Пенсионный советник
Лекция по физики

Альтернатива полупроводниковой электроники

Путь к созданию новых функциональных элементов электроники

Лектор: 19.12.2011, 10:58
Манипулировать свойствами оксидов на атомарном уровне еще несколько лет назад считалось невозможным sciencemag.org
Манипулировать свойствами оксидов на атомарном уровне еще несколько лет назад считалось невозможным

Об исследовании в области оксидной электроники, которая рассматривается как альтернатива электроники полупроводниковой, в «Газете.Ru» рассказывает руководитель исследования Александр Борис, ведущий научный сотрудник Института физики твердого тела общества Макса Планка в Штутгарте, руководитель группы оптической спектроскопии департамента спектроскопии твёрдого тела.

Современная электроника в значительной степени определяется низкоразмерными свойствами полупроводниковых материалов. Перспективы использования графена также определяются его уникальными двумерными электронными свойствами. В обоих случаях новые технологии связаны с признанными фундаментальными научными открытиями особенностей физических свойств двумерного электронного газа, такими как, например, квантовый эффект Холла (см., например, лекции нобелевских лауреатов Клауса фон Клитцинга (1985 год) или Андрея Гейма (2010 год).

В отличие от металлов и полупроводников, оксиды переходных металлов обладают намного более широким спектром возможных физических состояний и свойств, которые иногда преподносят нам «сюрпризы», например, в виде открытия сверхпроводимости при рекордно высоких температурах, выше температуры жидкого азота. Практическую значимость такого открытия трудно переоценить — электрическую энергию можно передавать на значительные расстояния без потерь. Если возможность управления электронными и световыми потоками в полупроводниковых гетероструктурах привела к полупроводниковой революции XX века (см. лекции Жореса Алферова на канале «Культура»), то следующий прорыв в создании новых функциональных материалов многие учёные связывают с возможностью управления электронными потоками и магнетизмом в оксидных гетероструктурах.

Манипулировать свойствами оксидов на атомарном уровне еще несколько лет назад считалось невозможным, так как трудно контролировать легкий и активный кислород.

Однако благодаря недавним достижениям в области синтеза оксидных гетероструктур с атомарно резкими границами оксидная электроника всерьез рассматривается как альтернатива электроники полупроводниковой.

Перспективы использования оксидных гетерострукутр рассматривались в прошлом году в специальном выпуске журнала Science —
«Looking Beyond Silicon»(26 March 2010, Vol. 327 p. 1595).

В частности, отмечены недавние интересные результаты, связанные с формированием двумерного (2D) электронного газа с высокой подвижностью электронов на границе раздела LaO/TiO2 и наблюдения 2D сверхпроводимости в гетероструктурах на основе оксида SrTiO3.

Наша работа, о которой мы рассказываем в данной лекции, как раз имеет отношение к перспективным исследованиям в области оксидных гетероструктур. Работа была опубликована в 2011 году в журнале Science. В ней мы показываем на примере оксида никеля со структурой перовскита LaNiO3, что оксиды переходных металлов могут быть значительно сильнее предрасположены к проявлению низкоразмерных (2D) свойств, чем металлы и полупроводники. И проявление двумерных свойств может быть иным: если слой парамагнитного металла LaNiO3 сделать атомарно тонким — толщиной в два перовскитных октаэдра, меньше нанометра – оксид последовательно переходит в состояния с локализованными носителями заряда и антиферромагнитным порядком при понижении температуры. Притом, что более толстые слои, как и объемный LaNiO3, остаются парамагнитным металлом вплоть до самых низких исследуемых температур.

Совокупность экспериментальных данных, накопленных на сегодняшний день, не позволяет, однако, однозначно определить природу локализованного состояния в атомарно тонком LaNiO3. Недавние теоретические расчеты зонной структуры показывают, что гетероструктуры на основе LaNiO3 могут быть моттовскими изоляторами, электронная структура которых во многом повторяет структуру высокотемпературных купратных сверхпроводников. Эти расчеты не учитывают, однако, неустойчивость, связанную с волной зарядовой плотности, которая присуща перовскитным никелатам редких земель (R). Проводя аналогию со свойствами объемных RNiO3, мы полагаем, что более высокая склонность двумерных систем к зарядовому порядку, вероятно, отражает усиление нестинга поверхности Ферми в ультратонком LaNiO3, что в конечном итоге приводит к реализации зарядового упорядочения в этом парамагнитном металле. Действительно, фазовое поведение сверхрешеток с толщиной LaNiO3 слоёв в две постоянные решетки качественно подобно наблюдаемому в объемном SmNiO3, переход металл-изолятор в котором объясняется установлением зарядового порядка ниже 400 К с последующим антиферромагнитным упорядочением ниже 220 К. Более низкие температуры фазовых переходов в ультратонком LaNiO3 связаны, вероятно, с пониженной размерностью системы. Обоснованность использования такой аналогии была подтверждена, в частности, исследованием влияния магнитного поля на диэлектрические свойства сверхрешёток в субмиллиметровом диапазоне волн. Такие исследования были нами недавно проведены совместно с сотрудниками Лаборатории субмиллиметровой диэлектрической спектроскопии Института общей физики РАН, которую возглавляет д. ф.-м. н. Б. П. Горшунов (результаты готовятся к публикации).

