Прямое наблюдение антиферромагнитных вихрей в дисках Co/Fe/Ag (001)
В тонких ферромагнитных (ФМ) плёнках конечного размера магнитные вихри реализуют структуру скирмионов и характеризуются полярностью и числом намоток [1]. В антиферромагнитных (АФМ) дисках до сих пор вихри наблюдались косвенно за счет индуцированных в интерфейсе АФМ/ФМ упорядоченных ФМ спинов [2]. В недавней работе [3] сообщается о первом прямом наблюдении АФМ вихрей в двухслойных структурах АФМ/ФМ. Плёнки Ni/Fe и CoO/Fe были получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Ag (001). Оси [110] NiO и CoO параллельны оси [100] Fe и [110] Ag. С помощью фокусированных ионных пучков были подготовлены диски с типичным диаметром ~2 мкм. Магнитные свойства измерялись методами рентгеновской магнитооптики: магнитный круговой дихроизм (XMCD) для ФМ Fe и магнитный линейный дихроизм (XMLD) для АФМ NiO (вблизи Ni L2 края) и СоО (вблизи Со L3 края) на синхротроне ALS в Lawrence Berkeley Nat. Lab. (США). Исследование угловых зависимостей сигналов показало, что взаимная ориентация спинов в ФМ и АФМ зависит от толщины АФМ слоя. Для dCoO = 0.6 нм спины Со коллинеарны спинам Fe, а для dCoO = 3 нм они взаимно перпендикулярны. Вблизи края поглощения NiO и CoO измерялись также спектры XMCD, отсутствие сигнала доказывает, что спектры линейного дихроизма действительно происходят от скомпенсированного АФМ слоя.
На рис. 1 показана элементно-чувствительная доменная структура как ФМ, так и АФМ слоёв, полученная на том же синхротроне методом фотоэлектронной электронно-лучевой микроскопии (РЕЕМ). Низкоэнергетическая электронная дифракция от NiO и CoO, а также электронномикроскопическое изображение самого диска показаны на рис. 1а. Для плёнок NiO и CoO толщиной 0.6 нм на рис. 1b показаны вращающиеся вихри в Fe и коллинеарные вихри в NiO и CoO. На рис. 1с для толщин CoO и NiO 3 нм показан вращающийся вихрь в слое ФМ и ортогональный к нему расходящийся вихрь с радиальным направлением спинов в АФМ слоях. Заметим, что подобный расходящийся вихрь не может существовать в ФМ слое, поскольку он индуцирует статические магнитные заряды. В скомпенсированном АФМ проблемы нет, ибо каждая подрешётка индуцирует заряды противоположных знаков, которые взаимно сокращаются.
С. Овчинников
1. O.A.Tretiakov et al., Phys. Rev. B 75, 012408 (2007).
2. J.Sort et al., Phys. Rev. Lett. 97, 067201 (2006).
3. J.Wu et al., Nature Physics 7, 303 (2011).
Подкованная память
Перемещение магнитных доменных границ с помощью поляризованного по спину тока является одной из физических идей, с которыми связывают будущее спиновой электроники. В недавней статье международной команды, включающей в себя исследователей из французского CNRS, из Института общей физики РАН и японского AIST, продемонстрирован действующий прототип устройства, работающего на данном эффекте [1]. Оно создано на основе магнитного туннельного перехода, который в настоящее время является главным элементом магнитной памяти произвольного доступа (MRAM), сочетающей в себе быстродействие полупроводниковых устройств с энергонезависимостью магнитной памяти.
