Материалы и устройства наноэлектроники. Электроника после Мура - Белоус А.И., Солодуха В.А.

Автор: Белоус А.И. Солодуха В.А.

Теги: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) микроэлектроника информационные технологии полупроводники наноэлектроника

ISBN: 978-5-9729-1045-8

Год: 2022

Похожие

Читаем арабские тексты основной этап

GP Racing. How to fix Formula 1

Газотурбинные двигатели Ч.3

Bài tập Hình học vi phân

Текст

А. И. Белоус, В. А. Солод уха

МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

ЭЛЕКТРОНИКА ПОСЛЕ МУРА

Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2022
УДК 621.38

ББК 32.844.2

Б43

Рецензенты:

генеральный директор ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению»,
член-корреспондент НАН Беларуси, доктор физико-математических наук
Федосюк Валерий Михайлович’,

генеральный директор ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника»,
академик НАН Беларуси, доктор физико-математических наук,
заслуженный деятель науки Республики Беларусь
Казак Николай Станиславович',
заведующий кафедрой микро- и наноэлектроники,
научный руководитель Центра наноэлектроники и новых материалов
Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники,
доктор физико-математических наук, профессор
Борисенко Виктор Евгеньевич

Белоус, А. И.

Б43 Материалы и устройства наноэлектроники. Электроника после Мура /
А. И. Белоус, В. А. Солодуха. — Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -
564 с. : ил., табл.

18ВМ 978-5-9729-1045-8

Приведены теоретические основы наноэлектроники, магноники, спинтроники,
стрейнтроники. Рассмотрены метаматериалы и области их применения, основные
типы искусственных нейронных сетей, физические основы квантовых точек, спино-
вые эффекты, магнонные технологии для обработки радиочастотных сигналов.

Для студентов, изучающих современную электронику. Может быть полезно
преподавателям и специалистам в области наноэлектроники и информационных
технологий.

УДК 621.38

ББК 32.844.2

18ВИ 978-5-9729-1045-8

Предлагаемая вниманию читателей книга ориентирована в первую оче-
редь на студентов, магистрантов, преподавателей вузов и молодых ученых
академических институтов, специализирующихся в тех областях современ-
ной электроники, которые относятся к направлению «больше Мура» (Моге
Мооге) и «больше чем Мур» (Моге Лап Мооге). Конкретно - основным
предметом исследований здесь является наноэлектроника — область науки и
техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электрон-
ных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функциони-
рования которых лежат квантовые эффекты.

Дело в том, что хотя действующий более 55 лет известный «закон Му-
ра» (ежегодное удвоение числа транзисторов на кристалле) носил не физиче-
ский, а статистический характер, сегодня он фактически перестал работать
именно из-за причин фундаментального (физического) характера. А именно -
когда размеры транзисторов, их элементов и расстояний между ними достиг-
ли 7—5 нм, начали действовать так называемые «размерные эффекты» - фи-
зические явления, нарушающие нормальное функционирование кремниевых
полупроводниковых устройств, и разработчикам микросхем с проектными
нормами «глубокого субмикрона» приходится прилагать неимоверные ин-
теллектуальные усилия и применять инновационные дорогостоящие техно-
логические решения для «демпфирования» этих эффектов.

Практически в полном соответствии с этим законом экспоненциально
росла и стоимость создания и эксплуатации полупроводниковых произ-
водств - за последние 30 лет только стоимость технологического оборудова-
ния для выпуска кремниевых микросхем возросла примерно в тысячу раз;
в ряде случаев стоимость одной фабрики превышает размер национальных
валютных запасов небольших государств.

Поэтому в «гонке проектных норм» сегодня участвуют только несколь-
ко компаний - «полупроводниковых гигантов», которые можно перечислить
на пальцах одной руки: 1ВМ, 1п1е1, Зашзип^, АМП, Оиа1сотш, а абсолютное
большинство сошедших с дистанции в этой гонке компаний направили ос-
новные усилия своих опытных специалистов на совместные с учеными ис-
следования и разработки альтернативных технологий и поиск технических
решений создания элементной базы для вычислительных и телекоммуника-
ционных технологий следующего поколения «за горизонтом Мура».

В результате стремительного развития междисциплинарных исследо-
ваний и конвергенции различных направлений современной науки, которая
заключается в их объединении и взаимном проникновении, появились так
называемые НБИК-технологии (нанобиоинформационные и когнитивные
технологии).
По оценке независимых зарубежных экспертов, сегодня в этом направ-
лении работает уже столько же исследователей и инженеров, сколько занято
в традиционной кремниевой полупроводниковой промышленности, и коли-
чество этих исследований в ближайшие 10 лет будет тоже расти по статисти-
ческому «закону Мура». Целью этих исследований являются как создание
новых уникальных материалов, использование новых физических механиз-
мов и явлений, так и разработка новых алгоритмов обработки и передачи ин-
формации.

Речь ни в коем случае не идет о крахе той мощной отрасли, которая се-
годня называется «полупроводниковой индустрией», ведь «закон Мура» —
это уже пятый такой статистический закон в классической парадигме разви-
тия промышленной отрасли (реле, вакуумные приборы и др).

Так появились такие направления, как спинтроника, магноника,
кантовая микроэлектроника, стрейнтроника, устройства на квантовых
точках, нейроморфные вычисления, нейронные устройства и системы,
нульмерные, одномерные и двумерные наноразмерные материалы (ОО, 1О,
20) с совершенно новыми свойствами, и многое, многое другое.

Например, как известно, практически все существующие в кремниевой
электронике технические решения основаны на использовании процесса пе-
реноса заряда электрона (электрическом токе). Так вот, спинтроника осно-
вана на использовании второй фундаментальной характеристики того же
электрона, а именно - спина, его собственного магнитного момента (поэтому
в начале 2000 г. это направление обычно называли «магнитоэлектроника»),
что открывает совершенно новые возможности создания элементной базы
для нового поколения информационных и вычислительных технологий.

Магноника относится к разделу квантовой электроники и считается се-
годня одним из самостоятельных направлений развития спинтроники (спин-
волновой электроники), использующим понятие «магнонов» - квазичастиц,
соответствующих элементарному возбуждению в момент взаимодействия
спинов.

Устройства на квантовых точках — нано кристаллах неорганическо-
го полупроводникового материала используют носители заряда (электроны,
или дырки), которые ограничены в пространстве по всем трем координатам,
и при столь малых размерах в них проявляется дискретные (квантовые) свой-
ства электронов, причем физические свойства этих нанокристаллов принци-
пиально отличаются от свойств классических «больших» кристаллов. По-
скольку при таких малых размерах свойства этих квантовых точек подобны
свойствам единичного атома, иногда их так и называют - искусственные
атомы.

Нейроморфные вычисления являются наиболее ярким примером успе-
хов междисциплинарных исследований и результатом конвергенции (взаим-
ного проникновения) элементов и принципов биологии, физики, математики,
информатики и электроники. Эти вычисления реализуются нейронными си-
стемами, физическая архитектура и технические решения которых основа-
ны на принципах функционирования биологических систем, в том числе -
человеческого мозга.

В свою очередь это послужило мощным триггером как для развития
таких научно-технических направлений, как нейроинформатика и вычис-
лительная нейробиология, а также для создания соответствующей научно-
инженерной инфраструктуры для исследования и производства совершенно
новых материалов - нейроморфных наноэлектронных материалов, новых
алгоритмов обработки информации и совершенно новых вычислительных
архитектур. Ключевым фактором прогресса в этих новых направлениях яв-
ляются технологии изготовления таких материалов, как графен, двухмер-
ные (2В) наноматериалы для вычислительных технологий нового поколения,
нульмерные (ОВ), одномерные (Ю) и двумерные (2В) нейроморфные нано-
материалы, а также метаматериалы (композиты),

По каждому из этих новых направлений развития за рубежом уже
написаны более тысячи статей и опубликованы сотни хороших книг. Но как
разобраться в этом информационном море молодым отечественным инже-
нерам, студентам, аспирантам, выбирающим наиболее интересные и пер-
спективные направления науки и техники для эффективного приложения
своих интеллектуальных способностей, энергии и базовых теоретических
знаний?

Конечно, всегда под рукой есть Интернет, и при достаточном уровне
знаний базового английского языка можно получить практически любую ин-
формацию по правильно сформулированному для поисковика запросу.
Именно так на текущий момент и решается эта проблема. Однако наиболее
близким к «идеальному» решению было бы использование одного информа-
ционного источника, где все эти новые направления были бы приведены в
какую-то стройную систему и благодаря которому можно быстро понять как
суть используемых новых физических явлений, механизмов, подходов, тех-
нологий, так и конкретное состояние каждого из этих направлений, имеющи-
еся недостатки, проблемы и перспективы их развития.

Но чтобы создать подобное энциклопедическое произведение, его ав-
тору (авторам) необходимо, во-первых, иметь соответствующую мотивацию,
а во-вторых - хорошо разбираться в достаточно сложных предметах исследо-
ваний.

Что касается авторской мотивации, то в данном случае всё просто - ру-
ководство холдинга «Интеграл» (г. Минск) уделяет приоритетное внимание
вопросам подготовки высококвалифицированных кадров, поскольку дей-
ствительно инновационный и перспективный рыночный продукт может со-
здать только коллектив высококвалифицированных разработчиков, владею-
щих всем арсеналом современных знаний в области проектирования и высо-
ких технологий.

Подготовкой таких специалистов занимаются как профильные кафедры
ведущих вузов России и Беларуси, так и многочисленные филиалы этих ка-
федр на предприятиях отечественной полупроводниковой промышленности,
преподаватели и студенты которых сегодня испытывают острый дефицит в
отечественных методических, учебных и справочных пособиях по актуаль-
ным направлениям развития нано- и микроэлектроники и ее многочисленных
приложений.

В процессе сбора, обработки и системного анализа имеющейся много-
численной информации по предмету исследований авторами было принято
решение о представлении итогового аналитического материала в форме
«технической антологии».

Если энциклопедия - это научное или научно-популярное справочное
издание, содержащее наиболее существенную информацию по отдельным
областям знаний и зачастую оформленное в виде нескольких томов, то анто-
логия - это обычно сборник литературных текстов сравнительно небольшого
объема, созданных как одним, так и несколькими авторами и объединенных
по тематическим признакам. В отличие от энциклопедий, при подготовке
технических антологий авторы-составители могут вносить в текст включае-
мых работ только незначительные изменения (сокращения, редакционные
правки, авторские комментарии).

При таком методологическом подходе основная проблема авторов тех-
нической антологии заключается в том, чтобы из большого количества фун-
даментальных и обзорно-аналитических публикаций зарубежных и отече-
ственных исследователей выбрать работы, наиболее полно описывающие как
проблему, пути ее решения и достигнутые на текущий момент результаты,
так и перспективы развития направления. Для этого по каждому из представ-
ленных в этой книге направлений (квантовые точки, спинтроника, стрейтро-
ника, магноника, нейроморфные материалы и нейроморфные вычисления и
др.), кроме рекомендаций, полученных авторами от авторитетных в соответ-
ствующих областях экспертов, отбирались работы с максимальным индексом
цитирования.

Поскольку абсолютное большинство отобранных для включения в со-
став этой книги работ были опубликованы за рубежом, авторы приносят из-
винения читателям за возможные неточности перевода - отдельные англо-
язычные термины и определения пока не имеют эквивалентного и однознач-
ного определения в русскоязычном варианте.

Для тех читателей, кто захочет более детально ознакомиться с терми-
нологией, мы рекомендуем книгу V. Е. Вошепко, .8'. Озмст. \\'1ш щ \\'Ьа1 т
Пае МапохуогШ. Т1йг<1, Кесйес! аг.с! Еп1аг§е<1 ЕдШоп (\\'|1еу-УСН, \\'е1гКе1т,
2012), 601 р.

Благодарности

Авторы выражают искреннюю благодарность академику НАН Белару-
си, иностранному избранному академику РАН Лабунову В. А.; генеральному
директору ОАО «НИИМЭ» академику РАН Красникову Г. Я., генеральному
директору ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», академику
ПАП Беларуси Казаку Н. С.; генеральному директору ГО «НПЦ НАН Бела-
руси по материаловедению», д-ру техн, наук Федосюку В. М.; заведующему
кафедрой микро- и наноэлектроники Белорусского государственного универ-
ситета информатики и радиоэлектроники, д-ру физ.-мат. наук профессору
Борисенко В. Е. за полезные советы и критические замечания, которые в зна-
чительной степени способствовали формированию окончательного облика
этой книги.

Авторы также выражают благодарность Чикилеву В., Игнатович Л.,
Бирюковой М., Сизову Ю., Мазуриной Н., Куршацовой И., Ильенкову В. за
помощь в переводе с английского языка большого количества информацион-
ных материалов; Антипенко О. - за качественное выполнение большого объ-
ема работ по техническому оформлению и подготовке рукописи к сдаче в из-
дательство, Карташовой Е. - за огромную помощь в оформлении графиче-
ских материалов рукописи.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ДЕЙСТВИЯ
ЗАКОНА МУРА

1.1. Физические ограничения процесса
масштабирования субмикронных микросхем

На протяжении двух последних десятилетий число транзисторов
на кристалле удваивалось каждый год (закон Мура). Этот закон действует
и в настоящее время, хотя темп удвоения замедлился до полутора раз в год.
Поскольку микроэлектроника является наиболее важной технологией в со-
временную информационную эру, учеными всего мира [1,2] много внимания
было уделено пределам этого масштабирования, которые могут ограничи-
ваться величиной удельной рассеиваемой мощности. Рассмотрим основные
ограничения, которые налагаются на масштабированные приборы.

Исследователи начали размышлять о физических пределах масшта-
бирования микросхем еще в 1983 году [3]. Позже №ца1а [4] рассмотрел ос-
новные физические ограничения в МОП-приборах и способы, которыми эти
ограничения можно учесть при масштабировании геометрических размеров
приборов. Ни [5] также рассматривает масштабирование МОП-приборов, но
концентрируясь на факторах надежности. МетсП описал целую иерархию
ограничений [6], которые должны определять возможность реализации кри-
сталлов с миллиардами транзисторов. В работе [3] были впервые исследова-
ны пути дальнейшего масштабирования МОП-приборов в субмикронной об-
ласти в свете фундаментальных физических эффектов. При определении кон-
структивно-технологических ограничений конструкции субмикронных ИС
важно учесть различные аспекты - от фундаментальных физических законов
до практических соображений.

В свою очередь в работе [5] впервые была определена иерархия по-
добных ограничений, которая имеет пять уровней: фундаментальные,
материал, прибор, схема и системы. На каждом уровне в свою очередь
имеются два типа ограничений: теоретические и практические. Надо отме-
тить, что основные ограничения - фундаментальные - не зависят от типа
приборов, вида материалов и конструктивно-схемотехнических решений,
а вытекают из базовых законов термодинамики, квантовой механики и элек-
тромагнетизма. Предельно упрощая толкование этих ограничений, можно
переформулировать основное ограничение из теории термодинамики следу-
ющим образом: необходимо иметь в любом узле микросхемы с эквивалент-
ным резистором К, соединенным с шиной «земли», превышение мощности
информационного сигнала Р„ над эффективной мощностью помехи Ртщ,. Это
превышение должно подчиняться действию следующего выражения.
е 1

Р.=1Рат11=1~

ШКВ 1

=у^_-=ут

(1.1)

где у > 1 - некоторый постоянный коэффициент;

2 - среднеквадратичное напряжение на эквивалентном резисторе на
«разорванной» схеме;

к - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

В - полоса частот пропускания данного узла.

Исследователями этой проблемы обычно рекомендуется у = 4. Тогда
при Т = 300К значение энергии должно быть больше, чем 0,104 эВ. На
практике же мощность сигнала в настоящее время намного больше (с коэф-
фициентом приблизительно 107).

Квантовый теоретический предел на нижнюю границу мощности про-
истекает из фундаментального принципа неопределенности Гейзенберга.
Применительно к микроэлектронике его можно переформулировать следую-
щим образом: для того, чтобы иметь возможность измерить энергию (мощ-
ность) переключения со временем продолжительностью А/, величина энергии
должна быть больше, чем соотношение к /Кр а именно:

Р>-----у,

(АГ)2

(1.2)

где к - постоянная Планка.

Фундаментальный предел на основе электромагнитной теории в нашем
случае приводит к ограничению скорости распространения высокочастотно-
го импульса по межсоединению до его величины, меньшей чем скорость све-
та в свободном пространстве (со)'-

Ь
~<с0,
г

(1.3)

где В - длина критического межсоединения микросхем;

т - время передачи сигнала по этому межсоединению.

Если говорить о материалах и их предельных свойствах, то только ос-
новные свойства полупроводникового материала, которые определяют свой-
ства созданного прибора, это: подвижность носителей (//), скорость насыще-
ния носителей (<т.?), напряженность электрического поля самоионизации (Ес) и
теплопроводность (К).

Теоретические пределы свойств полупроводникового материала, кото-
рые не зависят от структуры и геометрии приборов, могут рассчитываться
путем анализа свойств идеального куба нелегированного кремния с размером
Ах, который встроен в трехмерную матрицу аналогичных кубов. При этом
разность напряжения Уо на паре противоположных граней каждого куба точ-
но равна значению, необходимому для создания электрического поля, равно-
го напряженности электрического поля самоионизации ес, т. е. Уь/ Дх = Ес.
Предельные значения энергии переключения 114,1) и времени переключения ((^)
можно рассчитывать как количество электростатической энергии, сохра-
ненной в этом кубе за время прохождения носителя через куб, пользуясь вы-
ражениями [2]:

ру

ЕУ,Уо .

2ЕС ’

> к; .

П„ЕС

(1.4)

Фундаментальное ограничение второго уровня для полупроводниково-
го материала проистекает из соображений теплоотвода. Для вывода этого
ограничения рассматривается изолированный полупроводниковый прибор,
который находится на «идеальном» теплоотводе, который поддерживается
при постоянной температуре То. Прибор представляет собой полусферу с ра-
диусом г, = Мощность или интенсивность переноса энергии от этого
прибора к радиатору тогда может быть представлена в виде:

р =. Я = -КА^- = = пКсДТУ- (1.5)

У ах суУ

Здесь ряд исследователей [3, 5] использовали закон Фурье для тепло-
проводности, где К - теплопроводность полупроводникового материала, А -
площадь поверхности, через которую протекает тепло, и сП / с1х - градиент
температуры.

Конкретное практическое приложение вышеприведенного ограниче-
ния к микроэлектронным приборам состоит в сравнении применимости
ОаАя и 81 для маломощных сфер применений. Используя известные кон-
станты, полученное значение Р / Ц оказывается равным 0,21 нс/Вт для
кремния и 0,69 нс/Вт — для ОаАа. Это показывает, что в то время как ОаАа
имеет преимущества по быстродействию по сравнению с кремнием, он
должен отводить в три раза больше тепла при том же времени переключе-
ния. Если мы теперь будем рассматривать структуру изолированного при-
бора (801) путем нагружения его в полусферическую «раковину» из 8Юз
радиуса г„ то теплопроводность структуры в целом характеризуется следу-
ющим образом [3]:

к ^Д-1Ъгж . (1.6)

I 7 I У )

Подставляя в это выражение эквивалентные замены: К„х~0,1 Кя и
г, = 1,5г„ 2г.(, 4г„ мы получаем Кя ~ 0,029 К&, 0,02 Кя, 0,013 Кя, что показы-
вает снижение на два порядка тепловой проводимости для кремния. И нако-
нец, последнее упомянутое выше фундаментальное ограничение (по матери-
алу межсоединений) проистекает из соображений конечной скорости света
(с,?). Время распространения сигнала через межсоединение длиной Ь матсри-
ала с относительной диэлектрической постоянной ег должно удовлетворять
очевидному соотношению:

(1.7)

1.2. Конструктивно-технологические ограничения
масштабирования микросхем

Наиболее важная характеристика полевого МОП-транзистора - его ми-
нимально допустимая эффективная длина канала Ь,„,„ [6]. Однако здесь при-
боры на полевых МОП-транзисторах с малой эффективной длиной канала
демонстрируют нежелательные эффекты «короткого» канала. С целью до-
стижения значения Ь,т„ должны быть как можно меньшими значения толщи-
ны подзатворного окисла (72,.) и глубины перехода «исток - сток» (X,) [6].
Уменьшение (Тох) приводит к увеличению туннельных токов утечки [6],
а снижение (А)) - к увеличению паразитной проводимости «исток - сток» [8].
Эффекты короткого канала в полевых МОП-транзисторах могут управляться
путем использования каналов с более низкой концентрацией примеси и «рез-
кими» обратными профилями легирования. В частности, использование
сдвоенных затворов на двух сторонах канала является эффективным приемом
для управления эффектами короткого канала [10].

