Наноразмерные полупроводниковые, мультиферроидные и металлизированные структуры на основе магнонных кристаллов для обработки информационных сигналов

В ходе выполнения первого этапа проекта получен ряд экспериментальных и теоретических результатов, касающихся обработки спин-волновых СВЧ сигналов на основе наноразмерных магнонных кристаллов и периодических слоев разной физической природы (сегнетоэлектрических, полупроводниковых, слоев нормального металла). В частности, изготовлены экспериментальные макеты на основе плёнок YIG (100 нм) и конденсатора на основе оксида гафния циркония TiN/HZO/TiN (20 нм/10 нм/20 нм) в виде периодических полосок с периодом 4 мкм. Технология создания структуры с помощью методов эпитаксии YIG и атомно-слоевого осаждения HZO, позволила эффективно совместить слои материалов с сохранением ферромагнитных и сегнетоэлектрических свойств каждого из слоев. Построена теоретическая модель и показано, что основным механизмом формирования запрещенной зоны в структуре на основе ферромагнитной плёнки и решетки из сегнетоэлектрического материала с упругим гистерезисом является взаимодействие прямой и отраженной от периодических неоднородностей спиновых волн. При приложении напряжения к слою сегнетоэлектрика и изменении его поляризации имеет место магнитоэлектрический эффект, который влияет на механизм взаимодействия прямых и отраженных волн. В результате, положение запрещенной зоны в спектре спиновых волн определяется состоянием поляризации сегнетоэлектрика и обладает свойством гистерезиса. На основе экспериментального исследования, с использованием радиофизических методов и технологии зондовой контрольно-измерительной станции, установлена возможность формирования запрещенных зон, соответствующих первому брэгговскому резонансу в спектре спиновых волн в структуре на основе YIG и периодических полосок из HZO. Запрещенная зона перестраивалась в широком диапазоне частот 1–4 ГГц при изменении магнитного поля H=120-880 Э и в узком диапазоне частот ~3 МГц электрическим полем E=0-3 МВ/см. На основе экспериментального исследования с использованием технологии Мандельштамм-Бриллюэновского рассеяния света, исследовано распределение интенсивности спиновой волны в плоскости ферромагнитного слоя структурах на основе YIG (100 нм) и периодических решеток из HZO (10 нм). Экспериментально показано, что интенсивность спиновой волны на центральной частоте запрещенной зоны спадает быстрее вдоль направления распространения, по сравнению с сигналом на частоте вне запрещенной зоны. Частотное положение запрещенной зоны в свою очередь определяется значением электрического напряжения, приложенного к слою HZO и не зависит от полярности. Предложен принцип действия ячейки памяти на основе структуры типа ферромагнитной плёнки (YIG, толщиной 100 нм) и периодической решетки из конденсатора на основе сегнетоэлектрического материала с упругим гистерезисом (HZO, толщиной 10 нм). Принцип действия такой ячейки основан на взаимодействиях разной физической природы – сегнетоэлектрическом гистерезисе HZO, брэгговских спинволновых резонансах в YIG и магнитоэлектрическом эффекте в YIG и HZO. Слой сегнетоэлектрика HZO при этом выполняет функцию хранения информации. Слой YIG позволяет выполнять функцию чтения информации: биты 1 (либо 0) будут соответствовать попаданию (либо не попаданию) контрольной частоты в запрещенную зону. Разработана теоретическая модель, описывающая дисперсионные характеристики спиновых волн под действием электрического тока и лазерного облучения структуры магнонный кристалл/полупроводник. Показано, что при приложении электрического поля к слою полупроводника, за счёт действия силы Лоренца, изменяется скорость прямых и отраженных спиновых волн в ферромагнитном слое, что приводит к сдвигу запрещенных зон вниз по частоте в случае тока положительной полярности, в то время как подача тока отрицательной полярности не приводит к сдвигу запрещенных зон. Теоретически показана возможность индуцирования с помощью лазерного облучения брэгговских резонансов магнитостатических волн в гетероструктуре на основе ферритовой плёнки с периодическими полосками из полупроводникового материала на поверхности. При лазерного облучении такой структуры возникают условия для формирования брэгговских запрещенных зон в спектре поверхностных магнитостатических волн. Формирование запрещенных зон обусловлено модуляцией проводимости полупроводника на поверхности ферромагнитной пленки, амплитуда модуляции при этом растет с увеличением интенсивности облучения. Увеличение интенсивности облучения также приводит к увеличению глубины и частотной перестройки запрещенных зон. Разработана теоретические модели, описывающая дисперсионные характеристики спиновых волн под действием спинового тока в структуре типа магнонный кристалл/нормальный металл с периодической решеткой из нормального металла на ферромагнитной плёнке. Показано, что введение спинового тока в нормальном металле приводит к формированию запрещенной зоны в полосе первого брэгговского резонанса, что связано с изменением величины модуляции потерь в ферромагнитной плёнке. При увеличении спинового тока запрещенная зона сдвигается вниз по частоте и расширяется. В зависимости от направления спинового тока, возможно усиление, либо ослабление спиновой волны на частотах, лежащих, как в области запрещенной зоны, так и вне запрещенной зоны.