Лаборатория наноэлектроники и спинтроники

Заведующий лабораторией д.ф-м.н. Рудый А.С.

Теория магнитных свойств наноструктур

Фазовые переходы в молекулярных ферримагнетиках с двумя точками компенсации

Впервые построены фазовые диаграммы для магнетиков с двумя точками компенсации. Построенные из цианидных блоков аналоги берлинской лазури являются простейшим примером таких материалов. На их основе были изучены общие закономерности вида H-T фазовых диаграмм в магнетиках с двумя точками компенсации. Магнитные свойства аналогов берлинской лазури очень чувствительны к изменению освещенности, температуры и других внешних факторов, что делает их весьма перспективными материалами для практических применений в виде датчиков.

Индуцированные магнитным полем переходы в магнитных мультислоях

Разработаны новые подходы к расчету критических полей в многослойных структурах, состоящих из чередующихся тонких слоев магнитных и немагнитных материалов (типа Co/Cu или Fe/Cr). При переходах в классической цепочке магнитных моментов под действием внешнего магнитного поля. Впервые получены аналитические выражения для величины критических полей при индуцированных внешним полем переходах в магнитных мультислоях с учетом анизотропии, гейзенберговского и биквадратичного обменного взаимодействия при разной ориентации поля.

Основные публикации
  1. Kostyuchenko V.V. Finite Size Effects in Field-Induced Transitions in Magnetic Multilayers.Solid State Phenomena. 2009. V. 152-153, p. 245-248;
  2. Костюченко В.В. Индуцированные магнитным полем переходы в анизотропных магнетиках с двумя точками компенсации. 2009. ФТТ, Т. 51, в. 2, с. 316-319;
  3. Костюченко В.В. Эффекты четности в магнитных наноструктурах. XXI Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах" (НМММ-21). Сборник трудов, с. 582-584.

Расчет спиновой структуры и энергии основного состояния магнитных молекулярных нанокластеров

Магнитные молекулярные нанокластеры представляют собой новый тип магнитных материалов. По своему строению магнитные молекулярные нанокластеры — это молекулярные кристаллы, содержащие ионы редкоземельных и переходных металлов. Молекулы, являющиеся составными частями этих молекулярных кристаллов, имеют довольно сложное строение. Каждая молекула состоит из окруженного лигандами ядра, которое и определяет магнитные свойства магнитных молекулярных нанокластеров.

Создан алгоритм точного расчета спиновой структуры и энергии основного состояния магнитных молекулярных нанокластеров. Применение этого метода для анализа экспериментальных данных по магнитной восприимчивости магнитных молекулярных нанокластеров в области сильных магнитных полей впервые позволило надежно установить структуру и величину обменных взаимодействий нанокластеров Mn6R6, Ni4Mo12, Mn12, V15. Результаты расчетов можно также использовать при исследовании магнитных наноструктур других сортов (например, спиновых цепочек).

Полученные результаты открывают новые возможности для дальнейших исследований в области нового научно-технического направления — молекулярной спинтроники, которое вызывает очень большой интерес в связи с возможностью создания новых типов устройств обработки информации (ЗУ большой плотности и квантовых компьютеров).

Основные публикации
  1. Zvezdin A.K., Kostyuchenko V.V., Popov A.I., Popkov A.F., Ceulemans A. Phys Rev B v. 80, 172404(2009);
  2. Костюченко В.В. Теория тороидального момента в магнитном молекулярном нанокластере V15. XXI Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах" (НМММ-21). Сборник трудов, с. 310-311.

Динамическое моделирование процессов формирования трехмерных кластеров

Создан пакет программ, осуществляющих компьютерное моделирование процессов порообразования в глубине полупроводниковых кристаллов с учётом процессов, происходящих на поверхности, а также химических реакций, сопровождающих процессы порообразования. Это даёт возможность контролировать формирование пористых структур.