Ацаги'а! и др. впервые в работе [9] проанализировали шесть различных
структур комбинаций МОП-полевых транзисторов с мелкими и глубокими
переходами и однородными и каналами с низкой концентрацией примеси для
случая объемных МОП-полевых транзисторов и полевых МОП-транзисторов
на 801 с одним и сдвоенным затвором. Результаты анализа показывают воз-
можность объемного полевого МОП-транзистора с обратным профилем ка-
нала и мелким переходом с длиной канала в 50 нм и полевого МОП-
транзистора с двойным затвором или дельта с длиной канала в 25 нм.

Кроме длины канала, важными параметрами для управления эффекта-
ми короткого канала являются толщина слоя окисла и его диэлектрическая
проницаемость. На этот факт, в частности, указывает выражение для порого-
вого напряжения, приведенное ниже и выведенное ранее в этой главе:

(1.8)

Ток утечки прибора на полевых МОП-транзисторах и его общая
надежность подвержены влиянию и ряда других эффектов, например, объем-
ному сквозному пробою, снижению барьера стока, вызванного влиянием за-
творов, и ударной ионизации, что также необходимо учитывать для опреде-
ления ограничений для полевого МОП-транзистора.

Энергия, переносимая во время процесса переключения, сохраняется
на затворе полевого МОП-транзистора до завершения переключения, поэто-
му выражения для оценки минимальной эффективной длины канала можно
преобразовать в ограничение на величину энергии переключения, задаваемое
в виде:

Е = |со41П<

Тогда

Е = Р(а = Р^™~

Р = ^С0Ц1т)^^
Лит

(1.9)

(1.Ю)

Если минимальные времена переключения, соответствующие пределам
материала и конструкции прибора, рассчитываются для одинаково консерва-
тивных величин Тим и ТО1, равных 100 и 3 нм, соответственно, можно пока-
зать, что разница между ними невелика. Это показывает, что конструктив-
ные пределы для прибора на полевых МОП-транзисторах уже приближают-
ся к пределам кремния как основного материала.

На уровне приборно-технологического представления межсоединения
микросхем могут моделироваться как каноническая распределенная сеть
«сопротивление - емкость». Когда такая сеть управляется идеальным источ-
ником напряжения, который формирует функцию одиночной ступеньки, то
90 % времени переключения сети характеризуется выражением [11]:

т = 7?С =

нрн,

(1.И)

где р /Нр- это поверхностное сопротивление проводника в Ом на квадрат;

е / Не- поверхностная емкость в фарадах на кв. сантиметр;

Ь - длина межсоединения.

Вышеприведенное выражение характеризует ограничение минималь-
ного времени отклика межсоединения при заданной длине.

1.3. Схемотехнические ограничения
при масштабировании субмикронных микросхем

В качестве основных схемотехнических ограничений при проектирова-
нии КМОП-микросхем обычно называют четыре типа таких ограничений [1].
Основным требованием к цифровому логическому вентилю КМОП-
микросхем является способность различать логические уровни «нуля» и
«единицы» с очень малой погрешностью.
Для статических КМОП-вентилей это означает, что в точке переключе-
ния статической передаточной характеристики вентиля (т. е. когда выходное
напряжение равно входному напряжению) нарастающее усиление по напря-
жению (ар) должно по абсолютной величине превышать единицу. КМОП-
инвертор может удовлетворять этому требованию, только если его напряже-
ние питания выше минимального предела Умтт [10]:

---- 1 + ——7Р п 2 + ТП --------’ (1-12)

<7 ' Сй+Сл) I, Сл) д

где С* - рапределенная эквивалентная емкость канала;

Со - емкость окисла затвора;

С',/ - емкость области обеднения канала;

Р - как правило, лежит между 2 и 4.

При Т= 300 К, 0,1 В.

Конечно, на практике значение Ум = 0,1 В не может использоваться,
так как напряжение порога У{ необходимо было бы сделать таким малым, что
ток стока в выключенном состоянии полевого МОП-транзистора был бы не-
приемлемо большим. При теоретическом рассмотрении физики работы логи-
ческой схемы и запоминающего устройства значение Ум = 1,0 В представля-
ется хорошим компромиссом для обеспечения значения малого динамиче-
ского и статического рассеяния мощности.

Второе характерное схемотехническое ограничение для КМОП-
технологии состоит в часто обсуждаемой исследователями энергии переклю-
чения, выделяемой за один переход:

Е = Ро=|с10^шК02. (1.13)

Здесь Сю представляет собой суммарную емкость нагрузки кольцевого
каскада генератора, включая выходную диффузионную емкость, емкость
проводников и входную емкость затвора для инвертора, который занимает
площадь в 100 Р2 (Р = минимальный характеристический размер в 0,1 мкм).

Третье известное ограничение состоит в собственной задержке венти-
ля, которая характеризуется временем, необходимым для завершения про-
цессов заряда / разряда нагрузочной емкости Сю- Следовательно, можем за-
писать выражение в виде:

(1-14)
2 'л

Учитывая вероятность появления эффекта насыщения скорости носи-
телей в полевом транзисторе, приблизительная величина тока насыщения
стока I* может быть выведена из выражения:

7л=2С0о5(Ка-Р)), (1.15)
где 7. - ширина канала;

V, - пороговое напряжение и напряжение на затворе К, = Уо.

Поэтому величину собственной задержки вентиля можно определить
из следующего выражения:

1а=- Сс (1.16)

2 7у!С0(У0-У1)

Объединяя полученное выражение с выражением для энергии, затрачи-
ваемой на одно переключение инвертора, получаем:

( Л2

Р = 4||^ (2ц5С0)3^- (1-17)

В качестве четвертого характерного схемотехнического ограничения
большинство исследователей называют максимальную длину, представлен-
ную в виде распределенной сети резистор - конденсатор и соединяющую
транзисторы на разных сторонах кристалла. Время отклика такой схемы
межсоединения равно [10]:

^-(2,3^,. + ^)^, (1.18)

где К1Г - это выходное сопротивление управляющего транзистора;

И,,» и Ст{ - суммарное сопротивление и емкость, соответственно, такого
«глобального» межсоединения.

Микросхему следует проектировать так, чтобы выполнялось соотно-
шение <2,3 К1г для обеспечения того, чтобы задержка, вызванная сопро-
тивлением проводника, не была бы чрезмерной. Тогда:

с-2,3/?„.С1„1 = 2,3/?„г1„1Д. (1.19)

где с,„1 - емкость на единицу длины межсоединения.

Если мы моделируем межсоединение как линию в режиме просвечи-
вающей электронной микроскопии почти без потерь, то распределенная ем-
кость задается выражением сип = 1 / уХо, где V = С</,— - скорость распро-
/ д/ег

странения света по цепи, ег - относительная диэлектрическая проницаемость

диэлектрика, 20 = . Гу - характеристический импеданс и с0 = / у -
у / Еоег у / ео0о

это скорость света в вакууме. Тогда предел времени отклика критического
межсоединения задается выражением:

/ п Ал та

г«2,ЗЯ1ГСш(=2,зЦ-| - . (1.20)
1.4. Системотехнические ограничения

при масштабировании субмикронных КМОП-микросхем

Системотехнические ограничения зависят от всех других рассмотрен-
ных выше ограничений и являются наиболее сдерживающими факторами
при проектировании сложных микросхем. Имеются пять системотехниче-
ских ограничений, которые определяются конструктивными особенностями
кристалла, величиной произведения «мощность - задержка» для используе-
мой КМОП-технологии, скоростью отвода тепла кристалла корпусом, а так-
же частотой тактирования и физическими размерами кристалла.

Рассмотрим для упрощения «архитектурные» ограничения на примере
анализа системы, представляющей собой древнюю классическую систоличе-
скую матрицу [1] из 1024 идентичных квадратных макроячеек со стороной/,.
Обмен допускается только между соседними макроячейками на совместной
границе. На каждую макроячейку обеспечивается подача сигнала синхронного
тактирования через Н-дерево распределения сигнала тактирования по пяти
уровням. Максимальное расстояние (его называют «расстояние Манхеттена»),
которое сигнал тактирования должен пройти в пределах макроячейки, равен Ь,
для логического сигнала - 2Ь.

Прежде чем мы продолжим, необходимо принять ряд допущений (гра-
ничных условий):

1) число вентилей М в каждой макроячейке равно одному миллиарду,
деленному на 1024;

2) используемый «характеристический» геометрический размер - кон-
сервативный и равен 0,1 мкм;

3) коэффициент теплоотвода корпуса равен 50 Вт/см2;

4) частота тактирования равна 1 Гц;

5) система реализуется как один кристалл (система на кристалле).

Используя известное правило Рента, средняя длина межсоединений в
пределах вентиля составляет:

2р(<~°’5-1) 1#Г°’511-4^ П2П

г‘ 9 4/-0.5-! 1_4д-о,5 1-^-'’ '

где р = 0,45 (определено эмпирически для микропроцессоров) - это показа-
тель Рента.

Оценка дает Кг1 ~ 6 при указанном выше ряде допущений. Суммарная
длина проводника, которым должен управлять вентиль, составит тогда вели-
чину:

1г1=МКг14а^, (1.22)

где М— коэффициент расширения по выходу вентиля;

Аг/ - площадь вентиля.
Типовые значения для них - М= 3 и А,-/ = 200А2. Принимаем также, что
площадь каждого вентиля ограничивается предельной плотностью упаковки
транзистора. Допущение вызывает жесткие требования, налагаемые на пло-
щадь локальной разводки микросхем, которая вытекает из размеров базового
логического вентиля [10]:

[Аг1\ = Кг1М

(1.23)

где п„ - число уровней разводки;

р„ - шаг разводки;

е„ - так называемый коэффициент эффективности разводки.

Критическая площадь затвора представляет собой зону, ограниченную
значениями иж = 4, р„ = 0,2 мкм и е, = 0,75, а также значениями п._ = 6, рк =
= 0,2 мкм ие» = 0,5.

1.5. Энергетические ограничения
пределов масштабирования

Ограничение на величину энергии переключения проектируемой мик-
росхемы в ряде случаев определяется составным затвором, что характеризует
критический путь в пределах одной макроячейки. Допускается, что критиче-
ский путь проходит через пср произвольных логических вентилей и включает
суммарную длину межсоединений, соответствующих расстоянию Манхетте-
на (из угла в угол) 2Ь [10]. Тогда емкость, нагружающая один вентиль, вклю-
чает диффузионную емкость полевого МОП-транзистора, емкость разводки
межсоединений длиной Т, емкость затвора анализируемого полевого МОП-
транзистора и Ссс ~ емкость металлизации межсоединения из «угла в угол».
Поэтому энергия переключения такого составного вентиля равна:

Е = Р(с1Л Сг1+^ КД (1.24)

2|_

Эффективное время задержки распространения «составного» вентиля
можно вычислить, используя выражение [10]:

0=0,/+^, (1-25)

Пер

где (м - время задержки произвольного логического вентиля;

Т1( - время «отклика» металлизированного проводника межсоединения,
определенного по принципу из «угла в угол».

Ограничение ни количество отводимого тепла в системе определя-
ется требованием, что величина среднего рассеяния мощности составного
вентиля должна быть меньше, чем скорость теплоотвода (возможность охла-
ждения) корпуса, что выражается в виде [10]:

— ар

Р=—<дл, (1.26)

где Е - средняя энергия переключения составного вентиля;

а - вероятность того, что вентиль переключается во время интервала
тактирования;

Тс = 1 //с — интервал тактирования;

О - коэффициент, характеризующий скорость охлаждения корпуса;

А - площадь кристалла, занимаемая составным вентилем с «критиче-
ским» путем.

Площадь кристалла А обычно пропорциональна площади Лсс за счет
использования принципа управления от «угла в угол» в дополнение к площа-
ди произвольного логического вентиля Аг/.

Для практических расчетов обычно выбирается:

л С

= (1.27)

АС

^СС '-'сс

В этом случае величина площади вентиля с «критическим путем» будет
выражаться в виде:

А = Аг/1 1 + ^Сг/ . (1.28)

I псР )

Так как обычно допускается, что число вентилей на критическом пути
равно пср, и допускается небольшой «перекос» характеристик тактирующего
сигнала с использованием соотношения $ср > 1, то период тактирования про-
ектируемой микросхемы можно выразить следующим образом:

^-29)

Естественное объединение четырех приведенных выше формул -
(1.24) - (1.27) дает следующее выражение:

Р<^ЕдАг1 1 + -^- . (1.30)

В итоге мы получили пригодное для практического применения об-
щее выражение для оценки предельной мощности, рассеиваемой кри-
сталлом микросхемы Р, которое обусловлено ограниченной скоростью от-
вода тепла от корпуса микросхем.

Объединяя (1.29) с ранее выведенным выражением для оценки энергии
переключения, получаем:
/1 Л2 Г С У (8 п V

р<Нс,л2 1+-^- • (1-31)

и ) псрСг1) \ а )

Здесь следует привести типовые значения для некоторых используе-
мых параметров [12], а именно:

С„.=1ОО/Л', Сг/=3,28/Р, =1,11, А„М=2,ЗА,Г,

Яр=ЯЕ=0,Зщи, Т2=ЯЕД./-

При оценке предельно допустимого значения длительности времени
цикла проектируемой микроэлектронной системы необходимо обратить вни-
мание на самое «длинное» межсоединение для учета ограничений: (1 / Еу
против Е Тогда ограничение на максимальное значение времени цикла про-
ектируемой системы будет определяться выражением:

Тс>Тс,+Т1р=ТС!.+Та+псрГм, (1-32)

где ТСч - значение максимального «перекоса» сигнала тактирования в преде-
лах одной макроячейки;

Тес - время отклика «критического» межсоединения длиной 2Е

1.6. Ограничение максимального количества
новых материалов при изготовлении
субмикронных микросхем

Сегодня технологические инновации во всем мире осуществляются,
главным образом, за счет появления новых материалов, снижения их стоимо-
сти и увеличения доступности, совершенствования технологий производства
и увеличения функциональности. Подобно тому, как 30 лет назад появление
вместо биполярных конструкций транзисторов полевых транзисторов
(МО8РЕТ), созданных на основе кремния, определило качественный техно-
логический скачок, появление сравнительно недавно новых полупроводни-
ковых материалов группы СотроипбтаГепаН на основе нитридов металлов
III группы (АП1М) в настоящее время знаменует начало нового этапа разви-
тия полупроводниковых технологий (рис. 1.1).

Отличительной особенностью последнего десятилетия явился тот факт,
что количество материалов и веществ, вовлеченных в технологический про-
цесс изготовления, активно увеличивалось, практически по экспоненциаль-
ной зависимости. Так, если в 1980 г. в технологии использовалось только
шесть основных типов материалов (81, 8ПЧ, А1, ВР8О, XV, Т1ХУ), то в 2000-м -
12 типов, в 2010-м - 19, в 2015-м - 29.

В последние годы усилия разработчиков ЭКБ всё больше концентриру-
ются на использовании широкозонных материалов и гетероструктур на их ос-
нове, прежде всего - карбида кремния (.57С) и нитрида галлия ((лЕ), а также
фосфида индия (1пР), в том числе нитридов металлов III группы А111Н и гете-
роструктур А1(1п) СсМ / СаЫ, которые выращивают на таких подложках, как
карбид кремния, сапфир и кремний. II группа новых материалов относится к
так называемым 2В опетопо1аусгта1епа18: это графен, переходные дихалко-
генидные металлы (Мо8э, МоЗез, А'з? и др.).

К III группе пока еще исследуемых новых материалов следует отнести
СагЬоп НапошЬех и Мапомйгез.

5501/ СеО1
Се II.

Ш VII.

СаЫ
1пьЬ
1пСаАз

ЭТО (5ШО,)
Ки

Другие
материалы

Со
21 СР
ГЭ5О1
51С
51 СО
СТ 510
51СЫ
ио
2гО
НД51)О
АЮ
р5ЮС
501
51Се
ТаО
5ОС
51ОС
Та/ТаМ
Си
5ЮЕ
Т151
РС51
ТНУ
V/
ВР5С
А1
510, 51Ы
51

2025-

1950 1970 1980 1990 2000 2010 2015 2030

(прогноз)

Рис. 1.1. Характер изменения количества используемых
в новых технологиях материалов

1.7. Смена драйверов развития
современной микроэлектроники

Еще одной из основных тенденций развития современной микроэлек-
троники является смена так называемых «драйверов» - главных стимулов
развития отрасли (Ма]ог СгоШЬ Впустят Е1ес(готс 1пс1и81гу), обусловленная
очередным этапом эволюции технологий современного информационного
общества. За последние пять лет здесь мы наблюдаем практически экспонен-
циальный рост достижений технического прогресса: интернет-трафик удваи-
вается каждые полгода, объем передаваемой информации по беспроводной
связи - каждые 9 месяцев, оптической связи - каждые 12 месяцев. А ведь
классический закон Мура, выполняющийся более 50 лет, говорит о том, что
число компонентов / транзисторов на кристалле микросхем удваивается
только каждые 24 месяца!

Как известно, долгое время такими драйверами развития микроэлек-
троники служили микропроцессоры, точнее, процесс их масштабирования
(8са1т§) (рис. 1.2) [13, 14].

Рис. 1.2. Эволюция конструкции транзистора

Однако осуществлять 5>са1ш§ становится всё труднее технически и всё
затратнее экономически. Поэтому сегодня очевидным новым драйвером яв-
ляются глобальные телекоммуникации, а точнее, Интернет вещей и Интернет
всего (1п1егпе1 оГ Еуегуййп§ - 1оЕ), для которых требуется создать новое по-
коление средств вычислений, передачи данных и систем хранения информа-
ции (сотршт§, пе1\\огк|!Т2 апс! 81ога<зе зуМетз), которые, в свою очередь,
требуют создания новых вычислительных архитектур (сотрибп^рагай^тя),
новых функций типа искусственного интеллекта (ЛгНйсха! I п 1е 111 <уеп се - А1) и
квантовых вычислений (риапШт Сотрибп” - ОС) [13].

Возможности классического «линейного» масштабирования фактиче-
ски были исчерпаны к 2005 году, затем определенных результатов в период
до 2010 года удалось достигнуть за счет «инновационного масштабирования»
(1ппоуапоп8 8са1т§) - использования технологий Н1§Ь К /Ме1а1 6а1е, 8Юе и
др. [10].
Третий, и последний, этап масштабирования, который мы сегодня
наблюдаем, связан с подходом 3 [ТапйЬеуопс! - РтРЕТ / М15ОРЕТ, ОЛА
Майорге, Н1§Ь-цСЬапа1, Веуопс! СМО8, ТРЕТ, Зршйошсз).

