КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-19-00009

НазваниеСоздание двумерных магнитных материалов и структур для спиновой электроники на базе промышленных полупроводников

РуководительСторчак Вячеслав Григорьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2019 - 2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые словаспинтроника, полупроводники, кремний, германий, монослой, двумерные материалы, германен, графен, молекулярно-лучевая эпитаксия

Код ГРНТИ47.09.48


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Традиционная электроника сталкивается с фундаментальными физическими ограничениями, препятствующими миниатюризации и росту вычислительных мощностей элементов электроники. Спинтроника является альтернативной технологией, способной привести к значительному повышению энергоэффективности. В настоящее время ведущие мировые компании активно работают в этом направлении. В частности, корпорация INTEL в 2016 году объявила спинтронику в качестве одного из двух основных кандидатов для фундаментальной смены полупроводниковой технологии. Особенно перспективны разработки, в которых используются стандартные полупроводниковые платформы. В то же время, стремление к ультракомпактной планарной наноэлектронике предполагает развитие двумерных материалов, сочетающих двумерные слои с различной функциональностью. Среди компонентов таких структур, для приложений в спинтронике исключительно важны двумерные магниты. В 2017 году появились первые сообщения о получении двумерных ван-дер-ваальсовых ферромагнетиков на уровне монослоев [Nature 2017, 546, 265; Nature 2017, 546, 270]. В 2018 году для этих материалов был продемонстрирован ряд важных свойств, таких как гигантское туннельное магнитосопротивление, геликоидальная фотолюминесценция, контроль над магнитным состоянием с помощью электрических полей. Развитие данного направления предполагает создание новых двумерных магнитных материалов, обладающих различными свойствами, необходимыми для приложений. За последний год ряд таких материалов - слоистых соединений на основе переходных металлов - был предложен теоретически, а для нескольких магнетизм был продемонстрирован экспериментально. Наш подход к проблеме относится к редкоземельной спинтронике - нам удалось показать экспериментально [Nature Commun. 2018, 9, 1672], что при переходе к пределу нескольких монослоев соединения MSi2 (M - редкоземельный металл) становятся двумерными ферромагнетиками. Таким образом, открыт новый класс двумерных магнитных материалов. Технологически особенно важно то, что эти материалы интегрированы с кремнием. Они представляют собой чередование слоев металла M и слоев структурных аналогов графена, ксенов, в которых сотовая решетка состоит из шестиугольников атомов кремния. Такие структуры в последнее время привлекают значительное внимание. В ксенах предсказан целый ряд замечательных свойств, таких, как различные варианты квантового эффекта Холла, хиральная сверхпроводимость. Демонстрация двумерного магнетизма в структурах металл-ксен определяет перспективы таких систем в электронике. Обнаружение двумерного ферромагнетизма в целом классе новых перспективных материалов спинтроники предполагает комплексное изучение их свойств. Их синтез и исследование составляют основную задачу данного проекта. Более конкретно, мы планируем расширить класс материалов - изучить материалы MX2 на основе ксенов, где X - это германий или кремний, а металл M - это гадолиний, европий или стронций. Будут получены как трехмерные пленки родительских соединений, так и двумерные материалы MX2 (с заданным количеством монослоев, от одного до четырех). Все эти материалы будут интегрированы с промышленными полупроводниками (Si или Ge). Кроме того, мы планируем исследовать соединения родоначальника ксенов, графена, с теми же металлами M. Для этих экспериментов будут использоваться как монослойный, так и двухслойный графен. Суммарно будет изучено 39 различных структур. Синтез материалов будет осуществлен контролируемо методом молекулярно-лучевой эпитаксии с оптимизацией различных параметров синтеза. Свойства материалов диктуются их атомной структурой, которая будет определена сочетанием различных методов - дифракции быстрых электронов, рентгеновских дифракции и рефлектометрии, аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. Основное внимание будет уделено магнитным и транспортным свойствам гетероструктур. Магнетизм будет исследован с помощью СКВИД-магнитометрии, а также элемент-селективного метода рентгеновского магнитного кругового дихроизма. Для исследований латеральных транспортных свойств и их зависимости от количества монослоев будут измерены температурные зависимости сопротивления и полевые зависимости магнитосопротивления и эффекта Холла для различных температур. Полученные данные будут проанализированы в приложении к спинтронике. Будут опубликованы не менее 15 статей в ведущих международных журналах. Новизна проекта определяется прежде всего тем, что научное направление по получению и изучению двумерного ферромагнетизма в монослоях слоистых материалов возникло совсем недавно, а также тем, что мы предлагаем изучать новый класс материалов. Выполнимость проекта обеспечивается тремя основными составляющими. Во-первых, это значительный научный задел. В частности, проведены масштабные исследования материалов редкоземельной спинтроники, в том числе на кремнии, исследовано получение силицидов на кремнии [ACS Appl. Mater. Interf. 2018, 10, 20767; Sci. Rep. 2016, 6, 25980]. Впервые синтезирован магнитный материал на основе ксенов [Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1606603], получены новые родительские соединения [Nanoscale 2016, 8, 16229], обнаружен ферромагнетизм при переходе к двумерному пределу [Nature Commun. 2018, 9, 1672]. Во-вторых, у коллектива имеется все необходимое оборудование для выполнения работ по проекту. Налаженное международное сотрудничество позволяет проводить эксперименты на синхротронах. В-третьих, коллектив является сбалансированным - в нем есть профессионалы по всем направлениям, ключевым для выполнения проекта. У коллектива имеется опыт успешного выполнения крупных проектов. Работы коллектива соответствуют мировому уровню исследований и публикуются в ведущих журналах - так, например, в 2018 году участниками коллектива опубликовано 8 различных статей в журналах Q1 с суммарным импакт-фактором более 50. Можно ожидать, что предлагаемые исследования приведут к существенному развитию спинтроники, а также к пониманию фундаментальных свойств двумерных ферромагнетиков.