Ученые из России разработали метод выращивания крупнозернистых двумерных магнитных мате...

Ученые из России разработали метод выращивания крупнозернистых двумерных магнитных материалов большой площади ❋ 4.7 Физтехи с коллегами из Российского квантового центра и Индийского института науки в Бангалоре создали подход, позволяющий получать высококачественные сантиметровые пленки магнитного полупроводника CrCl₃ с размером кристаллитов около 10 микрометров всего за несколько минут. Добиться таких результатов помогла модификация классического метода осаждения из газовой фазы: ученые ликвидировали все возможные причины снижения качества покрытия, от следов влаги и кислорода, до инфракрасного излучения от нагревательных элементов установки. Двумерные магнитные материалы — атомарно тонкие кристаллы, сохраняющие магнитный порядок,— рассматриваются как основа для сверхкомпактных спиновых транзисторов, квантовых сенсоров и устройств хранения данных нового поколения. Однако их практическое применение упирается в проблему синтеза: механическое отслаивание дает лишь микронные фрагменты, а методы осаждения из газовой фазы не позволяют получать монокристаллы большой площади. Главный враг таких материалов — примеси кислорода и влаги, которые при высоких температурах мгновенно разрушают кристаллическую решетку. Авторы работы сфокусировались на хлориде хрома CrCl₃ — полупроводнике с ферромагнитным упорядочением внутри слоев и антиферромагнитным между ними. Для его выращивания они модернизировали двухзонную установку физического переноса из паровой фазы (physical vapor transport deposition). Классическая схема процесса такова: в первой зоне происходит возгонка прекурсора (в нашем случае CrCl₃), затем пары переносятся потоком газа-носителя (аргона) во вторую зону, где созданы условия для осаждения вещества на поверхности и роста покрытия. Ноу-хау исследователей стала комплексная защита от факторов деградации: аргон проходил через двухступенчатые фильтры очистки от кислорода и влаги, а всю систему многократно продували перед нагревом. Кроме того, ученые выяснили, что даже инфракрасное излучение от нагревательных элементов печи инициирует фотохимическое травление растущих пленок в присутствии следов кислорода. Чтобы подавить этот эффект, кварцевую трубу реактора снаружи обернули алюминиевой фольгой с низкой излучательной способностью. У алюминия эмиссия всего около 0,2, то есть он излучает только 20% энергии, а остальные 80% отражает, у нагревательных элементов печи этот показатель составляет 0,7. Это радикально снизило окислительное травление и позволило получать однородные пленки. «В рамках нашей большой совместной работы мы не просто синтезировали материал, но самое главное — в нашей лаборатории провели глубокое исследование того, как его оптические свойства меняются в зависимости от температуры, а также детально изучили магнитные характеристики. Для нас было принципиально важно понять фундаментальные различия между образцами, полученными традиционной механической эксфолиацией, и нашими новыми пленками. Зачем это нужно? Дело в том, что 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»,— отметил один из авторов исследования Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ. 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 слюде за счет слабого взаимодействия (энергия адсорбции –0,45 эВ) молекулы обладают высокой подвижностью, что обеспечивает эпитаксиальный рост (кристаллиты CrCl₃ повторяют ориентацию подложки) 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.