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

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 19-19-00009

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

Руководитель Сторчак Вячеслав Григорьевич, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №35 - Конкурс 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 слова спинтроника, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1039/c9mh00444k

2. 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)
10.1016/j.mattod.2019.03.017

3. 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)
10.1016/j.apsusc.2019.05.191

4. 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)
10.1007/s12274-020-3027-y

5. 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)
10.1103/PhysRevB.101.077201

6. 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)
10.1002/adfm.202002691

7. 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)
10.1016/j.apmt.2020.100640

8. 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)
10.1002/adfm.201910643

9. 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)
10.1039/c9mh01988j

10. Токмачев А.М. Rank and signature classification of topochemical solid-state reactions CrystEngComm, CrystEngComm, 2021, 23, 7198–7201 (год публикации - 2021)
10.1039/d1ce00943e

11. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Каратеев И.А., Талденков А.Н., Парфенов О.Е., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Universal interface between functional oxides and silicon Advanced Functional Materials, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010269 (год публикации - 2021)
10.1002/adfm.202010269

12. Соколов И.С., Аверьянов Д.В., Вильгельм Ф., Рогалев А., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Каратеев И.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Emerging 2D magnetic states in a graphene-based monolayer of EuC6 Nano Research, Nano Research 2022, 15, 408–413 (год публикации - 2022)
10.1007/s12274-021-3494-9

13. Аверьянов Д.В., Лиу П., Соколов И.С., Парфенов О.Е., Каратеев И.А., Ди Санте Д., Франкини Ч., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Nanoscale synthesis of ionic analogues of bilayer silicene with high carrier mobility Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 8545–8551 (год публикации - 2021)
10.1039/d1tc01951a

14. Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Каратеев И.А., Талденков А.Н., Кондратьев О.А., Парфенов О.Е., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Chaos at interface brings order into oxide/silicon structure Advanced Functional Materials, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2104925 (год публикации - 2021)
10.1002/adfm.202104925

15. Парфенов О.Е., Аверьянов Д.В., Соколов И.С., Талденков А.Н., Каратеев И.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. High carrier mobility in a layered antiferromagnet integrated with silicon ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 41926−41932 (год публикации - 2021)
10.1021/acsami.1c13623

16. Соколов И.С., Аверьянов Д.В., Парфенов О.Е., Талденков А.Н., Каратеев И.А., Токмачев А.М., Сторчак В.Г. Two-dimensional ferromagnetism in Eu-intercalated few-layer graphene Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 2021, 884, 161078 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.161078

17. Токмачев А.М., Аверьянов Д.В., Талденков А.Н., Соколов И.С., Каратеев И.А., Парфенов О.Е., Сторчак В.Г. Two-dimensional magnets beyond the monolayer limit ACS Nano, ACS Nano 2021, 15, 12034−12041 (год публикации - 2021)
10.1021/acsnano.1c03312

Публикации