Регистрация / Вход
Прислать материал

Спин-зависимые явления в двумерных полупроводниковых структурах, пленках с магнитными примесями, графене и наноструктурах со спиновыми волнами

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
спин- зависимые явления, полупроводниковые наноструктуры, спинтроника, ферромагнетизм. аномальный эффект холла, зарядовые и спиновые капли, нелинейное экранирование, магнитотранспорт, волны спиновой плотности, графен

Цель проекта:
Создание наноструктур для элементной базы полупроводниковой спинтроники как одного из перспективных направлений будущей наноэлектроники. Разработка принципов создания наноструктур и модельных решений для элементной базы полупроводниковой спинтроники как одного из перспективных направлений будущей наноэлектроники.

Основные планируемые результаты проекта:
К основным планируемым научным и научно-техническим результатам проекта относятся: рекомендации для повышения температуры ферромагнитного перехода двумерной гетероструктуры в квантовой яме до температуры не ниже температуры жидкого азота (78 К), рекомендации по использованию графеновых конденсаторов с затвором в приборных приложениях, результаты экспериментальных исследований свойств ферромагнитных полупроводниковых двумерных гетероструктур типа квантовая яма с отдаленным слоем магнитной примеси, рекомендации по их промышленному производству и оценка перспектив их применения в электронике, результаты экспериментальных исследований магнитных и полупроводниковых свойств тонкопленочных структур на основе полупроводников AIIIBV с нановключениями ферромагнетика, результаты экспериментальных исследований свойств тонких чешуек и наноструктур типа полевого транзистора и повешенного мостика в слоистых соединениях с волной спиновой плотности, результаты экспериментальных исследований аномального эффекта Холла в двумерной электронной системе в кремнии при низких полях и низких температурах, а также спинового упорядочения при сверхнизких температурах, результаты экспериментальных исследований свойств графеновых конденсаторов вблизи точки Дирака, результаты экспериментальных исследований свойств спиновых капель, находящихся под внешним воздействием.
Все конкретные структуры, исследуемые в рамках проекта, являются новыми в качестве возможных материалов для предлагаемых элементов спинтроники. Новизна и актуальность полученных результатов подтверждается публикациями в ведущих международных физических журналах.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Оценка перспектив применения исследуемых структур для нужд спинтроники и научно обоснованные рекомендации по усовершенствованию технологии их создания.
Все конкретные структуры, исследуемые в рамках проекта, являются новыми в качестве возможных материалов для предлагаемых элементов спинтроники. Новизна полученных результатов подтверждается публикациями в ведущих международных физических журналах.
В отличие от основных приборов спинтроники применяемых и разрабатываемых в настоящее время, которые основаны на металлических ферромагнетиках, наши предложения основаны на полупроводниковых магнитных материалах. Разрабатываемые нами предложения оригинальны и в отличие от основного направления полупроводниковой спинтроники (разбавленные магнитные полупроводники) отличаются либо двумерным характером структур, что соответствует планарному типу современной электроники, либо высоким значением температуры Кюри, превышающим комнатную. Все это соответствуют мировому уровню. Мировой уровень полученных результатов подтверждается публикациями в ведущих международных физических журналах.
Достижение результатов путем проведения запланированных экспериментальных и теоретических работ. Возможные риски связаны с тем, что природа исследуемых явлений не изучена, и новые неизвестные явления могут не обладать необходимыми характеристиками.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Планируемые результаты составляют часть научных знаний, необходимых для разработки научно обоснованных принципов создания наноструктур для элементной базы спинтроники, и имеют большое значение как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения. Этим определяется область применения полученных результатов. Результаты проводимых исследований могут быть использованы в новых направлениях электроники, однако в настоящее время практическое внедрение является далекой перспективой. Данные исследования могут оказать влияние на развитие спинтроники, что подтверждается цитируемостью работ и интересом к ним на российских и международных форумах. Наши исследования проводятся в рамках сотрудничества с индийскими партнерами, которое укрепляется.

Текущие результаты проекта:
На основе проведенных экспериментальных исследований гетероструктур типа квантовая яма InGaAs с отдаленным нанослоем Mn и теоретических расчетов, выполненных при участии иностранного партнера:
а) Установлена природа взаимодействия носителей в квантовой яме и отдаленного Mn δ – слоя, а также определены оптимальные параметры данных структур;
б) Определен механизм аномального эффекта Холла в данных структурах. Это первое наблюдение данного механизма в условиях прыжковой проводимости в двумерном случае.
в) С помощью электронно-микроскопические исследования определена структура данных систем.
г) Выработаны рекомендации по усовершенствованию технологии получения данных структур, в том числе с целью повышения температуры Кюри.
д) На основе проведенных экспериментальных исследований и теоретических расчетов, выполненных при участии иностранного партнера проведена оценка перспектив их применения в электронике. Анализ результатов позволяет заключить, что на их основе могут быть созданы спиновые транзисторы, обладающие температурой Кюри в районе до 100 К и несколько выше, которые могут быть использованы в качестве материала для элементной базы будущей полупроводниковой спинтроники при усовершенствовании технологии их получения в соответствии с выработанными рекомендациями.

На основе исследований магнитных и гальваномагнитных свойств и электронно-микроскопических исследований ферромагнитных нанокомпозиционных материалов на основе полупроводников

Для структур InSb:Mn с нановключениями ферромагнетика: показано, что в них наблюдается положительное магнетосопротивление и аномальный эффект Холла, свидетельствующий о наличии спиновой поляризации носителей заряда, однако при температуре ниже 10 К. Разработана методика выделения аномального эффекта Холла в присутствии других сигналов, нелинейно зависящих от магнитного поля.

Для тонкопленочных структур Si1-xMnx с х ≈ 0.5:
Показано, что данные материалы обладают температурой ферромагнитного перехода превышающей комнатную, в них наблюдается аномальный эффект Холла, свидетельствующий о наличии спиновой поляризации носителей заряда. Исследована кристаллическая структура с атомарным разрешением. Иностранным партнером проведен ab initial расчет электронной структуры.

Для тонких пленок полупроводниковых сплавов GaSb (59 %) – MnSb (41 %) (структура образца на рис. 2):
а) Обнаружен ферромагнетизм при комнатной температуре, проявляющийся в магнитном гистерезисе, анизотропном магнетосопротивлении и аномальном эффекте Холла. При этом полупроводниковые свойства этих материалов заметно лучше, чем соответствующие характеристики широко исследуемых объемных разбавленных магнитных полупроводников, в частности, подвижность носителей заряда, дырок, (> 100 см2/В∙с) более чем на порядок превышает ее значение в объемном GaMnAs;
б) При участии иностранного партнера показано, что ферромагнетизм в системе GaSb (59 %) – MnSb (41 %) осуществляется обменом между расположенными на поверхности пленки магнитными гранулами через свободные дырки в полупроводниковой матрице образца;
в) Выявлено, что данный материал является наиболее перспективным из исследованных ферромагнитных нанокомпозиционных материалов на основе полупроводников;
г) Предложено, что эти структуры могут служить основой для создания спиновых инжекторов в полупроводниковые структуры;
д) Разработан список возможных рекомендаций по усовершенствованию технологии получения высокотемпературных ферромагнитных нанокомпозитных материалов на основе полупроводников

На основе исследований спонтанно образующиеся спиновых капель в разупорядоченных сильно коррелированных двумерных системах:
а) По скейлингу намагниченности установлено, что спонтанная поляризация спиновых капель будет иметь место при абсолютном нуле температур. Это значит, что для приборных применений могут быть использованы только мезоскопические устройства с сильно-взаимодействующим двумерным газом;
б) В искусственно неоднородной двумерной системе в кремнии обнаружен новый механизм нелинейного эффекта Холла. Показано, что нелинейность усиливается с понижением температуры;
в) Систематизированы в обзоре и разработаны новые принципы термодинамической диагностики двумерных систем. Проведены исследования патентной чистоты и подана заявка патент нового метода для измерения производной термодинамической работы выхода по температуре;
г) Предложены и научно обоснованы методические рекомендации по созданию чешуечных структур конденсаторного типа на основе слоистых материалов.