Регистрация / Вход
Прислать материал

Гибридные магнитные наноструктуры для устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники

Номер контракта: 14.613.21.0048

Руководитель: Павлов Виктор Владимирович

Должность руководителя: Старший научный сотрудник

Докладчик: Усачёв Павел Анатольевич, Старший научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
гибридные магнитные наноструктуры, сверхбыстрые спиновые явления, линейные и нелинейные оптические явления, интерфейсные явления.

Цель проекта:
Цель проекта: Установление физических механизмов сверхбыстрой спиновой и электронной динамики в новых гибридных магнитных наноструктурах ферромагнетик-полупроводник с сильной локализацией спин-поляризованных носителей заряда в интерфейсных областях, приводящей к существенному усилению линейных и нелинейных оптических и магнитооптических явлений. Полученные в ходе реализации проекта экспериментальные и теоретические результаты послужат основой для дальнейшего выбора материалов и структур для создания новых устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники для информационно-телекоммуникационных технологий. Задачи проекта: 1. Получение и характеризация новых гибридных магнитных наноструктур сочетающих в различных комбинациях магнитные полупроводники и диэлектрики, ферромагнитные металлы и диамагнитные полупроводники. 2. Изучение новых нелинейных оптических явлений, связанных с проявлением магнетизма в условиях взаимодействия гетероструктур со сверхкороткими лазерными импульсами; выявление новых оптических и магнитооптических нелинейностей высоких порядков в магнитных наноструктурах, обусловленных явлениями на интерфейсах магнитный материал/полупроводник.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будут проведены совместные экспериментальные исследования обратного эффекта Фарадея и эффекта оптической ориентации в магнитных наноструктурах на основе халькогенидов европия EuX (X =O, Se, Te) вблизи и выше края фундаментального поглощения в диапазоне энергий фотонов 2.0-3.8 эВ в широком диапазоне магнитных полей и температур. Будут проведены феноменологическое и микроскопическое рассмотрение и модельные расчеты для наблюдаемых эффектов.
2. Будет проведено оптическое и магнитооптическое исследование сверхтонких структур ферромагнитный металл-диэлектрик [Co/TiO2]n на поверхности полупроводника Si с толщинами слоев 2-4 нм. Структуры будут приготовлены методом ионно-лучевого распыления. Будут проведены расчеты комплексной диэлектрической проницаемости структур металл-диэлектрик. Будет исследована магнитная анизотропия структур использованием магнитооптического эффекта Керра. Будут проведены расчеты магнитооптического эффекта Керра методом матриц переноса.
3. В рамках проекта будут исследованы гибридные наноструктуры на основе тонких пленок ферритов-гранатов с нанометровой толщиной на поверхности субмикронных слоев широкозонных полупроводников GaAs и GaN. Будут экспериментально исследованы оптические свойства, связанные с сильной локализацией носителей заряда со спиновой поляризацией в интерфейсных областях, что открывает перспективы для создания новых устройств оптоэлектроники и спинтроники, использующих дополнительную степень свободы – внешнее магнитное поле для управления поляризационными характеристиками световых потоков.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Будут созданы несколько групп гибридных магнитных наноструктур, и будет проведена их характеризация методами магнитометрии, магнитооптики, эллипсометрии.
а) Высококачественные эпитаксиальные тонкопленочные структуры на основе магнитных полупроводников – халькогенидов европия будут выращены методами молекулярно-лучевой эпитаксии на прозрачных и непрозрачных немагнитных подложках BaF2(111) и Si (совместное сотрудничество с университетом Сан Паоло).
Халькогениды европия EuX (X = O, S, Se и Те) являются магнитными полупроводниками с центросимметричной кубической структурой и точечной группой m3m. Их электронная структура и ряд уникальных физических свойств определяются сильно локализованными 4f7 электронами иона Eu2+ со спином S = 7/2. Сильное спин-орбитальное расщепление в ионах европия обеспечивает сильный линейный и нелинейный магнитооптический отклик.
б) Высококачественные тонкопленочные гетероструктуры типа металл-диэлектрик на полупроводниковой подложке (Co-TiO2)n/Si с плоскопараллельными границами и толщинами слоев 2-4 нм, период повторений n=10-15 будут приготовлены методом методом ионно-лучевого распыления-осаждения.
Многослойные наноразмерные структуры, состоящие из чередующихся слоёв магнитных и немагнитных материалов, представляют большой интерес, как для фундаментальной физики, так и для различных технологических применений.
В силу слоистости структуры ожидается сильная анизотропия оптических, магнитных и магнитооптических свойств, в том числе для фотоиндуцированных эффектов.
в) Тонкопленочные гетероструктуры типа магнитный диэлектрик (феррит-гранат Y3Fe5O12) с толщиной слоя 40-90 нм, в комбинации с тонкими слоями широкозонных полупроводников GaAs и GaN, полученные методом ионно-лучевого распыления.
Ферриты-гранаты являются модельными средами для разработки структур для одной из новых областей спинтроники – магноники, основанной на использовании коллективных спиновых возбуждений – спиновых волн – для передачи и обработки информации.
Для всех структур будет проведена характеризация с целью определения их основных магнитных характеристик - намагниченность, коэрцитивность, оптические и магнитооптические спектры.

