Тонкие магнитные пленки — материалы, появление и использование которых предопределило успех многих исследовательских работ, способствовало развитию современных отраслей техники, таких как электроника, магнитооптика и др. Достижения ученых, в числе которых сотрудники Института физики (ИФ) СО РАН (Красноярск), позволили получать пленки, состоящие всего из двух молекулярных слоев. Такие сверхтонкие магнитные пленки находят все большее применение в нанотехнологиях. Но прежде чем достигнуть “наномира”, исследователям нужно было пройти “микромир”. О том, с чего все начиналось, что привело к успеху и каких результатов можно еще ожидать, корреспонденту “Поиска” рассказал заместитель директора института доктор физико-математических наук Сергей ОВЧИННИКОВ.
— Идея создания в Красноярске академического института физики принадлежит талантливому ученому и блестящему организатору науки Леониду Васильевичу Киренскому, который и стал в конце 1956 года первым его директором, — говорит Сергей Геннадьевич. — Физика магнитных явлений, наряду с оптикой и биофизикой, была одной из трех основных тематик нового научного учреждения Сибири. А в начале 1960-х в лаборатории Киренского были развернуты широкомасштабные исследования тонких магнитных пленок. Начинали с толщины в один микрон, а сейчас мы дошли до одного нанометра.
Тонкие пленки обладают рядом особенностей, которые полностью отсутствуют или слабо выражены у массивных ферромагнетиков. Это дает возможность проводить исследования, интересные для теории твердого тела и теории магнетизма, в частности. Особенности проявляются, в первую очередь, в свойствах доменной структуры (неоднородном состоянии ферромагнетика, с чередованием областей, имеющих противоположно направленные магнитные моменты). Если приписать одному направлению “0”, а другому “1”, то появляется возможность магнитной памяти. Это создает большой практический потенциал. Уже достигнуты серьезные результаты по созданию жестких магнитных дисков для компьютеров.
К сожалению, Леонид Васильевич довольно рано ушел из жизни, в 1969 году, ему едва исполнилось 60 лет. После него экспериментальные работы по тонким магнитным пленкам в институте продолжались под руководством Наума Саланского, а решение теоретических проблем и общее руководство тематикой взял на себя Вальтер Игнатченко. Благодаря комплексу исследований к 1980 году было создано несколько тонкопленочных материалов, очень перспективных для магнитной памяти. В то время начали появляться жесткие диски, “винчестеры”, производимые фирмой IBM. В них магнитные моменты лежали в плоскости пленки (так называемая планарная запись).
Созданные учеными нашего института в начале 1980-х материалы имели перпендикулярно направленную намагниченность. Это уменьшает размер домена и увеличивает число битов на диске. Диск IBM имел 28 дорожек, а красноярский — 100, то есть плотность записи увеличилась почти в четыре раза. Это было рекордным достижением на то время. В 1985-1987 годах наши диски прошли все испытания, и планировалось строительство завода в Киеве. К сожалению, последующая ситуация в стране, развал СССР нарушили эти планы.
Тогда же в институте был создан другой перспективный материал для перпендикулярной записи — на основе железа и тербия (химического элемента из группы лантаноидов). Любопытно, что этот материал был предложен и в Японии практически в том же месяце. В 1987-м, опять же одновременно, нашими и японскими учеными были получены еще более многообещающие пленки на основе кобальта и лантаноида диспрозия. Согласитесь, факт выполнения такого уровня работ в одно и то же время с исследователями ведущих мировых центров говорит о многом.
Созданные материалы легли в основу магнитооптических дисков, в которых и запись и считывание информации отличались от принятых в современных винчестерах. В результате появилась термомагнитная запись, которая создается локальным нагревом, например, с помощью лазерного луча. А считывание проводится магнитооптическими методами. Особенность таких дисков — значительный срок хранения информации, к тому же они выдерживают большое число циклов перезаписи. К сожалению, развал советской электронной промышленности в перестроечное время не позволил реализоваться российским магнитооптическим дискам.
— Сделано ли что-то в этом направлении в последнее время?
— Работы продолжаются на современном уровне, в том числе с применением сверхвысоковакуумных установок молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В институте эти исследования ведутся под моим руководством.
Раньше, при высоковакуумных технологиях микроэлектроники, давление в камере составляло около одной стомиллионной атмосферы, и чистая поверхность подложки “зарастала” монослоем грязи за несколько микросекунд. Поэтому первые десятки слоев напыленной пленки состояли из соединений, содержащих компоненты воздуха. При толщине материала в микрон это ничтожно малая доля. Но для современных нанотехнологий это не годится: в таком вакууме не будет вообще чистого рабочего слоя. А вот в сверхвысоком вакууме, который разрежен в 100 тысяч раз больше, процесс зарастания чистой подложки монослоем грязи протекает в течение часа. Этого времени вполне хватает, чтобы успеть качественно напылить нужные материалы.
Одно из основных современных требований — контроль технологического процесса и важнейших параметров пленки непосредственно в вакуумной камере. Эта “идеология” пришла из полупроводниковых технологий 1980-х и получила название молекулярно-лучевой эпитаксии. Суть ее в том, что из мишени медленно (в идеале по одному атому) испаряются частицы вещества, поток которых падает на подложку. В результате структура каждого слоя повторяет структуру этой подложки. В 1987 году новосибирские Институт физики полупроводников и Институт ядерной физики СО РАН начали совместную разработку сверхвысоковакуумного технологического оборудования для напыления полупроводниковых нанопленок. Мелкосерийное производство налажено под руководством Сергея Стенина на опытном заводе СО РАН. Первые установки носят название “Ангара”.