Разработан эффективный алгоритм вычисления динамически меняющегося потенциала электрического поля внутри полупроводниковых кристаллов кремния, который может найти своё применение в различных задачах компьютерного моделирования, с изменяющейся со временем границей постоянного потенциала. Построена графическая система визуализации процесса моделирования, включающая в себя отображение вертикальных и горизонтальных двумерных срезов кремниевой пластины, а также трехмерное отображение динамического процесса моделирования с постоянным вращением камеры. Данная система может быть использована в компьютерных программах для исследования двумерной или трёхмерной модели динамических процессов любой природы, происходящих в области произвольного поля. Реализованная компьютерная модель позволяет проанализировать численные характеристики пористых кластеров, а также более глубоко понять динамику процессов формирования объектов пониженной размерности, которые являются основой современной нанотехнологии. Разработанная математическая модель многостадийных процессов формирования пористого пространства в полупроводниковых кристаллах при анодировании в растворах плавиковой кислоты позволяет планировать технологию приготовления различных структур на основе пористого кремния. Создан эффективный алгоритм динамического расчёта фрактальной, корреляционной и массовой фрактальной размерностей трехмерных кластеров, который позволяет анализировать характер изменения данных размерностей в процессе развития кластера.

Основные публикации
  1. Можаев А.В., Бучин Э.Ю., Проказников А.В., Трехмерное моделирование динамических процессов формирования микрокластеров в кристаллической матрице. ЖТФ, 2009, т. 79, вып. 3, с. 1-7;
  2. Можаев А.В., Бучин Э.Ю., Проказников А.В. Динамическая трехмерная модель формирования микрокластеров в кристаллической матрице. // Труды ФТИАН, "Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника", М.: "Наука", 2008, с. 185-192;
  3. Можаев А.В., Проказников А.В. Расчет потенциала в моделях кластерного роста. Вычислительные методы и программирование, 2009, т. 10, с. 24-27;
  4. Можаев А.В., Проказников А.В., Компьютерное моделирование процессов формирования микрокластеров на основе масштабной инвариантности случайных блужданий. Микроэлектроника, 2009, т. 39, № 4, с. 1-8.

Усиление магнитооптического экваториального эффекта керра в наноразмерных структурах

Разработана технология приготовления наноперфорированных магнитных структур на основе металлических пленок на пористом алюминии и многослойных структур, содержащих пленки магнитных материалов. Полученные структуры демонстрируют значительное (на порядок) усиление магнитооптических свойств, в частности, экваториального эффекта Керра, по сравнению с магнитными, тонкими пленками на обычной подложке без пор. Обнаружено явление усиления магнитооптического экваториального эффекта Керра (ЭЭК) в тонких пленках Co (1-6 нм), в структурах Co(2нм)/Cu(2нм)/Co(2нм), а также в наноперфорированных пленках оксида алюминия (диаметр отверстий 40 нм), с нанесенной пленкой Co (НПКо). Наибольший эффект наблюдался в системе НПКо. Максимальное относительное изменение интенсивности отраженного света в магнитном поле и без него в зависимости от угла падения поляризованного света (632 нм) было в 20 раз выше, чем для неперфорированной пленки Co.

Обнаруженный магнитооптический эффект в наноперфорированных пленках кобальта обусловлен возбуждением поверхностного плазмон-поляритона, условия рождения которого являются менее жесткими в периодических структурах.

Основные публикации
  1. Бучин Э.Ю., Ваганова Е.И., Наумов В.В., Папорков В.А., Проказников А.В., Усиление экваториального эффекта Керра в наноперфорированных пленках кобальта. Письма в ЖТФ, 2009, т.35, вып. 13, с. 8-17;
  2. Бучин Э.Ю., Ваганова Е.И., Наумов В.В., Папорков В.А., Проказников А.В., Усиление магнитооптического отклика в наноперфорированных пленках кобальта, Труды XXI Международной конференции "Новое в магнетизме и магнитных материалах", Москва, 2009, 28 июня – 4 июля, с. 247-249.

Модификация свойств физических систем наноструктурированием

Фотостимулированное травление низколегированных подложек n-типа кремния в растворах плавиковой кислоты c приложением внешнего электрического поля при разных параметрах системы электролит/полупроводник позволяет формировать слои пористого кремния с разнообразными структурными свойствами и различных масштабов. Изменения структурных свойств пористого слоя коррелируют с изменениями его люминесцентных свойств.