1.8. Усиление деструктивного действия
эффекта У1е1с1 КП1ег

Связанные с технологией изготовления микросхем флуктуации (раз-
бросы) численных значений характеристик базовых транзисторов полупро-
водникового прибора всегда были серьезной проблемой для разработчиков и
производителей микросхем. На технологическом сленге это явление известно
как эффект У1сИ КШег (убийца процента выхода годных). Как было показано
в [10], для субмикронной технологии этот эффект оказывает действительно
«убийственное» влияние на основные рабочие характеристики полевых тран-
зисторов, причем чем меньше проектная норма, тем тяжелее с ним бороться.
Как известно, все флуктуации (случайный разброс) технологических пара-
метров в зависимости от их природы можно разделить на глобальные и ло-
кальные. Глобальные флуктуации влияют на все идентичные компоненты
(пластины в реакторе подвергаются неравномерному нагреву в зависимости
от их местоположения), локальные - влияют не только на конкретную пла-
стину, но даже на единичный кристалл (неравномерный нагрев пластины в
центре и на периферии в процессе высокотемпературного окисления и др.).
Причем оба типа флуктуаций включают как детерминированные, так и слу-
чайные составляющие. В качестве примера детерминированной составляю-
щей можно привести распределение концентраций легирующей примеси (ха-
рактер перераспределения примеси в центре и по краям пластин различен).
Типовым примером возникновения недетерминированной (случайной) со-
ставляющей флуктуации является операция ионной имплантации, когда доза
легирующей примеси устанавливается априори, и итоговое распределение
имеет конечную величину разброса. В итоге результирующее значение лю-
бого технологического параметра р в точке на пластине с координатами
(х, у) определяется выражением:

Р = РПОм + + Р,а(г, у) + Ар,г,

где рпам - номинальное значение параметра;

Л/г, - величина глобального отклонения;

р,а - локальное детерминированное отклонение, зависящее от местопо-
ложения;

Л/?,,. - локальное случайное отклонение.

Ярким примером усиления влияния флуктуаций в субмикронной обла-
сти является КлкщКгезз шероховатость (неравномерность) краев отдельных
структурных областей транзистора. Так, по мере уменьшения размеров тран-
зистора и его эффективной длины канала Е величина Кои^йпезз приобретает
всё большее значение, что приводит к большему разбросу численных значе-
ний величины эффективной длины канала Ьере, а следовательно, и величины
токов в транзисторе - вот это является самым опасным следствием работы
«убийцы». Например, как известно, разброс значений величины одного из
важнейших компонентов эквивалентной электрической схемы субмикронно-
го транзистора - подпорогового тока 18иь обусловлен флуктуациями дозы ле-
гирования, толщины подзатворного оксида, длин каналов [15]. С другой сто-
роны, величина 15иь экспоненциально зависит от важнейших электрических
параметров транзистора - пороговых напряжений и туннельного тока затво-
ра, причем зависимость эта имеет ярко выраженный нелинейный характер
даже в случае незначительного увеличения разброса технологических пара-
метров.

Влияние эффекта «убийцы» приводит к тому, что численные значения
отдельных компонентов «токовой модели» субмикронного транзистора
(тунельный ток затвора 1<1атр, подпороговый ток 1зиъ, ток перехода 1щмс) при
переходе к нормам «глубокого субмикрона» могут изменяться не в разы, а
на порядки величин, что, с учетом температурных и радиационных воз-
действий, делает задачу проектирования и организации производства
надежных микросхем архисложной и чрезвычайно дорогостоящей. Пони-
мая этот факт, все входящие в ТОП-25 мировые лидеры полупроводникового
базиса уделяют этой проблеме большое внимание [16-24]. Так, Т8МС,
СЕОВАЕ РОЕТЖ1Е8, 8АМ8ЕГМО для своих линий 130, 90, 65, 40, 28, 20 и 16,
14 нм используют специализированные комплексы приборно-технологичес-
кого моделирования РУТ-сотегбеях^п, РА8ТРУТ, З-ящта Могйе Саг1одея1§п,
Рай Моп(е Саг1о, Н1§Ь-81§та Могйе Саг1оЬйря: //яет^кгсот/х-яиЬяспЬег/
8о11до/2780-ргосе8&-уапайоп-18-а-у1е1д-кИ1ег/, предназначенные для борьбы с
«убийцей». Из отечественных работ в области учета и противодействия V 1с 1с1
КШег в процессе приборно-технологического моделирования следует отме-
тить [25-27]. Чем меньше проектная норма, тем сложнее учесть и компенси-
ровать всё возрастающее влияние этого эффекта.

1.9. Состояние и перспективы развития технологии НпЕЕТ

Как мы уже отмечали в разделе «Смена драйверов развития», третий и,
наверное, последний этап 8са1т§ характеризуется массовым переходом на
технологии РтРЕТ / МЕГОРЕТ, ТРЕТ. На рис. 1.3 показано сравнение общего
вида конструкций классического планарного транзистора и РтРЕТ (так его
назвали разработчики одного из первых РтРЕТ за характерный внешний вид,
напоминающий плавник). Учитывая ограниченный объем этого раздела, ниже
мы рассмотрим текущее состояние с развитием этой технологии именно в Ки-
тае, который, по прогнозу задействованных в последних форсайт-исследова-
ниях экспертов, в ближайшей перспективе станет мировым лидером в произ-
водстве изделий на основе РтРЕТ-технологии. В качестве примера рассмот-
рим только одну китайскую компанию - 8М1С, располагаюшую сегодня пя-
тью производственными линиями: четыре - в Китае, одна - в Италии.

Рис. 1.3. Сравнение типов конструкций
планарного и Нп^ЕТ транзисторов

В начале 2019 года компания 8М1С завершила строительство своего
завода 8М1С 8оы11т РтРЕТ стоимостью $10 млрд, который сможет значи-
тельно увеличить производство чипов с соблюдением 14-нм, а затем и 12-нм
норм РтРЕТ [10]. Это первая производственная линия РтРЕТ в Китае, что
весьма важно для страны, в которой уже находится более 150-ти полупро-
водниковых производств' ведущие мировые производители ранее никогда не
развертывали технологию РтРЕТ в Китае по геополитическим причинам и
соображениям охраны интеллектуальной собственности.

Массовое производство с проектными нормами 65 нм и менее в насто-
ящее время организовано только в компаниях так называемого первого эше-
лона (ТОР-10), в том числе 8атзшщ, 1п1е1, Т8МС, О1оЬа1 Роипбпез, 8Т Мюго-
е1ес1готсз, РцрИП, Сургезз 8ет1сопс1ис1ог. Компании второго эшелона сего-
дня в основном работают с проектными нормами 90 нм и более и реально
осваивать в массовом производстве проектные нормы ниже пока не плани-
руют по вышеперечисленным причинам. В третий эшелон (180 нм и более)
входят так называемые «нишевые» компании.

Как видно из вышеизложенного, технология РтРЕТ и ее многочислен-
ные разновидности (МИОРЕТ и др.) прошли многолетний мучительный путь
от революционной идеи (эскиза конструкции) до серийного производства,
что мы и постарались показать на примере конкретной китайской фабрики.
Эксперты мирового микроэлектронного сообщества с привлечением методов
Форсайта прогнозируют дальнейшую эволюцию конструкции «рыбьего
плавника» по пути, иллюстративно отображенному на рис 1.3 [14]. Этот путь
называется Ми1й-§а1е1гис1игез, конечной видимой сегодня точкой которого
является структура типа Оа(еза11-агоипд (ОАА), являющейся продолжением
поиска путей расширения возможностей СМО8 РтРЕТ.

Сегодня наиболее глубоко проработана технология получения очеред-
ного поколения РтРЕТ в виде СШе-аН-агошк! Мапомлгез, где еще в 2017 г.
в 1МЕС были изготовлены пилотные образцы ЕтЕЕТ-транзисторов с проект-
ной нормой 7 нм, в конструкции которых впервые были использованы нано-
трубки (Мапомлгез). Разработчики этого перспективного «загоризонтного»
направления в свою очередь разделились на несколько групп. Основная часть
исследователей работает над созданием промышленно пригодной технологии
создания «горизонтальной» структуры транзистора (Ьа1ега1 ОаРаП-агоипй
РЕТ) с затвором 5 нм и количеством используемых в конструкции нанотру-
бок пять и более. Вторая группа исследователей занимается вертикальной
структурой РтРЕТ (Уегйса! Оа1-а11-агоип<1 РтРЕТ (81МДУ).

Рис. 14. Эволюция конструкции по пути МиНт-даТе ЗТгисТигез

1.10. Технологические проблемы современной
субмикронной микроэлектроники

Сегодня основными проблемными моментами, сдерживающими разви-
тие новых приборов, в частности, мощных ОаМ-приборов (как для силовой,
так и для оптоэлектроники), являются вопросы обеспечения адекватного теп-
лоотвода от активной области кристалла и необходимость выращивания эпи-
таксиальных структур Са\ на чужеродных (отличающихся по параметрам
кристаллической решетки, тепловому расширению и т. д.) подложках [13].
Пока наиболее распространенным и коммерчески выгодным для массового
производства вариантом является использование подложек из лейкосапфира,
обеспечивающих приемлемое качество гетероструктур при относительно не-
высокой стоимости изготовления. Однако несмотря на применение специ-
альных процедур на начальных стадиях роста, многослойные гетерокомпо-
зиции АПЕХГ на сапфире имеют довольно высокую плотность прорастающих
дислокаций. Кроме того, сапфир обладает низкой теплопроводностью, а тем-
пература активной области транзисторов, как отмечалось в [13], может до-
стигать величины 300 °С и выше. Использование Лф-сЫр-технологии пере-
носа кристалла на теплоотводящий носитель позволяет добиться трехкратно-
го снижения теплового сопротивления для обеспечения должного теплоотво-
да, однако и в этом случае оно более чем в три раза превышает аналогичный
показатель для случая использования подложек 81С.

Очевидной альтернативой карбиду кремния сегодня являются пласти-
ны кремния, которые значительно дешевле и имеют больший диаметр (8 и
12 дюймов). Гетероэпитаксиальные структуры, выращенные на кремниевых
подложках, обладают более высокой теплопроводностью по сравнению со
структурами, выращенными на сапфире, а производственный процесс изго-
товления приборов становится совместим со стандартной кремниевой
КМОП-технологией.

Поэтому ОаМ-приборы на большего размера кремниевой подложке с
КМОП-совместимыми процессами являются возможным ключом решения
проблемы организации серийного производства большого объема С1аМ- при-
боров при обеспечении их низкой стоимости.

Говоря о проблемных вопросах, следует отметить и тот факт, что при
разработке гетероэпитаксиального процесса ОаМ на 81, необходимо также
решать множество сложных задач, связанных с рассогласованием численных
значений величин постоянных решеток и коэффициентов теплового расши-
рения подложки и эпислоев [13]. Для решения этой проблемы на поверхно-
сти кремниевой пластины создают различные специальные буферные слои,
технология нанесения которых сегодня является ноу-хау и не публикуется в
открытой печати.

Сейчас наиболее интенсивной разработкой технологии ОаМоп81 за-
нимаются фирмы «большой пятерки»: 1ВМ, 1МЕС, Ер1 (эаЫ, М / А СОМ
(Мйгопех), 1пйпеоп. В разработанной этими фирмами технологии вышеупомя-
нутые буферные слои представляют собой многослойную структуру из слож-
ных полупроводников, например, такую как 8ЙА1М - ступенчатообразный
слой АЮаМ-СгаМ-АЮаМ, создание которой связано с большими сложностями,
требует больших временных и материальных затрат. Поэтому большой инте-
рес к использованию в качестве барьерных слоев исследователи сегодня про-
являют к тонким эпитаксиальным слоям карбида кремния (81С), выращенным
на поверхности 81-подложки. В настоящее время специалисты работают и над
созданием гибридных наноструктур из действительно двухмерных металличе-
ских, полупроводниковых и диэлектрических материалов, используя графен
как полуметалл, полупроводниковые кристаллы, такие как дисульфид молиб-
дена (Мо8?) или дисульфид вольфрама (\У81), и диэлектрический нитрид бора
(ВК), который получают методом (АЙО). Эти двумерные материалы являются
наиболее «тонкими» из всех известных материалов с электронными свойства-
ми, перспективными для широких приложений в нанотехнологии. Имея тол-
щину всего в один слой, они представляют предельный лимит масштабирова-
ния в вертикальном направлении, что определяет и минимальную величину
рассеиваемой мощности в связи с минимальными эффектами короткого кана-
ла. Исследование путей применения 2И-наноструктур происходит в следую-
щих основных направлениях:

• широкополосная высокоскоростная оптоэлектроника, вплоть до
ТНг-диапазона, включая фотодетектирование, модуляцию и лазер-
ную генерацию света;

• создание высокоэффективных межсоединений и теплоотводящих
элементов в интегральных микросхемах благодаря их исключи-
тельно высоким электро- и теплопроводности;

• создание мультифункциональных сенсоров с исключительно высо-
кой чувствительностью к окружающей среде и различным ионизи-
рующим излучениям.

1.11 Так когда же закон Мура реально
перестанет работать?

В известном смысле он уже перестал работать, в том классическом
понимании, о котором шла речь выше. Сейчас гонка проектных норм в мик-
роэлектронике еще продолжается. Например, если в выпущенном в далеком
1971 году первом коммерческом четырехбитном процессоре 1п1е1 4004 было
всего 2300 транзисторов, то через 45 лет, в 2016 году, компания 1ше1 пред-
ставила уже 24-ядерный процессор Хсоп Вгоаск\е11-\\'8, содержащий
5,7 млрд транзисторов, который выпускался по 14 нм технологии. 1ВМ не
так давно анонсировала 7 нм процессор с 20 млрд транзисторов, а затем и
5 нм процессор с 30 млрд транзисторов.

Причина проста и понятна - на момент выхода этой книги пока не су-
ществует альтернативных, пригодных для практических приложений техни-
ческих решений, и полупроводниковые гиганты просто вынуждены в этой
гонке принимать активное участие.

Но 5 нм в последнем процессоре 1ВМ - это слой толщиной всего в
20 атомов, что является фактически техническим пределом дальнейшего со-
вершенствования техпроцесса. Кроме того, плотность размещения транзи-
сторов в современных процессорах также подошла к теоретическому преде-
лу. На квадратный миллиметр площади кристалла уже приходится размещать
5 или даже 10 миллиардов транзисторов. Скорость передачи сигнала в тран-
зисторе очень высока и имеет большое значение. Частота ядра работы каждо-
го отдельного ядра современных наиболее быстрых процессоров уже состав-
ляет около 10 ГГц. Хотя дальнейшее даже небольшое ускорение тоже воз-
можно, но является большой технической проблемой. Именно поэтому ин-
женеры и предпочли создавать мультиядерные процессоры, а не продолжать
наращивать частоту работы одного ядра. На рис. 1.5 в детализированном ви-
де представлен график развития семейств микропроцессоров, поясняющий
Мооге'з Ьа\л?: ТЬе витЬег оГ кгапмзЮгз оп писгосЫрк скшЫея е*ету 1\уо уеагз
Мооге’з 1ау/ дезслЬез (Не ел1р1пса1 геви1ап1у 1Ъе пшпЬег оТ ггапз15Сог5 оп 1п1езга1ес1 с!гси!й доиЫез арргох!та1е1у е*егу сууэ уеага.

ТЫз айуапсетеос 15 ’нпроггат Тог оТЬег азреси о( 1есНпо1о&са1 рго^гезз Тп сотрийПЕ - зисй аз ргосеадпе зреей ог Тпе расе о! согприТегз.

Оиг УУог1с1
5п Оа1а

Тгапз151ог соигй:

50,000.000,000

100,000,000

50.000,000

1,000.000

500,000

1.000.000.000

500.000,000

10,000,000

5,000,000

10,000,000,000

5,000,000,000

100,000

50,000

10,000

5,000

>н>9П$С

Ччг-'

«ал*

1,000

/> / %с?ь

□мл ИЖС МйрМи «Г"«М.0Г&-«« "Плпмяог соипи ',елг ш 1мЬи± »е птсгосЫо «и пг I п1годисей
0>УУог1Л10аи г'Ь их) Очиш тэИ" *Ъеу«х1е,[ игвем г*тЧ11ег'' СКепы СС ВЧI.,Щн -иию.'н.|1илЬ лгм МКуму.

Рис. 1.5. Закон Мура в действии
сказанное выше. Если в период с 1970-го по 2000 год лидирующие позиции
занимали I п1е I и Мо1ого1а, то в последние 20 лет в гонку активно включились
и другие крупные полупроводниковые компании, фактически ежегодно вы-
ставляя на рынке всё более сложные изделия.

Наиболее просто пояснить действие закона Мура на примере рис. 1.6,
где количество транзистора на одном кристалле связано с появлением кон-
кретного типа мобильного телефона.

Рис. 1.6. Наглядная демонстрация действия закона Мура
на примере эволюции конструкции мобильных телефонов

Еще в 2007 году сам Тордон Мур заявлял, что действие этого закона
для кремниевой технологии может закончиться примерно до 2020 года,
прежде всего из-за причин фундаментального характера - атомной природы
вещества.

Когда размеры транзисторов, их элементов и расстояние между ними
достигают 5-7 нм, вступают в силу так называемые размерные эффекты - фи-
зические явления, нарушающие функционирование кремниевых устройств,
и разработчикам кремниевыхз микросхем приходится прилагать неимоверные
усилия по демпфированию этих эффектов.

На рис. 1.7 в логарифмическом маштабе представлена динамика изме-
нения величин минимальных размеров транзисторов в соответствии с зако-
ном Мура за 55-летний исторический период развития полупроводниковой
индустрии.

В связи с экспоненциальным ростом стоимости создания и эксплуата-
ции полупроводникового производства за последние 30 лет только стоимость
оборудования для выпуска микросхем увеличилась на три порядка (примерно
в тысячу раз).

$оигсе. РС Мадагте, Еросп 1п\№51теп( РаЛпегз

Ноге: Рог -е/егепсе тозт агитз аге о. I го 0.5 пт 1п <Иат&ег

Рис. 1.7. Дейстзие закона Мура относительно
минимальных размеров транзисторных структур
(в нанометрах, логарифмический масштаб)

Когда количество транзисторов на кристалле удваивается, увеличива-
ется количество выделяемой микросхемами тепловой энергии, которую
необходимо отводить (охлаждать рабочую среду). Стоимость охлаждения
больших серверных помещений современных дата-центров становится всё
более и более неприемлемой для многих предприятий, являющихся круп-
нейшими покупателями самых продвинутых процессоров - они получают всё
меньше доходов, поскольку всю более значительную часть прибыли вынуж-
дены направлять на эксплуатационные расходы.

Как следствие - только отдельные наиболее крупные полупроводнико-
вые компании в мире способны участвовать в этой гонке проектных норм.
Как видно из рис. 1.9, примерно из трех десятков средних и крупных компа-
ний, вышедших на старт в 2000 году, уже в 2007 году половина участников
сошла с дистанции, и к финишу в 2020 году, пока пришли только несколько
полупроводниковых гигантов, а именно - 1п1е1, АМВ, 8ат§ип§, ()иа1сотт,
остальные компании занялись перефирийными устройствами. Сложившаяся
таким образом двойная консолидация «золотой пятерки» производителей
приводит к чрезмерной консолидации рынка и неизбежному повышению
цен. Следует отметить, что абсолютное большинство сошедших с дистанции
компаний направили все усилия на исследование альтернативных технологий
и технических решений создания элементной базы для вычислительных тех-
нологий следующего поколения «за горизонтом Мура».

Необходимо еще раз подчеркнуть именно статистический характер за-
кона Мура.
600

400

300

200

ТОО

65 40 28 22 16 № 7 5

^™сН|р-ае518п сой (050 тп, 1Ьа) ----РаЬ сопйгисйоп соб1 (1150 Ьп. гЬз)

5оигсе' Мт'пзеу

Рис. 1.8. Динамика изменения стоимости
полупроводниковых фабрик и стоимости разработки микросхем
с переходом на минимальные проектные нормы

Рис. 1.9. Динамика изменения количества участников
20-летней гонки за проектными нормами

Приведем ряд простых примеров из других отраслей, как если бы этот
закон действовал для строительной отрасли, автопрома и т. д.

В области строительства люди могли бы сегодня купить себе небо-
скреб по цене мобильного телефона. Если бы стоимость домов уменьшалась
со скоростью уменьшения размеров транзисторов, человек мог бы купить
дом по цене одной конфеты, автомобиль был бы размером с муравья
(уу\у\у.Гегга1аЬ8.ги).

