Актуальные проблемы современной науки: тезисы докладов XІV Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург - Астана - Киев - Вена, 29 ноября 2016)
Секция: Физико-математические науки
КУЗЬМИНА АЛИНА СЕРГЕЕВНА
аспирант кафедры квантовой физики и нанотехнологий
Иркутский национальный исследовательский
технический университет
г. Иркутск, Россия
РМП НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА - ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СПИНТРОНИКИ
Спинтроника (спиновая электроника) - стремительно развивающаяся область квантовой электроники, основанная на использовании спина (собственного магнитного момента) электрона наряду с его зарядом. Спинтроника относится к мультидисциплинарной области науки и технологии, образованной на стыке физики магнетизма, оптоэлектроники и микроэлектроники [1, с. 1-6]. Спинтронные устройства обладают быстротой и энергоэффективностью за счет того, что спин электрона можно «переключать» из одного состояния в другое с меньшими затратами энергии и за меньшее время, чем требуется на перемещение заряда по электрической схеме. Кроме того, поскольку при смене спина не меняется кинетическая энергия носителя, то тепло практически не выделяется [2, с. 41-45].
В настоящее время спинтроника разделяется на несколько подвидов: металлическая, полупроводниковая, органическая, сверхпроводниковая, молекулярная, квантовая и т.д. Они развиваются по общей схеме: эффекты - материалы - технология - приборы и устройства [3, с. 339-346].
Из всех полупроводниковая спинтроника является наиболее интенсивно развивающейся, поскольку призвана решить проблемы современной микроэлектроники. Полупроводниковая спинтроника (ПС) — наука о сосуществовании зарядовых и спиновых степеней свободы в легированных полупроводниках и наноструктурах, природе ферромагнетизма и методах синтеза этих материалов, создании приборов и устройств, использующих спиновые характеристики в полупроводниках [4, с. 2255-2303]. Она вызывает особый интерес исследователей всего мира тем, что может сочетать достоинства полупроводников (управление током в полупроводнике электрическим потенциалом затвора, сочленение с оптическими элементами и др.) с достоинствами магнитных материалов (управление током путем изменения распределения намагниченности в материале, энергонезависимость и др.) [5, с. 1336-1348].
В обзоре Д. Авсчалома и М. Флатте [6, с. 153-159] сообщается о проблемах ПС, её существующих и ожидаемых преимуществах. Кроме того, авторы представили краткую историческую справку о становлении ПС. Хронология экспериментальных открытий, заложивших основу ПС, показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Хронология основополагающих экспериментальных открытий полупроводниковой спинтроники (1994-2006 гг.) [6, с. 153-159]
Сейчас ПС в основном сконцентрирована на изучении влияния дефектов, магнитных и немагнитных примесей на электронную структуру полупроводников, а также на изучении физико-химические свойств, которые важны для понимания в них природы различных эффектов и явлений (например, высокотемпературного ферромагнетизма), а также прогнозирования новых спинтронных материалов с требуемыми параметрами. Для практической реализации материалы ПС должны удовлетворять, по крайней мере, четырём требованиям: стабильностью свойств под действием внешних условий (давления, температуры, влажности); возможностью нанесения омических контактов; должны иметь такое время спиновой когерентности, которое не приводит разориентации спинов и потере информации; должны обладать высокой подвижностью носителей заряда и быть ферромагнитными при комнатной температуре [26].
Одной из главных задач ПС является интеграция магнитных систем в полупроводниковую микроэлектронику. Для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником. В большей степени требованиям, предъявляемым к материалам спинтроники, удовлетворяют разбавленные магнитные полупроводники (РМП) группы А2В6 (ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe), представляющие собой полупроводники на основе твёрдых растворов, в которых часть атомов решётки замещена атомами магнитных переходных металлов или редкоземельных элементов. В связи с достаточно высокой растворимостью ионов (до нескольких десятков процентов) в полупроводниковых соединениях А2В6, они являются перспективными для получения магнитных полупроводниковых материалов с высокими температурами Кюри, а также для управления и контроля их магнитными, полупроводниковыми и оптическими свойствами.
В последнее время широкозонный полупроводник - оксид цинка, обладающий большой энергией связи экситонов, является одним из наиболее интересных полупроводников А2В6 для научных исследований. Уникальное сочетание уже существующих и ожидаемых свойств тонких плёнок на основе ZnO открывают широкие перспективы применения в новых спинтронных устройствах [7, с. 107-115]. Согласно базе данных Web of Science (на 26.08.2016) за последние 20 лет по теме «тонкие плёнки ZnO» опубликовано 2925 статей с суммарным количеством цитирований - 83921. Следует отметить, что них 1036 статей издано в последние несколько лет (2014-2016 гг.). Аппроксимация графиков публикационной активности, представленных на рисунке 2, показывает практически постоянный рост количества статей и цитирований, что свидетельствует об актуальности исследований по указанной теме не только в России, но и за рубежом.
Рисунок 2 - Динамика публикационной активности по теме «тонкие плёнки ZnO» с 1997 по 2016 гг. согласно базе данных Web of Science: количество опубликованных статьей (а) и цитирований на них (б)
Из всего вышесказанного есть основания полагать, что полупроводниковая спинтроника на основе ZnO может занять важнейшее место в науке и технологии XXI века.
Литература:
