Наполняющие наш быт электронные устройства потребляют все больше энергии. Решением проблемы может стать переход к устройствам спинтроники, которые в своей работе используют спиновые степени свободы электронов. Благодаря этому возможно общее снижение энергопотребления, улучшение скорости работы оперативной памяти и расширение возможностей обработки данных. Поиск подходящих ферромагнитных материалов для спиновых устройств является сложной задачей, поскольку такие материалы должны быть совместимы с доминирующей в полупроводниковой промышленности кремниевой технологией, иметь высокую температуру перехода в ферромагнитное состояние и высокую спиновую поляризацию электронов, а также удовлетворять ряду других требований.

Среди подходящих материалов есть и германид марганца, обладающий рядом полезных свойств, среди которых изменение его температуры под действием внешнего магнитного поля. Это называется магнитокалорический эффект (МКЭ) и важно, что в данном случае он проявляется при комнатной температуре. Материалы, проявляющие МКЭ обычно содержат редкоземельные элементы (такие как гадолиний, тербий и др.), а в данном случае ферромагнетик состоит из распространённых элементов — германия и марганца. Красноярские ученые отработали технологию выращивания плёнок германида марганца и исследовали его магнитные и физические свойства. Полученный материал перспективен для проектирования и разработки магнитокалорических, спинтронных и спин-калоритронных устройств на кремниевой платформе. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Science. https://link.springer.com/article/10.1007/s10853-024-09755-6

Об этом исследовании, о том, как ученые выбирают гаджеты для жизни и в чем видят красоту, почему физика близка к data science и как получить патент в рубрике «Истории успеха красноярских ученых», подготовленной при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий», на страницах издания Newslab.ru рассказывает Анна Лукьяненко, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН:

Расскажите про лабораторию, в которой вы работаете, чем вы занимаетесь?

В лаборатории радиоспектроскопии и спиновой электроники мы изучаем и анализируем электрические, магнитные и магнитоэлектрические свойства разных материалов. То есть, исследуем, как ведут себя электроны или другие носители заряда под действием магнитного или внешнего электрического поля, как меняется проводимость образца от разных условий. Исторически сложилось, что в Институте физики в большей степени занимаются изучением фундаментальных вопросов, а не прикладных. Поэтому условия, которые мы исследуем, далеки от повседневных. Это очень высокие магнитные поля и экстремально низкие температуры.

При этом нельзя сказать, что это экзотические условия. Есть приборы, которые должны стабильно работать при экстремально низких или высоких температурах, или при их резких перепадах. Например, установка под открытым небом ночью может замерзать до минус 20 градусов, а днём разогреваться до плюс 80^оС. С другой стороны, многие устройства, от спутников до привычных нам смартфонов и компьютеров, «любят» комнатную постоянную температуру. При пониженных температурах реакция телефона, может замедляться, а если сильно жарко, то у него батарея начинает быстрее разряжаться. То есть небольшие колебания, и он уже 100% от своей мощности и производительности не выдаёт. Поэтому в нашей лаборатории изучают свойства материалов в широком диапазоне температур и других внешних воздействий.

Почему в своем исследовании вы используете именно кремниевые подложки? Какие свойства у этого элемента?

Он полупроводник, его можно, например, легировать, то есть добавить в состав материала примеси для изменения физических и/или химических свойств. В зависимости от «настройки» полупроводник проявляет или диэлектрические свойства, или в большей степени свойства металла. Кремний – удобный материал и позволяет создавать электронные компоненты на цельной кремниевой пластине. Это позволяет не только более эффективно использовать пространство, но и уменьшить расход материалов. Можно без лишних соединений все элементы встроить в единую кремниевую пластину. Это увеличивает эффективность работы устройств и уменьшает затраты при производстве. Сейчас подложки становятся все тоньше и легче, а значит слои с различными электронными компонентами можно делать быстрее.

То есть вот на этом снимке представлен кристалл?

Да, это все кристаллы. Кристалл — это порядок, конкретное взаимное расположение атомов. Раньше для соединения компонентов приходилось применять технологию wire-bonding – микросварки проволокой. Тонкие проволочки приваривали с помощью ультразвука. Но не ко всем материалам можно привариться. Используется, например, золотая проволока. Она может диффундировать, то есть атомы проволоки проникают в материал подложки. Золото – это металл. Он может поменять проводимость исходной плёнки в месте контакта. Эти две пластины — это совсем разные технологические эпохи. Со сваркой – 80-90-е годы прошлого века, а кремниевая пластина — это уже XXI век.

Такие «кристаллы» стоят в современных телефонах?

Нет, в современных телефонах еще более компактные кремниевые чипы, и подложка не такая толстая. На самом деле для создания микросхемы не нужна такая толщина кремния. Если, вспомнить про космические аппараты, там каждый грамм важен, и они подложки утончают.

И следующим этапом стали магнитные пленки германида марганца? Расскажите, как вы их получили?

