Ученые ДВФУ создали ультратонкие материалы для электроники нового типа

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) создали новые ультратонкие материалы для электроники нового типа — спин-орбитроники. Появление таких гибридных структур позволит уже через несколько лет создать смартфон, который будет работать без подзарядки неделями.

Сотрудники лаборатории пленочных технологий и лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений Школы естественных наук ДВФУ первыми в мире получили трехслойные пленки состава рутений-кобальт-рутений (Ru/Co/Ru) с толщиной магнитного слоя всего в четыре атомных слоя, то есть меньше одного нанометра. Результат работы опубликован в престижном научном журнале Journal of Physics D: Applied Physics.

Как рассказал заведующий лабораторией пленочных технологий Алексей Огнев, в ДВФУ впервые получены поликристаллические пленки Ru/Co/Ru, обладающие таким важным функциональным свойством, как перпендикулярная магнитная анизотропия. По словам ученого, в ближайшее время именно такие материалы найдут широкое применение в устройствах электроники нового типа — энергонезависимой магнитной памяти и логики, высокочувствительных датчиках, биомедицинских сенсорах, системах сверхбыстрой обработки информации и искусственного интеллекта.

«Полупроводниковая электроника уже практически достигла предела своего физического развития, и сейчас нужны новые подходы. Один из них заключается в использовании магнитных материалов с перпендикулярной анизотропией для сверхплотного хранения и сверхбыстрой обработки информации, — объяснил Алексей Огнев. — В лабораторных условиях мы получили поликристаллические пленки и наноструктуры на основе системы Ru/Co/Ru и показали, как изменяя толщину немагнитного слоя рутения можно улучшать магнитные свойства кобальта. Создаваемые на основе наших структур элементы памяти будут отличаться более высокой скоростью обработки информации и низким энергопотреблением по сравнению с полупроводниками, а сам процесс производства таких элементов станет проще и дешевле».

Ведущий научный сотрудник лаборатории Александр Самардак напомнил, что в микроэлектронной индустрии главным носителем информации является электрон. Спин-орбитроника основана на передаче спинового магнитного момента, что требует гораздо меньше энергии, чем при переносе электрического заряда.

«Спин-орбитроника сегодня очень активно развивается во всем мире, и перед инженерами стоит задача совместить полупроводниковую электронику с магнитными материалами. Появление таких гибридных структур обычный человек может почувствовать, скажем, купив уже через несколько лет смартфон, который будет работать без подзарядки неделями. Также это позволяет решить глобальную задачу по уменьшению энергопотребления многочисленных центров обработки данных и, соответственно, выбросов вредных веществ в атмосферу», — подчеркнул Александр Самардак.

В настоящее время полученные результаты на тонких пленках исследователи используют для создания и изучения наноструктур для сенсоров магнитного поля. Также сотрудники лаборатории в партнерстве с группой профессора Йонг Кьён Кима из Университета Корё (Республика Корея) ведут разработку элементной базы спин-волнового процессора и спин-орбитальной энергонезависимой памяти. По словам ученых ДВФУ, успешное создание такого прототипа ячейки памяти позволит повысить скорость записи и снизить энергопотребление более чем в сотню раз по сравнению с лучшей современной памятью.

«Сотрудничая с зарубежными коллегами, мы стремимся выйти на новый, мировой уровень научной работы. Сейчас мы также обсуждаем совместный проект с профессором Оклэндского университета Андреем Славиным по разработке принципиально новой компонентной базы для энергоэффективных вычислителей на основе магнитных нейроморфных устройств. Реализация этих прорывных идей в ДВФУ позволит получить практически Нобелевские результаты и публикации в таких журналах, как Science и Nature», — пояснил Александр Самардак.

Стоит отметить, что исследование пленок Ru/Co/Ru ученые ДВФУ проводили с использованием Керровского микроскопа Evico Magnetics, который был приобретен за счет средств гранта Федеральной целевой программы и Программы развития ДВФУ. Таких приборов, позволяющих изучать микромагнитную структуру тонких пленок и наноструктур, в России только два.

Наряду с Journal of Physics D: Applied Physics итоги масштабной работы международного научного коллектива ДВФУ также нашли отражение в рейтинговых журналах Physical Review Letters (IF=7.65), Physical Review B (IF=3.72), Applied Surface Science (IF=3.15) и других.