Российские ученые создали универсальный инструмент синтеза сложных наноматериалов

Работа опубликована в Journal of Vacuum Science & Technology A. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — это метод роста кристаллических пленок на подложках, который используется в материаловедении и микроэлектронике для создания тонкопленочных структур. Основная идея метода заключается в том, что на подложку направляются молекулы или атомы, которые, оседая на поверхности, образуют упорядоченный кристаллический слой.

В начале 1970-х годов ученые начали исследовать способы создания высококачественных полупроводниковых пленок для использования в транзисторах и лазерах. Основными задачами было добиться высокой чистоты и контролируемой структуры материала, что позволило бы улучшить характеристики электронных устройств. Так и была придумана молекулярно-лучевая эпитаксия.

Метод быстро развивался благодаря потребности в более тонких и качественных слоях для новых технологий, таких как светодиоды, лазеры и солнечные элементы. С течением времени молекулярно-лучевая эпитаксия стала одной из ключевых технологий в полупроводниковой промышленности. Она позволила создавать такие материалы, как арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), которые имеют важное значение для оптоэлектроники.

Основной принцип молекулярно-лучевой эпитаксии состоит в том, что на нагреваемую подложку подается поток атомов или молекул вещества, которое мы хотим вырастить. Эти атомы, когда они сталкиваются с горячей поверхностью подложки, начинают оседать и образовывать кристаллическую решетку. Метод позволяет получать очень тонкие слои и контролировать их свойства с большой точностью, что делает его очень ценным для создания новых материалов и устройств.

В ходе нового исследования российские ученые продемонстрировали возможность использования метода молекулярно-лучевой эпитаксии для получения тонких пленок ферромагнитного сплава Pd-Fe с прецизионно-регулируемым составом по толщине. Они выпарили чистые палладий и железо из тиглей и осаждали их на подложке из монокристаллического оксида магния.

В процессе осаждения контролировалась температура тиглей, чтобы регулировать скорость осаждения атомов железа, достигая с помощью этого нужной скорости осаждения. Ученым удалось синтезировать четыре пленки с заранее заданным нетривиальным профилем распределения железа по толщине и одну пленку с равномерным распределением железа.

Для того чтобы изготовить пленку с нужным распределением концентрации железа, температуру ячейки с железом изменяли определенным образом в процессе охлаждения. А температура ячейки с палладием и, следовательно, скорость осаждения палладия, поддерживались постоянными.

После осаждения пленка была отожжена в вакууме при температуре 873 K (600℃). Во время отжига пленка рекристаллизовалась по всему объему и окончательно оформилась. Контроль качества пленки показал, что неопределенность толщины образца оказалась меньше 2 нанометров.

Сразу после осаждения, в процессе отжига, свойства пленок изучались методами рентгеновской дифракции, что позволило охарактеризовать ее микроструктуру, проконтролировать толщину и соблюдение требуемого профиля концентрации.

Основной целью синтеза было изучение возможностей управления спектром спиновых волн. Удалось измерить резонансные характеристики для каждого из образцов в микроволновом диапазоне, что означает возможность создавать тонкие ферромагнитные пленки для спинтронных магнонных устройств с требуемыми параметрами.

«В нашей работе был разработан подход, позволяющий управлять профилем концентрации железа в пленке Pd-Fe путем регулирования температуры источника материала во время осаждения, — рассказал Игорь Головчанский, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Мы адаптировали технологию молекулярно-лучевой эпитаксии для синтеза градиентных магнитных тонкопленочных материалов на основе ферромагнитного сплава палладия и железа. Полученные ферромагнитные градиентные пленки могут использоваться для создания устройств магноники, позволяющих передавать сигналы посредством спиновых волн. Данная работа демонстрирует потенциал молекулярно-лучевой эпитаксии как универсального инструмента для синтеза сложных функциональных материалов».

Такие магнитные пленки могут найти применение в перспективных устройствах обработки информации, передачи сигналов, а также сенсорных системах. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят расширить спектр магнитных материалов с управляемыми свойствами, что станет важным шагом на пути создания инновационной электроники будущего.

В работе принимали участие ученые из Института физики КФУ, Казанского физико-технического института имени Е. К. Завойского Казанского научного центра РАН и Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.  

_{(опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571)}

ФизТех

405 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше