Магнитный туннельный переход на основе полуметаллического сплава Гейслера/МоS2

Статья была опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces.

Несмотря на значительный прогресс в последние десятилетия, ультратонкие оксидные (MgO и Al2O3) спейсеры, служащие туннельными барьерами, не обеспечивали достаточного значения магнитосопротивления (MR) в вертикальном спин-клапане. В последнее время в качестве альтернативных спейсеров стали рассматриваться двумерные материалы, демонстрирующие чрезвычайно большое разнообразие электронных и структурных свойств. Графен и h-BN были рассмотрены как низкоомные барьеры для вертикального спинового клапана. Кроме них, использование дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) может значительно расширить разнообразие электронных свойств и настроить эффективность магнитных переходов.

Помимо надлежащего выбора 2D спейсеров, большое значение имеет поиск идеального источника спин-поляризованных электронов. С этой целью уже несколько десятилетий рассматриваются полуметаллические материалы, включая сплавы Гейслера, такие как Co2FeGe1/2Ga1/2, Co2MnSi, CoFeMnSi, Co2FeAl1/2Si1/2 и другие.

В данной работе предложен и теоретически исследован нового магнитного туннельного перехода на основе электродов из сплава Гейслера Co2FeGe1/2Ga1/2 и спейсера MoS2 как перспективного элемента для устройств спинтроники. Методом DFT исследованы электронные и магнитные свойства границы раздела MoS2/CFGG как для случая FeGeGa-, так и Co-терминирования поверхности CFGG. Продемонстрирован устойчивый ферромагнетизм по всей толщине пленки CFGG. Показано, что спиновая поляризация подавляется в нескольких внешних атомных слоях CFGG из-за межфазных взаимодействий и быстро восстанавливается в пределах четырех атомных слоев (до 5 Å). Далее, изучается спин-зависимый баллистический транспорт магнитного туннельного перехода CFGG/MoS2/CFGG в рамках неравновесного формализма функции Грина для спейсеров MoS2, варьирующихся от монослойных до четырехслойных пленок. В случае нулевого смещения значения магнитосопротивления находятся в диапазоне 10^4-10^5 %. Также получены воль-амперные характеристики, демонстрирующие сохранение больших значений MR при напряжении смещения. Наряду с последними достижениями в синтезе гетероструктуры графен/CFGG, данная работа поддерживает дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования полуметаллических магнитных переходов на основе сплава Гейслера, обладающих высокой эффективностью в спинтронике.

Транспортные свойства CFGG/MoS2/CFGG MTJ с FeGeGa-терминированием. (a) Атомная структура исследуемого магнитного туннельного перехода. (b) Нулевая спин-разрешенная проводимость для моно-, би- и трехслойного спейсера MoS2. Представлена как параллельная (левая колонка), так и антипараллельная (правая колонка) проводимость. (c) Г-центрированная k|||-разрешенная нуль-спиновая проводимость на уровне Ферми для параллельной схемы с монослоем MoS2. Проводимость с большим и меньшим спином обозначена как G↑↑ и G↓↓, соответственно.

Оксид диамана. Двумерная пленка со смешанным покрытием и разнообразными электронными свойствами

Статья опубликована в J. Phys. Chem. Lett.

Возможность легкого окисления sp2-гибридизированного углерода дает доступ к оксиду графена, одному из старейших и наиболее подробно изученных производных графена. Относительно недорогой и широко доступный GO является привлекательным материалом для различных применений в области сенсорики, хранения энергии, двумерной электроники и оптоэлектроники, фотокатализа и мемристоров и т.д.

Оксид графена является монослойным материалом, дальнейшее развитие которого может быть посвящено изучению более толстой структуры, такой как бислойный оксид графена. Гидрирование или фторирование бислойного графена приводит к безбарьерному соединению слоев в sp3-гибридизированную структуру, называемую диаманом. Предсказанный нами эффект химически индуцированного перехода был многократно подтвержден в эксперименте.