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что в результате выполнения проекта будут получены следующие основные результаты: 1. Синтезированы тонкие эпитаксиальные пленки новых слоистых материалов MX2, где X = Si или Ge, а металл M = Sr, Eu или Gd; пленки интегрированы со стандартными полупроводниковыми платформами. 2. Синтезированы двумерные материалы с той же химической формулой MX2, но с толщиной в небольшое целое число монослоев (1 монослой, 2 монослоя и так далее), также интегрированные со стандартными полупроводниковыми платформами. 3. Синтезированы материалы, в которых атомы металла (Sr, Eu или Gd) образуют структуру, соединенную с графеном, однослойным и двуслойным, в последнем случае как поверхностно, так и путем интеркаляции. 4. Для всех исследуемых материалов охарактеризована атомная структура, используя дифракцию быстрых электронов, рентгеновские дифракцию и рефлектометрию, аналитическую электронную микроскопию высокого разрешения. 5. Магнитные свойства всех систем (температуры магнитных переходов, моменты насыщения, коэрцитивные силы) определены с помощью СКВИД-магнитометрии, а для ряда материалов с помощью элемент-селективного метода рентгеновского магнитного кругового дихроизма. Выявлены зависимости магнетизма от химического состава материала и количества монослоев. 6. Определены транспортные свойства полученных материалов, включая температурную зависимость сопротивления и зависимости магнитосопротивления и эффекта Холла от магнитного поля для ряда температур. Определены законы и механизмы латерального электрического транспорта в зависимости от структуры материала. Проанализированы возможные приложения данных материалов в спинтронике. Данные результаты будут соответствовать мировому уровню в области двумерного ферромагнетизма слоистых материалов и определять его в исследованиях магнетизма материалов на основе ксенов. Научная значимость исследований открытого нами класса двумерных магнитных материалов состоит в том, что они сочетают в себе два перспективные направления - двумерный ферромагнетизм и соединения на основе ксенов. Ожидается, что это сочетание, а в особенности исследование свойств в зависимости от количества монослоев, позволит выявить новые эффекты спинтроники и исследовать фундаментальные законы поведения спиновых систем при переходе к двумерному пределу. С практической точки зрения ожидаемые результаты будут важны для приложений в электронике. В частности, они предоставят набор двумерных магнитов для использования в устройствах на основе ван-дер-ваальсовых гетероструктур. С другой стороны, они предоставят способ для сочетания ван-дер-ваальсовых структур с промышленными полупроводниками. Результаты проекта должны привести к существенному прогрессу в спинтронике и способствовать переходу к альтернативной, более эффективной элементной базе электроники.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
При достижении слоистым материалом толщин порядка одного монослоя возникают новые электронные состояния и свойства. Недавно удалось получить несколько двумерных материалов, обладающих ферромагнитными свойствами. Они демонстрируют гигантское туннельное магнитосопротивление, геликоидальную фотолюминесценцию, контроль над магнитным состоянием с помощью электрических полей и электростатического допирования. В то же время, эти материалы имеют мало общего между собой с точки зрения состава и атомной структуры. Мы поставили себе задачу найти целый класс двумерных ферромагнетиков. В качестве такого класса мы предложили металлоксены - соединения, образованные чередующимися слоями металла и ксена, элементного аналога графена. В первый год проекта мы исследовали синтез, атомную структуру, магнитные и транспортные свойства двумерных материалов на основе германена. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии мы синтезировали пленки EuGe2 и GdGe2. В этих материалах ионы европия и гадолиния обладают полузаполненной f-оболочкой, приводящей к значительным локальным магнитным моментам. Для сравнения мы рассмотрели также изоструктурный материал SrGe2, в котором локальные магнитные моменты отсутствуют. Синтез мы осуществили путем взаимодействия атомов металла с подложкой Ge(111). Выбор грани (111) позволил добиться стабилизации слоистых полиморфных модификаций материалов и ориентации германеновых слоев вдоль поверхности пленки. Нами подобраны параметры синтеза и получены пленки MGe2 различной толщины, от десятков до нескольких монослоев, вплоть до одного монослоя. Превосходное структурное качество образцов установлено различными методами. В ростовой камере контроль за состоянием поверхности осуществлялся методом дифракции быстрых электронов. Вне ростовой камеры проведены исследования методом рентгеновской дифракции. Микроструктура пленок определена исследованием поперечных сечений методами аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. В результате были установлены фазовая чистота образцов, атомная резкость границ пленок, степень гофрированности германеновых слоев, параметры решетки. Тщательно исследованы магнитные свойства полученных структур методами СКВИД-магнитометрии. Мы определили, что толстые пленки EuGe2 и GdGe2 проявляют выраженный трехмерный антиферромагнетизм. Двумерные пленки EuGe2 и GdGe2 обнаруживают значительный ферромагнетизм, проявляемый как в полевых, так и температурных зависимостях магнитного момента. Двумерная природа ферромагнетизма подтверждена значительной зависимостью эффективной температуры Кюри от малых магнитных полей. В EuGe2 ферромагнитные свойства выражены сильнее, чем в GdGe2, что проявляется в большем моменте насыщения. Мы тщательно исследовали переход от 3D антиферромагнетизма толстых пленок к 2D ферромагнетизму в нескольких слоях, нашли переходную область, где сосуществование магнитных порядков приводит к обменному смещению. Спиновая природа магнетизма и его локализация на слоях металла установлены с помощью рентгеновского магнитного кругового дихроизма. Изменения в магнитной структуре находят отражение и в транспортных свойствах: мы обнаружили смену положительного магнитосопротивления на отрицательное и возникновение аномального эффекта Холла при переходе к двумерным пленкам. Полученные результаты важны для дизайна новых двумерных ферромагнитных материалов для приложений в спинтронике и квантовых вычислениях.