Мы приобрели установку МЛЭ “Ангара” в 1991 году для получения тонких магнитных пленок нанометровой толщины. В это время была очень популярна тема гигантского магнитосопротивления в многослойных структурах из чередующихся слоев ферромагнитных и парамагнитных металлов. Этот эффект обнаружили в 1988-м одновременно в Германии Питер Грюнберг и во Франции Альберт Ферт. Открытие привело позже к созданию считывающих магниторезистивных головок для компьютеров. В 2007 году авторы изобретения получили Нобелевскую премию. Нобелевский комитет отметил, что достигнуто первое широкомасштабное коммерческое применение нанотехнологий.
— Какие возможности открывает для исследователей установка “Ангара” и что удалось сделать с ее помощью?
— В технологической камере установки находятся шесть различных источников для испарения, снабженных открывающимися затворами, подобными диафрагмам в фотоаппаратах. Это позволяет последовательно напылять один материал на другой и создавать многослойные структуры — искусственные материалы, которых нет в природе. (Отсюда другое название технологии — атомная инженерия). На самом деле, не все так просто. Во-первых, необходима близость параметров кристаллических решеток у подложки и напыляемой пленки. Во-вторых, нужно подобрать оптимальную скорость роста пленки и температуру подложки. Иначе вместо желаемого укладывания атомов слой за слоем появляются трехмерные островки, которые при большой толщине перекрываются и формируют пленку с неровной, шероховатой поверхностью. В-третьих, установка “Ангара” была предназначена для полупроводниковых материалов. Для получения и контроля более тугоплавких магнитных металлов требовалась серьезная модернизация и технологического, и аналитического оборудования.
Создание оригинальных магнитных материалов шло параллельно с формированием нового молодежного коллектива, постепенной заменой всей электроники на современную элементную базу и совершенствованием установки. Электронику обновили до 2004 года, к этому времени автоматизировали и управление технологическим процессом. Затем мы модернизировали выпускаемый в Институте физики полупроводников (ИФП) лазерный эллипсометр для магнитооптических измерений. В результате получили возможность контроля магнитного состояния пленки в процессе ее напыления. Сейчас создаем слоистые наноструктуры с чередованием железа и кремния на подложках. Это материалы для нового направления в электронике — спинтроники.
И наконец, последний этап развития нашей технологической базы, который еще не завершился. Мы спроектировали, сконструировали и изготовили отдельную сверхвысоковакуумную установку с карманом для внешнего электромагнита. В эту установку встроили модифицированный коммерческий спектральный эллипсометр ИФП. Получился уникальный комплекс “Магнитоэллипсометр”, который позволяет напылять в сверхвысоком вакууме тонкие пленки и одновременно измерять все их параметры. Недавно для тестирования комплекса мы напылили тонкую пленку железа, с которой записали петлю гистерезиса и по магнитооптическим спектрам определили энергию расщепления зон электронов со спинами вверх и вниз. Это одна из основных характеристик электронной структуры ферромагнитного металла.
Модернизация установки продолжается, так как для более точных измерений требуется охлаждение пленки до температур жидкого гелия или хотя бы азота, а для управления ростом пленок нужен нагрев подложки до 600-700 градусов Цельсия.
Основная научная проблема, которую мы решаем, — изучение того, что происходит на границе между двумя тонкими слоями железа и кремния. Здесь могут появляться как магнитные, так и немагнитные их соединения. Управление этими разными фазами позволит конструировать материалы спинтроники. Мы работаем в тесном сотрудничестве с коллегами из Новосибирска, Владивостока, Санкт-Петербурга, Германии, Испании. В результате проведенных исследований найдена толщина интерфейса между железом и кремнием — около 1 нанометра, установлена температура, выше которой начинается необратимое формирование немагнитных силицидов. Мы также выяснили, что диффузия атомов железа в кремнии идет гораздо быстрее, чем кремния в железе. Уникальные данные о росте силицидов железа и марганца удалось получить на российско-германской станции в Берлине на синхротроне Бесси-2.
Из выращенных нами слоистых систем на основе железа, оксида кремния и кремния в лаборатории радиоспектроскопии и спиновой электроники нашего института под руководством Никиты Волкова созданы туннельные структуры, в которых обнаружены эффекты переключения тока при воздействии магнитного поля. Такие структуры мы собираемся применять в устройствах спинтроники.
— Что еще в перспективе?
— Есть планы как фундаментальных, так и прикладных работ. К фундаментальным я бы отнес задачи по формированию магнитных свойств предельно тонких, почти двумерных слоев. Прикладные связаны с созданием более оптимальных структур для устройств спинтроники. Уже сейчас мы получаем пожелания коллег, поработавших с нашими структурами, “проложить” тот или иной промежуточный слой, например золото. Хотелось бы также довести до конца работу по комплексу “Магнитоэллипсометр”, чтобы он работал в широком диапазоне температур — от жидкого гелия до 1000 градусов Кельвина.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено С.Овчинниковым
Нет комментариев