Устройство представляет собой подковообразную сэндвич-структуру (рис. 2). Центральную роль здесь играют магнитные слои: опорный, с постоянной намагниченностью, и свободный, в котором находится подвижная доменная граница. При протекании электрического тока, перпендикулярного слоям, опорный слой служит спиновым поляризатором: прошедшие через него электроны становятся поляризованными по спину и начинают воздействовать на свободный слой. За счет эффекта передачи спина, являющегося разновидностью закона сохранения момента импульса, они стремятся перемагнитить свободный слой в направлении, совпадающем с направлением намагниченности в опорном слое. Изменение направления тока на противоположное оказывает обратное воздействие на свободный слой. Подковообразная форма выбрана с таким расчетом, чтобы действие магнитного поля тока на свободный слой складывалось с действием тока за счет эффекта передачи спина. Совокупное влияние этих двух факторов приводит к тому, что доменная граница перемещается подобно стрелке гальванометра вправо или влево в зависимости от направления электрического тока.
Для считывания состояния такого устройства вовсе не обязательно непосредственно наблюдать микромагнитную структуру подковки. Для этого применяется тот же эффект туннельного магнитосопротивления, который сейчас используется в головках жестких дисков. Поскольку доменная граница разделяет область с намагниченностью, совпадающей с намагниченностью опорного слоя и область с противоположной намагниченностью, то от ее положения зависит сопротивление структуры: оно наименьшее при крайнем правом положении доменной границы, когда намагниченности опорного и свободного слоев сонаправлены, и наибольшее - в крайне левом положении. Таким образом, доменная граница играет роль своеобразного затвора, открывающего и закрывающего туннельный переход (отношение изменения сопротивления к сопротивлению открытого перехода может достигать 200% и больше).
В настоящее время в прототипах MRAM, основанных на движении доменных стенок, ток протекает параллельно слоям. Использование новой геометрии позволит понизить плотности токов в сотню раз, что сделает элементы памяти намного более надежными и существенно сократит тепловые потери.
А. Пятаков
1. А.Chanthbouala et al., Nature Phys., advance online publ. (10 April 2011);
«Гибкая» электроника на углеродных нанотрубках
В наш век на смену традиционным громоздким электронным устройствам приходят все более миниатюрные и мобильные аналоги: телефоны, ноутбуки, электронная бумага. Прогресс не стоит на месте, и особая роль здесь, разумеется, отведена углеродным нанотрубкам (УНТ). В мартовском номере Nature Nanotechnology сообщается о производстве высокопроизводительных УНТ-тонко-пленочных транзисторов (TFT) и интегральных схем на гибких и прозрачных подложках с помощью химического осаждения из газовой фазы с применением плавающего катализатора (floating catalyst chemical vapor deposition) с последующей газофазной фильтрацией и несложным процессом переноса на подложку [1], см. рис. 3. Получающаяся при таком подходе тонкая УНТ-пленка состоит из достаточно “прямых” нанотрубок длиной около 10 мкм. Газофазная фильтрация и процессы переноса, используемые в работе [1] для изготовления тонких пленок на основе УНТ, могут вполне успешно использоваться и для создания устройств на гибких подложках.
Авторы продемонстрировали тонкопленочные транзисторы (TFT) и интегральные схемы на углеродных нанотрубках, включающие инверторы, кольцевые генераторы, NOR и NAND логические вентили, RS-триггеры, триггеры с задержкой (D-тригеры) на подложках из хорошо известного в полиграфии полиэтиленнафталата (см. рис. 4).
При этом производительность TFT на подложке из полиэтиленнафталата оказалась ничуть не хуже аналогичного TFT на кремниевой подложке. Подвижность носителей составляет 35 см2/В×с, а соотношение on/off, характеризующее отношение уровней тока во включенном и выключенном состояниях составило 6×106. Авторы не сомневаются в хорошей масштабируемости предложенной ими методики изготовления тонкопленочных транзисторов на углеродных нанотрубках применительно к “гибкой” электронике. Газофазная фильтрация нанотрубок при атмосферном давлении и процессы переноса на подложку, используемые в работе, позволяют получать однородные и достаточно большие образцы. Сам процесс фильтрации может быть с легкостью масштабирован посредством увеличения ширин выпускных отверстий и фильтров. Трафаретная и глубокая печать вполне смогут заменить используемые технологии литографии для создания образцов и изготовления электродов и контактов. В конечном итоге, можно утверждать, что работа, проделанная авторами приблизила поставленную ими амбициозную цель – повсеместная и дешевая “гибкая” электроника.
