Физики получили сверхтонкие плёнки феррита висмута без потери полярного порядка

В микроэлектронике давно ищут замену традиционным ферроэлектрикам: с уменьшением толщины плёнки до нескольких нанометров у них появляется «мёртвый слой» — приграничная область, где поляризация пропадает. Это физическое ограничение мешает миниатюризации памяти и логических элементов. Международная команда показала, что мультиферроик феррит висмута (BiFeO₃) может его преодолеть.

Как удалось убрать мёртвый слой

Группа под руководством Анжелы Виттманн и Лукаса Каретты (с первыми авторами Джорджем Фратяном, Майей Рамеш и Синьянь Ли) вырастила тонкие плёнки BiFeO₃ на подложках из скандата диспрозия (DyScO₃) с буферным слоем рутената стронция (SrRuO₃).

Такой выбор подложки задаёт два условия одновременно: короткозамкнутые электростатические граничные условия (подавляющие деполяризующие поля) и сжимающее напряжение в плёнке. Вместе они обеспечивают непрерывный ферроэлектрический порядок вплоть до первой элементарной ячейки BiFeO₃ — то есть «мёртвого слоя» нет.

Магнитный порядок при этом сохраняется до толщины около четырёх ячеек (~1,6 нм) при комнатной температуре.

Что происходит при уменьшении толщины

По мере утончения плёнки структура проходит несколько фазовых состояний:

• средние толщины (~3,5 нм): из-за конкуренции полярного и магнитного порядков на границах доменов возникают топологические текстуры — вихри и кольца вихрей;
• тонкие плёнки (~1,6 нм): длинноволновая спиновая циклоида исчезает, остаётся наклонное коллинеарное антиферромагнитное состояние в моноклинной фазе Cm;
• расчёты DFT предсказывают в этой фазе d-волновое расщепление спиновых подзон на ~0,3 эВ вблизи валентной зоны — признак альтермагнетизма.

Альтермагнетизм — недавно описанный класс магнитного порядка, совмещающий некоторые свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Авторы подчёркивают, что наблюдаемые спектроскопические сигналы пока в основном косвенны и согласуются с расчётами, но требуют дальнейшей экспериментальной проверки.

Значение для электроники

Практический смысл результата — возможность создавать мультиферроиковые элементы с толщиной менее двух нанометров с сохранением исследованных электрических и магнитных свойств. Это делает материал интересным для исследований памяти и других электронных элементов с малым энергопотреблением. Готовый процессор и его экономию энергии в этой работе не демонстрировали.

Читайте также: Учёные получили полярные вихри в бессвинцовой сверхрешётке на кремнии.

Работа опубликована в журнале Nature Materials. В исследование вовлечены более 20 учреждений, включая Брауновский и Корнеллский университеты, ORNL, LBNL, Университет Калифорнии (Беркли) и ряд европейских центров.