Для решения поставленных задач будут использованы методы оптической накачки и зондирования и генерации второй оптической гармоники.
Для этих целей будет использована оптическая система фирмы Light Conversion Ltd в связке “Pharos” (мощный фемтосекундный лазер + оптический усилитель) и “Orpheus” (оптический параметрический генератор-усилитель), которая является уникальной в России. Данная система позволяет получать лазерные импульсы длительностью 140-200 фс с возможностью перестройки в широком спектральном интервале от 620 до 2600 нм, а использование дополнительного удвоителя на основе нелинейного кристалла LiNbO3 расширяет этот диапазон до 310 нм. При этом есть возможность когерентного оптического смешивания (генерация суммарной и разностной оптических частот) с длинами волн лазера “Pharos” 1028 нм и его второй гармоники 514 нм.

Имеющееся в распоряжении коллектива оборудование и созданные на его основе установки позволяют проводить исследования в необходимом спектральном диапазоне, интервале температур и получить высокую чувствительность в измерениях сигналов. Предлагаемые научные решения по многим параметрам находятся на уровне лучших мировых аналогов, что обуславливает высокий научно-технический уровень планируемых результатов. Следует отметить комплементарность подходов для решения поставленных задач в рамках проекта, это обосновывает необходимость совместного выполнения работ. Так, например, чать образцов (пленки халькогенидов европия) будут выращены бразильскими участниками, другая часть (многослойные пленки и пленки ферритов гранатов) - в ФТИ им. А.Ф. Иоффе.
Коллектив участников проекта имеет большой опыт в исследовании магнитоупорядоченных сред линейными и нелинейными магнитооптическими методами, что определяет необходимую компетентность и высокий научный уровень выполнения проекта. Важными моментами в ходе выполнения проекта является использование современных экспериментальных методик, тесное взаимодействие между теоретиками и экспериментаторами, участвующими в проекте с российской и бразильской стороны. Следует отметить, что реализация данного совместного проекта, несомненно, послужит развитию сотрудничества с иностранным партнером.
Тем более, что в прошлом такое сотрудничество принесло положительные плоды, а совместные результаты исследований были опубликованы в высокорейтинговых журналах.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Технология наносистем - будет проведено обоснование выбора материалов для создания новых устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники для информационно- телекоммуникационных технологий.
Информационно-телекоммуникационные системы - будут выявлены и исследованы оптические эффекты с возможностью использования для устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники.
Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии - будут показаны основные возможности гибридных магнитных наноструктур для ячеек памяти, устройств обработки и передачи информации, магнитных сенсоров.
Будет проведена популяризация полученных результатов посредством информирования научной общественности посредством совместных публикаций в научных журналах и выступлений на международных конференциях.

Текущие результаты проекта:
В ходе работ на первом этапе проекта был выполнен Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках исследований; созданы методики и изготовлены экспериментальные объекты на основе
- тонкопленочной гетероструктуры типа металл-диэлектрик (Co-TiO2)n на полупроводниковой подложке Si;
- тонкопленочной гетероструктуры типа магнитный диэлектрик феррит-гранат Y3Fe5O12 на полупроводнике GaAs или GaN;
- тонкопленочной гетероструктуры - магнитного полупроводника EuO на Si подложке.
Также были составлены технические задания на модернизацию экспериментальных установок и выполнены первые эксперименты по характеризации тонкопленочной гетероструктуры типа металл-диэлектрик (Co-TiO2)n на полупроводниковой подложке Si.