М. Маслов
1. D.Sun et al., Nature Nanotech. 6, 156 (2011).
Однослойные нанотрубки с металлической проводимостью
для прозрачных проводящих пленок
Прозрачные проводящие пленки являются важным элементом многих современных электронных устройств, таких как ноутбуки, смартфоны, солнечные элементы, покрытия, защищающие от электромагнитного облучения и т. п. В настоящее время такие пленки производят в основном из оксида олова и индия (ITO), однако интенсивное развитие информационных технологий привело к дефициту этих элементов, что, несомненно, отражается на стоимости соответствующих приборов. В качестве альтернативных материалов для изготовления прозрачных проводящих пленок рассматриваются углеродные наноструктуры (УНС), к числу которых относятся углеродные нанотрубки (УНТ), графены и др. Благодаря удачному сочетанию высокой электропроводности, теплопроводности, прозрачности, гибкости, механической, термической и химической стабильности такие материалы имеют большие перспективы, для реализации которых необходимо овладеть технологией получения углеродных наноструктур с высокой степенью однородности основных характеристик. В связи с этим на получение УНТ с фиксированными характеристиками направлены усилия многих лабораторий мира. В работе [1], выполненной в Univ. of Clemson (США), авторам удалось не только синтезировать однослойные УНТ с преимущественно металлическими свойствами, но и изготовить из них прозрачную проводящую пленку достаточно высокого качества. Образцы однослойных УНТ с содержанием нанотрубок 40–60%, полученные стандартным электродуговым способом, подвергали термообработке при температуре 300оС на воздухе в течение 30 мин., после чего в течение 24 часов промывали в растворе азотной кислоты (2.6 М), подвергали центрифугированию, промывали в деионизованной воде и просушивали в вакууме. Очищенные таким способом образцы УНТ в течение 1 часа обрабатывали раствором 1-докосилоксиметил пирена (DomP) в тетрагидрофуране (THF), после чего суспензию в течение 24 часов подвергали ультразвуковой обработке и в течение 15 мин. центрифугированию с целью разделения металлических и полупроводниковых УНТ. Факт существенного обогащения образцов металлическими УНТ подтверждают результаты измерения спектров комбинационного рассеяния. Полученные образцы УНТ, содержащие преимущественно металлические нанотрубки, использовали для изготовления прозрачных проводящих пленок тремя методами:
а) суспензию УНТ (2 мг) в безводном диметилфталате (DMF) (20 мл) после тщательного перемешивания и ультразвуковой обработки в течение 24 часов наносили с помощью распылителя в атмосфере аргона при температуре 200оС на стеклянную подложку;
б) суспензию УНТ (10 мг) в додецилсульфате натрия (SDS) (25 мг) с добавлением 25 мл деионизованной воды, после ультразвуковой обработки (16 час.) и центрифугирования (20 мин.) наносили с помощью распылителя на стеклянную подложку в атмосфере аргона при температуре 150оС, (полученную пленку несколько раз промывали деионизованной водой (без перемешивания) и просушивали на воздухе);
в) суспензию, содержащую УНТ (5 мг), SDS (1.25 г) и деионизованную воду (125 мл) после ультразвуковой обработки (16 час.) и центрифугирования (20 мин.) подвергали вакуумной фильтрации с использованием фильтра на основе окиси алюминия.
Во всех случаях перенос полученных пленок на прозрачную подложку с целью исследования оптических характеристик производили с помощью липкой ленты. Измерения спектров пропускания полученных пленок УНТ показывают, что прозрачность образцов для излучения с λ = 550 нм составляет 80%, что является достаточным для использования пленок в гибких дисплеях и других подобных устройствах.
А. Елецкий
1. F.Lu et al., Chem. Phys. Lett. 497, 57 (2010).
