Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Традиционная электроника, основанная на манипулировании, хранении и транспорте электрического заряда, столкнулась с фундаментальными физическими ограничениями. Дальнейшее развитие наноэлектроники требует новых решений и принципов создания элементной базы. Ожидается, что спинтроника, использующая не только заряд, но и спин электрона для хранения и передачи информации, приведет к новому типу элементов логики и энергонезависимой памяти, основываясь на низких потреблении и диссипации энергии при манипулировании спином. Особенно важна полупроводниковая спинтроника, приводящая к усилению сигналов и транзисторному эффекту. Ввиду исключительной важности кремниевой технологической платформы особая роль отводится кремниевой спинтронике. Преимуществами Si являются слабое спин-орбитальное взаимодействие и большое время деполяризации спина. Для внесения спиновой поляризации в немагнитный кремний необходимо использование спиновых инжекторов. Ферромагнитные металлы могут быть использованы в этом качестве только при наличии туннельных барьеров, что приводит к низкой эффективности. В данном проекте мы разрабатываем спиновые инжекторы в кремний на основе магнитных полупроводников, а именно EuO. Известно, что введение графена - минимального барьера толщиной в один атом - приводит к понижению контактного сопротивления для спиновой инжекции в кремний. Кроме того, графен химически инертен и термически устойчив, что дает возможность контролируемого введения допанта в спиновый инжектор EuO без риска побочных химических реакций. Поэтому, основной задачей проекта в отчетный год являлось создание спинового инжектора EuO/графен. Халькогениды европия пользуются все большей популярностью для создания спиновой поляризации в материалах. Поэтому, система EuO/графен исключительно привлекательна для активно развиваемой сейчас графеновой спинтроники. В частности, ее предлагают использовать для создания спиновых вентилей и фильтров, огромного анизотропного магнитосопротивления, одноэлектронных транзисторов, нелокальных спиновых транзисторов, наблюдения квантового аномального эффекта Холла, контролируемых эффектов спин-долинного расщепления. Предпринимавшиеся ранее попытки роста EuO на графене привели к текстурированным пленкам с неопределенными свойствами, то есть задача синтеза EuO на графеновом слое была нерешенной. Мы провели исследование режимов роста EuO на графене методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Были тщательно исследованы различные варианты синтеза - мягкие условия, близкие к порогу режима дистилляции, условия сильного избытка европия при высокой температуре подложки, условия низкой температуры, условия двухстадийного роста EuO. Для всех возникающих проблем роста - переокисления EuO с образованием высших оксидов, образования включений EuO с неправильной ориентацией кристаллитов, недоиспарения Eu, образования поликристаллических пленок - предложены пути решения. На основе этих исследований нам удалось разработать устойчивую методику синтеза эпитаксиальных пленок EuO на графеновом слое. Для этого мы использовали в качестве зародышевого слоя субмонослойную поверхностную фазу европия на графене с покрытием 1/6. Используя данную методику можно получать и родственные гетероструктуры. Так, нам удалось получить на графеновом подслое пленки EuO, допированного гадолинием. Аналогично, мы вырастили EuO на двухслойном графене. Существенным элементом работ по проекту являлись структурные исследования. Уже в ростовой камере структурный контроль осуществлялся методом дифракции быстрых электронов. Вне ростовой камеры проводились исследования методами рентгеновской дифракции и рефлектометрии. Тем самым определялись параметры решетки, присутствие побочных продуктов реакции, наличие кристаллитов с неправильной ориентацией - свойства пленок, необходимые для корректировки режимов роста. Микроструктура и химический состав пленок были исследованы методами аналитической электронной микроскопии. Для пленок получены поперечные срезы, которые изучены в темнопольном и светлопольном режимах для определения кристалличности пленок, резкости границ, наличия побочных фаз и дефектов, стехиометрии фаз. С использованием спектроскопии характеристических потерь энергии электронов определено валентное состояние Eu. Значительный интерес в пленках EuO представляет ферромагнетизм. Он чувствителен как к качеству пленок, так и к допированию EuO. Нами были изучены магнитные свойства спиновых инжекторов EuO/графен, измерены как температурные зависимости намагниченности в различных продольных полях, так и полевые зависимости при разных температурах. Эти измерения позволили определить магнитные характеристики пленок, такие как температура Кюри, коэрцитивная сила, магнитный момент иона европия в области насыщения, температурная константа и эффективный магнитный момент в зависимости Кюри-Вейса выше температуры ферромагнитного перехода. Для определения качества пленки важным параметром была определенная эффективная толщина слоя EuO, которая сравнивалась с номинальной для корректировки режима роста в случае их заметного несовпадения. В отчетный год были проведены значительные работы по исследованию транспортных свойств выращенных гетероструктур. Сначала были разработаны омические контакты на основе сплава Ag-Sn-Ga, с их использованием получены температурные зависимости сопротивления, а для ряда температур кривые магнитосопротивления и эффекта Холла. Во всех образцах графена удельное сопротивление слабо зависит от температуры, что характерно для графена. Сопряжение графена с EuO, а также со слоем Eu, приводит в наших экспериментах к тому, что транспортные свойства графена меняются - магнитосопротивление сильно возрастает, а эффекты слабой локализации оказываются сильно подавленными; концентрация носителей возрастает в несколько раз, но происходит небольшое падение подвижности носителей заряда. При этом, что особенно важно, появляется аномальный вклад в эффект Холла, отсутствующий в исходных образцах графена и сохраняющийся вплоть до комнатной температуры, что говорит о возникновении спиновой поляризации носителей заряда. Знак носителей заряда при допировании, как правило, менялся на отрицательный. В некоторых допированных Eu образцах, в магнитосопротивлении наблюдался эффект Шубникова-де Гааза. Оценка из Фурье-спектра шубниковских осцилляций квантовой подвижности электронов дала значение 26000 см^{2} В^{-1} с^{-1}. Следует отметить, что в этих образцах холловское сопротивление содержит как аномальную часть эффекта Холла, так и шубниковские осцилляции поперечного электросопротивления, что может свидетельствовать о высокой подвижности спин-поляризованных электронов. Данные результаты соответствуют мировому уровню исследований и могут существенно повлиять на развитие как кремниевой, так и графеновой спинтроники - областей, в которые сейчас инвестируется колоссальное количество ресурсов.