Важно отметить, что, несмотря на успешный синтез диамана с помощью гидрирования и фторирования, в большинстве работ связывание графена связано с осаждением оксидных групп на его поверхности. В отличие от гидрированного и фторированного диамана, структура окисленного диамана до сих пор детально не изучена. Существует лишь ограниченное число работ, в которых предложены относительно простые модели. Это является препятствием для дальнейшего анализа и интерпретации экспериментальных данных. Основная проблема заключается в том, что оксид графена (как и оксид диамана) можно рассматривать как двумерный твердый раствор различных функциональных групп, статистически распределенных на поверхности графена. Вероятно, это справедливо и для оксида диамана, поэтому описание его структуры требует рассмотрения его как твердого раствора различных функциональных групп, как мы предложили для оксида графена.

В представленной работе мы попытались восполнить этот пробел и выяснить детали образования оксида диамана, а также его свойства. Мы изучили идею о том, что кислородсодержащие группы способны нарушить π-систему и полностью покрыть внешнюю поверхность многослойного графена, изменяя гибридизацию атомов углерода с sp2 на sp3.

Сначала мы нашли энергетически выгодные структуры диаманов с полным покрытием поверхности H, -OH или пероксидными функциональными группами. Затем мы выявили термодинамический диапазон стабильности в зависимости от внешнего давления и химического окружения, определяемый выбором прекурсора. В частности, мы обнаружили, что обычно используемый источник кислорода, H2O, требует приложения давления для образования стабильного окисленного диамана, что находится в полном соответствии с экспериментальными данными (см. рисунок ниже).

Разница зависимость свободной энергии Гиббса ΔG от давления для плёнки [C16H4(OH)4]m

Далее мы изучили возможность регулирования электронных свойств в энергетически выгодных пленках диамана. Мы показали, что в зависимости от концентрации OH-групп на поверхности запрещённая зона оксида диамана может изменяться от 4,6 эВ до 6,5 эВ, а эффективная масса варьируется от 1,1 м0 до 0,6 м0.

Для двух наиболее репрезентативных пленок, а именно H-диамана и OH-диамана, мы изучили, как их электронные состояния изменяются в зависимости от толщины пленки. Мы показали, что двухслойный диаман ведет себя как однородный полупроводник, в то время как более толстые пленки с более чем 5 слоями включают поверхностные и объемные области с различными свойствами проводимости (см. рисунок ниже).

a) Запрещённая зона определенная из парциальных DOS в H-диамане (кружки) и OH-диамане (ромбы) в зависимости от обратного числа углеродных слоев. Запрещённая зона рассчитана для поверхностных атомов углерода (сплошные маркеры) и для внутренних атомов углерода в середине диамана (пустые маркеры). На вставке показан 5-слойный H-диаман с указанием внутренних атомов углерода; распределение волновых функций для 2- и 9-слойных H- (б) и OH- (в) диаманов соответствующее дну зоны проводимости (ДЗП) (зелёный цвет) и потолку валентной зоны (ПВЗ) (розовый цвет)

Мы надеемся, что настоящая работа послужит стимулом для экспериментальных групп к поиску новых подходов к изготовлению сверхтонких алмазных пленок и их применению.

Защита кандидатской диссертации Константина Ларионова

Мы счастливы поздравить Константина Ларионова с прекрасной защитой кандидатской диссертации по специальности 1.3.8 - физика конденсированного состояния. Диссертация была выполнена на тему "Теоретическое исследование структурных, электронных и магнитных свойств новых низкоразмерных соединений на основе переходных металлов".

Спасибо всем членам Совета (председателю д.ф.-м.н. В.В. Глушкову, д.ф.-м.н. А.Р. Оганову, д.ф.-м.н. В.Г. Сторчаку, д.ф.-м.н. С.Г. Овчинникову, д.ф.-м.н. В.В. Стегайлову и д.ф.-м.н. Шешину Е.П.), оппонентам и ведущей организации (МГУ) за их высокую оценку работы Константина!

Мы, в свою очередь, желаем ему дальнейших успехов в научной работе!

Ознакомиться с текстом диссертации, её авторефератом, отзывами и другими документами можно на сайте МФТИ