Новые функциональные материалы и гибридные структуры

Основная цель работ по данной тематике заключается в разработке и исследовании новых материалов с высокими функциональными свойствами, перспективных для ряда активно развивающихся областей современной промышленности, в частности: - исследования следующего поколения топологических материалов – топологических полуметаллов (Дирака и Вейля, полуметаллов с узловой линией, киральных полуметаллов); - изучение гибридных структур для задач криогенной электроники (элементы джозефсоновской памяти, SFS структуры и более сложной системы, в том числе на основе магнитных топологических систем); - изучение методов формирования наноструктур на основе тугоплавких, жаропрочных и жаростойких материалов с целью отработки технологий гибридных структур; - изучение и разработка методов роста новых полупроводниковых материалов, а также новых подходов к формированию ван-дер-ваальсовых структур и гибридных систем на их основе; - исследование влияния напряженного состояния на формирование наноструктуры, ее параметры, стабильность, магнитные свойства новых аморфно-нанокристаллических материалов. Фундаментальные проблемы, стоящие перед научным сообществом, всегда находятся в тесной корреляции с запросами промышленности, особенно наиболее перспективных и развивающихся её областей. В настоящее время есть сложившееся понимание круга проблем, стоящих перед микроэлектроникой на период 10-15 лет. В то же время, для формирования концепций развития микроэлектроники на большую перспективу, требуется как развитие новых подходов, так и разработка новых функциональных материалов для реализации таких подходов. В этом направлении необходимы фундаментальные научные исследования, которые в данный момент находятся в фокусе внимания российского и мирового научного сообщества. Например, значительную актуальность представляют задачи искусственного интеллекта, в частности - распознавания образов. В настоящее время такие задачи решаются на основе традиционной компьютерной архитектуры, что приводит к большим энергозатратам, фактически закрывающим возможность эффективного использования систем искусственного интеллекта в мобильных системах. Снижение энергетических затрат и повышение производительности систем искусственного интеллекта требует принципиального изменения элементной базы, в частности - интеграции в существующие технологические процессы нового элемента схемотехники – мемристора. Разработка стабильного, устойчивого к внешним воздействиям мемристора требует проведения фундаментальных исследований как в поиске материалов, так и в конкретных физических процессах, которые можно положить в основу работы нового элемента. Другим возможным подходом является развитие криогенной микроэлектроники на базе новых материалов и структур, например, топологических изоляторов и топологических полуметаллов. Оба этих примера показывают важность объединения фундаментальных физических исследований с задачами современного материаловедения. Разработка систем криогенной электроники представляет собой характерный пример перехода от исследования "чистых" систем, относящихся к определённой области (сверхпроводники, полупроводниковые системы пониженной размерности, ферромагнетики), к исследованию сложных структур, в которых существенны эффекты взаимного влияния, например, джозефсоновских структур на базе топологических полуметаллов, спиновых вентилей на базе полупроводниковых систем и даже джозефсоновских спиновых вентилей. Именно в этом направлении можно ожидать появления перспективных приборных применений, особенно связанных с квантовыми вычислениями, элементами памяти (мемристоры), управлением и использованием спина (спинтроника). В связи с этим исследования, посвященные разработке и созданию новых функциональных материалов и структур, являются весьма актуальными. Создание сложных гибридных структур на основе новых функциональных материалов требует интенсивных научных исследований как в новых областях (топологически нетривиальные системы, ван-дер-ваальсовы материалы и сборки на основе таких материалов), так и в считающихся классическими областях жаропрочных и жаростойких материалов, методов их нанесения. При этом заметный научный успех возможен лишь при комплексном подходе, который включает полный спектр от роста и структурных исследований отдельных материалов до прецизионных измерений транспорта и оптического отклика в сложных гибридных системах. Развитие представлений о формировании материалов разного типа базируется на фундаментальных исследованиях явлений и процессов, ведущих к образованию той или