Результаты исследования опубликованы в научном журнале «Физика твердого тела». Оксиды железа, знакомые всем в виде обычной ржавчины, в наномасштабе превращаются в уникальный инструмент для науки и техники. Материалы на основе оксида железа экологичны, устойчивы, технологичны, а также обладают необычными магнитными свойствами. Они могут использоваться в спинтронике — новом направлении электроники, где информация хранится и передается не только за счет электрического заряда, как в привычных микросхемах, но и благодаря особому «магнитному компасу» внутри каждого электрона. Такой двойной способ кодирования данных позволяет создавать более быстрые, компактные и энергоэффективные устройства.
Не менее важное направление применения оксида железа — сенсорика, где нужны материалы, которые «чувствуют» изменения среды: от присутствия молекул в биосенсоре до слабых магнитных полей в датчике. Чем сложнее и разнообразнее поверхность слоя, тем выше может быть его чувствительность, а значит, точнее работа сенсора.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) совместно с коллегами из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН и Дальневосточного федерального университета изучили, как изменяются магнитные свойства тонких слоев оксида железа при различных условиях их выращивания.
«Нам удалось зафиксировать «вихревые» магнитные структуры в тонких слоях оксидов железа. «Вихрь» считается устойчивым образованием, и именно поэтому его можно использовать для хранения информации. Наша задача — получить такие слои, которые смогут выступать чувствительными элементами биосенсоров», — сказал доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Камиль Гареев.
Работа включала в себя несколько последовательных этапов. Сначала на базе Лаборатории физики профилированных кристаллов ФТИ имени А. Ф. Иоффе РАН методом ультразвуковой паровой химической эпитаксии (mist-CVD) на сапфировой подложке получали исследуемые слои оксида железа. Затем в ресурсных центрах Научного парка СПбГУ авторы экспериментально изучили структуру и магнитные свойства полученных слоев. На финальном этапе под руководством профессора кафедры физики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ведущего научного сотрудника ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Петра Харитонского были выполнены теоретические оценки магнитного состояния оксида железа в исследованных образцах.
Как объяснила один из авторов работы, доцент кафедры физики Земли СПбГУ Елена Сергиенко, важнейшим инструментом в этом исследовании стал метод магнитно-силовой микроскопии.
«Он позволяет с высоким разрешением визуализировать распределение магнитных полей на поверхности образца, фиксируя области формирования доменов и появление вихревых структур. Полученные трехмерные карты магнитных контрастов показали хаотичное распределение магнитных областей в слоях с буфером GaN (нитрид галия)», — объяснила доцент СПбГУ Елена Сергиенко.
Результаты исследований показали, что наличие буферного слоя GaN усиливает магнитные характеристики материала: возрастает намагниченность насыщения и более выраженными становятся так называемые вихревые магнитные структуры. Эти структуры могут быть устойчивыми и по этой причине долго сохранять свое состояние, что делает их перспективными как для хранения информации, так и для использования в чувствительных элементах биосенсоров.
Работы выполнены с использованием оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ: «Нанотехнологии»; «Центр Микроскопии и Микроанализа»; «Инновационные технологии композитных наноматериалов».