Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0019

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0019
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Название доклада
Спин-зависимые явления в двумерных полупроводниковых структурах, пленках с магнитными примесями, графене и наноструктурах со спиновыми волнами
Докладчик
Аронзон Борис Аронович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью проекта является разработка принципов создания наноструктур и модельных решений для элементной базы полупроводниковой спинтроники как одного из перспективных направлений будущей наноэлектроники. Для достижения поставленной цели проводятся исследования в направлениях, основанных на следующих системах: полупроводниковые ферромагнитные двумерные гетероструктуры типа квантовая яма с отдаленным слоем магнитной примеси, феррромагнитные нанокомпозиционные материалы на основе полупроводников, спонтанно образующиеся спиновые капли в разупорядоченных сильно-коррелированных двумерных системах, тонкие чешуйки материалов с волной спиновой плотности и графена.
Актуальность и новизна исследования
Все перечисленные работы соответствуют мировому уровню исследований и обладают существенной новизной. В частности, впервые подробно исследованы гетероструктуры типа квантовая яма InGaAs с отдаленным нанослоем Mn, установлена природа взаимодействия квантовой ямы InGaAs и отдаленного Mn δ – слоя, определена природа ферромагнетизма и спинового упорядочения в этих структурах, определены их оптимальные параметры и разработаны рекомендации по их дальнейшему усовершенствования для использования в прикладных задачах спинтроники, исследованы различные высокотемпературные ферромагнитные нанокомпозитные материалы на основе полупроводников, показано, что наиболее перспективными являются сплавы GaSb-MnSb. Разработаны рекомендации по усовершенствованию технологии их получения, исследованы возможности создания спиновых капель в двумерной электронной жидкости, рассмотрена идея создания транзистора на основе возможности управления состоянием волны спиновой плотности.
Описание исследования

Проведены  рентгеновские, электронномикроскопические с разрешением на атомарном уровне, магнитные и электрофизические исследования гетероструктур типа квантовая яма InGaAs с отдаленным δ – слоем Mn, которые в отличие от большинства исследованных полупроводниковых ферромагнитных структур имеют планарную структуру, соответствующую современной технологии микроэлектроники. Анализ результатов исследования гетероструктур типа квантовая яма InGaAs с отдаленным δ – слоем Mn, позволяет заключить, что на их основе могут быть созданы спиновые транзисторы, обладающие температурой Кюри примерно до 100 К и даже несколько выше, которые могут быть использованы в качестве материала для элементной базы будущей полупроводниковой спинтроники при условии усовершенствования технологии их получения, в соответствии с рекомендациями, выработанными в ходе выполнения данного проекта. 

Проведены  рентгеновские, электронномикроскопические с разрешение на атомарном уровне, магнитные и электрофизические исследования различных полупроводниковых ферромагнитных нанокомпозитных структур, в том числе:  полупроводников на основе материалов А3В5 с нановключениями ферромагнитных частиц типа MnAs и MnSb, а также полупроводниковых соединений на основе  селенидов  марганца с небольшими отклонениями от стехиометрии и сплавов  GaSb-MnSb.  Выяснено, что  полупроводниковые соединения на основе  селенидов  марганца с небольшими отклонениями от стехиометрии и сплавы  GaSb-MnSb обладают ферромагнетизмом при температуре превышающей комнатную.  Установлено. что из этих структур наиболее перспективными для применения в спинтронике в качестве спиновых инжекторов являются сплавы GaSb-MnSb с составом содержащим около 40% антимонида марганца с температурой Кюри около 500 К. Перспективность данных материалов определяется у существенно большей в них подвижностью носителей заряда и существенным совершенством и стабильностью  кристаллической структуры.

Для исследования возможности применения устройств микроскопического размера на основе двумерного электронного газа в кремнии в качестве спиновых инжекторов были проведены экспериментальные исследования производной магнитной восприимчивости по концентрации в зависимости от температуры при различных затворных напряжениях, измерения зависимости производной энтропии по концентрации электронов в зависимости от энергии Ферми, измерения температурной зависимости удельного сопротивления для разных значений электронной плотности, измерения осцилляций Шубникова –де Гааза и эффекта Холла.  

Показано, что на основе этих структур возможно  изготовление конденсатора большой емкости можно использовать два типа затвора: нижний затвор (легированный кремний под слоем окисла) и верхний затвор (дополнительно напыленный слой металла или лист графена, отделенный от начального листа графена слоем изолятора).

Для экспериментальной проверки гипотезы о возможности управления состоянием волны спиновой плотности электрическим полем были использованы два косвенных метода, которые приводят к изменению концентрации свободных носителей подобно эффекту поля. Первый метод состоит в управлении расщеплением поверхности Ферми за счет упорядочения дипольных моментов анионов ClO4 в стехиометрическом соединении (TMTSF)2ClO4. Второй метод состоит во интеркаляции ионов ClO4 в стехиометрический (TMTSF)2PF6. В ходе выполнения проекта был разработан маршрут получения чешуй (TMTSF)2PF6 толщиной до 20 нм.

Проведен обзор и анализ имеющихся методов исследования термодинамических свойств двумерных систем, включающих в себя : прямое измерение теплоемкости, измерение электрической емкости и сжимаемости, измерение производных химпотенциала, резистивная детекция химпотенциала, локальное измерение химпотенциала и его производных при помощи одноэлектронного транзистора. Показано, что наиболее чувствительные методы основаны на перезарядке емкостных структур. Предложен метод измерения производной химпотенциала по температуре, подана соответствующая заявка на патент.  

 

Результаты исследования

Для двумерной электронной системы в кремнии исследована возможность спинового упорядочения при сверхнизких температурах. В частности, были обнаружены спиновые капли, для которых была определена характерная температура их существования, которая стремилась к нулю при приближении к критической концентрации перехода металл-изолятор. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии квантового фазового перехода в системе. Этот факт не позволяет использовать при конечной температуре устройства микроскопического размера на основе двумерного электронного газа в кремнии в качестве спиновых инжекторов. 

Продемонстрирована возможность создания графеновых конденсаторов и проведены экспериментальные исследования их свойств. Предложено несколько вариантов изготовления конденсаторов емкостью 0.1 - 20 пф. Испробованные различные методы нанесения затвора не привели к принципиально улучшенным результатам. 

Экспериментально проверена и косвенно подтверждена гипотеза о возможности управления состоянием волны спиновой плотности электрическим полем. Проведенные измерения показали изменение количества свободных носителей в состоянии волны спиновой плотности при непрямом управлении электрическим полем (анионное упорядочение, интеркаляция анионов). Разработан маршрут получения чешуй (TMTSF)2PF6 толщиной до 20 нм. 

На основе исследований магнитных и гальваномагнитных свойств и электронно-микроскопических исследований и зондовой микроскопии (магнитосиловая и атомносиловая) тонких пленок полупроводниковых сплавов GaSb (59 %) – MnSb (41 %) выявлена природа ферромагнитного упорядочения и уточнена структура данных сплавов и определены оптимальных параметры данных структур. Разработан список возможных рекомендаций по усовершенствованию технологии получения высокотемпературных ферромагнитных нанокомпозитных материалов на основе полупроводников и полупроводниковых  сплавов.

Результаты исследования гетероструктур типа квантовая яма InGaAs с отдаленным Mn δ – слоем, позволяют 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 рекомендациями, выработанными в ходе выполнения данного проекта.

 

Практическая значимость исследования
Область применения полученных результатов научных исследований включает в себя новые направления электроники. Разработка научно обоснованных принципов создания наноструктур для элементной базы спинтроники имеет большое значение как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения, однако практическое их внедрение является далекой перспективой.
Постер

Poster_final.ppt