Учёные синтезировали и описали управляемый магнитный материал для высокоточной электроники

Учёные синтезировали высокочувствительные магнитные материалы на основе арсенида кадмия с вкраплениями хрома и описали их микроструктуру. Такие материалы полезны при разработке устройств магнитной памяти, средств связи, сенсоров и микроэлектроники нового поколения. Поэтому знания об их строении позволят точно настраивать магнитные свойства в зависимости от задач, которые должен будет выполнять материал. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Vacuum.

Современные электронные устройства, например компьютеры и телефоны, в основном обрабатывают и хранят информацию с помощью электрических зарядов. Однако есть энергетически более выгодный подход, основанный на управлении спином — магнитным моментом — электронов. Так, существуют магниточувствительные материалы, электроны в атомах которых под действием внешнего магнитного поля могут синхронизировать (условно, выстраивать в одном направлении) свои спины. Благодаря этому состоянию, в частности, намагниченностью таких материалов можно управлять и тем самым записывать и хранить с их помощью информацию. При этом до сих пор магниточувствительных материалов известно мало, поэтому их разработка остаётся востребованной.

Учёные из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН (Москва) с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва) синтезировали магниточувствительные материалы на основе арсенида кадмия (соединения кадмия с мышьяком) и описали их микроструктуру. Это соединение авторы выбрали в качестве основы потому, что в нем электроны — носители заряда — очень подвижны, а это свойство позволяет создавать спин-поляризованные структуры. В матрицу материала исследователи дополнительно ввели атомы хрома в разных концентрациях — от 1 до 6%, — сплавив исходные соединения между собой при температуре 740°C.

Затем исследователи проанализировали химический состав и структуру полученных материалов. Оказалось, что хром таким образом «встраивается» в кристаллическую решётку арсенида кадмия, что приводит к образованию трёх отдельных фаз: исходного арсенида кадмия, арсенида хрома (то есть кадмий частично замещает атомы хрома в молекулах) и чистого кадмия.

Включение с ядром хрома (а), карты состава для кадмия (b), мышьяка (c) и хрома (d), композиционная карта того же региона (е). Источник: Алексей Риль

Рассматривая микроструктуру образцов под микроскопом, авторы выявили, что большую часть сплава (около 96,4%) составляет арсенид кадмия, арсенид хрома (1,6%) имеет вид небольших более тёмных вкраплений, а кадмий (2%) — светлых областей. То, что кадмий не распределяется равномерно по сплаву, а остаётся в виде отдельных вкраплений, говорит о том, что предел его «растворимости» довольно низкий — не превышает 0,1%.

«Магниточувствительные материалы перспективны для создания большого количества устройств информатики, а также магнитной памяти, средств связи, сенсоров различного типа и других приложений. Исследование того, как взаимодействуют составные компоненты таких материалов и какие фазы образуются при их сплавлении, важно, чтобы подбирать их оптимальные составы. Наличие данных по фазовым равновесиям позволяет синтетику или технологу проводить практические работы с конкретным составом композита, имея подтверждённую информацию о прогнозируемых или подтверждённых свойствах синтезируемого соединения», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Риль, научный сотрудник лаборатории полупроводниковых и диэлектрических материалов ИОНХ РАН.

Авторы продолжают исследовать влияние различных добавок на магнитотранспортные свойства композитных материалов на основе арсенида кадмия, пниктидов алюминия, индия и галлия. Кроме того, учёные ведут работы по созданию сенсоров магнитного поля на их основе.