Уникальные пленки на основе железа и палладия вырастили в Казани

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для создания градиентных магнитных материалов впервые использовали ученые Института физики Казанского федерального университета с коллегами из Московского физико-технического института.  Они вырастили эпитаксиальные тонкие пленки сплава палладий–железо с непрерывным контролируемым распределением магнитной примеси по толщине.

Задавая профиль распределения в таких «градиентных» магнитных материалах при их синтезе, можно управлять спектром стоячих обменных спиновых волн, подчеркнули в пресс-службе КФУ.

Исследования прошли на базе НИЛ «Гетероструктуры для посткремниевой электроники» Института физики КФУ, созданной по программе «Приоритет–2030». 

«Спиновые волны или магноны – это собственные возбуждения магнитных моментов, распространяющиеся в магнитном материале, таком как ферромагнетик, антиферромагнетик или ферримагнетик, посредством обменных или магнитостатических взаимодействий. Спиновые волны перспективны для передачи и обработки информации в магнонике – новой и бурно развивающейся области спин-волновой электроники. Ученые сегодня научились возбуждать, передавать и считывать магноны, однако спектр спиновых волн известных магнитных материалов довольно четко определен, что создает проблемы сопряжения различных магнитных материалов в магнонных процессорах. Вместе с тем развитие технологий по созданию тонких пленок с рукотворными магнитными свойствами открывает широкие возможности для управления спектром спиновых волн. Новые знания о том, как магнитная структура пленки влияет на возбуждение, распространение и затухание спиновых волн, будут способствовать развитию магноники в направлении передачи и обработки информации», – рассказал руководитель проекта Амир Гумаров.

По теоретическим расчетам пленки с неоднородными магнитными свойствами позволяют управлять как стоячими, так и распространяющимися спиновыми волнами. Пока существует очень мало экспериментальных работ, посвященных синтезу магнитных материалов с заранее заданным профилем распределения магнитных свойств («градиентных» магнитных материалов). Среди методов получения градиентных материалов можно выделить метод химического осаждения, жидкофазную эпитаксию, магнетронное распыление, а также метод ионной имплантации. По словам ученых, технология молекулярно-лучевой эпитаксии в целях создания градиентных магнитных материалов впервые  использована именно физиками КФУ.

«Сплав палладий–железо оказался идеальным для создания на его основе градиентного магнитного материала. Во-первых, важным преимуществом данного сплава является возможность перестройки его магнитных параметров: намагниченности насыщения, коэрцитивного поля, энергии обменного расщепления зоны проводимости и магнитной анизотропии путем изменения концентрации железа. Во-вторых, данный сплав на основе благородного металла не окисляется со временем и не меняет своих магнитных свойств на протяжении десятков лет. И наконец, мы можем контролируемым образом задавать профиль распределения концентрации железа в матрице палладия, то есть сделать его, например, линейным, параболическим, синусоидальным или более сложным. Последнее позволило нам наблюдать проявление магнонных мод, локализованных в потенциальной яме искусственно заданного магнитного профиля. Можно сказать, что нам удалось с помощью профилирования магнитных свойств пленки управлять ее спин-волновыми резонансами. Каждая спин-волновая мода – это струна, колеблющаяся со своей частотой. Управление спин-волновыми резонансами можно сравнить с настройкой струн музыкального инструмента», – пояснил старший научный сотрудник лаборатории Игорь Янилкин.

Получить нужные сплавы физикам помогли две испарительные ячейки, которые содержали исходные материалы – палладий и железо. В процессе роста пленки температура ячейки с палладием оставалась постоянной, а температура ячейки с железом изменялась по заранее запрограммированному протоколу изменения скорости нагрева/охлаждения ячейки во времени, что позволило вырастить пленки с неоднородным распределением железа в матрице палладия.

«Это не первый наш опыт получения неоднородного профиля распределения магнитной примеси железа в матрице палладия. Ранее мы использовали ионную имплантацию атомов железа в предварительно выращенные монокристаллические пленки палладия. Однако такой метод, в отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии, не позволял нам с прецизионной точностью контролировать профиль распределения концентрации железа по толщине пленки, что делало управление спектром собственных магнонных мод затруднительным», – отметил академик Академии наук РТ Ленар Тагиров.

Основной целью синтеза градиентных пленок на основе сплава палладий–железо стало изучение возможности управления спектром стоячих спин-волновых резонансов. Для этого ученые исследовали возбуждение в них спиновых волн методом ферромагнитного резонанса в различных геометриях и температурах измерений. Основной экспериментальный результат заключался в наблюдении картины резонансного поглощения, соответствующей заранее заданному ферромагнитному профилю пленок. Измеренные спектры спин-волнового резонанса хорошо описываются в рамках существующей теории, уточнили в КФУ.

«Наши образцы являются низкотемпературными ферромагнетиками, однако мы показали, что можно сдвинуть интервал градиента концентрации железа в палладии так, чтобы спиновые волны наблюдались и при комнатной температуре, что важно для практических приложений в магнонике, не требующей охлаждения компонентов», – отметил ведущий научный сотрудник, заведующий кафедрой квантовой электроники и радиоспектроскопии Роман Юсупов.

Работа опубликована в специальном выпуске американского журнала Journal of Vacuum Science & Technology A.