Дефекта ради: найден идеальный материал для чипов гаджетов и автоэлектроники
Российские ученые вместе с коллегами из Тайваня и Индонезии изучили свойства феррита никеля и выяснили, что часть из них может меняться из-за наличия точечных дефектов в структуре соединения. Это полезно для разработки быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств, в частности микросхем резистивной памяти, которые могут найти применение в автоэлектронике, интернете вещей и носимых гаджетах. Подробнее об исследовании — в материале «Известий».
Устройства резистивной памяти
Специалисты из МФТИ и Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН вместе с коллегами из Тайваня и Индонезии изучили структурно-чувствительные свойства феррита никеля. Этот материал — сложный оксид железа и никеля — представляет собой темно-коричневые нерастворимые в воде кристаллы, отличается механической твердостью и химической стабильностью, а также имеет высокое удельное сопротивление и температуру Кюри (температура, при превышении которой магнитные материалы теряют свои ферромагнитные свойства, заменяясь парамагнетизмом) более 500 °C. До ее достижения фазовое состояние и магнитные свойства не изменяются, следовательно, феррит никеля легко выдерживает действие высоких температур.
Установлено, что свойства этого материала могут меняться из-за наличия точечных дефектов в структуре соединения. Благодаря этому феррит никеля — перспективный материал для спинтроники и производства микросхем резистивной памяти, рассказали «Известиям» в МФТИ. Результаты исследований будут полезны для разработки быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств.
Руководитель лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Владимир Стегайлов
По словам ученых, практически значимые свойства феррита никеля структурно-чувствительны. Они сильно зависят от наличия в кристалле дефектов, то есть нарушений в периодичности расположения атомов. Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН вместе с иностранными коллегами исследовали структуру идеального кристалла феррита никеля и реального, имеющего точечные дефекты.
Специалисты использовали методы первопринципных расчетов электронной структуры, которые базируются на аппарате квантовой физики, но не задействуют эмпирические параметры и отличаются математической строгостью.
Также в ходе работы было изучено движение поляронов в структуре феррита никеля. Полярон представляет собой квазичастицу, состоящую из электрона и поля поляризации, вызванного деформацией кристаллической решетки в ходе движения самого же электрона. Ученые установили, что поляронная проводимость зависит от наличия в структуре феррита никеля кислородных вакансий — свободных мест, которые можно занять, — и антисайт-дефектов, наблюдающихся, когда катион никеля находится в положении железа.
— Показано изменение поляронной проводимости с электронной на дырочную (проводимость полупроводника, в котором основными носителями электрического тока становятся дырки) в структуре феррита никеля, имеющей дефекты в виде кислородных вакансий и антисайтов никеля, — рассказал руководитель лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Владимир Стегайлов.
В данном исследовании ученые установили, что в кристаллах феррита никеля могут образовываться, будто нити, каналы проводимости из двойных кислородных вакансий. Такие каналы называют филаментами. Из-за их появления и возрастает дырочная проводимость.
В физике твердого тела дырка — это отсутствие электрона в почти полностью заполненной валентной зоне. В некотором смысле поведение дырки в полупроводнике похоже на поведение пузырька в полной бутылке с водой.
Как дефекты никеля помогут создать новые микросхемы
Как пояснили исследователи, в работе спиновых устройств вместе с зарядом электрона используется его спин — собственный момент импульса, — который, словно магнит, создает вокруг себя магнитное поле, поэтому его ориентацию можно менять путем внешнего воздействия. Резистивная память имеет свойственную оперативной памяти быстроту, но в то же время сохраняет данные при отключении электропитания, как внешний диск. В основе микросхем резистивной памяти лежит структура: металл – изолятор – металл.
Можно ожидать, что сложные расчеты электронной структуры феррита никеля и подобных ему материалов, выполненные группой из российских и иностранных ученых, поспособствуют разработке быстродействующих электронных устройств, подчеркнули ученые.
Исследование открывает путь к созданию энергонезависимых микросхем резистивной памяти, где управление проводимостью осуществляется через формирование проводящих филаментов, рассказал лаборант Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Василий Чалый.
— Такие устройства сочетают быстродействие оперативной памяти и надежность хранения данных, что делает их перспективными для использования в электронике автомобилей, носимых гаджетах, а также в системах интернета вещей (Internet of Things) и других энергозависимых приложениях, где важна устойчивость к экстремальным условиям, — отметил он.
Выполненные расчеты и полученные результаты безусловно представляют научный интерес. Однако существует огромная разница между системами, которые можно исследовать методом функционала плотности, и реальными образцами, которые изучаются в эксперименте, а тем более используются в современных технологических процессах, отметил профессор физического факультета ИТМО, доктор физико-математических наук Валерий Уздин.
— Можно сказать, что проведенные исследования — это только первые шаги в этом направлении. Однако если их не сделать, то не пройти и весь путь, — сказал эксперт.
Результаты исследований опубликованы в журнале Computational Materials Science.
