Современная электроника базируется на использовании токопроводящих материалов для транспортировки единичных электронов к необходимым узлам. Данные компоненты требуют надежной фиксации и изоляции от смежных элементов для обеспечения строго направленного движения электрического тока. Тем не менее, в самом ближайшем будущем ожидается появление различных устройств принципиально абсолютно нового типа. Благодаря эксплуатации уникальных свойств специфических материалов, таких как феррит висмута, станет возможным протекание особого вида электрического тока. Это позволит существенно повысить скорость и эффективность передачи сигналов в компактных высокоплотных электронных схемах. С целью исследования данных процессов были проведены расчеты с использованием суперкомпьютера вычислительного центра High Performance Computing Center Университета Арканзаса.

исследователи произвели расчеты математической модели феррита висмута, прозрачного синтетического материала, относящегося к классу мультиферроиков (multiferroic). Это означает, что в структуре этого материала имеются отдельные области, в которых молекулы имеют упорядоченный образ их электрической поляризации. Границы между такими областями называют стенами и их, эти стены, можно рассматривать как двухмерные объекты из-за малой толщины, которая исчисляется десятыми долями нанометра.

В моделируемом материале исследователи создали электрический ток, называемый током смещения, путем приложения к материалу высокочастотного электрического поля. В отличие от традиционного электрического тока, который представляет собой движение потока электронов, ток смещения является следствием вибрации ионов, которая возникает под воздействием электрического поля. Ток смещения является переменным электрическим током и он беспрепятственно проходит через стены областей в феррите висмута. А по величине токи смещения сопоставимы с постоянными электрическими токами, используемыми в обычных электронных устройствах.

При помощи изменения конфигурации прикладываемых к материалу электрических полей, исследователи могут создавать ограниченные стенами области в феррите висмута, находящиеся в строго заданном месте. Цепочки таких областей могут формировать проводники и электронные компоненты, по которым беспрепятственно могут циркулировать токи смещения. И, естественно, что кристаллы или пленки феррита висмута могут стать основой нового типа электронных устройств, позволяющих динамически менять их электронную схему и функциональные возможности.

Компактная природа и используемые физические эффекты позволят новым электронным устройства стать очень маленькими и очень быстрыми. “Материалы, такие, как феррит висмута, открывают дорогу для разработки наноразмерных, эффективных и быстрых электронных схем, которые могут стать основой электронных устройств следующих поколений” – пишут исследователи.

Для любознательных

Феррит висмута (BiFeO₃) — материал с большим потенциалом! Его уникальность в том, что он одновременно проявляет сегнетоэлектрические, т.е. способность поляризоваться под действием электрического поля разной напряженности и антиферромагнитные свойства. А главное — в нём есть магнитоэлектрический эффект: можно управлять намагниченностью с помощью электрического поля, а поляризацией — с помощью магнитного. Именно это и открывает дорогу к электронике нового типа: более компактной, энергоэффективной, с новыми принципами хранения и обработки информации. Я подобрала примеры научных групп в России и за рубежом, которые активно этим занимаются.

В России

• МИЭТ (Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»). Учёные здесь целенаправленно работают над тем, чтобы усилить слабые электромагнитные свойства BiFeO₃ и сделать их рабочими при комнатной температуре. Один из подходов — химическое замещение: часть атомов железа или висмута заменяют на атомы других элементов (кальция, марганца, титана, бария). Это меняет кристаллическую решётку, подавляет мешающую спиновую циклоиду и заметно улучшает магнитоэлектрические характеристики. Команда под руководством Максима Силибина, например, разрабатывает экологически чистые (бессвинцовые) составы для электрокерамики — это важно, так как во многих других мультиферроиках используют свинец, который постепенно запрещают. В планах — отработать синтез и создать прототипы, например, для сенсоров или элементов памяти.
• Дагестанский государственный университет (Махачкала). Исследователи здесь тоже экспериментируют с допированием. Например, они заменяли часть атомов висмута на гадолиний. Такая модификация не только улучшила магнитные свойства, но и заметно повысила фотокаталитическую активность материала. Это открывает дополнительные возможности: помимо электроники, такие материалы могут найти применение в системах очистки воды. В работах участвуют и коллеги из других организаций — МИРЭА, Южного федерального университета, Института физики ДФИЦ РАН.
• МГУ им. М. В. Ломоносова, Институт физики твёрдого тела РАН. Здесь изучают фундаментальные аспекты: как именно меняется структура и свойства BiFeO₃ под разными воздействиями (температура, внешнее поле, облучение). Например, применяли мессбауэровскую спектроскопию, чтобы детально разобраться в спиновой структуре.

За рубежом

• Северо-Восточный университет (на английском Northeastern University, США). Профессор Пол Стивенсон и его команда исследуют возможности феррита висмута в антиферромагнитной спинтронике. Они работают над созданием ультрачувствительных наносенсоров и технологий квантовой связи, где можно управлять магнитными свойствами материала с помощью электрического поля.
• Университет Арканзаса (на английском University of Arkansas). Учёные проводили симуляции и показали интересную вещь: в феррите висмута токи смещения (которые возникают из-за колебаний ионов в электрическом поле) могут распространяться вдоль границ между доменами (областями с разной поляризацией). Это открывает путь к созданию очень быстрых и компактных наноэлектронных схем.
• Шеффилдский университет (на английском Sheffield Hallam University, Великобритания). Здесь основной фокус на практическом применении: разрабатывают бессвинцовые керамические композиции и многослойные структуры на основе BiFeO₃ для конденсаторов с высокой плотностью энергии.
• Пекинский университет науки и технологий (Китай). Исследователи тоже занимаются допированием — например, изучают, как замена части кислорода на серу влияет на магнитные свойства.

Что именно исследуют?

Помимо химического замещения, учёные пробуют и другие подходы:

• выращивают тонкие плёнки и наноструктуры — в них проще подавить спиновую циклоиду и усилить нужные эффекты;
• комбинируют BiFeO₃ с другими материалами (полимерами, графеном, другими оксидами), создавая нанокомпозиты для расширения функциональности;
• изучают фотоэлектрические свойства (сегнетоэлектрический фотовольтаический эффект) — это перспектива для новых типов солнечных элементов.

В целом, это очень активная область: фундаментальные исследования идут параллельно с прикладными разработками, и постепенно появляются первые прототипы устройств — от сенсоров до элементов памяти и компонентов для энергоэффективной электроники. Если какая-то из тем (например, спинтроника или фотовольтаика на основе BiFeO₃).