Новые метаматериалы: магнитоплазмонные и магнонные кристаллы в виде тонких пленок феррит-гранатов с дифракционными решетками

НОВЫЕ МЕТАМАТЕРИАЛЫ:

магнитоплазмонные и магнонные кристаллы в виде тонких пленок феррит-гранатов с дифракционными решетками

Тамара Будько,

ведущий инженер-технолог

НПЦ по материаловедению НАН Беларуси

Николай Новицкий,

научный сотрудник НПЦ по материаловедению НАН Беларуси,

кандидат физико-математических наук

Александр Стогний,

ведущий научный сотрудник

НПЦ по материаловедению НАН Беларуси,

кандидат физико-математических наук

Инновационная составляющая физических свойств магнитных пленок ферритгранатов заключается в том, что они относятся к оптически прозрачным магнитодиэлектрикам и могут взаимодействовать с электромагнитными волнами оптического и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона длин волн без тепловых потерь. Проблема отвода тепла от областей субмикронных размеров актуальна для развития современной микроэлектроники, которое протекает

в соответствии с законом Мура. Он требует удвоения числа элементов на единице площади кристалла интегральной схемы каждые два года. Если примерно до 2010 г. это достигалось за счет уменьшения геометрических размеров элементов, то в настоящее время - все больше за счет применения в технологии микроэлектроники как материалов с новыми свойствами, так и функционирующих на основе новых физических принципов.

В НПЦ по материаловедению НАН Беларуси к разработке метаматериалов на основе пленок феррит-гранатов, совместимых с технологией микроэлектроники, приступили в 2005 г. и достигли в этом определенного прогресса [1-5]. Задача по получению монокристаллов и пленок ферритов была поставлена еще академиком Н. Сиротой, создавшим Институт физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси, позже преобразованный в центр по материаловедению. Переданный в наследство фундаментальный задел по процессам роста и пониманию определяющей роли химической связи в формировании зонной структуры твердого тела позволил одновременно развивать метод ионно-лучевого распыления для формирования самих пленок феррит-гранатов и их постростовой размерной обработки.

Отдельно следует объяснить, почему представленные структуры принято считать метаматериалом. Монокристаллические

пленки феррит-гранатов имеют собственную периодическую структуру, характеризующуюся постоянной кристаллической решеткой, размером примерно 12,4 нм. Основные физические свойства феррит-гранатов (то есть собственные) определяются непосредственно этой кристаллической структурой и расположением атомов в узлах кристаллической решетки. В том случае, когда мы искусственно изготавливаем существенно большую по геометрическим размерам периодическую структуру внутри или над данным материалом, то при удачном стечении обстоятельств это приводит к появлению новых физических свойств, обусловленных взаимодействиями в принудительно созданной периодической структуре и собственными признаками исходного материала.

Так, магнитоплазмонный кристалл (рис. 1) состоит из Ш-решетки золота в виде полосков шириной 400-800 нм, толщиной 40-80 нм, с оптимальным зазором между ними в 100 нм. Эта решетка вырезается методом ионной литографии на сплошных площадках размером до 100x200 мкм, нанесенных на гладкую поверхность в нашем случае пленки висмут-содержащего феррит-граната толщиной около микрометра. Падающий луч света дифрагирует на решетке золота и при определенных условиях обеспечивает возбуждение плазмонных колебаний в области интерфейса «решетка - пленка», способных резонансно взаимодействовать с магнонными возбуждениями собственно в пленке ферритграната [2, 3]. Одно из проявлений резонансного взаимодействия - усиление эффекта Фарадея или вращения плоскости поляризации прошедшей волны во внешнем магнитном поле. В отдельных случаях вращение достигает десятков градусов при субмикронной толщине пленки феррит-граната, что на порядок больше, чем это свойственно однородной структуре (рекордными характеристиками обладают пленки состава Bi3Fe5O12, способные поворачивать плоскость поляризации до 10° при толщине до одного микрона). К сожалению, даже этого усиленного эффекта Фарадея недостаточно для широкого внедрения маг-нитоплазмонных кристаллов в микроэлектронику. Тем не менее эффект резонансного воздействия плазмонных колебаний на эффект Фарадея используется в центре «Сколково» (Москва) для создания датчиков магнитного поля, чувствительность которых не уступает

\»i

(t> Air ?

44..ID ВЫ

га И Аи К ]W tar 1-| 4W,,sm ян

(3) 'Р ” BIG s 1 ©•?

' Г :

ii

I Р И :

j

I100 нм • |

? 700 нм| .

ii

Рис. 1:

А - схематическое изображение поперечного сечения магнитоплазмон-ного кристалла;

Б - характерный вид внешней поверхности кристалла с периодом ID-структуры 800 нм и шириной полоска золота 700 нм

повсеместно используемым СКВИД-датчикам томографов и магнитометров. Однако в отличие от последних они обладают работоспособностью в диапазоне температур до 100 °C.