Помимо остальной работы, я занимаюсь зондовыми исследованиями на атомно-силовом микроскопе. Он позволяет получать изображения, которые наглядно показали поверхность плёнок, которые мы исследуем. Мы долго отрабатывали с коллегой технологию роста плёнок германида марганца. Этот процесс очень сильно зависит от температуры – разница буквально в 10 градусов и ничего не получается. Мы с Иваном Яковлевым научным сотрудником лаборатории ФМЯ Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН подбирали состав буферного слоя. Его толщина около 10 нанометров. Этот буферный слой легирован кремнием, он поступает из подложки, потому что происходит диффузия слоёв. Мы до сих пор еще разбираемся в точном составе. И вот такую пленку нам удалось вырастить.

А сколько времени уходит, чтобы такую пленку вырастить?

Смотря какой толщины плёнка нужна. Самая толстая плёнка, которую мы делали, достигала почти 200 нанометров в толщину. Мы получаем ее на специальном приборе методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Он достаточно медленный – скорость налетающих атомов должна быть такой, чтобы им хватило времени и энергии встроиться в кристаллическую решетку. Можно повлиять температурой, чем она выше, тем процесс происходит быстрее. Но при сильном повышении температуры можно добиться противоположного эффекта. Многое зависит от толщины — то, что толще 100 нанометров, это уже объёмный материал, а в пленках с толщиной менее 100 – 50 нанометров проявляются квантовые эффекты.

Вы в статье говорите о том, что для производства магнитных пленок требуется меньше редкоземельных элементов. Это важный фактор, учитывая объем электроники в мире. Значит они экологичнее?

В магнитокалорических материалах часто используются редкоземельные атомы. Все, так или иначе, стараются уменьшить их использование. Марганца и германия в земной коре много, поэтому это уже неплохая альтернатива. Германид марганца, к тому же обладает и другими свойствами, которые могут пригодиться в разных сферах. Во-первых, он проводник. Во-вторых, он ферромагнетик. У него есть магнитные свойства, которые можно использовать в области спинтроники, где нужен именно магнитный момент. И ещё он проявляет магнитокалорический эффект. То есть он меняет свою температуру при изменении намагниченности.

Это удешевляет производство, повышает эффективность?

Так глубоко я не могу проанализировать, потому что здесь сравниваются объёмные материалы, которые выращиваются в больших размерах и тонкие пленки, эффективность которых измеряется иначе, то есть это совсем разные технологии. Когда мы считали магнитокалорический эффект, то есть насколько эффективно наш материал может изменять температуру при изменении внешнего магнитного поля, то увидели, что он соответствует объёмному материалу. Мы, когда с коллегами этот результат обсуждали, были приятно удивлены. Но нам рецензенты не сразу поверили, говорили, что не может быть таких результатов. Как говорил Карл Саган: «Экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств». Если бы я такую статью прочитала, я бы тоже, наверное, подумала, что-то не так. Мы перепроверили несколько раз разные образцы плёнок, полученных по одной технологической карте, результаты сходятся.

То есть ваша статья уже произвела вау-эффект?

Возможно. В любом случае мы убедились, что пленки стабильно работают при комнатной температуре. Это значит, что их уже можно использовать во многих устройствах. Бывают же чипы для рутинных задач — датчики для сигнализации, элементы управления «умным домом» и так далее.

Мне сразу стало интересно, а как вы выбираете технику в своей повседневной жизни, зная все тонкости и параметры устройств изнутри?

Когда я только пришла в науку, я выбирала очень долго, скрупулёзно. Мне очень сложно это давалось, потому что как можно сделать лучший выбор, если нужно учесть все факторы, даже таблицы сравнительные делала. Сейчас просто выбираю в средней ценовой категории, и чтобы нравилось. В средней ценовой категории стандартной гарантии производителя хватает, чтобы выявить брак и в случае чего вернуть. А если техника работает сверх гарантийного срока, то обычно она и дальше нормально работает.

А с друзьями не заходят какие-то споры? Мол, как можно было такое выбрать?

Мы с друзьями считаем, что у каждого есть право на свое мнение и право на ошибку. Мои друзья в основном это физики, химики, ученые из других сфер. Есть и работающие на производстве, но по образованию почти все физики.

То есть весь нынешний круг общения преимущественно «научный»?

Это, видимо, у меня профессиональная деформация. Если что-то нелогично, у меня сразу что-то в голове «щёлкает», как от неправильно поставленного ударения. Чем дальше от моего привычного круга общения, тем чаще это встречается. Когда я разговариваю с родственниками или дальними знакомыми и слышу, как кто-то, например, с астрологами общается, понимаю, что меня это напрягает. Чем дальше, тем больше.

Родственников, конечно, не переубедить. Поэтому я обычно сдерживаюсь. Каждого не перевоспитаешь, а моё душевное равновесие важнее. Но там, где это возможно, я стараюсь вмешиваться. Я часто рецензирую научные школьные работы и на конкурс в разные годы попадаются исследования и про память воды, и про намагниченную воду. В комментариях я пишу, что это не имеет научного обоснования, даю совет на какие темы стоит ориентироваться. За этим же чаще всего учителя стоят, это они предлагают темы своим ученикам.

