В своей Нобелевской лекции 8 декабря 2000 года Герберт Кремер придумал поговорку: «Интерфейс — это устройство.«Кремер сослался на зрелую область полупроводниковых гетероструктур, которые составляют основу всей современной электроники.
Однако сейчас, с появлением новых, мощных устройств, основанных на более сложных и универсальных топологических и коррелированных материалах, это заявление актуально как никогда.
Такие материалы находятся в центре внимания исследований на факультете физики и астрономии Вюрцбургского университета: в настоящее время в этой области работают 16 групп, а в 2015 году был создан Центр совместных исследований (CRC 1170), который финансируется Немецкой наукой. Фонд (DFG) с почти 10 миллионами евро.
Публикация в журнале Nature Quantum Materials
В последние годы физики из Вюрцбургского университета и сотрудники из Германии, Канады, США.S.А. и Корея разработали новый метод обнаружения важных зарядовых свойств коррелированных границ раздела оксидов с беспрецедентным разрешением в атомном масштабе. Команда профессора Владимира Хинкова и его коллег рассказывают об этом экспериментальном методе в текущем выпуске журнала Nature «NPJ Quantum Materials."
«Обычные электронные микросхемы основаны на сетях так называемых p-n-переходов, интерфейсов между полупроводниками, несущими соответственно положительный и отрицательный заряды», — говорит Владимир Хинков, описывая предысторию этого исследования.
У такой установки есть несколько недостатков: во-первых, стыки толстые, часто порядка сотен межатомных расстояний. Во-вторых, для работы сети требуется движение множества электронов, что требует больших затрат энергии из-за электрического сопротивления.
В-третьих, полупроводники по своей природе не обладают магнитными свойствами, а их электронная конфигурация очень проста. «Это резко ограничивает способы создания функциональных соединений и реализации магнитных приложений», — сообщает Хинков.
Универсальные свойства требуют сложных методов
Оксиды переходных металлов, с другой стороны, обладают множеством различных свойств: некоторые из них являются ферромагнитными, другие — антиферромагнитными, а третьи, в свою очередь, представляют собой высокотемпературные сверхпроводники с очень нетрадиционными свойствами. Формирование интерфейсов между такими материалами приводит к множеству явлений, которые открывают перспективы для новых приложений, таких как различные датчики, компьютерная память без потерь и сверхбыстрые процессоры.
Цена, которую приходится платить, состоит в том, что для их изучения необходимы более сложные инструменты: это связано с разнообразием явлений и с гораздо более коротким масштабом длины, в котором свойства оксидов изменяются на таких гетероинтерфейсах, что часто бывает просто мало атомных расстояний.
Решающее значение имеет поведение электронов на границе раздела: склонны ли они накапливаться?? Какие орбитали они занимают, я.е. как электронные облака располагаются вокруг атомов?
Есть ли магнитный порядок, я.е. выравниваются ли крошечные магнитные моменты электронов, называемые спинами, относительно друг друга, устанавливая магнитный порядок? Ответы на эти вопросы ищут физики всего мира.
Измерения в атомном масштабе
Хинков и его коллеги разработали новый метод и программное обеспечение для анализа, и оно дает ответы. Он основан на «резонансной рентгеновской рефлектометрии», методе, использующем рентгеновский свет, созданный на синхротроне, с разрешением в атомном масштабе менее одного нанометра.
Физики применяют эту технику на тонких пленках оксида лантана-кобальта, материала с интересными магнитными свойствами.
Однако в своей нынешней работе ученые сконцентрировались на другом аспекте: «Прежде чем мы сможем углубиться в богатые магнитные явления этого материала, мы сначала должны решить фундаментальную, очень широко распространенную проблему», — говорит профессор Хинков. «Как и многие другие материалы, такие как простая поваренная соль и многие полупроводники, оксид кобальта лантана состоит из заряженных частиц. Эти так называемые ионы образуют последовательность положительно и отрицательно заряженных атомных слоев, уложенных в тонкую пленку толщиной 15 нанометров. «Можно показать, что между слоями образуются огромные электростатические поля, что является проблемой, поскольку они требуют больших затрат энергии», — объясняет Владимир Хинков.
«Природа экономична и позволяет избежать этих затрат энергии поля: она переносит положительные и отрицательные заряды на противоположные стороны пленки, соответственно, точно так же, как между пластинами конденсатора. Формируется новое поле, противоположное исходному и отменяющее его."
Гофрированные интерфейсы представляют собой проблему
Это накопление чистого электронного заряда на гранях пленки называется "электронной реконструкцией".«По мнению физиков, это очень элегантное решение, так как оно сохраняет гладкость лица пленки.
Для материалов, в которых электронная реконструкция невозможна, компенсирующий заряд обеспечивается сравнительно большими ионами, что приводит к образованию гофрированных поверхностей пленки. Как объясняет Хинков, такие гофры вредны для устройств, основанных на границах раздела пленок, особенно когда, как в оксидах переходных металлов, свойства материала изменяются в атомном масштабе на границе раздела.
Используя новый метод, настоящая работа демонстрирует микроскопические доказательства того, что электронная реконструкция действительно реализуется на границах раздела оксидов переходных металлов.
Метод также дает возможность изучать микроскопические свойства таких интерфейсов, которые не ограничиваются электронной реконструкцией, но включают расположение химических элементов, электронное заполнение атомных орбиталей и ориентацию спина.
Успешно благодаря тесному международному сотрудничеству
Особая «среда Вюрцбурга» и тесное международное сотрудничество сделали возможным эту успешную работу. «Такое научное начинание возможно только при тесном сотрудничестве экспертов из разных областей», — говорит профессор Хинков. Нужны отличные образцы, высокоточные приборы для рассеяния рентгеновских лучей, которые работают с современными источниками синхротронного света, специальное программное обеспечение и, наконец, что не менее важно, «коллеги, которые готовы проводить день и ночь на синхротроне для выполнения измерений."