Российские ученые из МФТИ и ОИВТ РАН вместе с коллегами из Тайваня и Индонезии изучили структурно-чувствительные свойства феррита никеля первопринципными квантово-механическими методами. Установлено, что тип поляронной проводимости может меняться из-за наличия точечных дефектов в структуре соединения. Результаты исследований, опубликованных в журнале Computational Materials Science, будут полезны для разработки быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств, в частности, микросхем резистивной памяти.
Феррит никеля — сложный оксид железа и никеля — представляет собой темно-коричневые нерастворимые в воде кристаллы, отличается механической твердостью и химической стабильностью, а также имеет высокое удельное сопротивление и температуру Кюри более 500 °C. До достижения температуры Кюри фазовое состояние и магнитные свойства не изменяются, следовательно, феррит никеля легко выдерживает действие высоких температур.
Благодаря вышеуказанным свойствам феррит никеля является перспективным материалом для спинтроники и производства микросхем резистивной памяти. Следует пояснить, что в работе спиновых устройств вместе с зарядом электрона используется его спин — собственный момент импульса — который, словно магнит, создает вокруг себя магнитное поле, поэтому его ориентацию можно менять путем внешнего воздействия. Резистивная память имеет свойственную оперативной памяти быстроту, но в то же время сохраняет данные при отключении электропитания, как внешний диск. В основе микросхем резистивной памяти лежит структура: металл — изолятор — металл.
Обуславливает свойства феррита никеля структура обратной шпинели (Рисунок 1). Шпинелями называют минералы с общей формулой AB2O4, где A и B — катионы переходных металлов. Структура шпинели образована октаэдрами и обособленными друг от друга тетраэдрами. В обратной шпинели катионы двухвалентного металла, в рассматриваемом соединении — никеля, и половина катионов трехвалентного металла, т. е. железа, находятся в октаэдрических пустотах, а другая половина — в тетраэдрических. Каждый анион кислорода в шпинели принадлежит одновременно одному тетраэдру и трем октаэдрам.
Рисунок 1. Кристаллическая структура феррита никеля. Катионы Fe3+ показаны в тетраэдрических положениях коричневым цветом, а в октаэдрических — синим. Катионы Ni2+ показаны серым цветом, анионы O2- — красным цветом. Источник: Computational Materials Science.
Многие практически значимые свойства феррита никеля являются структурно-чувствительными. Они сильно зависят от наличия в кристалле дефектов, т. е. нарушений в периодичности расположения атомов. Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН вместе с иностранными коллегами исследовали ab initio методами структуру идеального кристалла феррита никеля и реального, имеющего точечные дефекты (Рисунок 2).
Под ab initio методами понимают методы первопринципных расчетов электронной структуры, которые базируются на аппарате квантовой физики, но не задействуют эмпирические параметры и отличаются математической строгостью. Моделирование эффекта орбитального упорядочения и процесса переноса заряда, а также определение ширины запрещенной зоны феррита никеля ученые выполнили в программном пакете VASP, используя теорию функционала электронной плотности.
Рисунок 2. Плотность квантовых состояний феррита никеля со структурой идеальной (красный цвет) и имеющей точечные дефекты: кислородные и двойные кислородные вакансии (синий и зеленый цвет, соответственно) и антисайты никеля (фиолетовый цвет). Источник: Computational Materials Science.
Также в ходе работы было изучено движение поляронов в структуре феррита никеля. Полярон представляет собой квазичастицу, состоящую из электрона и поля поляризации, вызванного деформацией кристаллической решетки в ходе движения самого же электрона. Ученые установили, что поляронная проводимость зависит от наличия в структуре феррита никеля кислородных вакансий — свободных мест, которые можно занять — и антисайт дефектов, наблюдающихся, когда катион никеля находится в положении железа.
Владимир Стегайлов. Фото: Центр научной коммуникации МФТИ, Анастасия Каплина
«Показано изменение поляронной проводимости с электронной на дырочную, т. е. с n- на p-тип, в структуре феррита никеля, имеющей дефекты в виде кислородных вакансий и антисайтов никеля, — говорит Владимир Стегайлов, руководитель лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — Изменение механизма проводимости объясняет разницу, достигающую 0,5 эВ, в значениях энергии активации, которые были определены в работах, проводимых с 1966 по 2023 годы».
В данном исследовании ученые установили, что в кристаллах феррита никеля могут образовываться, будто нити, каналы проводимости из двойных кислородных вакансий. Такие каналы называют филаментами. Из-за их появления возрастает дырочная проводимость, и уменьшается ширина запрещенной зоны.
Можно ожидать, что сложные первопринципные расчеты электронной структуры феррита никеля и подобных ему материалов, выполненные группой из российских и иностранных ученых, поспособствуют разработке быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств.
Василий Чалый, лаборант Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана: «Исследование феррита никеля демонстрирует как точечные дефекты, такие как кислородные вакансии и антисайты никеля, могут существенно влиять на проводимость материала, позволяя переключаться между n- и p-типами носителей заряда. Это открывает путь к созданию энергонезависимых микросхем резистивной памяти, где управление проводимостью осуществляется через формирование проводящих филаментов. Такие устройства сочетают быстродействие оперативной памяти и надежность хранения данных, что делает их перспективными для использования в электронике автомобилей, носимых гаджетах, а также в системах Internet of Things и других энергозависимых приложениях, где важна устойчивость к экстремальным условиям».