На основе закона Мура впоследствии были сформулированы и другие
аналогичные законы:
• закон Рока: «Стоимость основных фондов, используемых в полу-
проводниковом производстве, удваивается каждые четыре года.
Размер прибыли также удваивается каждые четыре года»;

• закон Макрона: «Персональный компьютер, который бы вас полно-
стью устроил, не может стоить меньше 5000 долларов»;

• закон масштабирования Деннарда говорит об увеличении произво-
дительности за счет уменьшения топологических размеров транзи-
сторов и увеличения рабочей частоты. Масштабирование размеров
транзисторов на 30 % (коэффициент 0,7) позволяет уменьшить за-
нимаемую площадь на 50 %, уменьшить задержки на 30 %, и, как
результат, увеличить рабочую частоту на 40 %. За счет масштаби-
рования рабочее напряжение уменьшается на 30 %, а общее энер-
гопотребление кристалла снижается на 50 %. При современном
уровне топологических норм масштабирование рабочего напряже-
ния транзисторов, согласно закону Деннарда, при фиксированном
энергопотреблении становится затруднительным, а узким местом в
улучшении характеристик интегральных микросхем являются
ВЕОЬ-процессы. Решением служит улучшение значений контакт-
ного сопротивления (выбор металла для формирования контакта
«сток - исток») и использование папозЬее!- и ГогкзЬееРконструкции
транзисторов, позволяющих улучшить распределение мощности.

Все вышеперечисленные проблемы, вытекающие из критического ана-
лиза закона Мура, привели в итоге к концентрации усилий исследователей и
инженеров, направленных на поиск новых путей развития электроники «по-
сле Мура». Так появились молекулярная и квантовая микроэлектроника,
спинтроника (спиновая электроника), магноника и магнонные вычисления,
стрейнтроника, нейронные сети и нейроморфные вычисления, полупровод-
никовые квантовые точки, основанные на использовании совершенно новых
для полупроводниковой индустрии наноразмерных материалов.

В последующих главах большинство из этих новых направлений и но-
вых материалов будут рассмотрены более детально на основе систематиза-
ции и анализа имеющихся в научно-технической печати информационных
материалов.

Литература

1. 81опе И. 8. е1 а1. СотрШег ЛгсЫгесШге т (Не 1990а // ШЕЕ СотрШег. - 8ер1. 1991. -
Уо1. 24. - Р. 30-38.

2. Ке^кауагаг А. е1 а1. 1<>г\уагс1 Ьоду Ыаз Гог иРа т 130 пт 1ес1то1о§у §епегаНоп ап<1 Ье-
уопс! // \'1_81 Сйсийа 8утр. 2002, рр. 125-128.

3. Тайг У. е1 а1. Н1§11-Рег1огтапсе 0.1 пип, СМО8 Юехасеа МП) 1.5 V Р<>»ег 8ирр1у // I Н1)Х1
Теей. О1§. - 1993. - Уо1. 38. - Р. 127-130.

4. №%а1а М. ЫтйаНопа, ЬтоуаНопз апс| С11а11еп§е8 оГ СагсиЩ апс! [Зехчсеа апо а На1ГМ1с-
готе!ег апс! Веуопс! // ГЕЕЕ 1. 8о1к1 81аге Сйсийз. - 1992. - Уо1. 27. - Р. 465 472.
5. Ни С. МО8ГЕТ 8са1ш§ т 1йс Кех( 1)есас1е апс! Веуопй // Ргос. ййегпайопа! 8ет1сопс1ис-
1ог 1)с\'!сс Кезеагсй 8утр., ЗепйсопТпГ. - Дипе 1994. - Р. 105- -114.

6. Метек А1.) йо\у Рохуег М1сгое1есйошсз: Кейозрес! апд Ргозрес! // Ргос. ШЕЕ. - 1995. -
Уо1. 83.-№4.-Р. 619-635.

7. Белоус А. И., Красников Г. Я.. Солодуха В. А. Основы проектирования субмикронных
микросхем. М.: Техносфера, 2020.18ВТ8Г: 978-5-94836-603-6.

8. Скашк-акаеапеЬл! А. Р. йоху Рохуег СМО8 О1§йа1 Оез1§п // ШЕЕ 1. 8о11<1 81а1е Сйсийз. -
1992. -Уо1. 27. - Р. 473 484.

9. А§агн’1а В. е1 а1. Орройишйез &. 8са1т§ МОЗЕЕТз Гог 081 // Ргос. Е88ОЕКС 1993. -
8ер(етЬег 1993. - Уо1. 25. - Р. 919-926.

10. Ве1оие А.. 8а1аскМа V., 81п>ес1аи 8. 8расе М1сгое1есйотсз Уо1ите 2: 1гпец1а1ес1 Сйсий
Оез1§п Гог Зрасе Аррйсайопз // йопбоп: Айесй Ноизе, 2017. Р. 720. 18ВК:
9781630812591.

11. Вако^1и Н. В. Сйсийз, 1п(егсоппесйопз апс! Раска^т§ Гог УЕ81 // Ас1с1|зоп-\\'ез1су, 1990.

12. Аок1 Т. Мигака1а М.. МНеиказЫ Т.. С1о1о К. ЕапоиНгее Кезйис(игт§ А1§огййт Гог Роз1-
р1асетеп! Тйшп§ Орйгшхайоп // Ргос. оГ 1йе А8Р-ОАС95, 1995 Р. 417 422.

13. Ве!оие А., 8а1ас1икка V. Ей§Ь-8рее<1 1)шйа1 8уз1ет Оез1§п. Аг1, Зшепсе ап<.| Ехрепепсе //
8рпп§ег КаШге 3\уЙ7сг1ап<| АО 2020. 1§ВК: 978-3-030-25408-7.

14. Меликян В. Дальнейшее масштабирование интегральный схем: вызовы и решения //
VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспек-
тивных микро- и наноэлектронных систем» (МЭС-2018) (г. Зеленоград), 2 октября
2018.

15. Красников Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-
транзисторов / изд. 2-е, исправленное // М.: Техносфера, 2011. - 800 с. 18ВА: 978-5-
94836-289-2.

16. Ьи А.-С., Нокоп Ш.С., Кеппег А.8., И'ИНатз 8.С. е! а1. А пеху с!су|се 6ез1§п тейю<1о1о§у
Гог тапиГасШгайййу // т ШЕЕ Тгапз. Е1есйопОеу1сез. 45. Ко. 3. Р. 634-642.

17. Сиппт§йат 8. Р., Зрапоз С. Д ЗеписопбисЮг утек! Йпргоуетеп!: гезиЙз апс! Ьсз1 ргасйсез //
ШЕЕ Тгапз, оп Зепйсопйисюг МапиГас1ипп§ 1995. V. 8. Ко. 2. - Р. 103-109.

18. Оокт Т., СоокА. 8., Ко^еге Р. С. А-рагййопт§ арргоаей 1о утеШ езйтайоп Гог 1аг§е сй-
сийз апй зуз1етз // ШЕЕ Тгапз. Сйсийз ЗузГ. А8--31. Ко. 8. - Р. 472 485.

19. Сае1оп О. А., №а1юп А. А. Тйе т!е§гайоп оГ зйпи1айоп апс! гезропзе зигГасетеЙю<1о1о§у
Гог 1йе орйпйгапоп оГ1С ргосеззез // ШЕЕ Тгапз. Зепмсопсйкй. МапиГасГ. 1994. V. 7. Ко. 1.
-Р.22-33.

20. 8к>Ш К., Рте1 А. Р. 81айзйса1 6ез1§п сеп!егт§ апс| 1о1егапст§ изш§ рагатеПгс затр11п§ //
ШЕЕ Тгапз. Сйсийз ЗузГ, 1981. УоГ. 13. Ко. П-У. 692-701.

21. Кои1елко$А. А., Ые1ауее V. V. Кеху арргоаей Гог (11 е гезропзе зшТасе тейю<1о1о§у // Ргос.
4Й11пГ. \\'огкь11ор оп Кеху Арргоасйез Го Н1§й- Теей: КопбезГгисЙуе Тезйп§ ап<1 СотрШег
8йпи1айопз т Зсгепсе апс! Еп§теегт§. 2000. 81.-Ре(егзЬиг§. Визета. -Р. Ю16 1И9.

22. Колктеп Т., Скеипу, Р. У. К. ЕйегагсЫса! То1егапсе Апа1уз1з 14зй1§ 8(айзйса1 Вейауюга!
Мо6е1з // ШЕЕ Тгапз.Сотршсг-АМеб Оезщп оГ 1п!е§га1е<1 Сйсийз апс! 8уз1етз. - 1996. -
01. 15.1ззие5.-Р. 506-516.

23. Вепкохк1 А. 81готал А А. А пеху арргоаей Ю ЫегагсЫса! апс1 зГайзйса! йтт§ зшпЯайоп //
ШЕЕ Тгат. СотриГег-АМей Оезщп. - 1987. Уо1. САО-6. Ко. 6. - Р. 1039-1052.

24. Кигкег С. М., Раи1о$ А. А., Суигсх1к К. 8, !.п А.-С. ЕйегагсЫса! у1еМ езйтайоп оГ 1аг§е ап-
а1о§ ййе§га1еб сйсийз // ШЕЕ Д. 8ойс1-81аГе Сйсийз, 1993. Уо1. 28. Ко. 3. - Р. 203-208.

25. Кулешов А. А., Малышев В. С., Нелаев В. В.. Стпемпицкий В. Р. Статистическое проек-
тирование и оптимизация технологии производства интегральных микросхем Ц Мик-
роэлектроника, 2003. - Т. 32. - № 31. - С. 47.

26. Ве1оив А., \'е1ауее V., 8уакегЯа V. Епс14о-еп<1 з!айзйса1 ргоезз / с1е\чсе / сйсий / зуз!ет
с1с5Йп // 341й Еигопйсго СопГегепсе оп Зойхсаге Еп§теепп§ АсКапсес! Аррйсайопз,
&ЕЕА апс! 11(11 Еитопйсго Соп&гепсе оп В1§йа1 8у8(етВе81§п - агсЫ(ес(иге8, тейюйз
апс1 (оо1з, ВЖ. 8ер(етЬег 2008. - 17-18.

21. Белоус А., Солодуха В.. Шведов С. Основы конструирования высокоскоростных элек-
тронных устройств: краткий курс «белой магии» // М.: Техносфера, 2017. - 872 с.
18ВЫ: 978-5-94836-500-8.
Глава 2

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ
И УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ

2.1. Технологические методы получения графена

Привлекательным фактором для различных промышленных примене-
ний графена является возможность его нанесения на больших площадях и
разных типах подложек. Из литературных источников известно пять методов
синтеза графена:

1) микромеханическое расслаивание графита;

2) расслаивание графита с использованием химических методов;

3) выращивание графена методом химического осаждения из газовой
фазы;

4) рост графена на подложке 81С;

5) расслаивание графита в жидкой фазе.

Впервые пластины графена были получены методом последователь-
ного микромеханического расслаивания графита 11 ] при помощи липкой
ленты и переносе получившегося продукта на подложку, например, 81 / 81О2
с заданной толщиной оксида, что требовалось для определения оптически-
ми методами толщин полученных образцов. Данным методом возможно по-
лучение пластин однослойного графена размером до 1 мм и более (размер
кристаллитов 1 мм и более). Однако, хотя трудоемкость процесса получения
и сложность поиска на подложке готовых пластин графена относительно
малых размеров не позволяет применять данный метод в промышленных
масштабах, этот метод широко используется для исследований в фундамен-
тальной физике.

Химические методы, основанные обычно на получении оксида графена
расслаиванием оксида графита и последующем его восстановлении до гра-
фена, позволяют получать пластины графена различной толщины и лате-
ральных размеров (с размером кристаллитов ~1) [2]. Однако такое восстанов-
ление оксида графена до графена не является стопроцентным, что в итоге
может сказываться на качестве и свойствах итогового материала. Графен, по-
лученный данным методом, может применяться в качестве защитных покры-
тий, прозрачных проводящих пленок, в композитных материалах, а также
служить базовым элементом в энергетических накопителях, биотехнологиях
и медицине. Вместе с этим неэкологичность и трудоемкость процесса делают
этот метод подходящим для получения графена лишь для относительно узко-
го круга применений.

Метод химического осаждения из газовой фазы — СУИ (сЬепйса! уарог
берозйюп) получил наибольшее распространение для выращивания графена
большой площади (размер образцов до ~1 м с размером кристаллитов ~1 мм)
и различной толщины на поверхности металла с возможностью дальнейшего
перенесения на другие типы подложек [3, 4]. Графен, полученный данным
методом, сможет найти свое применение в фотонике, наноэлектронике, при-
меняться в качестве прозрачных проводящих пленок и защитных покрытий,
служить основным элементом в сенсорах и иметь применение в биотехноло-
гиях. Следует отметить, что проблема специфики островкового роста пленок,
не всегда позволяющая получать графен строго заданной толщины, и слож-
ности процесса переноса пленок с «ростовой» на требуемую подложку, мо-
жет существенно сказываться на качестве и физических характеристиках ко-
нечного продукта. В качестве недостатка также следует отметить, что дан-
ный метод является энергетически затратным.

Сублимация кремния из 81С-подложки при высокой температуре
(—1000 °С), приводящая к графитизации поверхности карбида кремния, также
является одним из перспективных методов получения образцов графена (от
однослойного графена до графена, содержащего несколько слоев) высокого
качества с размером —100 мм (с размером кристаллитов до 50 мкм) [5, 6]. Об-
разцы, выращенные данным методом, находят широкое применение в СВЧ-
наноэлсктронике, а также могут служить метрологическим стандартом со-
противления при высоких температурах [7]. Однако высокая стоимость 81С-
подложск и высокие температуры получения графена пока ограничивают
применение этого метода в технологии наноэлектроники.

Высококачественные графеновые листы также часто получают мето-
дом отслаивания от графита в жидкой фазе [8—12]. Расщепление кристалли-
тов графита на отдельные пластинки при помощи ультразвука (типичная ча-
стота составляет 20—40 кГц) может происходить как в водном растворе [8, 13,
14] в присутствии поверхностно-активных веществ, так и в неводных раство-
рах [8, 12, 15]. При длительной обработке ультразвуком в суспензии проис-
ходит увеличение первоначально небольших фракций однослойного и мно-
гослойного графена, которые могут быть дополнительно увеличены последо-
вательным центрифугированием. Эти этапы обработки, а также качество ис-
ходного материала (поликристаллитов природного графита) определяют ка-
чество и класс получаемых суспензий пластин графена микронных размеров
(размер кристаллитов в полученных пластинах —100 нм). Образцы, получен-
ные данным методом, могут найти свое применение в качестве компонентов
в композитных материалах, прозрачных проводящих пленках, энергетиче-
ских накопителях, а также в биотехнологиях.

2.2. Технологические методы получения
углеродных нанотрубок

Наиболее широко в практической деятельности используются три ос-
новных метода синтеза углеродных нанотрубок (УНТ): разрядно-дуговой ме-
тод, метод химического осаждения из паров (каталитический пиролиз угле-
водородов) и метод лазерной абляции [16, 17].

Впервые примененный Ииджимой в 1991 году [18] разрядно-дуговой
метод основан на термическом испарении графитового электрода в плазме
дугового разряда, горящего в атмосфере гелия водорода или азота. Синтез
УНТ обычно осуществляется в камере, заполненной газом под давлением
ниже атмосферного, например, 500 Торр [16]. Между катодом и анодом (оба
выполнены из графита), находящимися на расстоянии ~1 мм друг от друга,
прикладывается напряжение 15—25 В (ток разряда составляет несколько де-
сятков А). Часть испаряющегося с анода графита превращается в сажу, ко-
поть и небольшой процент фуллеренов, оседая на стенках реакционной каме-
ры, но большая его часть (около 90 %) переносится на торцевую область ка-
тода, где и формируется основная масса нанотрубок.

Наибольшее количество УНТ образуется, когда ток плазмы минимален
и его плотность составляет около 100 А/см2. Образующиеся преимуществен-
но многостенные нанотрубки длиной ~ 40 мкм и диаметром 10-'-30 нм нарас-
тают перпендикулярно торцевой поверхности катода, собираясь в цилиндри-
ческие «пучки» диаметром 150 мкм. Данные «пучки» покрывают поверх-
ность катода, формируя сотовую структуру. Для удаления из полученного
продукта частиц сажи, графита и фуллеренов катодный депозит центрифуги-
руют после обработки ультразвуком в метаноле, промывают в азотной кис-
лоте и просушивают в потоке кислорода и водорода в соотношении 1 : 4 при
температуре 750 °С. Итоговый продукт представляет собой легкий и пори-
стый материал, состоящий преимущественно из многостенных нанотрубок со
средним диаметром 20 нм и длиной ~10 мкм. Данным методом возможно
также получение одностенных и двухстенных У ИТ [19].

В 1993 году для получения УНТ впервые был применен метод пироли-
за углеводородов в присутствии катализатора (одна из разновидностей СУП-
метода) [20—22]. Суть данного метода заключается в пропускании смеси газа-
носителя (Иг, Нг или инертного газа) и углеводорода (ацетилена, метана, эти-
лена, пропилена или др.) над металлическими частицами катализатора (Ре,
Со, №, Си или др.) в печи при температуре 600-800 °С. Диаметр полученных
УНТ определяется размером металлических частиц, так как именно на них
происходит зародышеобразование и рост нанотрубок. Также на процесс ро-
ста влияют температура, общее давление, выбор исходного углеводорода и
его парциальное давление [17]. Данным методом возможно получение как
одностенных, так и многостенных УНТ (МСУНТ) [23—26].

Получение УНТ также возможно методом лазерной абляции [17], ко-
торый начал применяться с 1995 года [27, 28]. В данном методе при облуче-
нии импульсным лазером графитовой мишени, находящейся в кварцевой ка-
мере (температура стенок 1200 °С), в атмосфере гелия (возможно использо-
вание Аг, Нг или Нг) происходит рост УНТ на близкорасположенном охла-
ждаемом медном коллекторе. Продуктом испарения являются многостенные
нанотрубки и наночастицы углерода. Установлено, что распределение нано-
трубок по диаметру зависит от длины волны излучения лазера (532 или
1064 нм) [29]. Стоит отметить, что при вводе в мишень добавок катализато-
ров (комбинация М!, Со, Р1) от 0,8 до 1,1 ат. % возможно получать нанотруб-
ки с долей одностенных УНТ до 70 %. Суммарная доля нанотрубок в итого-
вом продукте, полученном данным методом, может достигать 96 %.

2.3. Методы манипулирования и интегрирования
углеродных наноструктур в электронные приборы

При создании приборов на основе УНС и изучении их свойств необхо-
димо владеть технологией манипулирования как отдельными УНС, так и их
массивами. Существует целый ряд методов, позволяющих управлять нано-
структурами, среди которых различают методы ориентированной сборки
[30—32]: методы интерфейс-индуцированной сборки (методы Ленгмюра —
Блоджетт и Ленгмюра — Шафера, методы контактной и переносной печати,
метод раскатки (кпоскпщЛоип те1Нос1), метод сборки посредством сжатия-
растяжения (8кгат-ге1еа8е аяхетЫу тейюй), методы сборки при помощи
внешнего электрического поля (диэлектрофорез и электрофорез), сборку с
использованием методов микрофлуидики (пйсгоПшсйс По\у а88етЫу), элек-
троспиннинг, электронно-лучевую литографию, нанесение фокусированным
ионным пучком и другие.

Также существуют методы неориентированной сборки [30-32]: по-
слойная сборка, метод нанесения на вращающуюся подложку, метод вакуум-
ной фильтрации, диэлектрофорез и метод Ленгмюра — Блоджетт. Последние
методы рассмотрим здесь более подробно, как самые простые, но достаточно
эффективные с точки зрения практических приложений.

2 3.1. Диэлектрофорез

Диэлектрофорез (ДЭФ) является довольно простым методом, не тре-
бующим специального дорогостоящего оборудования и позволяющим рабо-
тать при стандартных условиях окружающей среды. Этот метод может ис-
пользоваться для манипулирования широким классом наноразмерных ве-
ществ, начиная с биологических структур (ДНК, белки, вирусы и др.) и за-
канчивая полупроводниковыми и металлическими наноструктурами [33].
Процент выхода годных при сборке методом диэлектрофореза может дости-
гать 98,5 % [34].

Принцип работы диэлектрофореза при сборке удлиненных нанострук-
тур в одной из возможных конфигураций поясняет рис. 2.1 [Ьйр8://<И88.ипп.ги/
Й1е8/2О16/626/сЙ88-А1аГег<дОУ-626.р<11].

