Новые шаги спинтроники

Тема спинтроники (от spin transport electronics) – нового направления в микроэлектронике, базирующегося на использовании эффектов, связанных со спином электрона, уже освещалась в нашем еженедельнике. В приведенных примерах для построения спинового клапана, главного компонента большинства спинтронных устройств, применялись материалы, в основе которых лежат кристаллические полупроводники. Однако последние исследования в этой области показали, что на них свет клином не сошелся.

Напомним, что спинтроника родилась в конце 80-х с открытием эффекта гигантской магниторезистивности, заключавшегося в том, что сопротивление устройства, называемого спиновым клапаном, резко падало в случае приложения магнитного поля в определенном направлении. Такие спиновые клапаны, представляющие собой многослойный сэндвич из ферромагнетиков, немагнитных проводников и антиферромагнетиков, начали с середины 90-х широко использоваться в головках чтения жестких магнитных дисков, что позволило существенно повысить плотность записи на них.

Активному применению данной технологии препятствовали трудности интеграции спинтронных магнитных материалов с традиционными полупроводниками, такими как кремний или арсенид галлия. Основная проблема здесь заключалась в том, что полупроводниковые устройства должны производиться при высоких температурах, при которых трудно было получить ультратонкие слои, необходимые для сборки спинового клапана. В то же время органические полупроводники могут изготовляться при более низких температурах с небольшими токсическими отходами. Такие полупроводники уже используются в светодиодах (OLED) для ряда плоскоэкранных телевизоров, в качестве дисплеев в мобильных телефонах, мониторах компьютеров и рекламных щитах.

И вот весной этого года в журнале Nature появилась статья, где физики из Университета штата Юта сообщали, что для изготовления спинового клапана, с помощью которого управляют током, ими был применен полупроводник из органических материалов. С его помощью удалось достичь 40%-ного изменения силы тока.

Органический спиновый клапан имел трехслойную структуру. Средний слой, изготовленный из органического полупроводника под названием 8-гидроксихинолин алюминий (Alq3), располагался между двумя металлическими слоями: один был сделан из кобальта, в то время как другой – из оксида лантана-стронция-марганца (lanthanum strontium manganese oxide). Эти металлические слои служили электродами, из которых инжектировались электроны с требуемым направлением спина в средний слой органического полупроводника. Спиновый клапан размещался на чипе размером около 1/3 квадратного дюйма.

Ученые успешно инжектировали электроны с упорядоченной ориентацией спинов в органический полупроводник и показали, что спины сохраняют ориентацию при движении электронов через полупроводник. Исследователи также продемонстрировали, что направление спинов сохраняется при выключении питания – свойство, важное для памяти компьютера.

Хотя исследуемые спиновые клапаны функционируют при температурах –262° С... –40° С, ученые считают, что сделали шаг в направлении разработки более практических приложений.

В резонанс предыдущему прозвучало сообщение специалистов из Университета штата Вашингтон об обнаружении нужных для построения спинового клапана магнитных свойств у созданного шведским химиком Свеном Ринманном (Sven Rinmann) в 1780 г. пигмента, называемого зеленым кобальтом. Заметим, что этот пигмент не пользовался популярностью у художников прошлого, поскольку был дороговат и создавал относительно слабый цвет.

Для испытаний древнего пигмента ученые легировали оксид цинка ионами кобальта, обладающими необходимыми магнитными свойствами. Примечательным оказалось то, что зеленый кобальт сохранил свои магнитные характеристики и при комнатной температуре. Однако исследования находятся на ранней стадии, и чтобы найти практическое применение этим материалам, необходимо интегрировать их с традиционными полупроводниками. Работы в этом направлении будут продолжены.