Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0048

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0048
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Оптические свойства гибридных магнитных наноструктур для устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники
Докладчик
Усачев Павел Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
Стремительное развитие средств обработки, передачи и хранения информации, а именно создание новых типов памяти, миниатюризация и увеличение скорости ставит новые задачи для телекоммуникационных технологий. Эти задачи имеют как минимум две составляющие: (i) поиск новых материалов и разработка новых структур, (ii) совершенствование существующих и поиск новых методов управления их состоянием. Среди наиболее перспективных направлений практического использования результатов проекта, можно отметить такие области как оптоэлектроника, спинтроника (создание сверхбыстрой магнитной памяти), гибридные управляющие элементы, интегрирование магнитных материалов в полупроводниковую элементную базу, сенсоры магнитных полей с высокой чувствительностью, магнито - резистивная память с произвольной выборкой (MRAM), среды для записи информации со сверхвысокой плотностью. В результате проекта проведено оптическое и магнитооптическое исследование гибридных магнитных наноструктур, выявлены их основные физические механизмы. Все это определяет актуальность и новизну исследования.
Описание исследования

В ходе выполнения проекта использованы следующие методы исследования.

1. Спектральная эллипсометрия - оптическая техника для исследования диэлектрических свойств тонких пленок со сложным показателем преломления или диэлектрической функцией. Эллипсометрия измеряет изменение поляризации света после отражения от образца, далее происходит анализ и сравнение результата с моделью.

Данный метод может использоваться для получения информации о составе, толщине и шероховатости пленок, оптической диэлектрической функции, концентрации легирования, электрической проводимости и других свойств материалов. 

Использованная установка позволяла измерять эллипсометрические параметры в диапазоне энергий фотонов 0.6-5.6 эВ при различных углах падения света. 

Данным методом проведено исследование ферромагнитных металл-диэлектрические многослойных структур [Co/TiO2]n с толщинами слоев 2-4 нм, приготовленных методом ионно-лучевого распыления на кремниевых подложках с ориентацией (001).

2. Метод оптической накачки – зондирования является одним из наиболее распространенных инструментов исследования электронной, спиновой и решеточной динамики в различных материалах, включая полупроводниковые и магнитные. Этот метод позволяет напрямую изучать кинетику с временным разрешением.

Эксперименты по фотоиндуцированному оптическому вращению и эллиптичности были выполнены с использованием титан-сапфирового лазера, генерирующего ∼150 фс импульсы света при частоте повторения 75.6 МГц. Диапазон энергий фотона составлял 1.45-1.77 эВ. Луч накачки был промодулирован с помощью фотоупругого модулятора на частоте 50 кГц, модуляция поляризации света осуществлялась от левой до циркулярной поляризации, а зондирующий луч имел линейную поляризацию. Отношение между интенсивностями между лучами накачки и зондирования было 10:1, средняя мощность света луча накачки составляла 30-50 мВт. Использовалась геометрия как на отражение, так и прохождение света.  Лучи фокусировались в пятно диаметром ~100 мкм. Углы падения лучей накачки и зондирования относительно нормали образца составляли 0◦ и 20◦ в экспериментах на отражение, 0◦ и 10◦ в экспериментах на пропускание света.

Этим методом исследована сверхбыстрая динамика электронно-орбитальных состояний в тонком слое магнитного полупроводника EuTe.

3. Метод спектрального измерения эффекта Керра - магнитооптического эффекта, заключающегося в том, что при отражении линейно поляризованного света от поверхности намагниченного материала наблюдается вращение плоскости поляризации и эллиптичности света.

Различают три типа эффекта Керра в зависимости от взаимной ориентации намагниченности, направления распространения световой волны и нормали к поверхности образца. В общем случае линейно поляризованный свет после отражения от поверхности намагниченного материала будет эллиптически поляризованным; при этом большая ось эллипса поляризации повернётся на некоторый угол по отношению к плоскости поляризации падающего света, а интенсивность отраженного света изменится. Эффект связан с недиагональными компонентами тензора диэлектрической проницаемости, являющимися линейными функциями внешнего магнитного поля Н или намагниченности М.

Данный метод был использован для разных типов гибридных магнитных наноструктур ферромагнетик-полупроводник.

