Мультиферроики представляют собой материалы с уникальным сочетанием электрических и магнитных свойств, которые сосуществуют одновременно. Они потенциально очень важны для будущего магнитного хранения данных и спинтронных устройств, предоставляя простой и быстрой способ изменения своих электрических и магнитных свойств. В этой многообещающей разработке ученые совместно с Национальной лабораторией Лоренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory ) Департамента энергетики США, работая с прототипичным мультиферроиком, успешно продемонстрировали как его можно переключить электрическим полем.

"Используя электрические поля, мы можем создавать, удалять и инвертировать p-n-переходы в висмут-ферритной пленке с примесями кальция", — говорит руководитель этого исследования Рамамурти Рамеш (Ramamoorthy Ramesh), Направление материаловедения (Materials Sciences Division) Лаборатории Беркли.

Следующее поколение компьютеров будет более компактным, быстрым и гораздо более универсальным, чем сегодняшние устройства благодаря, в частности, ожидаемому развитию чипов памяти, которые хранят данные за счет свойств электронного спина и магнитного момента.

Феррит висмута — мультиферроик, состоящий из висмута, железа и кислорода (BiFeO₃). Он является одновременно ферромагнетиком и антиферромагнетиком и пользуется особым интересом в сфере спинтроники, в особенности после недавнего открытия Рамеша. Они обнаружили, что, хотя феррит висмута является изоляционным материалом, его пронизывают сверхтонкие слои, называемые доменными стенами, которые проводят электричество при комнатной температуре. Это открытие подсказало, что при наличии верной примеси, состояние проводимости можно стабилизировать, открывая возможность для создания p-n-переходов, играющих ключевое значение в твердотельной электронике.

"Превращения из изолятора в проводник обычно контролируются с помощью сочетания химических добавок и магнитных полей, но магнитные поля слишком дороги и энергозатратны для практического использования в коммерческих образцах", — считает Рамеш. "Электрические поля более удобны для контроля параметров, поскольку появляется возможность легко прикладывать напряжение к образцу и регулировать его значение для осуществления перехода изолятор-проводник".

В исследовании Рамеша к ферриту висмута добавили акцепторные ионы кальция, которые, как было известно, увеличивают величину электрического тока, которую может пропускать феррит висмута. Добавление ионов кальция создает положительно-заряженные кислородные вакансии. Когда электрическое поле прикладывалось к ферриту висмута с примесью кальция, кислородные вакансии становились мобильными. Электрическое поле сосредотачивало эти вакансии у поверхности пленки, создавая полупроводник n-типа в этой части пленки, в то время как неподвижные ионы кальция создавали p-полупроводник снизу. Реверсирование направления электрического поля приводило к инвертированию положения полупроводников n-типа и p-типа, а ослабление поля приводило к исчезновению таких областей.

"По такому же принципу, как и у КМОП-устройств прикладывание напряжения осуществляет переключение состояния, переключатель контролирует свойства электронного переноса и изменяет электрическое сопротивление с высокого (изолятор) до низкого (проводник)", — говорит Рамеш.

В то время как обычные КМОП-устройства имеют коэффициент коммутации около 1 млн, исследовательской группе Рамеша удалось достичь значения порядка 1 тысячи для их пленки из феррита висмута с примесями кальция. Хотя это значение достаточно для функционирования устройства, и оно в два раза лучше величины, достигаемой в магнитных полях, Чен-Хо Янг (Chan-Ho Yang) из группы Рамеша, утверждает, что можно достичь еще более высокого показателя. "Для того, чтобы сделать включенное состояние более проводящим, мы обсуждали множество идей, в том числе различные концентрации примесей кальция, различные деформированные состояния и условия выращивания и, в конце концов, другую структуру", — говорит Янг.

После нового доказательства, что комбинация примесей и приложенного электрического поля может изменить состояние "изолятор-проводник" мультиферроика, ученые находят логичным признание мультиферроиков равновеликим с такими явлениями, как огромное магнетосопротивление, высокотемпературная сверхпроводимость, сверхпроводящий квантовый интерферометр обнаружения магнитных полей, а также спинтроника.