Грант РФФИ "Аспиранты"
№ 20-32-90049
Теоретическое исследование спиновых эффектов в новых магнитных гетеросоединениях
Масштабные исследования мирового научного сообщества в области двумерных наноматериалов (монослоёв и тонких плёнок на их основе) привели к значительному расширению числа синтезированных и теоретически предсказанных структур, перспективных для спинтронных приложений.
Целью представленного проекта является теоретическое исследование атомной структуры и особенностей спиновой проводимости в магнитных гетеросоединениях на основе новых низкоразмерных материалов, демонстрирующих такие фундаментальные квантово-физические явления, как спиновая фильтрация, индуцированная спиновая поляризация, эффект магнетосопротивления. Моделирование гетероструктур будет выполняться на основе монослоёв и тонких плёнок различных соединений (например, нитриды, теллуриды и карбиды металлов), обладающих такими ключевыми для спинтроники свойствами, как ферромагнетизм, полуметаллическая зонная структура и поверхностная магнитная анизотропия.
Для достижения целей проекта будут решены следующие задачи:
-
Поиск и моделирование оптимальных магнитных гетеросоединений на основе полуметаллических ферромагнитных материалов (электродов) и немагнитных промежуточных слоёв, формирующих зону рассеяния.
-
Исследование электронных, магнитных и транспортных свойств предложенных соединений в рамках теории баллистического транспорта и NEGF формализма.
-
Оценка эффективности и перспективы использования исследуемых магнитных гетероструктур в качестве элемента спинового клапана, демонстрирующего высокий уровень спиновой поляризации вблизи границы раздела и большие значения магнетосопротивления.
В рамках реализации проекта выполнено теоретическое исследование структурных, магнитных и электронных свойств новых гетероструктур на основе различных двумерных материалов и ферромагнитного полуметаллического сплава Гейслера CFGG: h-BN/CFGG, MoSe2/CFGG, MoS2/CFGG.
Во всех случаях показано сохранение устойчивых ферромагнитных свойств подложки CFGG, включая поверхностные слои вблизи границы раздела, что обусловлено отсутствием сильного химического связывания поверхности с монослоем. В то же время выявлена существенная зависимость поверхностных электронных свойств CFGG от типа терминации поверхности. Так, в случае терминации атомами Co в гетероструктуре h-BN/CFGG наблюдается сохранение полуметаллических свойств подложки и 100% спиновая поляризация уже на первом атомном слое CFGG. Напротив, в случае терминации атомами Fe/Ge/Ga на уровне Ферми возникают электронные состояния спин-вниз, что приводит к разрушению полуметаллических свойств CFGG. Однако затем спиновая поляризация быстро восстанавливается, и уже начиная с четвертого слоя (~5 Å от границы раздела), ее значение превышает 90%. Аналогичные результаты получены и для MoSe2/CFGG, MoS2/CFGG, где для обеих терминаций поверхности полуметалла спиновая поляризация быстро восстанавливается в пределах четырех-пяти слоев. Важно отметить, что расстояние, на котором восстанавливаются свойства подложки, существенно меньше характерной длины спиновой диффузии (~2 нм) в CFGG. Это позволяет предполагать, что CFGG может эффективно использоваться в спиновых клапанах даже без контроля за терминацией границы раздела.
Наконец, в рамках проекта впервые предложена и теоретически изучена туннельная магнитная гетероструктура CFGG/MoS2/CFGG. Расчет спин-транспортных свойств продемонстрировал высокие значения коэффициента магнетосопротивления порядка 10^4–10^5 %, в зависимости от числа слоев MoS2 и величины приложенного напряжения. Полученные оценки существенно превышают аналогичные значения для ТМГ из других теоретических и экспериментальных научных работ.
Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о высокой перспективе использования гетероструктур на основе двумерных материалов и полуметаллического сплава Гейслера CFGG в спинтронике, включая создания новых высокоэффективных спиновых клапанов.
Участники проекта
руководитель
д.ф.м.н., в.н.с. Павел Сорокин
НИТУ "МИСИС"
исполнитель
Константин Ларионов
МФТИ