 

Публикации

1. Аверьянов Д.В., Токмачев А.М., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Соколов И.С., Талденков А.Н., Платунов М.С., Вильгельм Ф., Рогалев А., Сторчак В.Г. Probing proximity effects in the ferromagnetic semiconductor EuO Applied Surface Science, - (год публикации - 2019).

2. Д.В. Аверьянов, И.С. Соколов, А.М. Токмачев, В.Г. Сторчак Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена -, RU 2018143465 A (год публикации - ).

3. И.С. Соколов, Д.В. Аверьянов, А.М. Токмачев, В.Г. Сторчак Способ получения спин-поляризованных носителей заряда в графене -, RU 2697517 C1 (год публикации - ).

4. Парфенов О.Е.,Токмачев А.М.,Аверьянов Д.В.,Каратеев И.А.,Соколов И.С.,Талденков А.Н.,Сторчак В.Г. Layer-controlled laws of electron transport in two-dimensional ferromagnets Materials Today, - (год публикации - 2019).

5. Токмачев А.М., Аверьянов Д.В., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Соколов И.С., Сторчак В.Г. Lanthanide f7 metalloxenes - a class of intrinsic 2D ferromagnets Materials Horizons, - (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Двумерные материалы обладают целым рядом замечательных свойств, к которым недавно добавились магнитные. Двумерные ферромагнетики представляют особенный интерес, но количество таких материалов по прежнему невелико. Во второй год проекта мы изучили стехиометрические соединения, образованные чередованием слоя силицена и металла, с формулой MSi2. В случае, когда металлом M является европий или гадолиний, такие материалы проявляют выраженные магнитные свойства. Что особенно важно, удалось синтезировать соединения MSi2 с заранее заданным числом монослоев, начиная от одного монослоя. В таких материалах обнаружены необычные свойства, качественно зависящие от количества монослоев. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии синтезированы пленки EuSi2, GdSi2 и SrSi2 со структурой на основе силицена. В первых двух материалах полузаполненные f-оболочки обеспечивают наличие магнитных моментов, тогда как изоструктурные соединения на основе стронция позволяют оценить влияние магнетизма на транспортные свойства. Синтез осуществлен на подложках Si(111), чья поверхность не только служит источником атомов Si в синтезе MSi2, но и обеспечивает стабилизацию необходимой полиморфной модификации с силиценовыми слоями, ориентированными вдоль поверхности подложки. Для каждого металла подобраны оптимальные параметры синтеза. Получены пленки с различным целым количеством монослоев – 1, 2, 3 и 4. Структура, толщина, резкость границ и эпитаксиальное качество пленок подтверждены исследованиями различными методами. В ростовой камере методом контроля за атомной структурой служила дифракция быстрых электронов. Вне ростовой камеры ряд пленок изучен методами рентгеновской дифракции. Микроструктура пленок определена с помощью аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. Исследования подтверждают формирование пленок MSi2 с заданным количеством монослоев на площади с макроскопическими латеральными размерами, что облегчает изучение их свойств. Магнитные свойства пленок на основе Eu и Gd изучены с помощью СКВИД-магнитометрии. В отличие от антиферромагнитных объемных образцов, ультратонкие пленки демонстрируют двумерный ферромагнетизм, зависящий от количества монослоев. Особенно ярко двумерный характер магнетизма проявляется в контроле эффективной температуры Кюри малыми магнитными полями. Для изучения магнитной микроструктуры пленок были проведены исследования MSi2 и их германеновых аналогов MGe2 элемент-селективным методом магнитного кругового