Капля суспензии, содержащей осаждаемую наноструктуру, наносится
микропипеткой между двумя планарными металлическими микроэлектрода-
ми, сформированными методом фотолитографии, на подложке термически
окисленного 81 (толщина 8Ю? может варьироваться от 200 нм до ~2 мкм).
При подключении металлических микроэлектродов к источнику синусои-
дального напряжения высокочастотное электрическое поле с напряженно-
стью и круговой частотой, возникающее в пространстве между электродами
и захватывающее наноструктуру, наводит на ней быстро меняющийся элек-
трический диполь, ориентируя протяженную частицу параллельно линиям
поля. Со стороны электродов на частицу, взвешенную в жидкости, действует
сила Р вер- Для наиболее простого случая частицы сферической формы мож-
но записать [35]:

* * X

?п№Юб,„Ке е/~е: У|Ё|2, (2.1)

1 1

* I® р

где &р = гр------— комплекная диэлектрическая проницаемость частицы;

* т

&т=ьр---------комплекная диэлектрическая проницаемость среды рас-

со

творителя;

I - мнимая единица;

/ * * х

Ке —г------— - реальная часть фактора Клаузиуса - Моссотти.

у &р ~ )

Рис. 2.1. Схема нанесения (сборки) наноструктур
методом диэлектрофореза в случае тонкой
диэлектрической прослойки (менее 2,5 мкм).

1 - кремниевая подложка 2 - диоксид кремния:

3 - металлический микроэлектрод: 4 - источник синусоидального напряжения:
5 - капля суспензии, содержащая осаждаемые наноструктуры:

6 - наноструктура со сформированным диполем

В случае вытянутой наноструктуры ее приближенно можно аппрокси-
мировать эллипсом с малой полуосью а, большой полуосью Ъ и эксцентриси-
2 1

тетом е~ = 1 —у. В этом случае фактор Клаузиуса - Моссотти включает в
а’

себя фактор формы Аа и имеет следующий вид [72]:

где индекс а соответствует деполяризующему фактору Аа вдоль одной из по-
луосей эллипса а или Ь:

4. -

Если диэлектрическая проницаемость среды (растворителя) еж меньше
диэлектрической проницаемости наноструктуры Ер, то фактор Клаузиуса -
Моссотти будет положительным, и сила, действуюшая на частицу, будет
притягивать ее к электродам. Возникает так называемый положительный ди-
электрофорез. В противном случае, если е„, > ер, частица будет отталкивать-
ся - происходит отрицательный диэлектрофорез [34, 35].

В случае тонкой диэлектрической прослойки 810г (менее 2,5 мкм) [35]
81-подложка может электростатически заряжаться, формируя силу, направ-
ленную от поверхности электрода, что негативным образом сказывается на
процессе сборки наноструктур. В этом случае для более высокого выхода при
нанесении наноструктур подложку следует заземлять.

Как видно из выражения (2.1), сила воздействия Гдер прямо пропорци-
ональна квадрату модуля напряженности электрического поля, которая в
свою очередь прямо пропорциональна амплитуде подаваемого на электроды
напряжения. Частотная зависимость этой силы зависит от диэлектрических
констант растворителя и взвешенных в нем частиц. В [35] было установлено,
что для большинства материалов (за исключением металлов) положительный
диэлектрофорез возникает при частотах прикладываемого напряжения не
менее 10 кГц. Также необходимо заметить, что при наличии переменного вы-
сокочастотного электрического поля в пространстве между электродами об-
разуется электроосмотический поток жидкости (направлен вдоль поверхно-
сти) [34, 35], что в свою очередь также может негативно сказываться на про-
цессе сборки. Однако при частотах более 10 кГц скорость этого потока прак-
тически равна нулю [35, 36].

Наряду с ДЭФ, в различных технологических процессах применяется
электрофорез. Принципиальное отличие ДЭФ от электрофореза заключается
в том, что в последнем случае частицы движутся в сформированном электри-
ческом поле без смены поляризационного заряда (поле постоянное), в ре-
зультате чего в процессе осаждения могут участвовать также частицы с пло-
хой кристаллической структурой. В случае ДЭФ быстро меняющийся элек-
трический диполь формируется преимущественно на частицах с хорошей
кристаллической структурой, что делает этот метод более селективным
с точки зрения качества осаждаемых частиц.

2.3.2. Метод Ленгмюра - Блоджетт

Для формирования массивов (пленок) из наноструктур часто использу-
ется метод Ленгмюра - Блоджетт. Суть стандартного (немодифицированно-
го) метода Ленгмюра - Блоджетт заключается в переносе на подложку с по-
верхности воды плотно упакованного мономолскулярного слоя амфифиль-
ных молекул наносимого вещества.

Метод формирования моно- и мультимолекулярных пленок был разра-
ботан Ирвингом Ленгмюром и его ученицей Кэтрин Блоджетт в 1930-х годах.
В настоящее время данная технология, названная методом Ленгмюра -
Блоджетт, активно используется в производстве современных электронных
приборов.

Ленгмюром было разработано устройство для формирования пленок
Ленгмюра (англ.), так называемая ванна Лэнгмюра - Блоджетт (англ.).

Основная идея метода заключается в формировании на водной поверх-
ности мономолекулярного слоя амфифильного вещества и последующем его
переносе на твердую подложку. В водной фазе молекулы амфифильного ве-
щества располагаются на поверхности раздела «воздух - вода». Для форми-
рования поверхностного мономолекулярного слоя используют сжатие по-
верхностного слоя с помощью специальных поршней (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Принципиальная схелла получения
пленок Ленгллюра - Блоджеп

При последовательном изотермическом сжатии изменяется структура
мономолекулярной пленки, которая проходит через ряд двумерных состоя-
ний, условно именуемых состояниями «газа», «жидкости», «жидкого кри-
сталла» и «твердого кристалла» (см. рис. 2.3). Каждое из этих состояний ха-
рактеризуется определенным поверхностным давлением - аналогом поверх-
постного натяжения. Чем выше поверхностная концентрация молекул на по-
верхности, тем выше поверхностное давление. При некотором критическом
поверхностном давлении устойчивость мономолекулярного слоя нарушается,
и он превращается в полимолекулярную пленку.

коллапс

Площадка молекулы

Рис. 2.3. Поверхностное давление пленки Аенгллюро - Блоджетт
в зависиллости от поверхностной концентрации ллолекул

В состоянии «газа» молекул на поверхности мало, они хаотически
движутся, слабо взаимодействуя друг с другом. В этом состоянии при сжатии
пленки давление повышается аналогично давлению при изотермическом
сжатии обычного газа. При дальнейшем повышении давления «газ» конден-
сируется в «жидкость», в этом состоянии наблюдается поверхностная вяз-
кость пленки. Дальнейшее повышение давления превращает «жидкость» сна-
чала в «жидкий кристалл» - монослой молекул, где отдельные молекулы
упорядочены в кристаллическую структуру с возможностью скольжения по
«кристаллографическим» линиям, и окончательно - в «твердый кристалл».

Таким образом, измеряя поверхностное давление пленки, можно полу-
чить заданную ее структуру и нужные физико-химические свойства.

Далее сформированная таким образом пленка на поверхности с желае-
мыми свойствами переносится на пластинку твердого носителя погружением
пластинки в жидкость и последующим извлечением из нее. При этом проис-
ходит адсорбция поверхностной пленки. Обычно перенос пленки на субстрат
производят при поверхностном давлении 15-30 мН/м. Помимо органических
пленок, возможно создание таким способом и неорганических мономолеку-
лярных пленок.

Процесс переноса мономолекулярной пленки можно повторять много-
кратно, получая, таким образом, различные мультимолекулярные слои.

Рассмотрим более подробно основные технологические особенности
реализации этого формирования наноструктурных пленок.
Для нанесения пленки тефлоновая ванна прямоугольной формы с
двумя подвижными барьерами на краях заполняется деионизованной водой.
Выбор тефлона в качестве материала стенок и барьеров ванны связан с тем,
что он является одним из наименее химически активных материалов с
большим углом смачивания водой (т. е. гидрофобным). Далее подложка с
гидрофильной поверхностью вертикально опускается в воду в центр ванны.
Суспензия наносимого вещества медленно распределяется по поверхности
водяного зеркала, причем количество наносимого материала, содержащего-
ся в суспензии, должно быть рассчитано так, чтобы площадь, покрываемая
мономолекулярным слоем этого вещества, была значительно меньше пло-
щади ванны. Если сила адгезии между молекулами вещества и жидкости
больше сил сцепления между молекулами этого вещества, то происходит
растекание суспензии по поверхности воды. В качестве растворителя при-
нято использовать легколетучий растворитель, чтобы после его испарения
на поверхности воды образовалась «сетка» из разрозненных молекул веще-
ства.

Амфифильность молекул (когда один конец молекулы гидрофобный,
а другой - гидрофильный) обеспечивает относительную ориентацию моле-
кул на поверхности воды: гидрофильная часть обращается к воде, гидро-
фобная направлена от водяного зеркала, однако их ориентационная упоря-
доченность практически отсутствует. Далее при движении тефлоновых ба-
рьеров к центру ванны происходит сближение амфифильных молекул, их
строгая вертикальная ориентация и формирование на водном зеркале твер-
дой фазы - мономолекулярного слоя. Параллельное измерение поверхност-
ного натяжения при помощи, например, весов Вильгельми, находящихся
рядом с подложкой, дает возможность определить момент времени, когда
сформировалась твердая фаза. В этот момент при помощи микрометриче-
ской автоматической подачи сквозь образованный монослой подложка
начинает медленно подниматься вверх. Ввиду гидрофильности поверхности
подложки по мениску жидкости происходит перенос сформированной
пленки на ее поверхность.

Монослой на подложке, полученный таким методом, носит название 7-
тип - гидрофильная часть молекул находится у подложки. Также возможно
нанесение так называемого монослоя Х-типа: гидрофобная часть молекул
находится у подложки. В этом случае во время формирования твердой фазы
на водяном зеркале подложка находится над поверхностью воды. И потом,
после формирования пленки, подложка медленно опускается, перенося плен-
ку на свою поверхность. Повторяя этот процесс многократно, данным мето-
дом возможно формирование многослойных пленок [74, 76].
2.4. Методы интегрирования углеродных наноструктур
в наноэлектронные приборы

2.4.1. Метод формирования элементов
на основе дискретных углеродных наноструктур

Как отмечалось выше, диэлектрофорез является одним из самых по-
пулярных методов для манипулирования дискретными наноструктурами. На
рис. 2.4 представлены основные этапы технологического процесса форми-
рования элементов для исследования электрических и термических свойств
отдельных графеновых листов или УНТ на термически окисленной кремни-
евой подложке < 100> (толщина 810? от подложки к подложке обычно варь-
ировалась в диапазоне от 300 до 800 нм), классическими методами фотоли-
тографии были созданы первые планарные металлические структуры, со-
стоящие из двух квадратных контактных площадок (размером 200x200 или
300x300 мкм и высотой 200-500 нм) и соединяющей их металлической до-
рожки (шириной 4-20 мкм, длиной 300 мкм и высотой 200-300 нм) (этап 1
на рис. 2.4). Далее при помощи фокусированного ионного пучка (установка
РЕ1 Моуа 200 Мапо1аЬ) посередине между контактными площадками на ме-
таллической дорожке вырезался узкий зазор шириной и глубиной —1 мкм
(этап 2 на рис. 2.4). Таким образом были сформированы два металлических
микроэлектрода. Далее из суспензий в ДМФА или НМП (объем суспензии
-0,002 мл) методом диэлектрофореза между прорезанными металлическими
микроэлектродами позиционировались углеродные наноструктуры (этап 3
на рис. 2.4).

Типовые параметры технологического процесса для трех типов УНС -
многослойного графена, графитовой наноленты и УНТ указаны в табли-
це 2.1. Параметры процесса были подобраны таким образом, чтобы вероят-
ность поместить УНС при разовом нанесении всегда была меньше единицы
(30-50 %). Таким образом, повторение процесса нанесения один-два раза
обеспечивало наличие от одного до нескольких УНС между металлическими
электродами. Объем суспензии, наносимой между электродами, составлял
0,002 мл. Примеры типичных УНТ, нанесенных методом диэлектрофореза,
показаны на рис. 2.5.

Графитовая нанолента - это объект, являющийся частным случаем мно-
гослойного графена (исследуемые образцы одиночных графитовых нанолент
изготовлены из продукта, производимого компанией ИайопаИеОгайГеГМа,
ВгагП). Графитовая нанолента характеризуется тем, что она вытянута в одном
направлении (аспектное отношение «длина/ширина» до 10-30), в то время как
обычно МСГ имеет отношение длины к ширине порядка 3-5.
Этап 3 Этап 2 Этап 1

Рис. 2.4. Этапы создания элемента в электронных приборах
на основе дискретной углеродной наноструктуры:
этап 1 - создание планарной металлической структуры на термически
окисленной пластине кремния: а - вид сверху; б - вид сбоку:
этап 2 - формирование двух микроэлектродов с узким зазором
при помощи фокусированного ионного пучка:
этап 3 - нанесение УНС методом диэлектрофореза:

1 - металлические контактные площадки; 2 - металлическая дорожка;

3 - диоксид кремния; 4 - кремневая подложка:

5 - формирующиеся при помощи ионного пучка микроэлектроды.

6-УНС
Рис. 2.5 а - РЭМ-изображение четырех пар металлических электродов,
сформированных методами фотолитографии на подложке термически
окисленного кремния' б - УНТ нанесенная между Тнэлектродами методом
диэлектрофореза: в - пластина многослойного графена, нанесенная
методом ДЭФ между УУ-электродами; г - графитовая нанолента,
нанесенная методом ДЭФ между Ы1-электродами.

Масштаб: а - 500 мкм' б - 1 мкм: в - 2 мкм: г - 5 мкм

Таблица 2.1

Параметры процесса диэлектрофореза при нанесении углеродных
наноструктур на различные типы металлических электродов
[11Нр8://<И88.ипп.ги/П1е8/2016/626/<И88-А1аГегс1оу-62б.рбГ]

Параметр процесса диэлектро- фореза Многослойный графен Графитовая нанолента Углеродная нанотрубка
Тип металла электрода
ТУ Т1 Р1 № ТУ Т1 Р1 № ПТУ П
Амплитуда напряжения (пик-пик), В 3 5 3 1,5 3 1,5
Частота, МГц 40 40 0.1
Окончание таблицы 2.1

Параметр процесса диэлектро- фореза Многослойный графен Графитовая нанолента Углеродная нанотрубка
Тип металла электрода
ЗУ Т1 Р1 № ЗУ П Р(№ ПЗУ П
Время, с 180 230 120 210 90-100 120 80 90
Концентрация УЖ в суспензии, хгктмл -10 7 -30
Количество осажденных УНС, шт. 7-10 1-5 2 1 1-2 1-3 1-2

2.4.2. Метод формирования тонких пленок
на основе массива углеродных наноструктур

Для создания тонких непрерывных пленок, состоящих из пластин мно-
гослойного графена или графитовой наноленты, часто применяют модифици-
рованный метод Ленгмюра - Блоджетт, разработанный в СС8 - ГГМ1САМР,
Вгагй. Отличие модифицированного метода Ленгмюра - Блоджетт от класси-
ческого (коммерческого) заключается в следующем. Деионизованной водой
заполняется трапецеидальная тефлоновая кювета (рис. 2.6).

Подложка с гидрофильной поверхностью крепится вертикально у дна
кюветы к боковой стенке. В случае создания пленки из МСГ (графитовой
наноленты) не могут быть использованы стандартные легколетучие раство-
рители (бензол, толуол, хлороформ и т. д.), так как в них может происходить
образование 30-структур из наносимого материала на поверхности воды.
Решением этой проблемы может быть использование полярных растворите-
лей типа НМП или ДМФА, которые обычно применяются для приготовле-
ния суспензий графена. После нанесения суспензии и испарения (частичного
растворения в воде) растворителя в течение 10 минут формируется пленка из
равномерно распределенных свободно плавающих на поверхности воды
графеновых листов (рис. 2.6, а). Далее, при медленном стоке воды вниз (от-
верстие находится внизу кюветы), с соответствующим уменьшением площа-
ди поверхности водного зеркала, что обеспечивается наклонной стенкой кю-
веты, происходит сближение пластинок МСГ (графитовой наноленты) с об-
разованием всё более компактной пленки (рис. 2.6, б). Затем по мере мед-
ленного снижения уровня воды происходит нанесение сформировавшейся
пленки на вертикально ориентированную подложку (рис. 2.6, в). За счет осо-
бой трапецеидальной геометрии кюветы - стенка кюветы, противоположная
по отношению к образцу, выполнена под углом в 45° (рис. 2.6)- происхо-
дящее по мере вытекания воды уменьшение площади водного зеркала, по-
крытого пленкой, в точности соответствует площади пленки, наносимой на
образец, что приводит к поддержанию постоянного поверхностного натя-
жения, т. е. постоянства плотности пленки в течение всего процесса нанесе-
ния.

Рис. 2.6. Схема нанесения (сбооки) пленок из многослойного графена
модифицированным методом Ленгмюра - Блоджетт

□ - свободно плавающие на поверхности воды пластино| МСГ
(после распределения микрошприцем) 6 - формирование (компактовка)
пленки МСГ при снижении уровня воды в кювете; в - нанесение
сформировавшейся пленки МСГ на смачиваемую водой подложку.

1 - вода; 2 - пластины МСГ; 3 - сток воды: 4 - подложка

Данным методом возможно нанесение пленок УНС как на твердые
(термический диоксид кремния или стекло), так и на гибкие полимерные
подложки, к примеру, полидиметилсилоксан (ПДМС). Важно отметить, что
поверхность ПДМС является гидрофобной. Для придания гидрофильных
свойств полимерная подложка обрабатывалась СЬ-плазмой емкостного ВЧ-
разряда в течение 10 минут (поток кислорода 10 см/мин при давлении
50 мТорр и мощности 300 Вт). Подложки термически окисленного кремния
обрабатывались в растворе Н28О4 и НэСЬ (4:1) для удаления органических
соединений и улучшения ее гидрофильных свойств. Стеклянные подложки
последовательно проходили обработку в ультразвуковой ванне по 15 минут
в одномолярным растворе НС1, изопропаноле и деионизованной воде. При-
меры морфологии поверхности пленок из УНС, нанесенных на различные
типы подложек, представлены на рис. 2.7.
в

Рис. 2.7. РЭМ-изображение пленок УНС, полученных
модифицированным методолл Ленгмюра - Блоджетт:
а и б - пленки многослойного графена на подложке $1 / ЗЮз;
в - графитовая нанолента на подложке $1 / ЗЮя, показаны две смежные
стороны подложки: г - графитовая нанолента на стеклянной подложке.

Масштаб: а, в - 200 мкм; 6-10 мкм: г - 50 мкм

2.5. Наноэлектронные устройства на основе
углеродных наноматериалов

2.5.1. Тензометрический сенсор на ось ове пленок
из многослойного графена

Хорошие электрические, термические и механические свойства как от-
дельных УНС, так и массивов (пленок) на их основе, а также наличие уже от-
работанных технологий их изготовления позволяет конструировать разнооб-
разные электронные приборы, прежде всего, сенсоры, основным рабочим
элементом в которых являются УНС.

В работе [Ьпр8://<1188.ипп.ги/й1е8/2016/626/<1188-А1аГег<1оу-626.р<1Г| были
представлены конструктивно-технологические особенности разработки тен-
зометрического датчика на основе углеродных наноструктур (УНС).

