Как изучаются магнитные наноструктуры?

Давайте признаемся: чистить забитую флешку от неактуальных и ненужных файлов –муторный и неприятный процесс. Кто из нас не мечтает о более объемных и технологичных средствах хранения информации? Одна из современных, развивающихся областей современной физики – магнитные наноструктуры – как раз направлена на решение этой задачи. О том, что такое наноструктуры, чем они интересны и как создаются, поговорили с Дмитрием Татарским, кандидатом физико-математических наук, научным сотрудником ИФМ РАН и руководителем проекта РНФ «Развитие методов создания и диагностики ферромагнитных наноструктур».

– Что такое магнитные наноструктуры? Как они выглядят? С помощью чего их можно рассмотреть?

Под наноструктурами понимают объекты, чей размер – порядка десятков и сотен нанометров. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет десятки микрон, а один нанометр в сто раз меньше микрона. Получается, наноструктуры в десятки и сотни тысяч меньше человеческого волоса. К наноструктурам можно отнести и макроскопические плёнки нанометровой толщины на подложках, и различные фигуры и частицы, получаемые из таких плёнок (на фото), и просто частицы, которые получаются в ходе сложных физических и химических процессов. Добавляя в плёнки ферромагнитное вещество – материал, который, грубо говоря, притягивается к бытовым магнитам – мы получаем уже магнитные наноструктуры. В рамках нашего проекта мы исследуем наноструктуры, содержащие типичные ферромагнетики: железо, кобальт, никель и их соединения.

Чтобы «рассмотреть» наноструктуры, мы используем атомно-силовые микроскопы, в которых образец исследуется тончайшей иглой, а также электронные микроскопы. Они бывают растровыми, когда поверхность образца сканируется острофокусированным пучком электронов, и просвечивающими, в которых исследуется, как пучок электронов проходит сквозь тонкий образец.

– Как и с помощью чего они создаются?

Для получения наноструктур мы используем метод магнетронного напыления. Мишень, из которой будет происходить распыление материала на подложку, размещается на цилиндрическом магните. Если такую конструкцию поместить в вакуум (а точнее, в сильно разреженный аргон или другой газ) и приложить высокое напряжение, то начнётся газовый разряд и ионы газа (аргона) начнут выбивать атом мишени. Соответственно, подбирая режимы, материал мишени и время работы установки, можно получать плёнки практически любой толщины, вплоть до единиц нанометров. Важным достоинством этого метода является его технологическая совместимость с одной из основных технологий производства современных микросхем – КМОП (CMOS). Конечно, мы в своих разработках используем дорогие высококачественные вакуумные установки, содержащие по несколько мишеней, позволяющие комбинировать слои разных материалов, но нельзя не заметить, что сам принцип магнетронного напыления настолько прост, что его можно воспроизвести в домашних условиях с минимальным набором оборудования.

Но следующий этап – «вырезание» из тонких плёнок отдельных частиц сложной геометрической формы – более интересен. Для этого используется такая технология, как литография, прежде всего электронная. На уже готовую плёнку наносится фоторезист – полимер, химические свойства которого меняются под воздействием пучка электронов. В свою очередь, растровый электронный микроскоп изначально умеет сканировать остросфокусированным (< 1 нм) пучком электронов и может засветить на этом фоторезисте рисунок практически любой сложности. Так как разные участки фоторезиста после такой засветки имеют разные химические свойства, в процессе дальнейшего химического и ионного травления стравливается всё лишнее и получаются упорядоченные магнитные наночастицы.

– Чем интересны и полезны магнитные наноструктуры?

Законы наномира могут сильно «противоречить» нашему простому бытовому опыту из макромира. Конечно же, одна часть нашего проекта и посвящена такому фундаментальному исследованию

свойств магнитных материалов на наноуровне. Здесь есть два направления. Дело в том, что в магнитных частицах определённых размеров формируются магнитные вихри, т.е. частица стремится не иметь северный и южный полюс, как у бытового полоскового магнита, а стремится «закрутится» в вихрь. Вот такие многовихревые состояния в частицах сложной формы мы исследуем.

Второе направление связано с плёнками, которые кроме магнитных слоёв содержат также слои оксидов и тяжёлых металлов. Благодаря таким квантовым взаимодействиям, как спин-орбитальное взаимодействие, в них также формируются экзотические распределения намагниченности. При этом уже нет таких ограничений в размерах или формах частиц, как в многовихревых системах.

У проекта есть и прикладные задачи. Например, мы отрабатываем технологии получения контактов с туннельным магнитосопротивлением. Такие контакты – это многослойные «столбики» из плёнок нанометровой толщины, содержащие несколько магнитных слоёв. В зависимости от магнитного состояния этих слоёв, меняется электрическое сопротивление. Отсюда сразу возникает несколько очевидных применений. Во-первых, эти слои могут реагировать на внешнее магнитное поле, при этом будет меняться электрическое сопротивление. Это свойство можно использовать для определения величины этого внешнего поля. Во-вторых, направление намагниченности в одном из слоёв такой структуры является, по сути, битом информации. У такой памяти есть ряд достоинств: энергонезависимость, радиационная устойчивость, в перспективе –высокая плотность хранения информации. При этом прочитать такой бит информации будет несложно, а вот записать его – главная проблема. В настоящее время идёт борьба, прежде всего, за энергоэффективность процесса записи информации в такую память.

Наконец, кроме фундаментальных и прикладных целей, наш проект имеет ещё и другую важную задачу – подготовка молодых кадров. Над проектом работает 8 человек, четверо из них – студенты и аспиранты. Конечно, за срок выполнения проекта (3 года), затруднительно подготовить кандидатскую диссертацию, но, как минимум, можно создать серьёзный задел для нее. Если же говорит о студентах, то работа над проектом позволяет, с одной стороны, собирать материал для бакалаврских и магистерских дипломов, а с другой стороны – получать конкурентную зарплату и во время учёбы не искать подработку где-то «на стороне». Так что можно сказать, что исследование магнитных наноструктур способствуют закреплению молодёжи в науке.

– Насколько развито это научное направление? Какие есть проблемы?

Сейчас мерилом любой научной деятельности является публикационная активность. Если провести поиск ключевых слов проекта (Lorentz transmission electron microscopy, Dzyaloshinksii-Moriya interaction, Magnetic tunnel junction) по таким базам научных статей, как Web of Science или Scopus, легко увидеть, что количество публикаций год от года только растёт. В этом смысле наш проект находится в тренде современных мировых веяний физики магнитных наноструктур. Если говорить не о фундаментальных проблемах, завязанных, прежде всего на ограничения законов природы, основные проблемы при исследовании таких наноструктур – это доступ к современному высокоточному оборудованию. Наша группа обладает необходимым набором инструментов, как установками роста и получения тонких плёнок, так и электронными и зондовыми микроскопами для их исследования. Всё это оборудование по научным меркам достаточно новое и позволяет нашей группе конкурировать на мировом уровне.