Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Синтез оксидов на технологически важных платформах позволяет соединить функциональные свойства этих систем. В отчетном году мы исследовали возможности роста кристаллических оксидов на Ge(001). Основное внимание было уделено оксидам стронция и европия: первый представляет собой элемент многих сложных оксидных систем, тогда как второй важен для приложений в спинтронике благодаря его магнитным свойствам и возможностям по инжекции спинов в немагнитные материалы. Выполненные работы и полученные результаты относятся к разработке методов синтеза, исследованиям структуры, магнитных и транспортных свойств оксидов на Ge(001): 1. Для приложений важно качество образующейся границы раздела между оксидом и германием. Поскольку германий химически активен, то необходима его защита от реакций, приводящих к образованию побочных фаз на интерфейсе. Мы использовали для этой цели упорядоченные реконструкции (суперструктуры) металлов на поверхности германия. Так как они изучены недостаточно, мы провели масштабные исследования возможных реконструкций Sr/Ge(001) и Eu/Ge(001), используя молекулярно-лучевую эпитаксию в качестве метода синтеза. Для обоих металлов удалось найти ряд реконструкций, часть из которых стабильные и могут быть использованы для синтеза оксидов. 2. Используя найденные реконструкции Sr/Ge(001) и Eu/Ge(001), нами осуществлен синтез гетероструктур SrO/Ge(001) и EuO/Ge(001), соответственно. Реакция между металлом и кислородом на поверхности была проведена при низкой температуре для достижения высокого качества интерфейса оксид/германий. Такой подход потребовал согласования потоков металла и кислорода, которые, наряду с температурой синтеза, были оптимизированы для достижения наилучшего качества гетероструктур. 3. Для нахождения оптимальных условий синтеза и для характеризации материалов мы провели исследования атомной структуры. Для этой цели использовались 3 метода. Во-первых, синтез контролировался в ростовой камере с помощью дифракции быстрых электронов. Этим же методом устанавливались базовые структурные характеристики реконструкций металлов. Дальнейшее исследование пленок было проведено вне ростовой камеры методами рентгеновской дифракции. Было установлено образование эпитаксиальных пленок высокого кристаллического качества. Микроструктура пленок исследована с помощью методов электронной микроскопии высокого разрешения. Помимо эпитаксиального качества пленок, установлена атомно-резкая структура интерфейсов оксид/германий. Для пленок EuO спектроскопия характеристических потерь энергии электронами показала, что ионы европия находятся в состоянии 2+. 4. Были исследованы различные свойства полученных пленок. EuO является ферромагнитным полупроводником. Поэтому были изучены магнитные свойства EuO/Ge(001), измерены температурные и полевые зависимости намагниченности. Магнетизм синтезированного EuO даже в относительно тонких пленках толщиной 6 нм соответствует объемным образцам. Значительное внимание было уделено транспортным исследованиям. Они показали влияние EuO на проводимость подложки Ge(001). В частности, после интеграции с EuO в германии возникает аномальный эффект Холла, наблюдаемый ниже температуры Кюри EuO. Это свидетельствует о спиновой поляризации высокоподвижных носителей Ge счет эффекта близости. 5. Для установления общих механизмов формирования интерфейса нами были проведены исследования роста оксидов на кремнии – материале родственном германию. Интерфейсы оксид/Si более четкие, что позволяет их исследовать с атомным разрешением методами электронной микроскопии. Мы изучили низкотемпературный рост оксидов стронция и европия на Si(001), используя три вида реконструкций, 1x2, 1x5 и 1x3. Как выяснилось на основе структурных исследований, во всех случаях формирование оксидной пленки идет через одну и ту же промежуточную двумерную структуру симметрии 1x3, которая становится интерфейсом между оксидом и кремнием в конечной пленке. Это приводит к тому, что получаемые в таких ростах пленки оксида практически идентичны с точки зрения структурного качества. 6. В отчетном году опубликованы 3 статьи в ведущих научных журналах (все Q1 с импакт-фактором выше 8), представлены тезисы 3 докладов на конференциях, зарегистрирован 1 патент РФ.