Международная команда исследователей создала ультратонкие ферромагнитные материалы, которые могут стать основой для новых спинтронных устройств. Ученые взяли за основу двумерный сульфид тантала и создали на его основе двухслойную структуру с ферромагнитными свойствами. Для этого авторы внедряли атомы различных переходных металлов между слоями сульфида.

О своей методике исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature.

В спинтронных устройствах, в отличие от привычных нам электронных, роль носителя информации выполняет не заряд электрона, а его спин. Спиновый ток может использоваться для передачи информации и хранения энергии. Логические схемы на основе спинтроники выполняют операции быстрее электронных, выделяют меньше тепла и устойчивы к действию ионизирующего излучения.

Для создания таких устройств предложено достаточно много различных соединений и один из самых перспективных их классов — двумерные материалы. В последнее время они вызывают все больший интерес среди ученых благодаря своим электрическим, механическим и магнитным свойствам.

Модификация этих материалов атомами тяжелых металлов позволяет существенно улучшить их свойства — например, сделать соединение сверхпроводником или термоэлектриком. Также внедряя атомы металлов в структуру двумерного материала можно изменить его магнитные свойства: например, сделав из диамагнетика ферромагнетик.

Именно сочетание малой толщины и магнитного порядка таких двумерных материалов и делает их пригодными для использования в спинтронных устройствах.

Внедрить (интеркалировать) в структуру двумерного материала атомы другого элемента можно несколькими способами. Наиболее часто используемый метод заключается в росте двумерного слоя на поверхности твердой подложки из газовой или жидкой фазы, которая содержит молекулы основного соединения и интеркалируемого. Но при такой методике выход целевого материала оказывается низким, а воспроизводимость результатов оставляет желать лучшего.

Альтернативный вариант модификации заключается во внедрении атомов металла в пространство между слоями материала, которые связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. Однако на данный момент такой метод позволяет интеркалировать двумерный материал атомами только некоторых щелочных, переходных и благородных металлов, а также небольшими органическими молекулами.

Международная группа ученых под руководством профессора Киана Пинг Ло (Kian Ping Loh) из Национального университета Сингапура нашли способ расширить возможности этого метода. Они смогли интеркалировать сульфид тантала TaS₂ атомами тантала и других переходных элементов и научились управлять свойствами материала с помощью изменения содержания металла в целевом соединении.

Для этого ученые использовали метод молекулярно-пучковой эпитаксии. С помощью него исследователи сначала нанесли на кремниевую подложку атомарно тонкий слой сульфида, после чего поверх него медленно распылили атомы переходного элемента. Затем последовал второй слой сульфида, который накрыл собой атомы металла.

Таким образом исследователи получили структуру из двух слоев двумерных материалов. Изменяя количество металла в межслоевом пространстве исследователи смогли варьировать физические свойства получившегося материала.

Изображение монослоя сульфида тантала, полученное с помощью кольцевой темнопольной просвечивающей растровой электронной микроскопии Xiaoxu Zhao et. al. / Nature, 2020

Исследователи выяснили, что интеркалирование переходных металлов в структуру их собственных сульфидов позволяет увеличить магнитный момент материалов до очень высоких значений, которые позволяют считать их сильными ферромагнетиками. Двухслойные материалы без интеркалированных атомов, при этом не проявляли ферромагнитных свойств.

Авторы объяснили их появление формированием решетки кагоме — особой кристаллической структуры, которая состоит из треугольников и шестиугольников. Таким образом исследователи нашли способ превратить двумерные парамагнетики в ультратонкие ферромагнетики.

«Смысл этой работы состоит в том, что двухслойные и многослойные материалы на основе дигалогенидов переходных металлов можно преобразовать в трехмерные материалы с сильными межслоевыми связями, стехиометрию которых можно настраивать в широких пределах благодаря интеркалированию различных элементов», — пишут исследователи в своей работе.