Российские физики нашли способ выращивать крупные двумерные магнитные пленки

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Российского квантового центра и Индийского института науки в Бангалоре предложили метод выращивания высококачественных двумерных магнитных пленок хлорида хрома (CrCl₃) с размером кристаллитов около 10 микрометров. Работа опубликована в одном из ведущих научных журналов, а кратко о ней сообщается на портале Naked Science.

Проблема синтеза двумерных магнетиков

Двумерные магнитные материалы — это атомарно тонкие кристаллы, сохраняющие магнитный порядок. Они считаются перспективной основой для спиновых транзисторов, квантовых сенсоров и устройств хранения данных нового поколения. Однако до сих пор их практическое применение сдерживалось сложностью синтеза: механическое отслаивание давало лишь микронные фрагменты, а методы осаждения из газовой фазы не позволяли получать монокристаллы большой площади. Главным препятствием были примеси кислорода и влаги, которые при высоких температурах разрушают кристаллическую решетку.

В качестве объекта исследования авторы выбрали CrCl₃ — полупроводник, обладающий ферромагнитным упорядочением внутри слоев и антиферромагнитным между ними. Для его выращивания они модернизировали классическую установку физического переноса из паровой фазы (physical vapor transport deposition).

Комплексная защита от деградации

Ключевым ноу-хау стала многоступенчатая защита от факторов, снижающих качество покрытия. Аргон, используемый в качестве газа-носителя, пропускали через двухступенчатые фильтры очистки от кислорода и влаги, а всю систему многократно продували перед нагревом. Кроме того, исследователи обнаружили, что даже инфракрасное излучение от нагревательных элементов печи может инициировать фотохимическое травление растущих пленок при наличии следов кислорода. Чтобы подавить этот эффект, кварцевую трубу реактора снаружи обернули алюминиевой фольгой с низкой излучательной способностью (эмиссия около 0,2). Это позволило радикально снизить окислительное травление и получить однородные пленки.

В итоговом протоколе первую зону нагревали до 650–750°C для испарения порошка CrCl₃, а вторую — до 450–600°C. В качестве подложки использовали фторфлогопитовую слюду, на которой за счет слабого взаимодействия (энергия адсорбции –0,45 эВ) молекулы обладают высокой подвижностью, что обеспечивает эпитаксиальный рост с образованием треугольных зерен размером до 10 микрометров, которые смыкаются в сплошную пленку. Атомно-силовая микроскопия показала шероховатость около двух нанометров — достаточно гладкую для создания гетероструктур с другими двумерными материалами.

Параметры процесса позволили гибко управлять морфологией пленок. Повышение температуры подложки с 475°C до 550°C увеличивало как латеральный размер кристаллитов, так и их толщину — от единичных слоев до десятков нанометров. Неожиданным оказался эффект расхода газа-носителя: при сверхвысоких потоках (500 стандартных кубических сантиметров в минуту) плотность зародышей и покрытие резко возрастали уже за пять минут. При этом длина зерен оставалась почти постоянной с течением времени, а толщина увеличивалась — классический признак диффузионно-лимитированного роста, когда подвижность молекул на поверхности ограничена температурным барьером.

Для получения сплошных, а не островковых пленок ученые применили следующий подход: в процессе синтеза они плавно повышали температуру испарителя, увеличивая поток прекурсора. При высоком потоке концентрация адатомов на поверхности резко возрастает, что приводит к образованию новых стабильных островков в пустых промежутках между первыми.

Качество материала подтвердили комплексом исследований: спектроскопия комбинационного рассеяния света и фотолюминесцентная спектроскопия дали сигнатуры, характерные для моноклинной фазы CrCl₃; энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия показала соотношение Cr:Cl близкое к 1:3; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия выявила лишь следы окисления; просвечивающая электронная микроскопия продемонстрировала идеальную периодичность решетки с межплоскостным расстоянием 5,13 ангстрема. Измерения магнитного момента на SQUID-магнитометре зафиксировали ожидаемый антиферромагнитно-ферромагнитный переход вблизи 14 Кельвинов.

Чтобы понять, почему слюда оказалась оптимальной подложкой, а на сапфире или SiO₂/Si рост шел хуже, физики привлекли моделирование. Расчеты в рамках теории функционала плотности показали, что молекула CrCl₃ связывается со слюдой значительно слабее (–0,455 эВ), чем с сапфиром (–5,768 эВ), что обеспечивает высокую поверхностную подвижность. Молекулярно-динамические симуляции наглядно показали: на сапфире молекулы практически неподвижны, собираются в аркообразные цепочки и даже теряют атомы хлора, а на слюде — свободно мигрируют и кластеризуются, оставаясь на расстоянии около 3,2 ангстрема от поверхности.

Как отметил один из авторов исследования Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, в рамках большой совместной работы было проведено глубокое исследование оптических и магнитных свойств полученных пленок. «Для нас было принципиально важно понять фундаментальные различия между образцами, полученными традиционной механической эксфолиацией, и нашими новыми пленками. Именно такие масштабируемые структуры большой площади открывают путь к реальным устройствам, например масштабируемым высокочувствительным химическим сенсорам, да и целому ряду других перспективных применений в спинтронике», — подчеркнул ученый.