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект в существенной степени посвящен интеграции двух классических полупроводниковых систем – ферромагнитного оксида европия и германия. Эта система представляет интерес для полупроводниковой спинтроники. Сочетание кристаллических материалов не однозначно – оно зависит от их взаимной ориентации. Если в первый год проекта был изучен синтез EuO на Ge(001), то во второй год проекта исследован синтез на более сложных поверхностях германия – Ge(111) и Ge(110). Первая из этих поверхностей позволяет получить полярный интерфейс оксид/германий, тогда как вторая являет собой промежуточный случай между Ge(001) и Ge(111). Работы по проекту и результаты в отчетный период относятся к разработке методов синтеза, исследованиям атомной структуры, магнитных и транспортных свойств EuO на Ge(111) и Ge(110). 1. Граница раздела между оксидом и германием определяет функциональные свойства материала. Поверхность германия содержит разорванные химические связи, что определяет ее химическую активность и может привести к образованию побочных фаз. Для защиты поверхности используются различные субмонослойные поверхностные фазы атомов металлов. В случае роста EuO на германии логично использовать поверхностные фазы Eu. Такие фазы на Ge(111) и Ge(110) не были изучены ранее. В рамках проекта мы синтезировали и изучили целый ряд таких фаз, определяемых температурой подложки и временем осаждения Eu на поверхность германия. Некоторые из этих фаз стабильны и, как следствие, могут быть использованы для синтеза оксида европия. 2. На основе полученных поверхностных фаз Eu/Ge(111) и Eu/Ge(110) мы провели синтез оксидных гетероструктур EuO/Ge(111) и EuO/Ge(110), соответственно. Были исследованы различные варианты синтеза – путем дистилляции европия при высокой температуре и подбора потоков реагентов (Eu и O2) при низкой температуре. Второй, более щадящий режим способствует образованию атомарно-гладких интерфейсов. Параметры синтеза были оптимизированы для получения наилучшего качества гетероструктур. Разработанные методики синтеза позволили получить эпитаксиальные пленки EuO без побочных фаз с резкой границей раздела на Ge(111) и поликристаллические ориентированные пленки на Ge(110). 3. Для оптимизации условий синтеза мы исследовали атомную структуру пленок, используя комбинацию методик. Дифракция быстрых электронов была применена для контроля над синтезом поверхностных фаз и оксида европия непосредственно в ростовой камере. Этот метод чувствителен к поверхности образца. Дальнейшее исследование кристаллической структуры пленок осуществлялось методами рентгеновской дифракции, уже вне ростовой камеры. Микроструктура пленок была изучена методами аналитической электронной микроскопии высокого разрешения. В частности, с помощью микроскопических исследований была установлена резкость границ между EuO и германием. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами показала, что ионы европия в EuO находятся в состоянии 2+. В результате проведенных исследований была охарактеризована атомная структура всех синтезированных пленок. 4. Были проведены исследования магнитных и транспортных свойств полученных гетероструктур. Магнетизм определяется пленкой EuO. Были измерены температурные и полевые зависимости намагниченности в широком интервале температур и полей, определены свойства ферромагнитного и парамагнитного состояний EuO. Магнитные свойства синтезированных пленок соответствуют известным данным для объемных образцов. В гетероструктурах был исследован латеральный электронный транспорт, продольное сопротивление и эффект Холла для различных температур и магнитных полей. 5. В отчетный период были опубликованы 6 статей в ведущих научных журналах (все Q1 с импакт-фактором выше 5), представлены 6 докладов на конференциях, зарегистрирован патент РФ.