Исследователи из Индийского научного института (Indian Institute of Science, IISc) совершили прорыв в науке, разработав метод выращивания высококачественных двумерных магнитных материалов (2D-MM) на пластинах.
Ранее в этой области можно было выращивать только чешуйки микрометрового размера. Это открытие открывает путь к их использованию в электронике нового поколения и спинтронике, а также в жестких дисках и датчиках.
Двумерные магнитные материалы могут сохранять свои магнитные свойства на уровне отдельных атомных слоев. Существующие методы, такие как механическое отшелушивание, при котором слои отделяются от объемных двумерных магнитных материалов, хорошо подходят только для исследовательских целей, но не для технологической интеграции. Для масштабируемого производства эти материалы необходимо выращивать в больших объемах. Обычно для этого используют метод осаждения из паровой фазы, при котором пары (прекурсоров) материалов пропускаются через горячую поверхность, где они перестраиваются на атомарном уровне и образуют тонкий слой материала. Эта поверхность, называемая подложкой, служит своего рода основанием, которое способствует эффективному росту материала. Однако производство 2D-магнитных материалов в масштабах пластины с использованием этих методов затруднено, поскольку даже малейшие дефекты при выращивании могут нарушить атомную структуру материала и его магнитные свойства.
В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, исследователи разработали метод выращивания хлорида хрома (CrCl3) в качестве репрезентативного и перспективного с точки зрения физики двумерного магнетика с интересным магнитным упорядочением. Они использовали новую технологию, получившую название «физическое осаждение из паровой фазы» (Physical Vapour Transport Deposition, PVTD), при которой материал нагревается до тех пор, пока не перейдет в газообразное состояние, а затем переносится и осаждается на поверхность, образуя высокоупорядоченные, хорошо выровненные кристаллы.
«Исследователи воспринимают синтез как волшебство: они бьются над задачей от нескольких месяцев до нескольких лет, и вдруг у них начинают получаться красивые структуры», — считают ученые
Чтобы добиться такого «волшебного» синтеза, команда сосредоточилась на четырех ключевых инновациях: снижении нежелательного радиационного нагрева, увеличении скорости потока газа-носителя далеко за пределы обычных значений, динамическом контроле подачи материала во время синтеза и тщательном удалении кислорода и влаги из системы.
Первые попытки вырастить двумерный магнитный CrCl3 не увенчались успехом, что побудило исследователей усовершенствовать установку. Сначала они затемнили камеру, в которой находилась печь, и изготовили специальные фильтры, чтобы кислород и влага не повредили синтезируемый материал. Утечку газа устранили с помощью муфт на концах трубок.
Тем не менее команда обнаружила, что поверхность подвергается травлению из-за воздействия света. Они выяснили, что избыток света возникает из-за излучения резистивных нагревательных элементов в печи. Было предложено простое решение: накрыть трубку для выращивания алюминиевой фольгой.
Исследователи также изучили, как различные подложки влияют на производство. После тестирования подложек из диоксида кремния и сапфира команда пришла к выводу, что наилучшие результаты дает использование синтетической слюды. Слюда состоит из слоев, которые удерживаются вместе за счет слабых сил и могут неплотно прилегать друг к другу, при этом на их поверхности нет неспаренных электронов, что делает ее очень подходящей для CrCl3. Кристаллическая структура слюды также обеспечивает упорядоченную поверхность для роста. «Это как с конструктором Lego: если стена, на которую нужно собирать детали, не структурирована, то и материал, который вы собираетесь вырастить, не будет структурированным», — объясняют ученые.