Лаборатория цифрового материаловедения

Задача поиска новых способов хранения и обработки информации является крайне актуальной в настоящее время, поскольку традиционные кремниевые технологии фактически достигли предела плотности записи информации и дальнейшей миниатюризации. Одним из решений данной проблемы является рассмотрение электрона как носителя заряда с двумя основными «степенями свободы», определяемыми его спином. Так, благодаря эффектам гигантского и туннельного магнитосопротивлений, эффектам спинового переноса и ряду других фундаментальных свойств в настоящий момент активно разрабатываются спинтронные устройства – основа технологий хранения и обработки информации нового поколения. Однако, несмотря на доказанный высокий потенциал спинтронных технологий (с точки зрения низкого энергопотребления и скорости), они всё еще находятся на стадии становления в масштабах потребительского рынка. Предполагается, что в скором времени магниторезистивные (MRAM) устройства смогут конкурировать с привычной флеш-памятью. Но для этого необходимо решить ряд задач, требующих развития методов синтеза стабильных наноразмерных гетероструктур и способов управления их свойствами на атомном уровне. Ключевую роль в решении этих задач могут сыграть двумерные материалы. Действительно, с момента открытия графена и родственных материалов плёнки атомарной толщины стали рассматриваться как потенциальная составляющая ультракомпактной архитектуры устройств и радикально новых способов обработки информации. Научные достижения в области спинтронных устройств на основе 2D материалов, а также недавний прогресс в крупномасштабной совместной интеграции 2D структур с традиционными материалами микроэлектроники открыли многообещающие перспективы для развития технологии MRAM. В рамках проекта предлагается впервые провести комплексное теоретическое исследование целого ряда перспективных туннельных магнитных гетероструктур (ТМГ) на основе ферромагнитных и двумерных материалов, для которых возможно наблюдение эффектов магнитосопротивления и спиновой инжекции – основы работы спиновых клапанов и транзисторов. Так, будут изучены новые границы раздела на основе железа и кобальта, включая полуметаллические сплавы Гейслера, и их гетеросоединение с двумерными структурами, такими как графен и дихалькогениды переходных металлов с различным составом. Несмотря на широкую популярность данных материалов в отдельности, гетероструктуры на их основе изучены недостаточно, а экспериментальные работы и дальнейшее применение для спинтронных приложений предварительно требуют подробного теоретического анализа структуры, свойств и природы спин-связанных эффектов. В проекте методами квантово-химического моделирования и неравновесного транспорта впервые будут получены подробные сведения об электронной и магнитной конфигурации наиболее перспективных ТМГ, описаны равновесные свойства гетеропереходов, а также выполнен расчет квантовой проводимости и изучен эффект туннельного магнитосопротивления. Кроме того, впервые будут смоделированы и изучены туннельные гетероструктуры с внедренным слоем оксида MoO3 – перспективным для эффективной спиновой инжекции в двумерных материалах за счет эффекта близости. Полученные результаты позволят существенно расширить область знаний о спин-транспортных свойствах новых магнитных гетероструктур на основе экспериментально известных ферромагнитных материалов и двумерных пленок. Также будут детально обоснованы перспектива их применения в магниторезистистивных и других спинтронных устройствах.