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на интеграцию функциональных оксидов с германием. В третий год проекта была исследована возможность непрямой интеграции этих материалов с использованием монослоя графена в качестве буферного слоя. Роль такого буфера состоит в защите системы от аморфизации и образования побочных кристаллических фаз. В то же время, графен влияет на ориентацию оксида и физические свойства системы, такие как латеральный электронный транспорт. В качестве функционального оксида для исследований был взят ферромагнитный полупроводник EuO. Во многом работа по получению гетероструктур EuO/графен/германий базируется на результатах предыдущих исследований по системе EuO/германий. Для синтеза были использованы 2 типа подложек – графен/Ge(001) и графен/Ge(111). Нами был использован подход, в котором соединены 3 вида исследований – синтез материалов, их структурная характеризация набором методов, а также исследование физических свойств, магнитных и транспортных. 1. Основой исследований является синтез гетероструктур. Первый шаг этого процесса – получение подложек графен/германий для последующего синтеза оксида. В стандартной системе графен-на-германии между материалами находится слой естественного оксида, который необходимо удалить. Для этой цели мы использовали нагрев до высоких температур. Далее методом молекулярно-лучевой эпитаксии был синтезирован EuO непосредственной реакцией между европием и молекулярным кислородом. Мы исследовали различные способы и условия синтеза EuO на системах графен/Ge – метод на основе дистилляции европия, требующий высоких температур, и метод на основе подбора потоков реагентов, который осуществляется при низких температурах. В отношении структурного качества пленки второй метод оказался более предпочтительным. В результате экспериментов были найдены оптимальные параметры синтеза, такие как температура подложки и потоки реагентов. Итоговые пленки соответствуют эпитаксиальному росту оксида европия без включений побочных фаз. 2. Атомная структура материалов была исследована набором методов, чьи результаты послужили оптимизации процессов синтеза. В ростовой камере дифракция быстрых электронов позволила контролировать состояние поверхности образцов в процессе синтеза. Для исследований вне ростовой камеры пленки были покрыты защитным слоем аморфного SiOx, препятствующего контакту EuO с компонентами воздуха. Методами рентгеновской дифракции было изучено кристаллическое качество образцов, установлен эпитаксиальный характер пленок. Электронная микроскопия высокого разрешения позволила определить микроструктуру пленок, подтвердить эпитаксиальный характер роста. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов показала отсутствие переокисления европия в оксиде. 3. Были изучены физические свойства синтезированных гетероструктур. В частности, исследованы магнитные свойства, которые в основном определяются пленкой EuO. Получены полевые и температурные зависимости намагниченности для областей ферромагнитного и парамагнитного состояния оксида европия. Особый интерес представляет то, что свойства тонкой пленки EuO в гетероструктуре с графеном заметно отличаются от свойств EuO непосредственно на германии – это, прежде всего, относится к увеличенной температуре Кюри. В этих системах особенно интересен латеральный электронный транспорт, так как при низких температурах он определяется слоем графена. Мы провели его исследование путем измерения полевых и температурных зависимостей продольного сопротивления и эффекта Холла. Результаты свидетельствуют о значительном влиянии EuO на носители заряда в графене за счет эффекта близости. 4. В предыдущие годы реализации проекта был установлен любопытный факт – низкотемпературный синтез позволяет получить эпитаксиальные пленки EuO(001) на Ge(001) и EuO(111) на Ge(111), тогда как на Ge(110) получаются кристаллиты с другими ориентациями. Мы решили установить, насколько такое явление – нарушение вращательной инвариантности – является общим. С этой целью мы провели различные эксперименты с заменами EuO на SrO, Ge на Si, или химической модификацией интерфейса для синтеза. Результат состоит в том, что явление наблюдается во всех этих системах. Мы предложили простой механизм, который объясняет различие между ориентациями, на основе химического связывания между оксидом и полупроводником. 5. В третий год выполнения проекта было опубликовано 8 статей в ведущих (все Q1 с импакт-фактором выше 8) научных журналах, 1 глава в книге, представлены 4 доклада на конференциях, зарегистрированы 3 патента Российской Федерации.