4. Метод по фотоиндуцированному изменению магнитного состояния - это разновидность метода оптической накачки – зондирования, отличие от традиционного заключается в том, что используются не импульсные а непрерывные лазеры.. Этот метод позволяет изучать фотоиндуцированные лучем накачки изменения магнитного состояния, с последующим мониторингом таких изменений с помощью зондирующего луча. 

Данный метод был использован для изучения фотовозбужденных гигантских магнитных поляронов в тонких слоях магнитных полупроводников EuTe, EuSe и EuO.

Результаты исследования

Ферромагнитные металл-диэлектрические многослойные структуры [Co/TiO2]n с толщинами слоев 2-4 нм были изготовлены на поверхности кремния Si(001) методом ионно-лучевого распыления. Комплексная диэлектрическая функция была изучена в
спектральном диапазоне энергий фотонов 0.6-5.6 эВ с использованием метода спектральной эллипсометрии. Полученные эллипсометрические параметры проанализированы с использованием оптических матриц переноса для многослойной структуры с оптическими потерями, а также с использованием анизотропной эффективной среды. Магнитные особенности структур были определены при помощи метода магнитооптического эффекта Керра. Полученные результаты позволяют сделать заключение, что полученные наноразмерные ферромагнитные металл-диэлектрические структуры могут рассматриваться как искусственные одноосные среды, обладающие сильной оптической и магнитной анизотропией при комнатной температуре. Эта важная особенность позволяет надеяться на практической использование данных структур для устройств опто- и магнитоэлектроники.

Метод оптической накачки и зондирования был использован для изучения ультрабыстрой динамики когерентных
орбитально-электронных состояний и некогерентных спиновых состояний в магнитном полупроводнике
EuTe в области края запрещенной зоны. Циркулярно-поляризованная оптическая накачка вызывает оптический переход
4f75d0 → 4f65d1. Показано, что приложение внешнего магнитного поля от 0 до 6.5 T приводит 
в переключению между обратным эффектом Фарадея и эффектом, связанным с оптической ориентацией. Это переключение связано с сильным изменением ширины запрещенной зоны в EuTe, находящегося во внешнем магнитном поле при низких температурах. Манипуляция спиновых состояний происходит на характерном временном промежутке 10 пикосекунд. Разработана феноменологическая модель для обратного эффект Фарадея и эффекта оптической ориентации, показывающая различные
спектральные и временные отклики для двух данных эффектов.

Выполнено исследование фотоиндуцированных магнитных поляронов в EuTe с магнитным моментом несколько сотен магнетонов Бора, были исследованы как зависимости от интенсивности накачки, так и температуры с помощью эффекта Фарадея. Определена квантовая эффективность при оптическом возбуждении магнитных поляронов ~0.09. Зависимость интенсивности фотоиндуцированного фарадеевского вращения определяется линейным увеличением, из этого следует вывод, что плотность заселения фотоиндуцированных поляронов ограничена максимальным значением 4.5 × 1015 см−3. Это на четыре порядка величины меньше, чем плотность поляронов, которые могли бы полностью заполнить кристалл. Это позволяет сделать вывод, что фотоиндуцированные поляроны закреплены дефектами. Показано, при высоких плотностях накачки вместе с поляронным эффектом свет приводит к небольшому нагреву образца в области пятна. Температурная зависимость поляронного магнитного момента хорошо описывается законом Кюри-Вейса. При температурах выше 100 K поляроны разрушаются с энергией активации ~11 мэВ.

Проведенные исследования по проекту 14.613.21.0048 по теме: "Гибридные магнитные наноструктуры для устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники" соответствуют результатам аналогичных работ, определяющих мировой уровень.

 

Практическая значимость исследования
Исследованы комплексные оптические свойства гибридных магнитных наноструктур, которые могут быть потенциально востребованы для устройств сверхбыстрой спинтроники и оптоэлектроники.

Перспективные направления практического использования результатов проекта:
1. оптоэлектроника,
2. спинтроника (создание сверхбыстрой магнитной памяти),
3. гибридные управляющие элементы,
4. интегрирование магнитных материалов в полупроводниковую элементную базу,
5. сенсоры магнитных полей с высокой чувствительностью,
6. магнито - резистивная память с произвольной выборкой (MRAM),
7. среды для записи информации со сверхвысокой плотностью.