинтронике в качестве носителя информации предполагается использовать спиновое состояние электрона. Управлять этим состоянием можно с помощью магнитного поля. Представляем только что завершенную работу, в которой получены и исследованы наноструктуры ферромагнетик-изолятор-ферромагнетик на основе FeSix и FeOy. ФИАН и МИФИ давно и плодотворно сотрудничают по ряду направлений. Несколько десятков лет работает Высшая школа физиков ФИАН-МИФИ. Подобная интеграция ведущих исследовательских институтов и вузов является одним из наиболее эффективных путей достижения научных результатов, в ходе которых осуществляется подготовка научных кадров высшей квалификации. Целью работы, выполненной молодым ученым Александром Юрьевичем Гойхманом под руководством кандидата физ.-мат. наук Андрея Владимировича Зенкевича и доктора физ.-мат. наук, профессора, заместителя директора Физического института им. П.Н.Лебедева РАН Владимира Николаевича Неволина, была разработка оптимальных условий формирования и функционирования таких наноструктур.

"Среди возможных материалов электрода в элементах магнитной памяти особый интерес представляет использование полуметаллов, которые потенциально могут давать значения спиновой поляризации электронов, близкие к 100%. Однако достижение такого предельного теоретического значения в объемном материале невозможно. А вот свойства предельно тонких слоев совершенно иные, именно в них и возможна реализация максимальных значений спиновой поляризации. При этом критически важна как комбинация материалов ферромагнитных электродов и туннельного изолятора, так и гладкость межслойных границ, да и другие факторы влияют на результат. Например, существенно даже, какая именно атомная плоскость является терминальной (граничной) в слое", - рассказывает Александр Гойхман.


Весьма важен подбор пары соседних электродов, разделенных тончайшим (1-2 нм) слоем диэлектрика. Каждый из этих электродов (слоев) обладает ферромагнитными свойствами, однако важно такое сочетание их свойств, чтобы одно и то же внешнее магнитное поле меняло ориентацию намагниченности в одном из электродов и одновременно оставляло неизменной ориентацию намагниченности в соседнем электроде.

Комментирует Владимир Николаевич Неволин: "В принципе такое направление, как спинтроника, прямо относится к разряду нанотехнологических вещей. Надо контролировать направление спинов, т.е. намагниченность среды и уметь "переворачивать", менять относительную ориентацию спинов в соседних, отстоящих друг от друга буквально на пару нанометров областях. Ясно, что без привлечения широкого спектра прецизионных аналитических методов, "на коленке", решать эту проблему бессмысленно. Применяемый нами метод импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме именно и позволяет одновременно и осуществлять формирование наноструктур, и анализировать процесс on-line, контролируя толщину и гладкость получающегося слоя с точностью до одной десятой доли (!) атомной плоскости. С точки зрения отработки начальных этапов создания таких новых материалов с заданными свойствами нужен именно лазер как самая простая в управлении и в то же время весьма идеально вписывающаяся в любой свервысоковакуумный объем система."

Таким образом, предложена новая комбинация материалов и разработан способ формирования структур FeOy/MgO/FeSix, обладающих независимым переключением намагниченностей в ферромагнитных слоях при сверхтонком изолирующем слое. Эта ячейка может стать базовой для всех будущих приборов, использующих эффект "гигантского" магнитосопротивления.