14.A18.21.1640
АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ
О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1
«Создание магнитных наноструктур пониженной размерности»
Соглашение № 14.A18.21.1640 от 01 октября 2012 г.
Тема: «Создание и комплексная диагностика структуры и физических свойств магнитных наноструктур пониженной размерности»
Исполнитель: Огнев Алексей Вячеславович
Ключевые слова: Магнитные наноструктуры , магнитные свойства , магнитная структура , микромагнитное моделирование
- Цель проекта
1.1. Формулировка задачи / проблемы, на решение которой направлен реализованный проект.
Основная задача, решаемая в проекте, это диагностика магнитных свойств наноструктур, имеющих разную размерность (нульмерные, одномерные) и размер. В ходе выполнения проекта будет решена фундаментальная научная проблема влияния кристаллической структуры, магнитной анизотропии и деформации на процессы перемагничивания и микромагнитную структуру нанообъектов типа «проволока» шириной от 10 до 1000 нм.
1.2. Формулировка цели реализованного проекта, места и роли результатов проекта в решении задачи / проблемы.
Комплексная диагностика магнитных наноструктур пониженной размерности для применения в электронике и спинтронике. Развитие комплекса методов и методик для изучения магнитных, магнитотранспортных свойств, а также кристаллической структуры нанообъектов. Развитие учебно-методического комплекса по направлению бакалавриата «Нанотехнологии» и направлениям магистратуры «Наноматериалы в электронике» и «Физика наноструктур» на базе результатов научно-исследовательской работы по проекту.
- Основные результаты проекта
2.1. Краткое описание основных полученных результатов
Проведенный аналитический обзор показал, что выбранные направления научных исследований являются актуальными. Показано, что наноструктурах имеющих форму окружности или квадрата энергетически выгодной является вихревая конфигурация. Это состояние реализуется в поликристаллических наноструктурах. В случае эпитаксиальных наноструктур конкуренция анизотропии формы и магнитокристаллической анизотропии может привести к формированию новых магнитных конфигураций и изменить ход процесса перемагничивания. Исследование особенностей процесса перемагничивания позволит выявить механизмы переключения доменов в наноструктурах с комбинированными анизотропиями.
Другим актуальным направлением НИР является исследование многослойных наноструктур, т.к. не до конца остается выясненным эффект обменного взаимодействия на процессы перемагничивания. В случае нанодисков необходимо изучить поведений систем «вихрь-вихрь» и «вихрь - однодоменное состояние».
Проведенный патентный поиск показал, что в патентных базах данных (США, Европы, России) имеется небольшое количество изобретений наиболее близко соответствующих направлению поиска. При этом аналогичным предлагаемых в проекте технологий не было обнаружено, что указывает на патентноспособность заявляемых технических решений. Разрабатываемая тема имеет большую актуальность в связи с разработкой новых технологий получения наноструктур, а также диагностики их свойств с использованием современных экспериментальных методов.
В отчете представлен обзор экспериментальных и теоретических методов, которые используются при выполнении проекта, а именное: молекулярно-лучевая эпитаксия как метод получения пленок, дифракция быстрых электронов, сканирующая туннельная микроскопия, магнитометрические методы, индукционный метод, магнитооптический эффект Керра, магнитно-силовая микроскопия , рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, травление фокусированным ионным пучком , электронная литография.
Теоретические исследования были проведены с использованием микромагнитного моделирования. Используя аналитические выражения, были рассчитаны поля зарождения и аннигиляции вихревых состояний. Установлено, что на зависимости величины критических полей от размера массива наблюдаются осцилляции критических полей.
Экспериментально были исследованы процессы самоорганизации наноструктур на подложках Si (111). Установлены технологические условия, при которых формируются эпитаксиальные монокристаллические островки и идеально ровные проволоки меди. Размер островков можно контролировать от 200 нм до 1 мкм, а длину нанопроволок до 8 мкм. Подготовлены лабораторные образцы наноструктур. В 2013 году будет разработана технология формирования магнитных наноструктур с использованием полученных медных островков в качестве шаблона, а также изучены их магнитные свойства.
Методом электролитического осаждения в пористую матрицу оксида алюминия подготовлены лабораторные образцы массивов нанопроволок Со, Ni, CoP. Предварительные исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что диаметр нанопроволок в разных образцах изменяется от 20 до 100 нм. Более детальная диагностика структуры и магнитных свойств запланировала в 2013 г.
Получены эпитаксиальные пленки Со выращенные на вицинальных подложках Si (111). Установлено, что пленки являются анизотропными, величина поля анизотропии Ha = 800 Э. Используя фокусированный ионный пучок, были вытравлены массивы нанопроволок длиной 30 мкм и различной ширины: от 520 нм до 1,8 мкм. Подготовлены лабораторные образцы. Более детальная диагностика структуры и магнитных свойств эпитаксиальных нанопроволок запланировала в 2013 г.
2.2. Описание новизны научных результатов
Впервые предсказаны осцилляции критических полей процесса перемагничивания посредством вихревых состояний в зависимости от числа нанодисков в массивах, а также показано, что в процессе перемагничивания нанопроволок с комбинированными анизотропиями в доменных стенках могут образовываться вихревые состояния.
Определены технологические условия формирования массивов эпитаксиальных наноструктур размером от 200 нм до 1 мкм на модифицированных поверхностях кремния (111). По результатам проведенных исследований подготовлена заявка на патент.
2.3. Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового уровня.
По результатам проведенных экспериментальных исследований подготовлены статьи, которые будет опубликованы в журналах Journal of Applied Physics и Applied Physics Letters (The American Institute of Physics' (AIP)) . Полученные результаты будут доложены на ведущей международной конференции по магнетизму 12th Joint MMM/Intermag Conference (Chicago, USA, 14.01.2013). Это свидетельствует о высоком уровне полученных результатов.
- Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Описание областей применения полученных результатов: разработка базовых элементов электроники для полупроводниковой промышленности, аэрокосмической отрасли.
- Перспективы развития исследований
Краткая информация о перспективах развития выполненного в ходе выполнения проекта исследования.
1) Информация о том, насколько участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств.
Члены коллектива, включая руководителя проекта, участвуют в 7-й рамочной Программе Евросоюза в проекте "Spectroscopy of Spin Excitations in sub-100nm Magnetic Structures using High Electron Mobility Transistor Photodetection".
2) Краткая информация о проектах научного коллектива по аналогичной тематике:
1. Грант Президента РФ на 2011-2012 гг., «Разработка и исследование многокомпонентных магнитных наноструктур для создания устройств спиновой электроники и магнитной логики».
2. Грант компании «Оптек» (Carl Zeiss) (2012 г.)
3. «Получение и исследование магнитных наноструктур с вариативной геометрией формы на полупроводниковых подложках» Мероприятие 1.2.2. Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук, направление «Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение», ФЦП Кадры 2009-2013 гг.
3) Информация о том, сотрудничество с какими странами и исследовательскими центрами может способствовать наибольшей отдаче для развития в России технологий в области исследования, а также для выхода российской продукции на региональные и глобальные рынки.
США (Argonne National Laboratory; Oakland University, Rochester), Евросоюз (Munster University, Germany; University of Kaiserslautern, Germany; Universidad del Pais Vasco, San Sebastian, Spain).
- Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий:
Стеблий Максим Юрьевич, 18.10.1987, принят на должность ассистента кафедры общей физики ШЕН, ДВФУ.
Давыденко Александр Сергеевич, 14.06.1987, принят на должность ассистента кафедры низкоразмерных структур ШЕН, ДВФУ.
Руководитель НИР, к.ф.-м.н., доцент – А.В. Огнев