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Современная электроника, использующая хранение, манипулирование и транспорт электрического заряда, ищет пути развития, позволяющие обойти фундаментальные физические ограничения, препятствующие дальнейшей миниатюризации и повышению производительности элементов электроники. Одним из ведущих направлений развития электроники является спинтроника, использующая спин электрона для создания энергоэффективных элементов логики и памяти. Множество важных материалов, таких как кремний, германий, графен, другие двумерные системы, являются немагнитными. Тем не менее, их использование в спинтронике может быть обеспечено за счет создания в них спиновой поляризации. Ключевым элементом таких исследований является сопряжение немагнитных материалов с ферромагнитными изоляторами, что позволяет избежать проблем рассогласования проводимостей и шунтирования. Для этих целей зачастую используются ферромагнитные полупроводники EuO и EuS, дающие преимущества в простоте структуры, качестве интерфейсов и электрофизических свойствах. Значительным недостатком этих материалов являются относительно низкие температуры Кюри. Работы в отчетном году были в основном посвящены способам повышения рабочих температур EuO. Для работы EuO в качестве спинового инжектора при более высоких температурах, чем в настоящее время, необходимо увеличение температуры Кюри. Мы исследовали возможность увеличения Tc за счет эффекта близости. Идея состоит в том, что сопряжение ультратонкого слоя EuO с ферромагнитным материалом с более высокой Tc увеличит температурный диапазон, в котором EuO ферромагнитен. В качестве материала с более высокой Tc мы использовали гадолиний. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии мы синтезировали двухслойные структуры Gd/EuO на подложках кремния и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ). При оптимизации параметров синтеза, таких, как температуры подложки и потоки реагентов, нам пришлось решить ряд технологических проблем, связанных прежде всего с реакцией Gd с EuO. В результате удалось получить эпитаксиальные пленки гадолиния на EuO, но только на подложках Si и YSZ с ориентацией (001). На подложках с ориентацией (111) полярные поверхности приводят к неравномерному росту, препятствующему эпитаксии. Атомная структура пленок исследована набором методик: внутри ростовой камеры с помощью дифракции быстрых электронов, а вне ростовой камеры с помощью рентгеновских дифракции и рефлектометрии, а также аналитической электронной микроскопии. Результаты исследований свидетельствуют об образовании слоя Gd с гранецентрированной кубической решеткой, но нетипично малым параметром решетки, что связано с эпитаксиальной стабилизацией подслоем EuO. Одно из основных достижений состоит в том, что все интерфейсы в пленках удалось сделать атомно-резкими. Применимость таких структур определяется их свойствами. Мы исследовали магнетизм и электронный транспорт в пленках Gd/EuO. Исследования температурных и полевых зависимостей намагниченности демонстрируют ферромагнетизм гадолиния, возникающий почти при комнатной температуре, а также дополнительные особенности при температурах, заметно превышающих температуру Кюри EuO. Удивительно, что тип связи между ферромагнитными слоями Gd и EuO оказывается зависящим от температуры. Измерения транспортных свойств затрагивают только слой металлического гадолиния и подтверждают его ферромагнетизм. В то же время, исследования структур Gd/EuO методом рентгеновского магнитного кругового дихроизма позволяют определить магнитные состояния элемент-селективно. Спектры L3 краев поглощения Gd и Eu свидетельствуют о том, что влияние EuO на ферромагнетизм Gd мало, тогда как гадолиний за счет эффекта близости существенно влияет на магнитное состояние EuO, приводя к повышению температуры Кюри. Хотя увеличение температуры Кюри составляет несколько десятков градусов, и она еще далека от комнатной, данное исследование демонстрирует принципиальную возможность такого подхода к изменению свойств материалов спинтроники. С другой стороны, EuO может приводить к магнитным явлениям в сопряженном с ним материале не только за счет обменных, но и спин-орбитальных взаимодействий. В отчетном году мы провели исследования структур EuO, выращенных на графене с оптимизированными условиями роста. В таких пленках транспортные измерения показывают возникновение высокотемпературного ферромагнетизма в графене при температурах, в 3 раза превышающих температуру Кюри оксида европия. Это следует из температурных зависимостей сопротивления, а также магнитосопротивления и аномального эффекта Холла. Альтернативным способом повышения рабочей температуры EuO является его допирование, например, гадолинием. Мы провели исследование перехода металл-изолятор в допированном EuO и нашли, что данный переход в нем предлагает значительные, ранее неизвестные возможности для управления транспортными свойствами. Помимо этого, мы изучили свойства возможных побочных фаз при синтезе оксидов редкоземельных элементов на кремнии и обнаружили, что эти материалы - элементарный Eu и силициды Eu и Gd - проявляют замечательные магнитные свойства, которыми можно управлять с помощью EuO за счет эффекта близости. В 2018 году опубликованы 6 статей в журналах со средним импакт-фактором более 6.5, одна статья подготовлена к печати, получены патенты РФ. Результаты работы представлены на 4 конференциях - всего 6 докладов, из которых 1 приглашенный доклад и 5 устных выступлений.