Ученые Московского физико-технического института в сотрудничестве с коллегами из Объединенного института высоких температур РАН, а также исследователями из Тайваня и Индонезии обнаружили, что точечные дефекты в кристаллической решетке феррита никеля могут изменить его проводимость. Это открывает перспективы для создания быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств, таких как микросхемы резистивной памяти, сообщила пресс-служба МИФИ.
Феррит никеля — это сложный оксид железа и никеля, представляющий собой тёмно-коричневые, нерастворимые в воде кристаллы. Соединение известно своей механической твердостью и химической стабильностью, имеет высокое удельное сопротивление и температуру Кюри более 500 °C, что позволяет ему выдерживать высокие температуры без изменения фазового состояния и магнитных свойств.
«Это перспективный материал для спинтроники и производства микросхем резистивной памяти. В спиновых устройствах используется не только заряд электрона, но и его спин, создающий магнитное поле. Резистивная память работает со скоростью оперативной, но в то же время сохраняет данные при отключении электропитания, подобно внешнему диску. В основе микросхем резистивной памяти лежит структура: металл — изолятор — металл», — рассказал выпускаемому МИФИ научному журналу «За науку» руководитель лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Владимир Стегайлов.
Исследование показало, что многие свойства феррита никеля зависят от наличия в кристаллической структуре дефектов, то есть нарушений в периодичности расположения атомов. Ученые применили методы ab initio (методы первопринципных расчетов электронной структуры, которые базируются на аппарате квантовой физики, но не задействуют эмпирические параметры и отличаются математической строгостью) для анализа структуры идеального кристалла феррита никеля и реального, имеющего точечные дефекты.
Моделирование эффекта орбитального упорядочения и процесса переноса заряда, а также определение ширины запрещенной зоны феррита никеля проводилось в программном пакете VASP, используя теорию функционала электронной плотности.
Также исследователи изучили движение поляронов в структуре феррита никеля. Это квазичастицы из электрона и поля поляризации, вызванного деформацией кристаллической решётки. Выяснилось, что поляронная проводимость зависит от наличия в структуре феррита никеля кислородных вакансий и антисайт дефектов, проявляющихся, когда катион никеля занимает место железа. Ученые установили, что в кристаллах феррита никеля могут образовываться каналы проводимости из двойных кислородных вакансий, что увеличивает дырочную проводимость и уменьшает ширину запрещённой зоны.
«Можно ожидать, что сложные первопринципные расчеты электронной структуры феррита никеля и подобных ему материалов будут способствовать разработке быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств», — отметил Владимир Стегайлов.
Результаты исследований опубликованы в журнале Computational Materials Science.
