Разработан метод получения тонкопленочных структур сегнетоэлектрик/металл на основе сверхтонкого титаната бария. Результаты исследования их свойств показали, что подобные структуры представляются весьма перспективными для создания устройств энергонезависимой памяти. Растущие потребности в быстродействии, емкости, энергоэффективности энергонезависимой памяти в электронике и мобильных устройствах диктуют поиск новых физических механизмов записи и хранения информации.

    На сегодняшний день известно и широко используется множество технологий запоминающих устройств. Вместе с тем, фундаментальные исследования в области физики конденсированного состояния, тонкопленочного материаловедения и физики наноструктур в последние годы открыли физические эффекты, позволяющие предложить принципиально новые механизмы для реализации запоминающих наноустройств, и снять физические ограничения на их масштабирование, быстродействие и энергопотребление. Для реализации новых физических концепций записи и хранения информации критически важен синтез новых материалов, часто существующих в слоях толщиной в несколько нанометров, и детальное исследование их свойств, в том числе, в многослойных структурах.
    Использование сегнетоэлектриков открывает огромные возможности. В частности, свойство сегнетоэлектриков сохранять остаточную электрическую поляризацию позволяет говорить о возможности применения их в качестве среды для хранения электронной информации.
    Однако реализация устройства памяти на основе сегнетоэлектрических материалов не так проста на практике. Одной из первых проблем, встающих на пути использования сегнетоэлектриков в качестве устройств памяти, являются величины коэрцитивных полей типичных сегнетоэлектриков, которые составляют несколько кВ/см. В то же время, современные кремниевые электронные компоненты оперируют при напряжениях, меньших 5 В. Следовательно, для использования сегнетоэлектриков в электронике и мобильных устройствах, необходимо получение таких материалов в виде сверхтонких пленок, толщиной 1-10 нм. С развитием современных технологий напыления тонких пленок эта проблема была решена. Однако при таких толщинах сразу же в «дело» вступают размерные эффекты, влияние которых, как известно, приводит к существенному изменению характеристик материалов, исчезновению одних свойств и возникновению новых. И в данном случае эти новые свойства требуют тщательного изучения.
    Другим препятствием на пути развития сегнетоэлектрической памяти является вопрос надежности. По сравнению с другими технологиями записи информации (такими как flash или магнитные жесткие диски), надежность использования таких материалов при записи информации остается под сомнением вследствие эффекта усталости сегнетоэлектриков, возникающей при многократном переключении поляризации и проявляющейся в деградации сегнетоэлектрических свойств материала. И эта проблема также требует своего разрешения.
    Существует несколько подходов по реализации устройств памяти на основе сегнетоэлектрических материалов, некоторые из которых уже внедрены в производство. И одним из наиболее перспективных подходов является использование т.н. сегнетоэлектрических туннельных переходов в структурах типа металл/сегнетоэлектрик/металл.

    «Тонкие пленки титаната бария (BaTiO₃), исследованием которых мы занимаемся, – хорошо известный материал, активно использующийся в исследованиях электромагнитных свойств сегнетоэлектриков и возможности их применения в качестве сред памяти. Однако в большинстве проводимых исследований в качестве нижнего электрода в системе сегнетоэлектрик/металл использовались сложные оксиды. Мы же использовали принципиально новый подход, когда в качестве нижнего электрода выбирался простой металл – железо или платина. Этот подход оправдал себя и позволил получить требуемый эффект туннельного электросопротивления на таких структурах» – рассказывает Марат Миннекаев о результатах, полученных им в его кандидатской диссертации.
 

На фото: Изображение поверхности образца BaTiO₃/Pt с нанесенными поверх контактами Cr
(предоставлено М. Миннекаевым)

    Для структуры BaTiO₃/Pt характерно усиление эффекта туннельного электросопротивления за счет взаимодействия на границе простой металл/оксид, а также усиления сегнетоэлектрических свойств BaTiO₃, за счет усиленной тетрагональности решетки, достигаемой под воздействием сжимающих напряжений при эпитаксиальном росте BaTiO₃ на Pt, что позволит создать еще более высокоскоростные, энергоэффективные устройства памяти.
    Возможность же использования ферромагнитного железа в качестве нижнего электрода представляет особый интерес с точки зрения возможных магнитоэлектрических эффектов в структуре ферромагнетик/сегнетоэлектрик. Подобные структуры позволяют развивать не менее актуальные исследования в области спинтроники, где одной из важнейших задач является взаимное связывание и комбинация электронных и магнитных свойств материалов, что позволило бы использовать принципы спинтроники в традиционных электронных устройствах. Одной из поставленных проблем, в частности, является возможность управлять магнитными свойствами ферромагнитных материалов внешними электрическими, а не магнитными полями. Успешное решение этих задач открыло бы возможность создания многофункциональных устройств, управляемых как магнитными, так и электрическими полями.
    Однако получить структуры со столь замечательными свойствами весьма сложно: в процессе напыления оксидосодержащей пленки (к которым относится и титанат бария) на металл происходит окисление последнего, что сразу же приводит к потере тех электромагнитных эффектов, ради которых такое осаждение и проводилось. В связи с этим пришлось разработать технологию, позволившую произвести напыление тонкой пленки BaTiO₃ на металл. Разработанная технология с использованием методов импульсного лазерного осаждения помогла получить сверхтонкие структуры толщиной 3-4 нм высокого структурного качества, что позволило реализовать так называемый эффект туннельного электросопротивления – зависимости величины туннельного тока через структуру металл/сегнетоэлектрик/металл от направления поляризации сегнетоэлектрического слоя. 

