Разработан метод получения тонкопленочных структур сегнетоэлектрик/металл на основе сверхтонкого титаната бария. Результаты исследования их свойств показали, что подобные структуры представляются весьма перспективными для создания устройств энергонезависимой памяти. Растущие потребности в быстродействии, емкости, энергоэффективности энергонезависимой памяти в электронике и мобильных устройствах диктуют поиск новых физических механизмов записи и хранения информации.

На сегодняшний день известно и широко используется множество технологий запоминающих устройств. Вместе с тем, фундаментальные исследования в области физики конденсированного состояния, тонкопленочного материаловедения и физики наноструктур в последние годы открыли физические эффекты, позволяющие предложить принципиально новые механизмы для реализации запоминающих наноустройств, и снять физические ограничения на их масштабирование, быстродействие и энергопотребление.

Для реализации новых физических концепций записи и хранения информации критически важен синтез новых материалов, часто существующих в слоях толщиной в несколько нанометров, и детальное исследование их свойств, в том числе, в многослойных структурах.

Использование сегнетоэлектриков открывает огромные возможности. В частности, свойство сегнетоэлектриков сохранять остаточную электрическую поляризацию позволяет говорить о возможности применения их в качестве среды для хранения электронной информации.

Однако реализация устройства памяти на основе сегнетоэлектрических материалов не так проста на практике. Одной из первых проблем, встающих на пути использования сегнетоэлектриков в качестве устройств памяти, являются величины коэрцитивных полей типичных сегнетоэлектриков, которые составляют несколько кВ/см. В то же время, современные кремниевые электронные компоненты оперируют при напряжениях, меньших 5 В. Следовательно, для использования сегнетоэлектриков в электронике и мобильных устройствах, необходимо получение таких материалов в виде сверхтонких пленок, толщиной 1–10 нм. С развитием современных технологий напыления тонких пленок эта проблема была решена. Однако при таких толщинах сразу же в «дело» вступают размерные эффекты, влияние которых, как известно, приводит к существенному изменению характеристик материалов, исчезновению одних свойств и возникновению новых. И в данном случае эти новые свойства требуют тщательного изучения.

Другим препятствием на пути развития сегнетоэлектрической памяти является вопрос надежности. По сравнению с другими технологиями записи информации (такими как flash или магнитные жесткие диски), надежность использования таких материалов при записи информации остается под сомнением вследствие эффекта усталости сегнетоэлектриков, возникающей при многократном переключении поляризации и проявляющейся в деградации сегнетоэлектрических свойств материала. И эта проблема также требует своего разрешения.

Существует несколько подходов по реализации устройств памяти на основе сегнетоэлектрических материалов, некоторые из которых уже внедрены в производство. И одним из наиболее перспективных подходов является использование т.н. сегнетоэлектрических туннельных переходов в структурах типа металл/сегнетоэлектрик/металл.

«Тонкие пленки титаната бария (BaTiO3), исследованием которых мы занимаемся, – хорошо известный материал, активно использующийся в исследованиях электромагнитных свойств сегнетоэлектриков и возможности их применения в качестве сред памяти. Однако в большинстве проводимых исследований в качестве нижнего электрода в системе сегнетоэлектрик/металл использовались сложные оксиды. Мы же использовали принципиально новый подход, когда в качестве нижнего электрода выбирался простой металл – железо или платина. Этот подход оправдал себя и позволил получить требуемый эффект туннельного электросопротивления на таких структурах» – рассказывает Марат Миннекаев о результатах, полученных им в его кандидатской диссертации.

Рис. 1. На фото: Изображение поверхности образца BaTiO3/Pt с нанесенными поверх контактами Cr (предоставлено М. Миннекаевым).

Для структуры BaTiO3/Pt характерно усиление эффекта туннельного электросопротивления за счет взаимодействия на границе простой металл/оксид, а также усиления сегнетоэлектрических свойств BaTiO3, за счет усиленной тетрагональности решетки, достигаемой под воздействием сжимающих напряжений при эпитаксиальном росте BaTiO3 на Pt, что позволит создать еще более высокоскоростные, энергоэффективные устройства памяти.

Возможность же использования ферромагнитного железа в качестве нижнего электрода представляет особый интерес с точки зрения возможных магнитоэлектрических эффектов в структуре ферромагнетик/сегнетоэлектрик. Подобные структуры позволяют развивать не менее актуальные исследования в области спинтроники, где одной из важнейших задач является взаимное связывание и комбинация электронных и магнитных свойств материалов, что позволило бы использовать принципы спинтроники в традиционных электронных устройствах. Одной из поставленных проблем, в частности, является возможность управлять магнитными свойствами ферромагнитных материалов внешними электрическими, а не магнитными полями. Успешное решение этих задач открыло бы возможность создания многофункциональных устройств, управляемых как магнитными, так и электрическими полями.