Магнонные кристаллы (рис. 2) так названы из-за принудительно созданной периодической решетки в пленке феррит-граната, приводящей к дифракционному характеру распространения в них собственных магнонных колебаний (спиновых волн) с характерным для них, по аналогии с дифракцией рентгеновских волн на кристаллической решетке, законом Брэгга. Его отличительная особенность - наличие запрещенных зон в спектре спин-волновых возбуждений. Их передача в полупроводниковых структурах - основная проблема спинтроники, не решенная в настоящее время в достаточном для практических применений виде.

Для взаимодействия с СВЧ-волнами диапазона частот 2-18 ГГц были предложены метаматериалы в виде 1D (рис. 2А) и 2D (рис. 2Б) магнонных кристаллов размером до 10x10 мм. Здесь дифракционная решетка изготавливается непосредственно в пленке Y3Fe5O12, период

Рис. 2:

А - 1 D-магнонный кристалл с периодом структуры 10 мкм, шириной канавки 2 мкм и глубиной 1,4 мкм;

Б - 2D-магнонный кристалл 40x40 мкм с периодом 80 мкм

НАУКА И ИННОВАЦИИ | №4 (170) | Апрель 2017

Рис. 3.

А - гетероструктура в виде 20-решетки пикселей 20x20 мкм слоя кобальта толщиной 2 нм на поверхности ферритграната контролируемой толщины;

Б - визуализация изменений в доменной структуре под пикселями кобальта и вне

Рис. 4:

А - схематическое изображение поперечного сечения магнитоплазмон-ного кристалла, капсулированного сверху слоем Bi3Fe5Oi2 толщиной 200 нм;

5 Б - характерный вид внешней поверхности магнитоплазмон-ного кристалла с периодом I Ю-структуры

= и шириной полоска

| золота 700 нм,

капсулированного сверху слоем Bi3Fe5Oi2 толщиной 14 200 нм

определяется типом магнонных возбуждений в данном кристалле. Наиболее исследованы магнонные кристаллы с периодом от 10 до 100 мкм, минимальным зазором между страйпами до 2 мкм и максимальной глубиной профиля травления до 3 мкм [4].

Тонкие пленки железо-иттриевого граната Y3Fe5O12 (ЖИГ), выращенные методом жидкофазной эпитаксии на подложках Gd3Ga5O12,-одни из основных материалов магнитной СВЧ-электроники, что обусловлено рекордной узостью линии ферромагнитного резонанса 0,6-1,2 Э в интервале толщин до 10 мкм на частоте до 9,5 ГГц, что является максимальным для известных СВЧ-материалов.

Указанные параметры обеспечиваются за счет совершенной кристаллической структуры и высокой энергии связи, более 5 эВ, в многоподрешеточной структуре граната.

С другой стороны, совершенные феррит-гранаты относятся к классу наиболее химически инертных материалов. Поскольку формирование приборов магнитной СВЧ-электроники требует появления рельефа в исходных структурах, разработка процессов анизотропного

BIG 200 нм

GGG 400 мкм

бездефектного травления профилей относится к фундаментальным задачам.

Большинство стойких масочных материалов в микроэлектронике разрабатывается на основе органических полимеров, однако практика показала, что эти маски недостаточно прочные для травления материалов с энергией связи в единицы эВ. В совместных проектах РФФИ-БРФФИ мы и Саратовский филиал Института радиотехники и электроники РАН предложили использовать для травления анизотропных профилей в пленках феррит-гранатов многослойные маскирующие слои на основе Al/AlOX и метод травления низкоэнергетическими ионными пучками кислорода. Были получены анизотропные профили глубиной до 3,5 мкм, чего оказалось достаточно для формирования сквозных анизотропных профилей травления в совершенных эпитаксиальных пленках феррит-гранатов толщиной свыше 2 мкм. В результате стал доступным для экспериментальной реализации ряд фундаментальных проблем, связанных с распространением спиновых волн в структурах с неоднородным профилем [4].

В частности, оказались возможными реализация безинерционного переключения направления движения спиновых волн (спиновых ключей), развитие подходов к их возбуждению при отсутствии внешнего магнитного поля. Эти результаты важны для создания элементной базы информатики нового поколения, базирующейся на спиновых волнах.

Комбинирование методов ионно-лучевого распыления-осаждения, разработанных для формирования магнитоплазмонных и магнонных кристаллов, позволило нам создавать структуры, представляющие собой некоторые наложения магнонных кристаллов друг на друга (рис. 3А), предназначенные для исследования эффектов воздействия непосредственно на состояние их доменной структуры лазерным излучением (рис. 3Б). Здесь на участок пленки феррит-граната контролируемой толщины накладывается пиксельная решетка 20x20 мкм в виде слоя кобальта 2 нм, покрытого золотом толщиной до 4 мкм для защиты от коррозии. В результате сложного воздействия оптического излучения во внешнем магнитном поле на спиновое упорядочение такой структуры можно добиться нетермического образования-распада неоднородных магнитоупорядоченных областей со скоростью, сопоставимой со скоростью

протекающих в пленке обменных взаимодействий. Эти результаты перспективны для решения проблемы сверхбыстрой оптической записи - считывания информации на основе магнитодиэлектриков [5].