Для создания приборов на основе дискретных УНС методами фотоли-
тографии на 81/8 КУ-подложке были сформированы планарные металличе-
ские структуры, представляющие собой металлические дорожки (шириной
4-20 мкм, длиной 300 мкм, высотой 200-500 нм), оканчивающиеся двумя
квадратными контактными площадками (200x200 или 300x300 мкм с высо-
той 200-500 нм). Далее при помощи фокусированного ионного пучка в сере-
дине металлической дорожки был прорезан узкий зазор шириной 1-2 мкм.
Методом диэлектрофореза в зазор поверх микроэлектродов наносились оди-
ночные УНС (многослойный графен, графитовая нанолента или многостен-
ная углеродная нанотрубка). Затем для улучшения термического и электри-
ческого контакта образцы подвергались отжигу в высоком вакууме при тем-
пературе 300-700 °С, зависящей от используемого металла при создании
микроэлектродов и наносимых УНС. Таким образом, был сформирован рези-
стивный элемент, активной областью которого является УНС (многослойный
графен или многостенная углеродная нанотрубка). Данная структура может
являться как самостоятельным чувствительным элементом в сенсорных дат-
чиках, так и служить основой для гибридных структур сенсорных элементов.

Поскольку пленки из многослойного графена (графитовых нанолент)
на полимерной подложке очень чувствительны к механическим деформаци-
ям (растяжение, изгиб), то указанные структуры могут служить хорошим
датчиком механических деформаций в широком диапазоне или тензометри-
ческим сенсором (тензорезистором).

С целью улучшения износостойкости пленки из графитовых нанолент с
графеновыми электродами на полимерной подложке, поверх пленки из мно-
гослойного графена методом плазменного высокочастотного распыления в
вакууме по краям были сформированы полосковые металлические контакты
Аи (200 нм) / Т1 (50 нм) (рис. 2.6) шириной 5 мм. Однако при исследовании
сенсора с металлическими электродами было выявлено снижение диапазона
чувствительности по сравнению с образцом с графеновыми электродами
(рис. 2.8). При деформации более чем на 13 % (растяжение) металлические
электроды перестают проводить ток за счет растрескивания металлической
пленки, т. е. перестают быть чувствительными.

Рис. 2.8. Изображение полупрозрачного сенсора механических деформаций
на полимерной основе, покрытой пленкой из графитовых нанолент:

1 - гибкий металлический электрод: 2 - пленка из графитовых нанолент
металлические электроды

1 рафеновые электроды

-20

Со -40

О'-

-60

-80

100

0 5 10 15 20 25 30

\6Т=6.5

, а

- \

_ 677=24

та

^=3

а.

й.

ОР =6

та.

"-.Л ОТ =1.5

* 6Т=0.8

ВЧн--»._В-----в-.

~8-

- ч

е (%)

Рис. 2.9 Зависимость электрических характеристик сенсоров
на основе пленок из графитовых нанолент с различными типами электродов
при растяжении до 30 %. Рядом с каждым линейным участком кривых
указаны значения коэффициента тензочувстзительности СР

Для описания работы тензометрических датчиков принято использо-
вать величину, называемую коэффициентом тензочувствительности ОР
(§аи§е(ас1ог), которая определяется как отношение относительного измене-
дя м ,

ния сопротивления — или тока — к относительной деформации е

ДА Д/

е е

Иными словами, коэффициент тензочувствительности - это наклон
прямой на различных участках зависимости — (₽) (рис. 2.9). Из графика на
Л>

рис. 2.7 видно, что в случае сенсора с металлическими электродами величина
ОР больше, чем для сенсора с графеновыми электродами, во всем диапазоне
исследуемых значений е. Однако сравнение двух графиков показывает, что
повышенная чувствительность датчика с металлическими электродами опре-
деляется деформацией собственно электродов, которая становится необрати-
мой при больших значениях <.

Эти два обстоятельства: снижение чувствительности при е > 13 % и бо-
лее высокое значение ОР для сенсора с металлическими электродами по
сравнению с сенсором с графеновыми электродами могут быть связаны с
диапазоном стабильности (по деформации) металлических электродов. В ра-
боте [Ьйрз://(1188.ипп.ги/й1е8/2016/626/сЙ88-А1а(ег(1оу-626.р<1Г| было установле-
но, что уже при малом растяжении (2 %) металлические электроды начинают
разрушаться (рис. 2.8), формируя островковую структуру, что сопровождает-
ся резким падением (более чем на четыре порядка) тока, проходящего через
сенсор (рис. 2.9).

Таким образом, при повторном цикле деформации прежняя высокая
чувствительность больше не наблюдается. При более высоких деформациях
количество островков на металлических электродах увеличивается, что при-
водит к полной потере электрического контакта между ними при растяжении.
Также стоит отметить тот факт, что в случае металлических электродов
наблюдалось нелинейное по е падение тока, проходящего через структуру
(вставка на рисунке), растяжение было линейным. Предположительно, ли-
нейное падение тока при растяжении может быть следствием плавного
уменьшения площади контакта между графитовыми нанолентами, в то время
как для сенсора с металлическими электродами скачкообразное падение про-
водимости соответствует растрескиванию электрода.

Рис. 2,10. Изображение в оптическом микроскопе металлических
электродов Т1 (50 нм) / А и (200 нм) тензометрического сенсора
до растяжения (а) и после растяжения на 2 % (б). Масштаб: 50 мкм

Таким образом, поиск износостойких и стабильных при деформации
электродов является актуальной задачей исследований.

С целью выявления стабильности непосредственно самой пленки из
графитовых нанолент для тензометрического сенсора были выполнены экс-
перименты с высоким количеством циклов растяжения-сжатия с 5 = 2 %, ко-
гда свойства металлических электродов не претерпевают заметных измене-
ний (рис. 2.12).

В течение первых 500 циклов наблюдалось заметное изменение (увели-
чение) средней величины тока, регистрируемого датчиком. Это увеличение
(дрейф) тока может быть связано с постепенным улучшением контактов
между графитовыми нанолентами (связано с качеством нанесения пленки из
графитовых нанолент), а также с нестабильными механическими свойствами
полимерной подложки (ПДМС) при большом количестве растяжений. При
— металлические алектроды
графеновые электроды

и гЛЛГЛЛЛЛЛт

-20

~-40
О'

^-60

-80

-100

0 100 200 300 400 500 600 700 ВСО

Время (с)

Рис 2.Т 1. Зависимость электрической характеристики — при растяжении
на 2 % тензометрического сенсора с двумя типами электродов

Количество циклов (шт.)

Рис. 2.12. Зависимость изменения тока, протекающего
через тензометрический сенсор, при большом количестве циклов
растяжение - сжатие (2 %). На вставке показан график изменения
(сохранения практически постоянно!/) величины — в зависимости от количества
'о

циклов растяжение - сжатие (2 %). Измерения выполнены при напряжении 1 В
дальнейшем увеличении количества циклов наблюдалось постепенное за-
медление скорости дрейфа (вплоть до -2000 циклов). После 2000 циклов
дрейф практически отсутствовал. Вместе с этим стоит отметить, что величи-
на —, ответственная за (гг, т. е. за главную характеристику сенсора, на про-
Д>

тяжении более чем 5000 циклов оставалась практически постоянной.

В качестве еще одного потенциального применения пленок из МСГ
может стать датчик пульса [ЬНр8://<И88.игт.ги/й1е8/2016/626/<1188-А1аГег<1оу-
626.р<±Е]. По измерениям, выполненным на сонной артерии мужчины 28 лет,
представляется возможным не только определить количество импульсов
сердцебиения в минуту, но и характеризовать их форму. Отметим также, что
показания сердцебиения можно снимать и с других частей тела человека.
Предполагается, что в данном случае основным механизмом, ответственным
за изменение протекающего через сенсор тока (детектирования), является
деформация (изгиб) полимерной подложки и соответствующее ей изменение
проводимости пленки.

Также необходимо отметить низкую потребляемую мощность (10 4 <-
10 5 Вт) разработанного тензометрического датчика (рис. 2.12 и 2.13, б),
что наряду с высокой стабильностью делает данный прототип перспектив-
ным для вышеописанных применений.

2.5.2. Механические реле на углеродных нанотрубках

Наноэлектромеханическис переключатели на углеродных нанотрубках
могут оказаться весьма перспективными в высокочастотных системах и
устройствах, работающих в экстремальных климатических условиях или экс-
тремальных условиях космического пространства.

Твердотельные переключатели по своей природе весьма чувствительны
к радиации, и их работа в экстремальных температурных условиях ненадеж-
на, поскольку физические свойства кремния существенно изменяются как
при низких, так и при высоких температурах. В космических применениях
потребление энергии, надежность и размер - все эти параметры играют го-
раздо большую роль, чем в потребительской электронике или даже военных
применениях [39].

Наноэлектромеханическис устройства (НЭМ), в отличие от переклю-
чателей на твердом теле, имеют низкие величины тока в состоянии ВЫКЛ,
поскольку их проводящие детали физически изолированы друг от друга.
В частности, углеродные нанотрубки (УНТ) имеют замечательные механи-
ческие и электрические свойства, которые делают их превосходными кан-
дидатами в проектировании НЭМ. Они исключительно жестки, переносят
очень большие механические напряжения, а их очень малая масса и хими-
ческая инертность являются многообещающими для маломощных быстро-
действующих переключателей с низкими электрическими потерями на
утечку.
Рис. 2.13. а - датчик пульса на основе пленки из графитовой наноленть1,
интегрированный в реллешок, предназначенный для крепления на теле человека.
На вставках показан датчик пульса, зафиксированный на шее у человека;
б - излленение тока, проходящего через пленку графитовой наноленты на
полиллерной подложке, зафиксированной на сонной артерии ллужчины 28 лет:
верхний график - в расслабленнолл состоянии (пульс 57 ударов в ллинуту),
нижний график - после небольшой физической нагрузки (пульс 69 ударов
в ллинуту). Изллерения выполнены при напряжении 1 В

НЭМы на нанотрубках уже были использованы во многих приложени-
ях в диапазоне от нанопинцетов до запоминающих устройств.

Исследователи Лаборатории реактивного движения Калифорнийского
технологического института (,1е1 Ргорикюп ЬаЬогаФгу - ТРЬ, СаНГопма
1п8Й1и1е оГТесЬпо1о§у Ракабепа, СА) - одни из наиболее успешных в этой об-
ласти, они разработали сразу несколько архитектурных решений для НЭМ-
переключателей, используя метод разработки, известный как снизу вверх
(Ьойот-ир), которые были бы пригодны для использования в экстремальных
условиях. Такие НЭВ используют нанотрубки, синтезированные методом
плазменно-химического напыления (ПХН).
Одна из конструкций состоит из одностенных нанотрубок, которые пе-
ремыкают нанопазы, проделанные в металлическом электроде. Нанотрубки
выращены при температуре 850 °С в присутствии определенного катализато-
ра из железа. Поскольку в присутствии некоторых металлов происходит ка-
талитическое отравление нанотрубок, процесс синтеза усовершенствован
присутствием ниобия как огнеупорного материала, совместимого с высоко-
температурным ПХН. Изображение такого устройства с нанотрубкой, пере-
крывающей паз, хорошо иллюстрируется рисунком 2.14.

(а)

<Ь)

Рис. 2.14 а - изображение наноэлектромеханического (НЭМ) устройства,
полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)
с небольшим увеличением; схема устройства показана нс вставке;
Ь - СЭМ-изображение, демонстрирующее одностенную нанотрубку (ОСНТ),
перемыкающую нанопоз. Среди обозначений: РЕСУО (р1азта-еп1эапсес1
сНетюа! уарог с1еро5Июп) - плазменно-химическое напыление

Измерения питающего напряжения в таких устройствах показали
хорошо детерминированные состояния ВКЛ и ВЫКЛ, и это видно на
рис. 2.13. Увеличение напряжения между верхним и базовым электродами
составило четыре порядка величины при изменении тока от минимума до
максимума. Типовые потери на рассеяние мощности были очень невелики,
всего сотни нановатт. Время переключения для разработанных устройств
составило всего несколько наносекунд.

Были также оценены радиочастотные характеристики таких НЭМ пе-
реключателей, поскольку микроэлектромеханическис системные переключа-
тели имеют значительно более совершенные характеристики по сравнению с
Р1М-диодами и полевыми транзисторами на высоких частотах. Индуктивное,
емкостное сопротивления и сопротивление постоянному току были вычисле-
ны с учетом квантовых параметров нанотрубок, и эквивалентный электриче-
ский контур был рассчитан и смоделирован на частотах до 100 ГГц. Было по-
казано, что изоляция в конфигурации шунта подавлена благодаря огромной
индуктивности трубок и высокой постоянной составляющей сопротивления.

В альтернативной конфигурации высокая индуктивность нанотрубки
была рассчитана так, чтобы повысить радиочастотные характеристики. Для
этого в конструкции переключателя часть трубки металлизировали. В состо-
янии ВЫКЛ, где смещение постоянного тока не приложено, высокая индук-
тивность трубки предотвращает любое паразитное соединение между радио-
частотными каналами и трубкой, что создает изоляцию, равную по крайней
мере 20 дБ на частотах вплоть до 100 ГГц. В состоянии ВКЛ металлизиро-
ванная часть нанотрубки входит в контакт с подстилающими металлически-
ми прокладками, которые обеспечивают прохождение радиочастотных сиг-
налов с низкими потерями (<0,5 дБ на 100 ГГц).

Рис. 2.15. Вольтамперные характеристики НЭМ
за несколько циклов

Переключатель подобной конструкции с использованием нанотрубки
представляется исключительно удачным с точки зрения радиочастотных ха-
рактеристик. В дополнение к этому НЭМ-переключатель имеет хороший по-
тенциал в операционных параметрах - низкое питающее напряжение (<10 В)
и высокое быстродействие (лучше, чем мкс), которые очень трудно получить
одновременно в переключателях МЭМС (микроэлектромеханические систе-
мы), известных и достаточно разработанных на сегодня.

Помимо многообещающих применений НЭМ-переключателей в высо-
кочастотных системах связи, исключительно большое значение имеет разра-
ботка методов контроля механических параметров углеродных нанотрубок с
использованием методов их выращивания в электрическом поле. Общая
цель - разработка переключателей для использования в устройствах посто-
янной памяти (не теряющих данные при выключении) и логических контурах
с параметрами, которые позволяют использовать такие инструменты в экс-
тремальных условиях при исследовании космического пространства.
Рис. 2.16. а - изоляция ТЭМ в положении ЗЫКА вплоть до 100 ГГц;

Ь - вносимые потери в положении ВКЛ вплоть до 10 ГГц;
на вставке - вносимые потери в увеличенном масштабе

2.5 3. Биосенсоры на основе графена

2.5.З. Т. Принципы консгруирс ..ания биосенсеров

Биосенсоры - это аналитические устройства, в которых чувствитель-
ный слой, содержащий биологический материал, реагирует на присутствие
определяемого компонента и генерирует электрический сигнал, функцио-
нально связанный с наличием и концентрацией этого вещества. Биоматериа-
лом могут служить ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены / антитела,
липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, а также клетки, которые иммобили-
зованы на физических датчиках.

Идея создания такого рода устройств возникла сравнительно недавно,
в 1960-х гг. Впервые ее высказали Л. Кларк и К. Лионе в 1967 г. Идея Кларка
состояла в использовании ферментного электрода, т. е. электрохимического
датчика с иммобилизованным на его поверхности ферментом. Затем в обиход
вошло понятие «биосенсор».

Принципы конструирования биосенсоров. Конструктивно биосенсор
представляет собой устройство, состоящее из двух преобразователей, или
трансдьюсеров, - биохимического и физического, находящихся в тесном
контакте друг с другом.
Клеточные биосенсоры. Одно из достижений биотехнологии связано с
развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители
различной природы и применением такого рода материалов для решения за-
дач медицины и управляемого биосинтеза.

Рис. 2.17. Принципы конструирования биосенсоров

Для создания биосенсоров используют различные микроорганизмы:
Метцгоьрога еигореа - для определения аммиака, ТпсЬозрогоп Ьгазккае - для
определения уксусной кислоты, 8агста 11а\ а - для определения глутамина,
А/о1оЬас1ег уте1аи<1й - для определения нитратов и др.

Биосенсоры можно использовать также для: измерения пищевой цен-
ности, свежести и безопасности продуктов питания; экспресс-анализа крови
непосредственно у кровати больного; обнаружения и измерения степени за-
грязнения окружающей среды; детекции и определения количества взрывча-
тых веществ, токсинов и возможного биологического оружия, извлечения
металлов из сточных вод; изготовления водородных солнечных элементов;
очистки природных и сточных вод.

Прообразом современных биочипов послужил саузерн-блотт, изготов-
ленный в 1975 г. Э. Саузерном. Он использовал меченую нуклеиновую кис-
лоту для определения специфической последовательности фрагментов ДНК,
зафиксированных на твердой подложке. В России ученые начали активно
разрабатывать биочипы только в конце 1980-х гт. в Институте молекулярной
биологии РАН под руководством А. Д. Мирзабекова.

2.5.3.2 . Принципы функционировании биосенсоров

На момент выхода этой книги существует несколько основных типов
биочипов - матричные (с иммобилизованной ДНК), микрофлюидные (капил-
лярные) и биочипы с использованием микросфер с цветовой кодировкой.
Размеры ячеек лежат в пределах 50-200 микрон, общее число ячеек на чипе
составляет 103-105, а его линейные размеры равны приблизительно 1 см.
Чаще всего для изготовления чипов служат пластинки из стекла, пла-
стика, полупроводника или металла, на которые наносят биологические мак-
ромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать
вещества, содержащиеся в анализируемом растворе.

В зависимости от того, какие макромолекулы используются, выделяют
различные виды биочипов, ориентированные на разные цели. В настоящее
время преобладает производство ДНК-чипов (94 %), т. е. матриц, несущих
молекулы ДНК. Оставшиеся 6 % составляют белковые чипы.

В основе принципа работы всех типов биочипов с иммобилизованной
ДНК лежит точное соответствие между прямой и комплементарной ДНК по
правилу Уотсона - Крика (А/Т или О/С). Гибридизуемая ДНК обычно зара-
нее нарабатывается в достаточных количествах с помощью полимеразной
цепной реакции (ПЦР). Далее в ходе реакции на чипе происходит взаимодей-
ствие комплементарных цепей ДНК: одна из них с известной последователь-
ностью нуклеотидов зафиксирована на пластине, а другая - одноцепочечная
ДНК-мишень, меченая флуоресцентной меткой, наносится на ДНК-чип.

Особенностью российских гелевых биочипов является то, что такие ге-
ли удерживают большее количество пробы, нежели двухмерные, и потому
чувствительность отечественных биочипов выше, а следовательно, ниже тре-
бования к регистрирующей аппаратуре. Немаловажно и то, что реакции
в объемном геле протекают так же, как и в жидкостях, т. е. как в живом орга-
низме. Это позволяет получить результат, максимально приближенный к ре-
альности.

ДНК-микрочипы применяют с целью практического использования
информации, полученной в результате секвенирования геномов человека и
других живых организмов, а именно для: идентификации мутаций в генах,
связанных с различными заболеваниями; наблюдений за активностью генов;
диагностики инфекционных заболеваний и определения наиболее эффектив-
ного метода терапии; идентификации генов, важных для продуктивности
сельскохозяйственных культур; скрининга микроорганизмов, как патоген-
ных, так и полезных, например используемых для восстановления заражен-
ных органическими отходами почв.

Чтобы использовать известные последовательности генов и геномных
карт, необходимо определить функции входящих в их состав генов. Без бел-
ковых микрочипов эта работа очень трудоемка. Белковые биочипы, несущие
молекулы, чувствительные к различным низкомолекулярным соединениям,
уже в скором будущем позволят определять наличие широкого спектра ле-
карственных веществ, гормонов, наркотиков, ядов.

Белковые микрочипы предполагается использовать для: обнаружения
белковых биомаркзров, характерных для различных заболеваний и даже раз-
ных их стадий; оценки потенциальной эффективности и токсичности препа-
ратов в доклинических испытаниях; измерения различий в синтезе белков
отдельными типами клеток (клеток, находящихся на разных стадиях разви-
тия, здоровых и патологически измененных клеткок); изучения взаимосвязи
между структурой и функциями белков; оценки экспрессии белков с целью
выявления мишеней для новых лекарственных препаратов; изучения взаимо-
действий между белками и другими молекулами.

Биочипы применяют как для исследовательских целей, так и в практи-
ческой медицине. Они помогают в поиске и установлении функций различ-
ных генов. Используя биочипы, можно диагностировать не только наслед-
ственные заболевания, но и болезни, являющиеся результатом прижизненных
мутаций в генетическом коде. Микрочипы помогают изучать молекулярные
механизмы и осуществлять проверку действия различных лекарств, причем
показания и противопоказания по применению препаратов можно выявлять
на индивидуальном уровне.

Разрабатываются также биочипы для диагностирования различных
форм туберкулеза. Биочипы можно применять для контроля за некоторыми
смертельно опасными бактериями (так, есть биочипы, позволяющие опреде-
лять возбудителей сибирской язвы, оспы, чумы и бруцеллеза).

2.5.3.3 Биосенсор для регистрации белковых молекул

В работе [Ьйр8:Л)о,ата18лойе.гп/а111с1е8/у1е'\уРВР/43411] представлены
результаты по разработке и тестированию сенсора на основе графена для ре-
гистрации белковых молекул. Для проверки работоспособности биосенсора
была выбрана иммунохимическая система, состоящая из флуоресцеина и мо-
ноклональных антител, связывающих этот краситель. Была обнаружена чув-
ствительность датчика к концентрации флуоресцеина на уровне 1-10 п§/т1 и
к концентрации конъюгата бычьего сывороточного альбумина с флуоресце-
ином на уровне 1-5 п§/т1.

Открытие способности углерода к формированию двумерной модифи-
кации (графена) привело к взрывному росту публикаций по исследованию
свойств этого материала и его возможному применению в электронике. Из-
вестно, что графен как двумерный материал обладает уникальным набором
электрофизических свойств: высокой подвижностью носителей заряда в со-
четании с их малой концентрацией; максимально возможным отношением
площади к объему; низким уровнем шумов. Сочетание этих свойств приво-
дит к тому, что адсорбция минимального количества примеси на поверхность
графена может заметно изменить его общую проводимость. Таким образом,
графен является весьма перспективным материалом для изготовления
различных типов сенсоров.

В работе \8скесПп Р., Осип А.К., Могогоу 8. V. е1 а1. // №1. Ма1ег. 2007. V.
6. Р. 652] было показано, что графен способен чувствовать адсорбцию даже
одной молекулы. Присоединенные молекулы газа в зависимости от их заряда
и типа проводимости графеновой пленки ведут себя как доноры или акцеп-
торы, т. е. изменяют концентрацию подвижных носителей заряда. В резуль-
тате в зависимости от типа адсорбированной молекулы наблюдалось умень-
шение или увеличение сопротивления пленки.
Одним из серьезных недостатков известных конструкций графенового
газового сенсора является отсутствие селективности. Действительно, по из-
менению проводимости нельзя сказать, какая именно молекула адсорбирова-
лась на поверхность графена. Более того, некоторые молекулы дают вклады
противоположного знака; таким образом, суммарное изменение сопротивле-
ния может быть близко к нулю. Проблему селективности датчика на основе
графена можно решить путем использования реакции антиген - антитело.
Компоненты этой пары могут взаимодействовать только друг с другом и
больше ни с какими другими белками. Известно, что на определенных стади-
ях многих заболеваний человека в крови появляются антигены-маркеры, спе-
цифичные для одного или для группы заболеваний. Эти антигены могут вза-
имодействовать со специфичными антителами, предварительно нанесенными
на поверхность графенового сенсора. Реакция, как и в случае газового сенсо-
ра, приводит к изменению сопротивления графеновой пленки.

Как утверждают авторы [Ьйр8^/]оита18ЛОЙе.ги/аг(1с1е8/у1е'\уРВР/43411],
использование пары антиген - антитело позволяет решить проблему селек-
тивности биосенсора и открывает очень широкие возможности для использо-
вания датчиков на основе графена в медицине и биологии. Этот подход мо-
жет привести к созданию портативных биосенсоров, способных в режиме
экспресс-анализа выявлять в биологических жидкостях диагностически зна-
чимые маркеры заболеваний, которые в настоящее время детектируются
только с помощью трудоемкой и продолжительной процедуры иммунофер-
ментного анализа.

В работе [пйр8://]оита18лойе.ги/ай1с1е8/у1е\уРВР/43411] были представ-
лены результаты разработки и тестирования биосенсора на основе графена,
полученного термодеструкцией поверхности 81С.

Пленки графена были выращены на полуизолирующих подложках 81С
политипа 6Н методом термического разложения карбида кремния при темпе-
ратуре около 1700 °С. Перед ростом графена подложка травилась при 1600 °С
в атмосфере водорода для удаления дефектного слоя с поверхности.

На рис. 2.16 в рамановском спектре, полученном от структуры графен
6Н-8Ю (спектр 1 на вставке), в основном доминируют широкие интенсивные
полосы. Эти полосы обусловлены процессами второго порядка для рассеяния
света от подложки 6Н-81С, что сильно препятствует получению детальной
информации о спектре графеновой пленки. Из спектра 1 был вычтен спектр
чистой подложки 6Н-81С, который был получен при аналогичных условиях
измерения (спектр 2 на вставке рис. 2.16). Разностный спектр содержит ли-
нии С (о ~ 1600 спГ1), 20 (о ~ 2720 ст ) и слабую линию О (о ~ 1360 ст1),
которые характерны для рассеяния света на графеновой пленке. В работе
[Ееггап А.С., Меуег 2.С., ЗсагАас! V. е1 а1. И Р1ту8. Кеу. 1_е11. 2006. - V. 97. -
Р. 187-401] было показано, что отношение интенсивностей линий И и 20
может быть использовано для оценки количества монослоев в графене. Было
установлено, что отношение интенсивностей пиков 1д/12о ~ 0,24 указывает на
монослойность графена.
Яшпап Аи)1, ст-1

Рис. 2.18. Типичный рамановский спектр пленки графена,
вывощенной на подложке 6Н-51С На вставке показан спектр структуры
графен / 6Н-5Ю (1) и спектр, полученный от подложки 6Н-ЛС (2)

Линия О не должна наблюдаться в спектрах структурно совершенных
образцов графена, однако она может появляться в них при наличии рассеяния
на дефектах. Как было показано в работах [Рпнепш М. А., ВгеззеПгаия О. е(
а1. И Рйуз. СЬст. СЬет. РЬуз. 2007. - V. 9. - Р. 1276], отношение интенсивно-
стей линий О и 6 (1о/ 1о) может быть использовано для оценки структурного
качества графеновой пленки: чем меньше это значение, тем совершеннее
пленка. Из данных, приведенных на рис. 2.18, видно, что значение отноше-
ния (1в / 1в) не превышает 1/8, что говорит о хорошем структурном совер-
шенстве выращенных пленок графена.

Положение линии С (о ~ 1600 ст ’), регистрируемое в спектре графено-
вой пленки, существенно отличается от положения линии С (и ~ 1580 ст '),
которое характерно для недеформированного кристаллического графита.
Наблюдаемый высокочастотный сдвиг линии <7 можно объяснить напряжени-
ями сжатия, которые возникают вследствие разницы рассогласования пара-
метров решетки и коэффициентов термического расширения графена и 81С.

В работе [Л7 2.Н., Скеп И7, Рап Х.Р. е(. а1.// РНуч. Неу. В 2008. - V. 77. -
Р. 115 -416] было показано, что в рамках модели двуосной деформации ве-
личину напряжений сжатия о в плоскости графенового слоя можно оценить
с использованием соотношения с)о - сто = ао; здесь и» - положение О-линии
в спектре исследуемой структуры графен / 81С; оо = 1580 ст 1 - частота
О-линии в рамановском спектре недеформированного кристаллического
графита; а - деформационный коэффициент графита, который равен а =
= 7,47 ст */ОРа. Для полученных в данной работе графеновых пленок вели-
чину напряжений сжатия можно оценить как с = 2,7 ±0,1 ОРа.
Т1 / Аи-контакты к графену были сформированы с помощью электрон-
но-лучевого испарения и взрывной фотолитографии. Чип датчика размером
2><2 тт был приклеен на керамический держатель и распаян с помощью Аи-
проводов. Проводящий канал графенового датчика был модифицирован с
помощью реакции диазотизации.

Для разработки технологии изготовления биосенсора на основе графе-
на была выбрана иммунохимическая система, состоящая из флуоресцеина и
моноклональных антител (МКАТ), связывающих флуоресцеин в виде как
свободных молекул, так и химической группы, ковалентно присоединенной к
белковым носителям. Молекулярная масса флуоресцеина (0,332 Ша) сопо-
ставима с размерами ряда биологически значимых маркерных молекул, таких
как гормоны, нуклеотиды и некоторые короткие пептиды.

Флуоресцеин в течение многих лет применяли в качестве флуорохрома
для мечения антител, используемых в люминесцентной микроскопии. Его
изотиоцианатное производное (НТС) в мягких условиях образует устойчи-
вые ковалентные связи с белками, при этом свойства модифицированных
белков изменяются мало, а количество присоединенных молекул флуорохро-
ма определяют спектрофотометрически. Флуоресцеин, ковалентно присо-
единенный к белкам, так же как свободная молекула, поглощает свет с дли-
ной волны 488 пт и излучает в желто-зеленой области (495-522 пт).

Рис. 2.19. Изменение сопротивления датчика при контакте
с растворами, содержащими указанные на грасрике концентрации
свободного флуоресцеина. По оси ординат - изменение сопротивления (%),
по оси абсцисс - время контакта с растворами (з)

Для разработки технологии нанесения антител на поверхность графе-
на были использованы полученные в лаборатории гибридомной технологии
РНЦ РХТ мышиные МКАТ против флуоресцеина (код антител Р2АЗ). Обра
зец графена был помещен в раствор 2<)М 4-нитробензол диазоний тетраф-
люобората (НДТ) и 0,1 М тетрабутиламмоний тетрафлюобората в ацетонит-
риле. После присоединения нитрофениловых групп к поверхности графена
проводилось восстановление нитрофениловых групп в фениламинные.
Электрохимическая реакция проводилась в 0,1 М-растворе КС1 в смеси во-
ды и этилового спирта 9:1. Постоянное напряжение - 0,9 V прикладыва-
лось между / А§С1-эдектродом и графеновым электродом. Активирован-
ные графеновые образцы погружались в раствор антитела Р2АЗ и выдержи-
вались 5Н при +4 °С, затем споласкивались водой и высушивались.

Рис. 2.2С. Изменение сопротивления датчика при контакте
с растворами, содержащими указанные на графике концентрации
конъюгата БСА с флуоресцеином (Г- В5А-5) или смесь конъюгата
и свободного флуоресцеина. По оси ординат - изменение сопротивления (%),
по оси абсцисс - время контакта с растворами (з)

Измерения отклика датчика производились в режиме постоянного при-
ложенного напряжения 50 тУ, при этом регистрировалось изменение тока
через графеновый резистор. Отклик датчика г на измеряемый реагент рассчи-
тывался по формуле г = I - 1о / 1о, где I - ток через датчик, /о - ток перед вне-
сением реагента. Измерения проводились в боратном буферном растворе.
Испытания датчика на основе графена с нанесенными на его поверхность
МКАТ против флуоресцеина показали, что при контакте с растворами, со-
держащими низкомолекулярный лиганд в концентрациях 1 или 10 п§/т1,
электрическое сопротивление сенсора отчетливо изменялось (рис. 2.20).

В качестве высокомолекулярного лиганда в работе был использован
приготовленный в лаборатории препарат бычьего сывороточного альбуми-
на, конъюгированного с флуоресцеином (Р-В8А-5). Молекулярная масса
Р-В8А-5 (69 кВа) сопоставима с размерами белков, используемых в каче-
стве маркеров заболеваний человека. В составе конъюгата с Р-В8А-5 каж-
дая химическая группа флуоресцеина составляет около 5 % массы молеку-
лы. По данным спектрофотометрии, использованный в работе конъюгат со-
держал по три группы флуоресцеина на одну молекулу Р-В8А-5. При кон-
такте с раствором высокомолекулярного лиганда (Р-В8А-5) изменения
электрического сопротивления датчика были зарегистрированы при концен-
трациях конъюгата 1.37-3.11 п§/т1. После контакта с раствором, содержа-
щим Р-В8А-5 в наибольшей концентрации, датчик сохранял способность
реагировать на добавление в раствор свободного низкомолекулярного ли-
ганда в концентрации 1 п§/т1. Полученные данные указывают на то, что
датчик на основе графена и нанесенных на его поверхность МКАТ способен
присоединять не только низкомолекулярные лиганды, такие как флуоресце-
ин, но и белковые макромолекулы, масса которых по крайней мере в 20 раз
превышает размеры низкомолекулярных лигандов.

Диагностика заболеваний человека в настоящее время в значительной
мере основана на определении концентраций или присутствии в крови опре-
деленных маркерных молекул, специфичных для одного или целой группы
заболеваний. Выявление диагностически значимых макромолекул выполня-
ется с помощью длительного и трудоемкого метода иммуноферментного
анализа. Применение биологических сенсоров на основе графена позволит
ускорить и технически усовершенствовать процесс диагностики заболеваний
человека.

2.5.4. Биосенсоры на основе оксида графена

2.5 4.1. Безмаркерные биосенсоры на основе оксида графена

В последние годы безмаркерные биосенсоры на основе фотонных и
плазмонных волноведущих систем оказали существенное влияние на процесс
разработки и изготовления лекарственных средств. С помощью биосенсоров
анализ взаимодействия кандидатов в лекарственное средство с различными
мишенями позволяет оперативно получить данные об их эффективности и
токсичности, а в перспективе позволит заменить испытания лекарственных
препаратов на людях и животных. Пока основное препятствие на пути пол-
ноценного внедрения биосенсоров в качестве аналитического инструмента в
лаборатории биохимиков и фармацевтов - недостаточная чувствительность.
В работе [Ьйр8://уууууу.з-апа1у11с8.ги/й1е8/агбс1е_рсШ5/агбс1е_5090_378.рс1Г]
предложен один из путей решения проблемы - это применение новых дву-
мерных наноматериалов, таких как графен и его химические производные.
Здесь были представлены результаты одного из первых исследований с дву-
мерными материалами в качестве связующих слоев для детектирующих по-
верхностей биосенсорных чипов.

Безмаркерные биосенсоры позволяют исследовать взаимодействие
различных биологически важных молекулярных объектов, таких как нукле-
иновые кислоты, белки, включая антитела и мембранные белки, вирусы и
бактерии В отличие от других биохимических методов, применяемых в
фармакологии, нет необходимости использовать флуоресцентные или ра-
диологические метки, что упрощает проведение исследований, а также
снижает вероятность получения ошибочных данных из-за влияния меток на
прохождение биомолекулярных реакций. Принцип действия значительной
части безмаркерных биосенсоров основан на оптическом явлении поверх-
ностного плазмонного резонанса (ПИР) (рис. 2.21) \$сказ/оог1 К. В. М„
ТисЬз А. А. НапдЬоок оГ ЗигГасе Р1азтоп Кезопапсе /( ТЬе Коуа1 8ос1е1у оГ
СЬсппз(гу. - СатЬпс1<ге, 2008]. Поверхностные плазмоны, то есть поверх-
ностные электромагнитные волны, возникают на границе раздела металла и
диэлектрика, причем условия возбуждения чрезвычайно чувствительны к
оптическим свойствами среды вблизи металла. В результате этого возбуж-
дения становится возможным в реальном времени наблюдать за проходя-
щими на поверхности биохимическими реакциями, определяя с высокой
точностью изменения показателя преломления этой среды.

Т - Молекулы-мишени

Рис. 2.21. Схема безмаркерного биосенсора
использующего связующий слой из оксида грасрена
для иммобилизации биологических мишеней
[ПНр5://ммм'.|-апа1у||С5.ги/1|1е5/аЙ1с1е рс^/5/аг'Ис1е 5090. 378.ро1?]

Основная область применения биосенсоров на основе ППР - фармако-
логические исследования. Изучение кинетики реакций лиганда (кандидата в
лекарственное средство) с различными мишенями позволяет получить данные
о его фармакокинетических и фармакодинамических свойствах [Соорег М. А.
Орйса! Ьюзепзогз ш йгп§ сНзссегу // №1. Кеу. 2002, 1. - 515-528]. На данный
момент биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса вклю-
чены в регламенты по исследованию лекарственных препаратов европейской
(Еигореап Месйстез Л§епсу) и американской (РоойаЫ 1Эги§ Аскттзнайоп)
организаций, занимающихся надзором за качеством лекарственных средств
Однако сегодня для полноценного внедрения безмаркерных биосенсоров в
процесс разработки лекарств необходимо добиться увеличения чувствитель-
ности метода, так как с его помощью невозможно изучать взаимодействие
крупных молекулярных мишеней с низкомолекулярными лигандами. Приме-
ром такого взаимодействия служит активация рецепторов, сопряженных с
О-белками, которые являются мишенью для 40 % выпускаемых на рынке ле-
карств.

Рис. 2.22. Биосенсорные чипы но основе оксида графена,
предназначенные для использования с коллллерческилл биосенсоролл
В|Ор1"1х 1043А. Фото Евгения Пелевина, пресс-служба МФТИ

Известно, что повысить эффективность биологических сенсоров можно
с помощью двумерных наноматериалов (таких как сам графен и его производ-
ные) в детектирующих интерфейсах, предназначенных для связывания иссле-
дуемых мишеней с поверхностью биосенсора. Графен - аллотропная модифи-
кация углерода, состоящая из составленных в гексагональную двумерную ре-
шетку атомов углерода в состоянии §р2-гибридизации, что может быть ис-
пользовано для иммобилизации биологических мишеней за счет стэкинг-
взаимодействия. Окисленная форма графена - оксид графена содержит раз-
личные кислородсодержащие группы: эпоксидные, карбоксильные, гидрок-
сильные и другие. Это позволяет осуществить ковалентную иммобилизацию
исследуемых мишеней на его поверхность, а также делает оксид графена рас-
творимым в воде и более удобным в использовании. Более того, оксид графена
проще получать, а изменяя содержание функциональных групп при помощи
термического, химического или сольвотермального восстановления, можно
выбрать оптимальные для биодетектирования оптические свойства.

В патентах [40, 41] рассмотрены такие высокочувствительные био-
сенсорные чипы со связующим слоем, выполненным из оксида графе-
на (рис. 2.19). Теоретически и экспериментально были определены опти-
мальные условия для создания связующих слоев из оксида графена, а также
изучены их оптические и структурные свойства. Эти чипы на основе оксида
графена были созданы с использованием водного раствора чешуек оксида
графена, в котором содержание однослойных чешуек превышает 80 % от
общего их числа. Для оценки чувствительности биодетектирования с ис-
пользованием связующих слоев из оксида графена на его поверхность были
иммобилизованы молекулы стрептавидина. В результате был получен био-
сенсорный чип, избирательно взаимодействующий с соединениями, имею-
щими биотиновый остаток (рис. 2.23).

Стрептавидиновые биосенсорные чипы на основе гидрогельных связу-
ющих слоев сегодня предлагаются различными компаниями, производящими
безмаркерные биосенсоры для анализа широкого класса биохимических вза-
имодействий.

Рис. 2.23. Процедура создания биосенсорного чипа
на основе оксида графена и стрептавидина и детектирования
реакции гибридизации ДНК

[Нйрз://у7УЛ^.]-апа1у||С5.гц/П1е$/агТ|с1е_рс175/аг1|с1е_5090_378.рс11:]

Оптические свойства тонких пленок оксида графена

Для исследования оптических и структурных свойств тонкую пленку из
оксида графена напыляли на поверхность стеклянной подложки из водного
раствора чешуек оксида графена. Для напыления использовали 0,78 мл рас-
твора оксида графена концентрацией 0,5 мг/мл. Характерный диаметр чешу-
ек 0,3-0,7 мкм, при этом содержание углерода - 79 % и кислорода - 20 %. На
рис. 2.24, а представлена полученная с помощью атомносиловой микроско-
пии топография поверхности пленки оксида графена. Анализ показал, что
толщина пленки оксида графена равна 23 нм, а шероховатость поверхности
составляет 4,7 нм. Далее пленку исследовали методом спектроскопической
эллипсометрии; полученные значения действительной и мнимой части пока-
зателя преломления пленок приведены на рис. 2.24, б. Измерения проводили
при длине волны оптического излучения 635 нм, используемого в коммерче-
ском биосенсоре ВЮрйх 1048А (ВЮрНх В1а§по8ЙС8, США). Получено, что у
пленок из оксида графена мнимая часть показателя преломления в шесть раз
меньше, чем у графена. Это свидетельствует о меньшем поглощении энергии
поверхностного плазмона связующим слоем и более высокой чувствительно-
сти биодетектирования.