Анодирование n-типа кремния при интенсивной подсветке сверху приводит к формированию поверхностного нанопористого слоя, состоящего из двух подслоев. Верхний подслой состоит из изолированных нанокристаллитов и отвечает за эффективную фотолюминесценцию, а нижний представляет собой квантовые проволоки и обуславливает электролюминесценцию. Электролюминесценция сформированных на основе пористого кремния n-типа диодных структур обнаруживает два типа свечения: стабильное, бело-голубое свечение и нестабильное, эффективное, яркое красное свечение. Первый тип свечения происходит из области квантовых нитей, свечение второго типа связано с излучением из изолированных нанокристаллитов. Количественные оценки на базе теоретической модели свидетельствуют о вкладе кристаллитов различных размеров в формирование спектра электролюминесценции.

На основе пористых структур развита технология получения одинаково ориентированных многогранных микрокластеров никеля методом осаждения никеля в матрицу пористого кремния из жидкого раствора. Обнаруженная анизотропия магнитных свойств никелевых микрокластеров, полученных осаждением никеля из жидкой фазы в поры, сформированные в кремниевой матрице свидетельствует о модификации свойств структурированных веществ по сравнению с объемными.

Проведены исследования и разработана технология приготовления наноперфорированных магнитных структур, обладающих необычными оптическими свойствами, может базироваться на создании металлических пленок на пористом алюминии, который получается анодированием специально созданных структур в растворах щавелевой кислоты.

Основные публикации
  1. Проказников А.В., Бучин Э.Ю., Ваганова Е.И. Различные технологии формирования пористых слоев оксида алюминия. // Тезисы докладов V Международной конференции и IV школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе "Кремний-2008", Черноголовка, 2008, с. 197.

Моделирование процессов эпитаксиального роста

Атомные механизмы релаксации внутренних напряжений в гетероэпитаксиальных структурах

Разработана компьютерная программа для моделирования методом молекулярной статики процессов релаксации упругих напряжений в гетероэпитаксиальных структурах. Данная модель использует многоатомный потенциал "погруженного атома" для описания межатомных взаимодействий в многоатомной системе представляющей подложку и слои гетероэпитаксиальной пленки. Разработан новый, оригинальный метод для активации механизмов структурной перестройки для релаксации упругих напряжений аккумулируемых в процессе роста пленки за счет несоответствия решеток пленки и подложки. Данный метод использует сферически симметричный потенциал отталкивания для выталкивания системы из локального энергетического минимума (Repulsive Bias Potential Method). Комбинация данного метода с широко известным методом "релаксации упругой цепочки" (Nudget Elastic Band Method) позволяет систематически исследовать гетероэпитаксиальные системы с изменяемыми параметрами. Проведена оценка энергетики и исследованы атомные механизмы процессов релаксации упругих напряжений в гетероэпитаксиальных системах металл / металл. Получены изолированные дефекты разного рода, как локальные (тетраэдр несоответствия — Stacking Fault Tetrahedron), так и протяженные (краевая дислокация несоответствия — Misfit Dislocation). Показано, что энергетический барьер для активации дефекта убывает по величине с ростом параметра несоответствия. Данные работы проводятся в рамках многостороннего международного сотрудничества с исследовательскими группами проф. Тапио Ала-Ниссила из Университета Технологии, Хельсинки, Финляндия, профессором Си-Чен Инг из Университета Браун, США, и профессора Энзо Гранато из института космических исследований, Бразилия.

Основные публикации
  1. O. Trushin, J. Jalkanen, E. Granato, S.C. Ying and T. Ala-Nissila Atomistic studies of strain relaxation in heteroepitaxial systems, // J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 084211;
  2. G. Nandipati, Y. Shim, J.G. Amar, A. Karim, A. Kara, T.S. Rahman and O. Trushin Parallel kinetic Monte Carlo simulations of Ag(111) island coarsening using a large database // J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 084214.