Развитие работ в области метаматериалов на основе пленок феррит-гранатов ведется по двум направлениям. Первое - создание пленок Y3Fe5O12 и Bi3Fe5O12 с объемоподобными свойствам на подложках кремния, арсенида и нитрида галлия. Второе - увеличение степени интеграции магнонных и магнито-плазмонных кристаллов за счет получения их в виде ЭБ-структур (рис. 4). Здесь приведена магнитоплазмонная структура, сформированная на основе магнитоплазмонного кристалла, показанного на рис. 1, на поверхность которого методом ионно-лучевого распыления-осаждения нанесен слой Bi3Fe5O12 толщиной 200 нм. После этого структура подвергалась быстрому отжигу в вакууме при температуре ниже 600 °C, что позволило сохранить плазмонную решетку золота при одновременной кристаллизации нанесенного слоя. Капсулированная магнитоплазмонная структура на основе Bi3Fe5O12 демонстрируется впервые (рис. 4Б). Ожидается, что в ней будут подавлены процессы возбуждения сторонних воздушных плазмонов, что является задачей новых исследований.

Актуальна проблема получения пленок Y3Fe5O12 на подложках коммерчески востребованных полупроводников на площади поверхности более 10 см2 при неравномерности менее 10% по толщине в диапазоне толщин от 10 до 100 нм. Анализ литературных данных показывает, что наиболее известный метод получения качественных пленок Y3Fe5O12 -лазерная абляция, или PLD [1]. Его принципиальная особенность состоит в том, что он не позволяет создавать пленки площадью более 1-2 см2. Ранее также сообщалось об использовании ионного распыления больших по площади мишеней для получения качественных пленок Y3Fe5O12. Тем не менее указанная задача остается актуальной до сих пор. Общепринято мнение, что пленки Y3Fe5O12 толщиной 10-100 нм на подложках кремния и AIIIBV материалов с исходной шириной линии ферромагнитного резонанса ~10 Э на частоте 9,4 ГГц имеют широкие перспективы для применения в спин-волновой микроэлектронике. Нами разработан многостадийный метод ионно-лучевого распыления для

получения больших по площади пленок Y3Fe5O12 с востребованными характеристиками. Под многостадийностью здесь понимается разделение процессов осаждения и кристаллизации, формирования зародышевого слоя Y3Fe5O12 с последующей его кристаллизацией и повторное осаждение-кристаллизация псевдоэпитаксиального слоя Y3Fe5O12 с требуемыми свойствами.

Таким образом, решаемые задачи по формированию метаматериалов в виде магнито-плазмонных кристаллов и магнонных кристаллов на основе пленок феррит-гранатов, в том числе на подложках полупроводников, начинают приобретать очертания, которые уже позволили ответить на вопросы и определить пути возможных практических применений [1-5], что стало возможным за счет разработки базовой технологии их изготовления и прототипирования, в том числе благодаря повсеместному комбинированию методов двойного ионно-лучевого распыления -осаждения и препарирования при помощи остросфокусированных пучков высокоэнер-гетичных ионов галлия. Решение этих задач оказалось возможным в результате тесного сотрудничества с коллективами под руководством профессора С. Никитова (Институт радиотехники и электроники РАН), профессора Ю. Филимонова (Саратовский филиал ИРЭ РАН), Т. Мурзиной (МГУ), А. Беспалова (Московский государственный технический университет) и В. Кецко (Институт общей и неорганической химии РАН), а также профессоров А. Мазиевского (Белостокский университет, Польша) и А. Кирилюка (Редбудский университет, Наймеген, Голландия). СИ

gSgy http://innosfera.by/2017/04/metamaterials

ЛИТЕРАТУРА

1. Нипан Г.Д.,Стогний А.И.,Кецко В.А. Оксидные ферромагнитные полупроводники: покрытия и плeнки // Успехи химии. 2012. Т. 81, № 5. С. 458-475.

2. Krutyanskiy V.L., Chekhov A.L., Ketsko V.A., S^gny A.I., Murzina T.V. Giant попНпеаг magneto-ор^са! response of magnetoplasmonic crystals // Physical Review B. 2015, N91.

3. Cheklw A.L., Raz^^ki I., Kirilyuk A., Rasing Th., S^gny A.I., Murzina T.V. Surface plasmon-driven second-harmonic generate asymmetry in anisotropic р^тотс crystals // Physical Review B. 2016, N93.

4. Bessonov V.D., Mruczkiewicz M., Gieniusz R., Guzowska U., Maziewski A., Stognij A.I., Krawczyk M. Magnonic band gaps in YIG-based one-dimensional magnonic crystals: An array of g^ves versus an array of metallic st^es // Physical Review B. 2015, N91.

5. S^akiewicz A., Pashkevich M., Maziewski A., S^gny A., Novitskii N. Spin precession modulation in a magnetic bilayer // Appl. Phys. Lett. 2012, N101.

НАУКА И ИННОВАЦИИ | №4 (170) | Апрель 2017