Сверхтонкий магнит связал графен с кремниевой технологией

Физики создали новый класс двумерных магнитов на основе графена. Эти материалы представляют собой сэндвич из графена и субмонослойной магнитной пленки на кремнии – упорядоченной разреженной структуры толщиной в один атом европия. «Соседство» с европием привносит в графен новые свойства, связанные с магнетизмом. Эти материалы могут стать основой для создания новых электронных устройств. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в высокорейтинговом журнале Small.

К современным электронным устройствам для хранения и обработки информации предъявляются все более высокие требования: они должны быть миниатюрными, энергоэффективными и при этом производительными. Чтобы этого достичь, ученые ищут альтернативы обычным полупроводниковым технологиям, благодаря которым работает большинство современных компьютеров. Один из возможных вариантов — спинтроника. Это технология, основанная не на переносе заряда, как это происходит в частности в полупроводниках, а на управлении магнитным моментом электрона.

Недавний прорыв в синтезе и исследованиях магнитных материалов привел к созданию систем толщиной в один слой атомов. 2D магниты открывают новые возможности для управления приборами на их основе по сравнению с 3D системами ввиду их чувствительности к внешним воздействиям, таким как магнитные и электрические поля, легирование и давление. Это открывает потенциальные возможности для использования в сверхкомпактной спинтронике и квантовых вычислениях. Дальнейшее развитие этой области привело к созданию двумерных магнитов на основе суперструктур магнитных атомов на поверхности кремния. Такие суперструктуры с низкой плотностью атомов представляют собой субмонослойные магниты. Принципиальным технологическим преимуществом таких магнитов оказывается их интегрируемость с кремниевой технологией.

Ученым из Национального исследовательского центра Курчатовского института (Москва) и Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) удалось связать субмонослойные магниты с графеном. Графен хорошо подходит для спинтроники из-за высокой подвижности носителей заряда, возможности управлять их концентрацией, а также большой длины переноса спина. Однако графен немагнитен, что ограничивает возможности его применения в устройствах спиновой электроники. Сочетание графена с двумерным магнитом позволяет устранить этот недостаток за счет эффекта близости. Такой подход приводит к созданию магнитного графена, интегрированного в кремниевую технологию.

«В настоящее время разработан ряд магнитных материалов толщиной вплоть до монослоя. Нам удалось преодолеть этот предел миниатюризации таких материалов и создать класс субмонослойных магнитов. В своей работе мы показали возможность интеграции графена с субмонослойным магнитом на поверхности кремния. Такая структура обеспечивает спиновую поляризацию носителей заряда в графене», – объясняет руководитель проекта по гранту РНФ профессор Вячеслав Сторчак, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией новых элементов наноэлектроники Курчатовского института.

Предложенная идея получила развитие: авторы разработали новые материалы на основе силицена и германена, аналогов графена из атомов кремния и германия. Европий, связанный с сотовыми решетками силицена и германена, обеспечил магнитные свойства этих систем, по аналогии с графеном. Уникальность таких систем состоит в сосуществовании различных магнитных порядков – ферромагнитного и антиферромагнитного – в одном материале.

«Мы надеемся, что графеновая спинтроника может лечь в основу новых технологий хранения и передачи информации. Мы планируем интегрировать субмонослойные магниты с различными двумерными материалами для создания устройств спиновой электроники», – подводит итог Вячеслав Сторчак.