На фото: Плазменный факел мишени (слева снизу), распыляемой под воздействием лазерного импульса на образец (справа сверху) в вакуумной камере установки импульсного лазерного осаждения (предоставлено М. Миннекаевым)

    «Конечно, наши работы находятся еще на стадии лабораторных исследований. Однако, уже первые полученные результаты свидетельствуют о высокой перспективности многослойных структур сегнетоэлетрик/металл на основе BaTiO₃/Fe и BaTiO₃/Pt, а также об универсальности как пленок, так и нашей технологии в плане применения. Разработанная технология напыления пленок сегнетоэлектрического BaTiO₃ на металлы может быть использована не только для получения запоминающих устройств на основе тонкопленочных сегнетоэлектриков, но и для решения огромного числа других задач современной физики тонких пленок и наноструктур» – отметил Марат Миннекаев.

    Преимущества предлагаемого исследователями подхода к реализации устройств памяти на подобного рода структурах заключаются, прежде всего, в низком энергопотреблении таких устройств. Кроме того, в исследуемых структурах возможна реализация «многоступенчатого» состояния, т.е. не только двоичного, а нескольких устойчивых состояний. Скорость переключения устройств на основе тонкопленочных сегнетоэлектриков также ожидаемо выше существующих ныне. Хотя в лабораторных условиях уже был реализован принципиальный прототип устройства памяти на основе Cr/BaTiO₃/Pt, необходимо провести еще ряд испытаний. Так, например, дополнительных исследований требует оценка стабильности таких структур во времени и их стойкости к большим количествам переключений. 

На фото: Изображение просвечивающей электронной микроскопии одного из образцов Fe/BaTiO₃/Pt/MgO демонстрирует высокое структурное качество образцов, получаемых методом импульсного лазерного осаждения (предоставлено М. Миннекаевым)

    Помимо упомянутых устройств памяти, многослойные структуры сегнетоэлектрик/металл могут быть использованы и в других научных и технических задачах. В дальнейшем на структурах ферромагнетик/BaTiO₃ возможны исследования магнитоэлектрических свойств: взаимодействия ферромагнетизма и сегнетоэлектричества, и их влияния друг на друга на стыке двух материалов. С другой стороны, тонкопленочные сегнетоэлектрики также могут быть применены в логических устройствах, сенсорах, солнечных элементах.

    Комментирует научный руководитель работы, зам. директора ФИАН В.Н. Неволин:

    «Говоря об этой работе, прежде всего хочется сказать о Марате, который является ярким примером ученого-экспериментатора.
    Одной из особенностей данной работы является использование большого количества сложных новейших методов исследований, как уже успевших стать классическими, например резерфордовское рассеяние легких ионов, так и менее традиционных, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Сложность работы определялась именно особенностью исследуемых структур металл/сегнетоэлектрик/металл, в которых туннельные эффекты могут наблюдаться только в сверхтонких слоях сегнетоэлектрика. Уже само получение этих сверхтонких слоев представляет собой определенную технологическую проблему, которую М. Миннекаеву удалось успешно разрешить, не говоря уже о дальнейших исследованиях физико-химических свойств образцов. И здесь Марат проявил себя как прекраснейший экспериментатор, успешно осуществлявший свою работу не только у нас, но и в крупнейшем международном исследовательском центре DESY (Германия). Ему приходилось отрабатывать методики получения сверхтонких слоев сегнетоэлектрика, их дальнейшего исследования.
    В настоящее время, в силу организационных и финансовых причин, карьера М. Миннекаева как ученого стоит под вопросом. И это, надо отметить, одна из наиболее проблемных болевых точек нашей современной науки – явно недостаточное финансирование науки в нашей стране не дает реальной возможности оставлять в науке очень достойных и перспективных молодых ученых после защиты диссертаций. Это очень обидно.
    Сама же работа, безусловно, весьма интересна и требует дальнейшего продолжения. Думается, здесь еще не все сказано.»

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

=================================
    От редакции. До недавнего времени Марат Миннекаев являлся аспирантом МИФИ, научно-исследовательская работа которого проводилась под руководством зам. директора ФИАН, профессора МИФИ В.Н. Неволина.

    Описанная выше работа, логическим завершением которой стала блестящая защита М. Миннекаевым кандидатской диссертации, осуществлялась в тесном сотрудничестве с научными группами МИФИ, МФТИ, НИИЯФ МГУ и лабораторий ФИАНа. Такое тесное взаимодействие между упомянутыми институтами и ФИАН существует вот уже 35 лет, показывая удачный пример тесного сплава науки и высшего образования. Помимо МИФИ, МФТИ и МГУ не менее плодотворное сотрудничество ФИАН осуществляет еще более, чем с десятком ведущих российских ВУЗов.
    Результатом этого сотрудничества является воспитание молодых ученых высокой квалификации. Так, например, Марат Миннекаев за время обучения в аспирантуре был стипендиатом Премии Президента РФ и Премии Правительства РФ, победителем конкурса «УМНИК» фонда «Содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».