Мы показали, что «атомарным конструированием» можно заставить оксид проявлять несвойственные ему свойства.

Между тем следует заметить, что упомянутые высокотемпературные сверхпроводники — сложные оксиды меди — являются также двумерными электронными системами. Не исключена вероятность, что дальнейшие усилия в этой области позволят в будущем конструировать новые функциональные элементы электроники, например, искусственные сверхпроводники, уникальные магнетики или ферроэлектрики.


Мотивированные потенциалом гетероструктур на основе оксидов переходных металлов в управлении их коллективными квантовыми фазами, мы решили исследовать свойства атомарно тонкого парамагнитного металла LaNiO3, ограничив его слоем «инертного» широкозонного изолятора LaAlO3. Такие оксидные сверхрешетки были выращены методом лазерного импульсного напыления в сервисной технологической группе Института Макса Планка в Штутгарте. Следует отметить, что руководителем этой группы с 2010 года стал ещё один наш соотечественник и представитель Черноголовки Геннадий Логвенов (Gennady Logvenov) – эксперт в области молекулярно лучевой эпитаксии сложных оксидов, который до1998 года работал в Институте физики твердого тела РАН. Его пионерские работы в области получения высокотемпературной сверхпроводимости в отдельной CuO2 плоскости получили широкое международное признание.

В 2007 году мы с моими студентами впервые обнаружили, исследуя электродинамику оксидных сверхрешёток на основе LaNiO3, что тонкие слои этого парамагнитного металла начинают проявлять температурный фазовый переход металл-изолятор. Для этого мы использовали построенную нами же экспериментальную станцию на источнике синхротронного излучения ANKA в Карлсруэ для исследования инфракрасных свойств материалов.

Два года понадобилось для того, чтобы подтвердить, что этот эффект непосредственно связан с размерностью системы, а не с нарушением порядка или увеличением количества дефектов при уменьшении толщины LaNiO3 слоя.

Определить магнитные свойства оксидных гетероструктур стандартными методами не удалось. С этой целью я подал проект для использования европейской станции мюонного излучения, который был вскоре одобрен и поддержан европейской конкурсной комиссией. Мюоны используются как локальные сенсоры магнитного поля внутри кристаллической решетки после имплантирования их в образцы — тонкие оксидные гетероструктуры в нашем случае. Уникальная экспериментальная станция LEM , которая использует мюоны малых энергий, была создана в Paul Scherrer Institute в Швейцарии. Над этой установкой более 10 лет работали соавторы моей работы Thomas Prokscha, Andreas Suter, Zaher Salman, Elvezio Morenzoni.

Первые же эксперименты, проведенные осенью 2009 года и продолженные в 2010 году, оказались удачными.

Авторский вариант опубликованной в Science статьи доступен на сайте arXiv.org.


Кроме технологически сложного процесса изготовления оксидных «сверхрешеток», исследование их физических свойств требует уникальных экспериментальных методов измерений, которые используют, в частности, современные источники мюонов и синхротронного излучения. Этим объясняется то, что для реализации проекта мне потребовалось объединить усилия большой интернациональной команды исследователей, о которых подробнее:

Юлия Матикс (Yulia Matiks), Россия — мой аспирант, в начале июня защитила кандидатскую (Ph. D) диссертацию, часть которой включила в себя опубликованные в Science исследования.

Paul Popovich, Украина — в 2007–2010 годах был на позиции постдока в группе, принимал участие в оптических измерениях.

Ростом оксидных гетероструктур методом лазерного импульсного напыления занимались Georg Cristiani и Hanns-Ulrich Habermeier из Германии.

Характеризация полученных пленок методами рентгеновской спектроскопии и электронной микроскопии (результаты отражены в первых двух главах дополнительных материалов к нашей статье): Eva Benckiser и Peter Wochner – Германия, Alex Frañó – Гондурас, Eric Detemple – Франция.

Как я уже писал выше, группа исследователей из Швейцарии приложила немало времени и усилий для создания экспериментальной станции измерения локального магнетизма методом релаксации мюонов низких энергий: Thomas Prokscha, Andreas Suter, Zaher Salman, Christian Bernhard, Elvezio Morenzoni. Непосредственно эксперимент в Швейцарии нам помогал делать Thomas Prokscha.

Бернхард Каймер (Bernhard Keimer) — директор Института физики твердого тела общества Макса Планка в Штутгарте, без его заинтересованного участия реализация проекта была бы невозможна.