Кинетика диффузионных процессов на поверхности металлов

Разработан новый метод компьютерного моделирования диффузионных процессов на поверхности металлов — Самообучаемое Кинетическое Монте-Карло. Данный метод позволяет перекинуть мостик между разными уровнями описания многоатомной системы и использовать информацию полученную на атомном уровне (на основе потенциала межатомного взаимодействия) для описания явлений мезоскопического уровня (диффузия атомных кластеров, коалесценция островков и др.) В основе метода классическая модель кинетического Монте-Карло, предполагающая разыгрывание возможных диффузионных процессов с помощью генератора случайных чисел и с учетом вероятностей различных механизмов. Новизна подхода заключается в обновлении списка возможных атомных смещений в процессе эволюции многоатомной системы. За счет этого удается существенно улучшить реалистичность описания кинетики диффузионных процессов на поверхности металлов, при этом сохранив высокую скорость вычислений. С помощью этого метода исследованы различные процессы на поверхности металлов в процессе роста тонких пленок. С помощью данного метода исследованы процессы диффузии малых кластеров Cu (до 100 атомов) на поверхности Cu(111), а также диффузионной коалесценции островков. Полученная информация необходима для развития моделей роста пленок и наноструктур с целью контроля их функциональных характеристик. Данные работы поддержаны грантом CRDF и проводятся в рамках международного сотрудничества с исследовательской группой профессора Талат Рахман из Университета Центральной Флориды, США.

Основные публикации
  1. F. Rabbering, A. Kara, H. Wormeester,T. Warnaar, O. Trushin, T. S. Rahman, and B. Poelsema Dispersed Forces from Measured Shape Anisotropy of Adatom Islands: Revelations from an Accelerated Simulation Scheme // PRL 103, 096105 (2009);
  2. A. Kara, O. Trushin, H. Yildirim and T.S. Rahman Off-lattice self-learning kinetic Monte Carlo: application to 2D cluster diffusion on the fcc(111) surface // J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 084213;
  3. G. Nandipati, Y. Shim, J.G. Amar, A. Karim, A. Kara, T.S. Rahman and O. Trushin Parallel kinetic Monte Carlo simulations of Ag(111) island coarsening using a large database // J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 084214.

Спин-вентильный датчик слабых магнитных полей

Отработка технологии формирования датчиков проводилась на основе многослойной структуры Co(5нм)/Cu(3нм)/Py(5нм)/Ta(5нм)/SiO2/Si. Тонкие металлические слои в одном технологическом цикле последовательно наносили на окисленную кремниевую подложку в установке магнетронного распыления. Чувствительный элемент датчика микронных размеров формировали с помощью ионной литографии.

Важным моментом при создании ГМС датчиков является выбор размера и формы чувствительного элемента, поскольку эти параметры существенным образом определяют функциональные характеристики прибора. С использованием микромагнитного моделирования была определена оптимальная форма чувствительного элемента для датчика слабых магнитных полей — прямоугольная полоска микронных размеров с аспектным соотношением 2:1. Было также обнаружено, что коэрцетивные поля обоих магнитных слоев возрастают с уменьшением латеральных размеров элемента. Таким образом, изменяя геометрию чувствительного элемента, можно создавать датчики для регистрации магнитных полей различной напряженности.

Магнетосопротивление датчиков измеряли с помощью автоматизированного стенда собственной конструкции. В результате исследований были получены приборные структуры, регистрирующие магнитные поля напряженностью до 3 mT с эффективностью (dR/R) в 2,8%, что является вполне достаточным для многих практических приложений.

Основные публикации
  1. Трушин О.С., Коканов Д.А., Бочкарев В.Ф., Наумов В.В., Бучин Э.Ю. "Автоматизированный стенд для экспресс диагностики магниторезистивных структур" // Микроэлектроника, 2009, т. 38, № 4, с. 369-374;
  2. Наумов В.В., Бучин Э.Ю. "Магнетосопротивление многослойных структур, полученных магнетронным методом" // Микроэлектроника, 2009, т. 38, № 5, с. 280-283.

Лаборатории

Новости и события
Подготовка индивидуальных рейтинговых показателей
20.11.2017
Конкурс на замещение вакантной научной должности
01.11.2017
Конкурс на замещение вакантной научной должности
17.07.2017
Конкурс на замещение вакантной научной должности
03.07.2017
ICMPSN 2017
19.04.2017
12.04.2017: Выборы директора ФТИАН РАН
06.04.2017
Выборы директора ФТИАН РАН
24.03.2017
Конкурс на замещение вакантных научных должностей
16.02.2017
Семинар 1 февраля 2017
25.01.2017
Конкурс на замещение вакантных научных должностей
23.01.2017
Контактная информация
Корпус А
150007, г. Ярославль, ул. Университетская, д. 21
+7 (4852) 24-65-52 (приемная)
+7 (4852) 24-09-55 (бухгалтерия)
Корпус Б
150055, г. Ярославль, ул. Красноборская, д. 3
+7 (4852) 24-53-53