дихроизма. Получены сигналы XAS и XMCD для K краев поглощения Si и Ge, L и M краев поглощения Eu и Gd. На основе этих данных подтвержден магнетизм MSi2 и MGe2, определены отдельно магнитные моменты на металле и ксене, проведено разделение моментов на спиновые и орбитальные составляющие, найдены остатки объемного антиферромагнетизма в двумерных ферромагнетиках. Проведены исследования латерального электронного транспорта в материалах MSi2 и MGe2 в зависимости от числа монослоев. Получены данные по температурным и полевым зависимостям сопротивления и эффекта Холла. Выявлены качественно различные законы транспорта для материалов с различным количеством монослоев - от 1 до 4. Найден переход металл-изолятор по толщине MSi2. Обнаружено и исследовано колоссальное магнетосопротивление в монослоях MSi2. Выявлены квазичастицы со значительным эффективным магнитным моментом. Полученные результаты расширяют список свойств двумерных ферромагнетиков. Многослойные структуры таких материалов также оказались интересны, так как проявляют в зарядовом транспорте высокую подвижность носителей с малой эффективной массой и свойства, ассоциированные с нетривиальной топологией электронной структуры. Все запланированные работы за отчетный период выполнены. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговых научных журналах (6 статей), включая 3 статьи в журналах с импакт-фактором выше 12.

 

Публикации

1. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Платунов М.С., Вильгельм Ф., Рогалев А, Гарджани П., Вальвидарес М., Жаоуен Н., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Каратеев И.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Competing magnetic states in silicene and germanene 2D ferromagnets Nano Research, том 13, с. 3396-3402 (год публикации - 2020).

2. Брюер Д.Х., Сторчак В.Г., Моррис Г.Д., Ещенко Д. Comment on “Role of the transition state in muon implantation” and “Thermal spike in muon implantation” Physical Review B, том 101, номер статьи 077201 (год публикации - 2020).

3. Д.В. Аверьянов, И.С. Соколов, А.М. Токмачев, В.Г. Сторчак Способ создания двумерных ферромагнитных материалов EuGe2 и GdGe2 на основе германена -, RU 2722664 С1 (год публикации - ).

4. Д.В. Аверьянов, И.С. Соколов, А.М. Токмачев, В.Г. Сторчак, О.Е. Парфёнов Способ создания материалов на основе германена EuGe2 и SrGe2 с высокой подвижностью носителей заряда -, RU 2723125 С1 (год публикации - ).

5. Кац В.Н., Нефедов С.Г., Шелухин Л.А., Усачев П.А., Аверьянов Д.В., Каратеев И.А., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Токмачев А.М., Сторчак В.Г., Павлов В.В. Giant quadratic magneto-optical Kerr effect in (Eu,Gd)O films for magnetic field sensing Applied Materials Today, том 19, номер статьи 100640 (год публикации - 2020).

6. Парфенов О.Е., Аверьянов Д.В., Токмачев А.М., Соколов И.С., Каратеев И.А., Талденков А.Н., Сторчак В.Г. High-mobility carriers in germanene derivatives Advanced Functional Materials, том 30, номер статьи 1910643 (год публикации - 2020).

7. Соколов И.С., Аверьянов Д.В., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Талденков А.Н., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. 2D ferromagnetism in europium/graphene bilayers Materials Horizons, том 7, с. 1372--1378 (год публикации - 2020).

8. Токмачев А.М., Аверьянов Д.В., Каратеев И.А., Соколов И.С., Парфенов О.Е., Сторчак В.Г. Dimensionality concept in solid-state reactions: A way to control synthesis of functional materials at the nanoscale Advanced Functional Materials, том 30, номер статьи 2002691 (год публикации - 2020).