иной структуры. Поскольку большинство свойств твердых тел являются структурно-чувствительными, особую роль в исследованиях новых материалов играет изучение влияния условий внешнего воздействия на материалы, параметров синтезируемой структуры и изучение корреляции «структура-свойства». Поэтому в части исследований аморфных и нанокристаллических металлических материалов большое внимание уделяется определению закономерностей образования наноструктуры. Композитные аморфно-нанокристаллические материалы обладают высоким комплексом физических свойств. В зависимости от состава они могут быть высокопрочными, магнитно-жесткими и магнитно-мягкими, коррозионно-стойкими и др. Магнитно-мягкие свойства металлических стекол могут быть улучшены путем релаксационных отжигов, отжигов в магнитном поле; механические свойства зависят от наличия напряжений и тоже могут быть улучшены с помощью термообработок и т.д. В настоящее время особенно актуальным является исследование влияния напряженного состояния на зарождение нанокристаллов и характеристики формирующейся нанокристаллической структуры, установлению условий формирования наноструктуры с определенными структурными параметрами. Планируется решение следующих задач: - исследования, позволяющие выделить свойства топологических поверхностных состояний в следующем поколении топологических материалов – топологических полуметаллах (Дирака и Вейля, полуметаллах с узловой линией, киральных полуметаллах); - изучение поведения гибридных структур на основе сверхпроводящих и ферромагнитных контактов к топологическим материалам; - изучение гибридных структур для задач криогенной электроники (элементы джозефсоновской памяти, SFS структуры и более сложный системы, в том числе на основе магнитных топологических систем); - изучение методов формирования наноструктур на основе тугоплавких, жаропрочных и жаростойких материалов с целью отработки технологий гибридных структур; - изучение и разработка методов роста новых полупроводниковых материалов, а также новых подходов к формированию ван-дер-ваальсовых структур и гибридных систем на их основе; - структурные исследования новых функциональных материалов и структур; - исследование влияния напряженного состояния на формирование наноструктуры, ее параметры, стабильность, магнитные свойства новых аморфно-нанокристаллических материалов. Будут разработаны подходы к формированию новых функциональных материалов и структур, проведены исследования их транспортных и оптических свойств в рамках проблем криогенной электроники, спинтроники, нанофотоники, с прицелом на формирование концепций развития элементной базы микроэлектроники на среднесрочную перспективу: 1. Будут разработаны методы роста новых перспективных топологических материалов (FGT, CoSi, CeAlSi, CeAlGe ) 2. Будут разработаны методы формирования плёнок и покрытий на основе тугоплавких материалов. 3. Будут проведены измерения транспортных свойств топологических поверхностных состояний в режимах ферромагнитного и сверхпроводящего эффектов близости, эффекты инжекции спин-поляризованного тока в поверхностные состояния. 4. Исследованы прототипы элементов криогенной памяти на основе тонкоплёночных джозефсоновских структур. 5. Исследован оптический отклик сложных слоистых структур на основе дихалькогенидов переходных металлов. 6. В аморфно-нанокристаллических материалах одного и того же состава будут определены характеристики структуры, формирующейся при наличии и отсутствии механических напряжений; 7. Будет определена закономерность формирования наноструктуры в ферромагнитных аморфных сплавах в поле напряжений; 8. Будут исследованы магнитные свойства аморфно-нанокристаллических образцов, полученных при внешних воздействиях разного типа, и определены параметры микроструктуры, позволяющие достигать оптимальных магнитных свойств. Полученная в результате исследования информация позволит установить пути формирования материалов, обладающих структурой, характеризующейся оптимальным сочетанием свойств. Данные результаты предполагается достичь в рамках созданной в ИФТТ РАН в 2018 году молодёжной лаборатории («Лаборатория новых функциональных материалов и структур») - дополнительное Соглашение между МИНОБРНАУКИ РОССИИ и ИФТТ РАН № 075-03-2019-697/1 от 17 мая 2019г. Нормативная документация по такой лаборатории диктует требования к количеству, возрасту исследователей, а также устанавливает плановые показатели деятельности лаборатории (публикации в научных журналах, индексируемых в международных базах научного цитирования Web of Science Core Collection и (или) Scopus в количестве 3-х единиц в год).