В ходе исследования, проведенного геологами из Санкт-Петербургского государственного университета, было установлено, что наноразмерные оксиды железа, являющиеся широко распространенными соединениями, способны послужить основой для создания биосенсоров и электронных устройств нового поколения. О результатах этой работы сообщается в научном журнале «Физика твердого тела».
Оксиды железа, известные как ржавчина, при уменьшении до наномасштабов становятся ценным инструментом для научного и технического прогресса. Материалы, основанные на этом соединении, отличаются экологичностью, долговечностью, технологичностью и обладают уникальными магнитными характеристиками. Их применяют в спинтронике – перспективном направлении электроники, где информация хранится и передается не только посредством электрического заряда, как в традиционных микросхемах, но и благодаря особому «магнитному компасу», присущему каждому электрону. Двойной метод кодирования данных позволяет создавать более скоростные, компактные и экономичные устройства.
Оксид железа находит применение и в сенсорике, где требуются материалы, способные реагировать на изменения в окружающей среде – от определения молекул в биосенсорах до фиксации слабых магнитных полей в датчиках. Более сложная и разнообразная структура поверхности слоя позволяет повысить его чувствительность, что, в свою очередь, обеспечивает более точную работу сенсора.
Совместная работа ученых из Санкт‑Петербургского государственного университета, Санкт‑Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина), Физико‑технического института имени А.Ф. Иоффе РАН и Дальневосточного федерального университета была посвящена исследованию изменений в магнитных характеристиках тонких пленок оксида железа в зависимости от условий их формирования.
«Камиль Гареев, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», отметил, что им удалось выявить «вихревые» магнитные структуры в тонких слоях оксидов железа. Такие «вихри» представляют собой стабильные образования, что делает их перспективными для использования в системах хранения данных. В настоящее время задача исследователей – разработать слои, которые смогут функционировать в качестве чувствительных элементов биосенсоров.
В рамках работы были выполнены несколько последовательных этапов. Изначально, на базе лаборатории физики профилированных кристаллов ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН, с использованием метода ультразвуковой паровой химической эпитаксии (mist-CVD), на сапфировой подложке исследователи выращивали слои оксида железа. После этого образцы передавались в ресурсные центры Научного парка Авторы провели экспериментальное исследование структуры и магнитных характеристик полученных слоев. На завершающем этапе, под руководством профессора кафедры физики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ведущего научного сотрудника ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН Петра Харитонского, были проведены теоретические расчеты магнитного состояния оксида железа в изученных образцах.
По словам Елены Сергиенко, доцента кафедры физики Земли СПбГУ и одного из авторов работы, ключевой роль в данном исследовании была отведена методу магнитно-силовой микроскопии.
«Он позволяет с высоким разрешением визуализировать распределение магнитных полей на поверхности образца, фиксируя области формирования доменов и появление вихревых структур. Полученные трехмерные карты магнитных контрастов показали хаотичное распределение магнитных областей в слоях с буфером GaN (нитрида галлия)», — объяснила доцент СПбГУ Елена Сергиенко.
Исследования выявили, что добавление буферного слоя из нитрида галлия улучшает магнитные свойства материала: увеличивается намагниченность насыщения, а вихревые магнитные структуры становятся более заметными. Благодаря потенциальной устойчивости, они способны длительное время сохранять свое состояние, что делает их востребованными как для информационного хранения, так и для применения в чувствительных биосенсорных устройствах.
Для выполнения работ применялось оборудование, находящееся в ресурсных центрах Научного парка Санкт-Петербургский государственный университет, направление «Нанотехнологии», Центр микроскопии и микроанализа, тема «Инновационные технологии композитных наноматериалов».
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