Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью работы было создания гибридных гетероструктур на основе функциональных оксидных пленок нанометровой толщины для спинтроники. Методом высокочастотного магнетронного распыления при нагреве подложки до температур 770°C в атмосфере смеси газов Ar и O2 (10/35) с общим давлением 0.25 мБар и мощности ВЧ генератора 50 Вт получены эпитаксиальные пленки иридата стронция SrIrO3 на подложках NdGaO3 и SrTiO3. Из рентгеновских и резистивных характеристик пленок SrIrO3 выявлено влияние рассогласования кристаллических параметров подложки и пленки на удельное сопротивление пленки иридата стронция. Изготовлены тонкопленочные гетероструктуры SrIrO3 на PMN-PT (0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3) подложках. Из рентгеновских характеристик выявлено, что кристаллическая структура гетероструктур соответствует условиям их эпитаксиальному росту, а также условиям получения двухслойных La0.7Sr0.3MnO3/SrIrO3 гетероструктур на управляемых изменяемых напряженностью кристаллической решетки подложках. Получены первые экспериментальные данные по резистивным характеристикам гетероструктуры из SrIrO3/PMN-PT. Разработана методика измерений спин-зависимых электронных транспортных характеристик на управляемой изменяя решетку подложке PMN-PT. Разработаны топологии двух фотошаблонов для исследования влияния напряжения подложек на электронные транспортные характеристики гетероструктур и изучения их магнетоэлектрических параметров при подаче внешнего магнитного поля. На основе ранее освоенной технологии получения в лабораторных условиях тонких пленок манганита лантана разработана методика осаждения тонких пленок Sr-допированного манганита (SrMnO3) с химическим составом, соответствующего антиферромагнитному состоянию при комнатной температуре. Изготовлен первый образец SrMnO3 и измерена его температурная зависимость R(T) в интервале температур T=120-300 K.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для применений в спинтронике в рамках проекта были получены и исследованы гибридные гетероструктуры на основе перовскитных оксидов 5d- и 3d-переходных металлов. Основным объектом исследований являются тонкие (~30 нм) пленки иридата стронция SrIrO3, обладающие сильным спин-орбитальным взаимодействием. Такие пленки были успешно выращены методом магнетронного распыления на четырех типах диэлектрических подложек: LSAT, SrTiO3, NdGaO3, LaAlO3, а также на пьезоэлектрике PMN-PT. Использование подложек, с размерами кристаллической решетки отличающейся от решетки SrIrO3 на единицы процентов позволило создавать в пленках контролируемые эпитаксиальные напряжения. Путем рентгеновских структурных исследований пленок установлено, что SrIrO3 пленки формируются эпитаксиально на всех указанных подложках. Эпитаксиальное напряжение приводит к искажению кристаллической решетки пленки, например, на LaAlO3 подложке решетка SrIrO3 пленки сжимается, а на PMN-PT подложке растягивается. Было зафиксировано изменение межплоскостных расстояний и объема элементарной ячейки SrIrO3 пленки в сравнении с объемным кристаллом. Наиболее сильное деформирование (~5% сжатия) происходит на LaAlO3 подложке, тогда как на PMN-PT подложке наблюдается умеренная деформация (~2% ). При этом, качество кристаллической структуры пленок остается высоким, дифракционные измерения показали достаточно узкие ширины кривых качания ~0,7–1°, что свидетельствует о хорошо ориентированных монокристаллических слоях. Изучение поверхности пленок с помощью атомно-силовой микроскопии выявило структурированную морфологию. Амплитуда неровностей и шероховатость зависят от подложки, так, на SrIrO3/NdGaO3 пленке поверхность относительно гладкая (RMS порядка 1–2 нм), тогда как на подложках ориентации (110)LaAlO3 формировалась более шероховатая поверхность (RMS ~6 нм). Это связано с большой степенью рассогласования, что приводит к релаксации напряжений в пленке и трехмерному островковому росту. Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) исследованы электронные уровни тонких SrIrO3 пленки. Во всех случаях подтвержден характерный признак сильного спин-орбитального взаимодействия: спин-орбитальное расщепление основных уровней Ir 4f приблизительно на 3 эВ. Это величина соответствует валентному состоянию Ir4+ и указывает на формирование необходимой для SrIrO3 кристаллической фазы. Небольшие вариации энергии расщепления (от ~2,9 эВ до 3,1 эВ) отражают различие концентрации дефектов. На подложках с большим эпитаксиальным искажением (например, LaAlO3) пленки содержат больше кислородных вакансий, которые действуют как локальные магнитные примеси. Эти вакансии слегка понижают величину спин-орбитального расщепления. Наиболее “качественные” пленки на PMN-PT подложке продемонстрировали максимальное расщепление (~3,10 эВ), что свидетельствует о близости их состава к идеальному SrIrO3 кристаллу без заметных отклонений. Таким образом, кислородная стехиометрия и кристаллическая структура существенно влияют на электронную структуру пленок иридатов. Измерены температурные зависимости удельного сопротивления полученных SrIrO3 пленок. При комнатной температуре все образцы ведут себя как полуметаллы со сравнительно низким сопротивлением (порядка 10–4–10–3 Ом·см). Однако по мере охлаждения сопротивление некоторых образцов перестает уменьшаться и около 250–200 K выходит на минимум, после чего начинает расти. Такой рост при низких температурах свидетельствует о переходе металл–изолятор, связанным с рассеянием носителей заряда на магнитных неоднородностях. Выявлено, что главной причиной являются кислородные вакансии, которые создают локальные магнитные моменты, на которых электроны рассеиваются по механизму Кондо, увеличивая сопротивление при охлаждении. Степень этого эффекта зависит от концентрации вакансий в пленке. Аппроксимация кривых R(T) подтвердила, что вклад магнитного рассеяния в проводимость на LaAlO3 почти в десять раз превышает таковой на PMN-PT. Таким образом, контроль параметров структуры и роста пленки (величины напряжений, параметров роста) позволяет контролировать величину магнитных примесей, связанных с вакансиями кислорода, и тем самым электротранспортные свойства иридатов. Кроме возникновения кислородных вакансий, при низких температурах (ниже ~20 K) в пленках проявляются квантовые эффекты слабой локализации, связанные с интерференцией электронов при их обратном рассеянии. Важной частью работы в отчетном году было создание и изучение SrIrO3/La0.7Sr0.3MnO3 гетероструктуры , состоящей из оксидов, что обеспечивает хорошую совместимость слоев. Такая гетероструктура соединяет в себе полуметалл-ферромагнетик La0.7Sr0.3MnO3 (носитель спиновой поляризации) и материал с сильным спинорбитальным взаимодействием SrIrO3 (конвектор спинового тока). Были выращены эпитаксиальные двухслойные пленки La0.7Sr0.3MnO3 (толщина ~30 нм) с SrIrO3 (~10 нм) на подложке NdGaO3. Структурный анализ подтвердил высокое качество интерфейса, слои ориентированы “куб на куб”. Были сняты температурные кривые сопротивления, а также обычное и анизотропное магнитосопротивление. Полученные зависимости лежат в основе оценки спинового угла Холла (θSH) в слое SrIrO3. Ток в La0.7Sr0.3MnO3 на высоких частотах (режим ФМР) или при статических изменениях ориентации намагниченности приводит к генерации спинового тока, который частично протекает в соседний слой SrIrO3. Благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию этот спиновый ток конвертируется в электрический ток. Эффективность такой конверсии и характеризует угол θSH. В экспериментах θSH оказался чрезвычайно высоким, порядка 0,8 (что эквивалентно ~80%). Для сравнения, у традиционных материалов в спинтронике, например, Pt этот угол не превышает 0,02 (2%). Таким образом, SrIrO3 пленка оказался примерно в 40 раз эффективнее платины по способности конвертации заданного спинового тока в зарядовый. Практически это означает, что SrIrO3 пленка является многообещающим материалом для применения в спинтронике. Данный вывод подкрепляется и прямым наблюдением спинового тока: был зафиксирован обратный спиновый эффект Холла на SrIrO3/ La0.7Sr0.3MnO3 структуре в момент ферромагнитного резонанса. Это напряжение отсутствует без слоя иридата и меняет знак при развороте магнитного поля, что однозначно указывает на его спиновую природу.