Однако получить структуры со столь замечательными свойствами весьма сложно: в процессе напыления оксидосодержащей пленки (к которым относится и титанат бария) на металл происходит окисление последнего, что сразу же приводит к потере тех электромагнитных эффектов, ради которых такое осаждение и проводилось. В связи с этим пришлось разработать технологию, позволившую произвести напыление тонкой пленки BaTiO3 на металл.

Разработанная технология с использованием методов импульсного лазерного осаждения помогла получить сверхтонкие структуры толщиной 3–4 нм высокого структурного качества, что позволило реализовать так называемый эффект туннельного электросопротивления – зависимости величины туннельного тока через структуру металл/сегнетоэлектрик/металл от направления поляризации сегнетоэлектрического слоя.

Рис. 2. На фото: Плазменный факел мишени (слева снизу), распыляемой под воздействием лазерного импульса на образец (справа сверху) в вакуумной камере установки импульсного лазерного осаждения (предоставлено М. Миннекаевым).

«Конечно, наши работы находятся еще на стадии лабораторных исследований. Однако, уже первые полученные результаты свидетельствуют о высокой перспективности многослойных структур сегнетоэлетрик/металл на основе BaTiO3/Fe и BaTiO3/Pt, а также об универсальности как пленок, так и нашей технологии в плане применения. Разработанная технология напыления пленок сегнетоэлектрического BaTiO3 на металлы может быть использована не только для получения запоминающих устройств на основе тонкопленочных сегнетоэлектриков, но и для решения огромного числа других задач современной физики тонких пленок и наноструктур» – отметил Марат Миннекаев.

Преимущества предлагаемого исследователями подхода к реализации устройств памяти на подобного рода структурах заключаются, прежде всего, в низком энергопотреблении таких устройств. Кроме того, в исследуемых структурах возможна реализация «многоступенчатого» состояния, т.е. не только двоичного, а нескольких устойчивых состояний. Скорость переключения устройств на основе тонкопленочных сегнетоэлектриков также ожидаемо выше существующих ныне. Хотя в лабораторных условиях уже был реализован принципиальный прототип устройства памяти на основе Cr/BaTiO3/Pt, необходимо провести еще ряд испытаний. Так, например, дополнительных исследований требует оценка стабильности таких структур во времени и их стойкости к большим количествам переключений.

Рис. 3. На фото: Изображение просвечивающей электронной микроскопии одного из образцов Fe/BaTiO3/Pt/MgO демонстрирует высокое структурное качество образцов, получаемых методом импульсного лазерного осаждения (предоставлено М. Миннекаевым).

Помимо упомянутых устройств памяти, многослойные структуры сегнетоэлектрик/металл могут быть использованы и в других научных и технических задачах. В дальнейшем на структурах ферромагнетик/BaTiO3 возможны исследования магнитоэлектрических свойств: взаимодействия ферромагнетизма и сегнетоэлектричества, и их влияния друг на друга на стыке двух материалов. С другой стороны, тонкопленочные сегнетоэлектрики также могут быть применены в логических устройствах, сенсорах, солнечных элементах.

Комментирует научный руководитель работы, зам. директора ФИАН В.Н. Неволин:

«Говоря об этой работе, прежде всего хочется сказать о Марате, который является ярким примером ученого-экспериментатора. Одной из особенностей данной работы является использование большого количества сложных новейших методов исследований, как уже успевших стать классическими, например резерфордовское рассеяние легких ионов, так и менее традиционных, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Сложность работы определялась именно особенностью исследуемых структур металл/сегнетоэлектрик/металл, в которых туннельные эффекты могут наблюдаться только в сверхтонких слоях сегнетоэлектрика. Уже само получение этих сверхтонких слоев представляет собой определенную технологическую проблему, которую М. Миннекаеву удалось успешно разрешить, не говоря уже о дальнейших исследованиях физико-химических свойств образцов. И здесь Марат проявил себя как прекраснейший экспериментатор, успешно осуществлявший свою работу не только у нас, но и в крупнейшем международном исследовательском центре DESY (Германия). Ему приходилось отрабатывать методики получения сверхтонких слоев сегнетоэлектрика, их дальнейшего исследования.

В настоящее время, в силу организационных и финансовых причин, карьера М. Миннекаева как ученого стоит под вопросом. И это, надо отметить, одна из наиболее проблемных болевых точек нашей современной науки – явно недостаточное финансирование науки в нашей стране не дает реальной возможности оставлять в науке очень достойных и перспективных молодых ученых после защиты диссертаций. Это очень обидно.

Сама же работа, безусловно, весьма интересна и требует дальнейшего продолжения. Думается, здесь еще не все сказано.»