А что у вас за необычное украшение на шее?

Спасибо за вопрос. Это метеорит!

Интересно, вы же, как ученый, наверное, проверили подлинность такого кулона? Может это обычный камень?

Метеориты отличает характерная структура, на срезе видны длинные полосы, как будто насечки. Видманштеттова структура — это разновидность крупнозернистой кристаллической структуры, которая отличается геометрически правильным расположением элементов в виде пластин (или игл) внутри зёрен. Эта структура была обнаружена в 1808 году австрийским химиком А. фон Видманштеттеном при изучении железоникелевых метеоритов. Возникновение видманштеттовых структур в сплаве зависит главным образом от его химической однородности, размера зерна, определяемого температурой нагрева, фазового состава, условий охлаждения. Я его и под микроскопом конечно уже рассмотрела.

Сразу чувствуется материаловедческий подход. А тема вашей диссертации какая была?

Как влияют слои ферромагнетиков, магнитных материалов, на поведение носителей заряда в гибридных структурах на кремнии. Подобные гибридные структуры сейчас используются во флешках, в ячейках памяти.

А как вы вообще выбрали физику?

Школу я закончила с медалью. Могла, в принципе, пойти куда угодно – подавала документы в разные места: от экономиста до военного переводчика. В итоге выбрала физику в СФУ. При этом у меня не было чёткой идеи, что я отучусь на физика и буду учёным. То, что у нас в Красноярске есть учёные, я поняла только на третьем или на четвёртом курсе. Изначально я думал, что физик — специалист в лаборатории при производстве. У меня была аналогия «как в медицине». Есть лаборатория на заводе, в которой физики делают какие-то анализы или проводят исследования. Потом на одной из экскурсий нам показали академический институт, с нами поговорили учёные. Мне понравилось. Правда в науку осознанно и, надеюсь, надолго, я пришла уже в аспирантуре. В студенчестве я ещё думала то в Норильск уехать, то на Красмаш уйти. Но осталась в науке, потому что интересно и деньги платят.

У меня сейчас свой грант для малых отдельных научных групп, и я основной исполнитель в большом проекте Российского научного фонда. У нас своя перспективная тематика — пленки делают многие, но с применением литографии или зондовой микроскопии разработок меньше.

В разные годы я получала стипендию президента, премию Главы города молодым талантам, вошла в список победителей регионального конкурса проектов научных групп Российского научного фонда в 2023 году. У меня есть действующий патент.

Расскажите о своем патенте? Как вообще понять, что результат можно запатентовать? Как эта система работает?

Патент был на основе моих первых экспериментов на зондовом микроскопе, и он был о способе получения одинаковых ферромагнитных частиц с помощью зондового микроскопа. Это очень экзотичный и очень требовательный к соблюдению технологий метод перьевой нанолитографии. Наличие патента мне очень помогло в конкурсе «УМНИК». Моя диссертация была по методам экспериментальной физики, и, когда мы получили результат, то решили, почему бы не подать заявку на патент, тем более это были ковидные выходные. Было много времени.

В принципе, то, что предложено в патенте можно делать мелкосерийно, но медленно с использованием более дорогого оборудования. Предложенный нами способ с применением зондового микроскопа дешевле. Он идеально подходит для исследований, где не нужны большие партии образцов.

Существуют разные виды патентов. Есть полезная модель, программа, а у нас способ. Патент, как интеллектуальная собственность, принадлежит Институту, он является правообладателем, а мы получаем надбавки к зарплате. У ученых есть рейтинг результативности, на который влияет наличие патентов и научных статей. Как по мне, статью написать легче, чем получить патент. Статья — это немного полет фантазии. Как картину, которую художник пишет. Я сейчас осваиваю 3D графику, моделирую изображения для своих публикаций, чтобы нагляднее и понятнее выглядело исследование. А патент он более сухой, в нем надо подробно описать техпроцесс. Этот язык мне не очень нравится, это больше юридический документ.

Не смотря на такую занятость, вы еще работаете со школьниками?

Я веду занятия у школьников в базовой школе РАН и в Физико-математической школе. Дети разные, так же, как и взрослые. Интересно заниматься с теми, кто увлечён. Они подхватывают, задают вопросы. Со школьниками все не так однозначно. С одной стороны, их привлекает наука, а с другой стороны здесь много рутины и их ожидания иногда не оправдываются. Работа учёного — это же больше чтение статей, анализ результатов. Школьник может разочароваться раньше времени, что не каждый день проводятся зрелищные эксперименты. Сейчас многие из талантливых ребят хотят в IT, редко кто видит себя ученым. Я очень удивилась, когда стали активно говорить про Data science и работу с большим количеством данных. На мой взгляд, физики и вообще ученые так же работают с большим количеством данных.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».