Для исследования влияния тонких пленок оксида графена на эффек-
тивность возбуждения поверхностного плазмонного резонанса выполнено
моделирование многослойной структуры, включающей в себя следующие
слои' боросиликатное стекло с показателем преломления 1,723, золотую
пленку толщиной 32 нм и пленку из оксида графена, толщина которой варьи-
ровалась в диапазоне 1-30 нм.

Чувствительность биосенсоров, в которых используется ППР, возбуж-
даемый по схеме Кретчмана, определяли по следующей формуле:

Рис. 2.24 ' - топография поверхности пленки оксида графена,
полученная с помощью атомно-силовой микроскопии:
б - действительные (п) и мнимые (к) части показателей преломления
пленки оксида графена (ОГ) и однослойного графена
в - сдвиг кривых ППР при изменении показателя преломления
детектируемой среды с 1,33 на 1,335 для трех сенсорных чипов:
золотого, покрытого монослойным графеном толщиной 0.34 нм,
и покрытого слоем оксида графена толщиной 1 нм;

г - чувствительность к изменению показателя преломления
для золотых сенсорных чипов (пунктирная линия), покрытых графеном
и оксидом графена, в зависимости от толщины углеродных слоев
„ АР АР Аи „

—----—----х---— о пт х Е.

АС Ди АС

где Р - резонансный угол, С - концентрация исследуемого вещества, Ап - со-
ответствующее изменение показателя преломления вблизи поверхности чипа,
которое в моделировании принято равным 0,005. При этом чувствительность
разделяется на две составляющие: чувствительность к изменению показателя
преломления 8ц и эффективность Е. Эффективность определяется свойства-
ми детектирующей поверхности, типом детектируемых биологических объ-
ектов и пропорциональна количеству центров связывания на детектирующей
поверхности Е ~ .\1ц.

На рис. 2.24, в показан сдвиг кривых поверхностного плазмонного резо-
нанса при изменении показателя преломления детектируемой среды с 1,33 на
1,335, полученный для трех сенсорных чипов: золотого, покрытого монослой-
ным графеном толщиной 0,34 нм и покрытого оксидом графена толщиной
1 нм, что соответствует одному слою. Согласно вышеприведенной формуле,
сдвиг резонансного угла пропорционален чувствительности к изменению пока-
зателя преломления. На рис. 2.24, г показана чувствительность для золотых
сенсорных чипов, покрытых графеном и оксидом графена в зависимости от
толщины углеродных слоев. При этом пунктиром показана чувствительность
золотого чипа без покрытия = 76,6°. Максимум чувствительности сенсорно-
го чипа на основе графена наблюдается при толщине графена 7 нм и равен
101°, что на 32 % выше чувствительности золотого чипа без покрытия. Для ок-
сида графена получаем, соответственно, максимум равный 92° при тол-
щине оксида графена 14 нм, что на 20 % выше чувствительности чистого золо-
того сенсорного чипа. При этом чувствительность сенсорного чипа на графене
быстро падает при толщине слоя выше 10 нм. Глубина проникновения поля
поверхностного плазмона в раствор, определяющая область рядом с поверхно-
стью сенсорного чипа, в которой детектируются явления биохимических взаи-
модействий, составляет 490 нм. Таким образом, использование оксида графена,
у которого оптическое поглощение меньше, чем у графена, позволяет созда-
вать связующие слои с большим числом центров связывания, и, следовательно,
повысить эффективность биодетектирования и его чувствительность.

Анализ биохимических взаимодействий чипов

На основе чипов со связующими слоями из оксида графена был создан
протокол анализа биохимических взаимодействий, при котором один из объ-
ектов имеет биотиновый остаток. Для этого на поверхность сенсорного чипа,
включающего связующий слой из оксида графена толщиной 8,8 нм, напы-
ленный на поверхность золотой пленки толщиной 32 нм, был конформно и
однородно иммобилизован слой молекул стрептавидина (8А). Для сравни-
тельного анализа подготовлены образцы, в которых молекулы стрептавидина
были закреплены на поверхности коммерческого сенсорного чипа, состоящей
из слоя карбоксиметилированного декстрана толщиной 100 нм, а также на
поверхность сенсорного золотого чипа с перенесенной при помощи поли-
мерной матрицы пленкой однослойного графена. Молекулы стрептавидина
были иммобилизованы на полимерный чип при помощи процедуры амино-
связывания, приводящей к ковалентному взаимодействию. Для этого предва-
рительно провели активацию карбоксильных групп карбоксиметилированно-
го декстрана промыванием сенсорных чипов в проточной ячейке раствором
0,4 М I-этил-3 (3-диметиламинопропил) карбодиимида (ЕЭС) и 0,1 ММ-
гидроксисукцинимида (1\ТН8) в буфере на основе 0,1 М 2 (№ морфолино)
этансульфоновой кислоты при рН 6,0. Не задействованные в иммобилизации
стрептавидина карбоксильные группы были деактивированы 1 М раствором
этаноламина (ЕА). Во всех экспериментах использовался проточный 0,1 М
натрийфосфатный буфер (РВ8). На поверхность чипов со связующими слоя-
ми из оксида графена и монослойного графена молекулы 8А иммобилизиро-
вали за счет стэкинг-взаимодействия.

Рис. 2.25. Сенсограммы адсорбции стрептавидина на поверхности:
а коммерческого сенсорного чипа на основе
карбоксиметилированного декстрана; б - сенсорных чипов на основе
оксида графена и однослойного грааэена; в - адсорбция олигонуклеотидов
на специфичную поверхность сенсорного чипа на основе
оксида графена и стрептавидина' г - последовательные инжекции
олигонуклеотида Эг, комплементарного к ОI, сопровождаемого
инжекцией регенерирующего раствора (на вставке сравнение
сенсогрсмм адсорбций олигонуклеотида О?)

Время, с
Отклик биосенсора при адсорбции стрептавидина на поверхность кар-
боксиметилированного декстрана составил 1270 КП (рис. 2.25, а). При ад-
сорбции стрептавидина на поверхность однослойного графена в ходе четы-
рех последовательных инжекций получены следующие изменения уровней
сигнала: 500 КП, 220 КО, 120 КП и 140 КП, результирующее изменение сиг-
нала биосенсора составило 980 КП (рис. 2.25, б). В свою очередь, четыре по-
следовательные инжекции раствора стрептавидина над поверхностью сен-
сорного чипа на основе связующего слоя из оксида графена привели к изме-
нениям сигнала, равным 160 КЛ, 840 ЯП, 400 КП и 350 КП соответственно
(рис. 2.25, б). Результирующее изменение сигнала при иммобилизации стреп-
тавидина на поверхность пленки из оксида графена - 3190 КП. Поскольку
изменение сигнала биосенсора пропорционально числу адсорбированных
молекул, которое, в свою очередь, пропорционально эффективности биоде-
тектирования Е, получаем, что эффективность сенсорного чипа на основе ок-
сида графена в 2,5 раза выше, чем у коммерческого сенсорного чипа на осно-
ве карбоксиметилированного декстрана, и в 3,25 раза выше, чем у сенсорного
чипа на основе однослойного графена. Согласно уравнению (1), чувствитель-
ность сенсорных чипов на основе оксида графена выше в 2,9 раза, чем у ком-
мерческих чипов на основе карбоксиметилированного декстрана, и в 3,7 раза,
чем у чипов на основе однослойного графена.

Необходимое свойство биосенсора - специфичность по отношению к
детектируемым веществам. Сенсорные чипы на основе оксида графена с им-
мобилизованным на его поверхность стрептавидином специфичны по отно-
шению к биотинилированным биомолекулам. Для исследования специфич-
ности над поверхностью сенсорного чипа на основе оксида графена и стреп-
тавидина проведены три последовательные инжекции олигонуклеотидов Вг,
Вх и опять Вт (рис. 2.25, в). При этом только олигонуклеотид Вх является
биотинилированным, а олигонуклеотид Вт комплементарен к Вх и, следова-
тельно, может вместе с ним участвовать в реакции гибридизации.

Одной из ключевых характеристик чипов является возможность их
многократного использования, что значительно упрощает и ускоряет прове-
дение исследований. В рассматриваемом протоколе анализа реакции гибри-
дизации ДНК проводили регенерацию сенсорного чипа 20 М раствором гид-
роксида натрия (№ОН), инжекция которого разрушала водородные связи
между комплементарными цепочками олигонуклеотидов. На рис. 2.25, г по-
казана сенсограмма, иллюстрирующая три последовательных инжекции оли-
гонуклеотида Из, сопровождаемого инжекцией регенерирующего раствора.
Количество адсорбированных олигонуклеотидов в последовательных инжек-
циях характеризуется разностью сигналов на сенсограмме: 240 КП, 195 КП и
175 КП соответственно, что говорит о повторяемости откликов биосенсора в
интервале 10-25 %.

Таким образом, в работе ||Щр5://\с\с\\Д-апа1у11С8.1Т|/П1е8/агйс1е_рсИ/5/
агПс1е_5090_378.раГ| было теоретически и экспериментально показано, что
использование тонких пленок из оксида графена в качестве связующих слоев
для биосенсорных чипов позволяет существенно повысить чувствительность
биодетектирования по сравнению с ранее известными коммерческими чипа-
ми на основе полимерных слоев. На примере исследования реакции гибриди-
зации ДНК продемонстрирован трехкратный прирост чувствительности по
сравнению с коммерческими сенсорными чипами на основе карбоксимети-
лированного декстрана. При этом чипы на основе оксида графена проявили
свойства биоспецифичности по отношению к детектируемым соединениям и
показали возможность их многократного использования.

Следует отметить высокую технологичность оксида графена для созда-
ния биосенсоров. Применение водного раствора чешуек графена упрощает и
удешевляет процесс образования сенсорных чипов. Важно, что созданные
сенсорные чипы совместимы с имеющимися коммерческими биосенсорами,
и для них подходят те же протоколы биодетектирования.

Применение наноструктурированных связующих слоев из оксида гра-
фена приводит к значительному увеличению площади поверхности, доступ-
ной для иммобилизации исследуемых биологических объектов. Это, в свою
очередь, позволит достичь прироста чувствительности в десятки и сотни раз
и сделает возможным фармакологические исследования лекарственных пре-
паратов, основанных на низкомолекулярных соединениях.

Следует отметить, что в последние годы открыты другие двумерные
наноматсриалы, такие как нитрид бора, дисульфид вольфрама, дисульфид
молибдена и другие. Они обладают отличающимися от углеродных нанома-
териалов оптическими и химическими свойствами и могут создать опти-
мальные связующие слои для биосенсорных чипов. В качестве примера низ-
комолекулярных соединений можно привести препараты, воздействующие
на рецепторы, сопряженные с О-белками (ОРСК), которые на данный момент
являются мишенью для 40 % выпускаемых на рынке лекарств. Благодаря
очевидным преимуществам новые биосенсоры постепенно будут включены в
регламенты доклинических исследований препаратов различных типов, вы-
теснив другие методы, используемые сегодня в фармакологических исследо-
ваниях. Разработка лекарств станет быстрее и дешевле, а возможность коли-
чественной оценки эффективности и токсичности при помощи биосенсоров
позволит с необходимой точностью предсказывать возникновение побочных
действий.

2.5.4,2. Биосенсоры на основе оксида графена
для определения антидепрессантаь

В работе [51] было предложено использовать наноструктурированный
материал оксид графена (ГО) в качестве модификатора поверхности планар
ных печатных графитовых электродов как основы амперометрических био-
сенсоров с иммобилизованной моноаминоксидазой для определения антиде-
прессантов (мелипрамин, коаксил и феназепам). Функционирование предла-
гаемых в этой работе биосенсоров основано на известной ингибирующей
способности антидепрессантов воздействовать на каталитическую актив-
ность иммобилизованного фермента. В этой работе также сопоставлены ана-
литические возможности предлагаемых биосенсоров с биосенсорами на ос-
нове электродов, модифицированных углеродными нанотрубками в хитозане.
Показано, что предложенные биосенсоры можно использовать для контроля
как остаточных количеств лекарственных препаратов в биологических жид-
костях (урина) на уровне 910 4' М, так и лекарственного вещества в лекар-
ственных формах.

Использование антидепрессантов (АД) для лечения депрессивных со-
стояний человека и контроль их применения в связи с широким распростра-
нением этих препаратов во всем мире является сегодня одной из насущных
проблем аналитической химии. И один из путей решения этой проблемы -
применение биосенсоров. Из литературы известно [52], что некоторые АД
оказывают ингибирующее действие на моноаминоксидазу (МАО). В то же
время примеры потенциометрических [53] и амперометрических [54] моно-
аминоксидазных биосенсоров в настоящее время единичны, к тому же пред-
назначены они не для определения АД.

Внедрение в технологию изготовления ферментных сенсоров различ-
ных углеродных наноструктурированных материалов, таких как оксид гра-
фена (1’0), в качестве модификатора поверхности электродов может приве-
сти к получению аналитических устройств с улучшенными аналитическими
характеристиками.

Как известно, графен, в отличие от оксида графена, не имеет ни четкой
границы поглощения, ни отчетливой запрещенной зоны. В оксиде графена за
счет дефектов в поликристаллической структуре (различных химических и
физических неоднородностей и окисленных функциональных групп) возни-
кает значительная запрещенная зона, что приводит к лучшим электропрово-
дящим свойствам по сравнению с обычным графеном и появлению оптиче-
ского поглощения, и это позволяет использовать его не только в биосенсор-
ных технологиях, но и в промышленности [55]. Если углеродные нанотруб-
ки - материал, который уже завоевал признание при разработке различных
сенсоров [56-58], то оксид графена получил свое активное развитие лишь в
последнее время [59, 60].

В качестве основы биосенсоров разработчики использовали планарные
печатные графитовые электроды, описываемые как система «три в одном»
(изготовлены на кафедре аналитической химии КФУ), состоящие из рабоче-
го, вспомогательного электродов (графитовые чернила фирмы СиегН Е1ес-
1гоп1с Ма1епа1з, США) и электрода сравнения (паста А <2 / А§С1), полученных
на полимерной подложке методом трафаретной печати. Все измерения про-
водили с использованием потенциостата / гальваностата рАи(о!аЫуре III
(фирмы ЕсоСкеппе В.У., Ме(йег1аш1я).

Субстратами моноаминоксидазы служили дофамин (фирма «Дофамин-
Ферейн», Россия, - раствор для инъекций 4 %) и серотонин (фирма 8щта-
АШпсй, США). Использовали: имипрамин, тианептин и фсназепам - 8щта-
АИпсЬ (США), их структурные формулы приведены на рис. 2.26. Применяли
МАО, полученную из печени свиньи (гомогенат) с удельной активностью
0,078 мкм/мин. мг относительно дофамина.

Матричным материалом для иммобилизации фермента (МАО) на гра-
фитовые электроды, модифицированные МУНТ, служил водный раствор
БСА (фирмы Кеапа!, Венгрия) или хитозан «х. ч.» (ГО). Применяли 12,5-
процентный водный раствор глутарового альдегида фирмы 1СМ ВютесН-
саШпз (США).

Рис. 2.26. Структурные формулы лекарственных веществ.

1 - имипрамин-М-(З-диметиламинопропил) - иминодибензила гидрохлорид;

2 - тианептин-К, 8-7 [(З-хлор-6,11-дигидро-6-метилдибензол[с,Г][1,2]тиазепин-

11-ил)амино]гептановой кислоты $,$-диоксид. 3- феназепам-7-бром-5-
(2-хлорфенил)-1,3-дигидро-1 Н-1,4-бензодиазепин-2-он

В качестве модификаторов поверхности применяли МУНТ и ГО
(81§та-А1<1псЬ, США). МУНТ имели внутренний диаметр 10-15 нм (линей-
ные размеры 1-10 мкм) производства 81§та-А1дпсЬ. В качестве растворите-
лей МУНТ использовали диметилформамид (ДМФА) [61] марки «х. ч.» и хи-
тозан «х. ч.» в 0,5-процентной ОНзСООН [62], для оксида графена - хитозан
в 0,75-процентной ОНзСООН.

Для получения дисперсий МУНТ в растворителях и ГО в хитозане
применяли УЗ с частотой 40 КГц. Электроды, модифицированные МУНТ в
хитозане или ДМФА, и ГО в хитозане высушивали при комнатной темпера-
туре (20 ± 2 °С) не менее суток.

Рассмотрим более подробно технологию получения этого биосенсора,
используя текстовые и графические материалы [51].

Получение биочувствительной части. Для получения биочувстви-
тельной части биосенсора на поверхность рабочего электрода (модифици-
рованного МУНТ в ДМФА или хитозане, ГО в хитозане) наносили смесь,
содержащую раствор фермента, водный раствор БОА (для биосенсора, мо-
дифицированного МУНТ в ДМФА или хитозане) или хитозан (для биосен-
сора, модифицированного ГО в хитозане), фосфатный буфер (рН = 7,5), и
1-процентный водный раствор глутарового альдегида. После энергичного
перемешивания на поверхность электродов наносили по 1 мкл этой смеси.
Полученные таким образом биосенсоры оставляли на ночь в закрытой чаш-
ке Петри при температуре I = +4 °С. На следующий день биосенсоры про-
мывали водой и после высушивания на воздухе хранили в холодильнике.
Полученный биосенсор на основе МАО сохранял каталитическую актив-
ность фермента в течение месяца с погрешностью не более 5-6 %.

Моноаминоксидаза как фермент класса аминоксидаз [63] катализирует
реакции окислительного дезаминирования различных моноаминов, в том
числе серотонина и дофамина. Продуктами реакций окислительного дезами-
нирования субстратов в присутствии МАО являются соответствующий аль-
дегид, Н2О2 и ЫНз. Биохимическая реакция окислительного дезаминирования
моноаминов на примере серотонина протекает по схеме (1). Предлагаемые
моноаминоксидазные биосенсоры (МАО-биосенсоры) основаны на сочета-
нии реакции окислительного дезаминирования моноаминов и соответствую-
щей реакции электроокисления одного из продуктов этой реакции, а именно
Н2О2 (2).

Согласно литературным данным [64], электрохимическое окисление
Н2О2 протекает по схеме (2):

Н2О2 = О2 + 2Н + 2е. (2)

Изучение электрохимического поведения дофамина, серотонина и ад-
реналина на графитовых печатных электродах, модифицированных МУНТ и
ГО, показало, что на фоне фосфатного буферного раствора с рП = 7,0 на цик-
лических вольтамперограммах в интервале от 0 до 1 В наблюдается анодный
пик (рис. 2.27, а) окисления субстратов МАО. Пик окисления, наблюдаю-
щийся в интервале от 0,15 до 0,55 В, связан с особенностями структуры дан-
ных соединений (возможность хинон-хиноидной перегруппировки).

Электрохимическое окисление серотонина протекает по схеме (3), что
отражается в виде необратимого пика при потенциале 0,4 В.

При разработке амперометрических биосенсоров в работе [51] варьи-
ровали количество Г О, наносимое на рабочую поверхность электродов мето-
дом капельного испарения. Количество ГО на поверхности электрода изме-
няли от 0,5 до 2 мкл при концентрации исходного раствора 0,5-1,9 мг/мл в
хитозане. Установлено, что максимальная величина тока окисления Н2О2
наблюдается при концентрации ГО Сго = 1,75 мг/мл и количестве 1 мкл
(рис. 2.28, а), т. е. содержание ГО составляло 0,025 мг/см2.

Рис. 2.27. . - волыгамперограммы, полученные на МАО-биосенсоре третьего типа.

1 - 0.07 М фосфатный буферный раствор (рН = 7,0); 2 - фосфстный
буферный раствор в присутствии 1 10'- М серотонина и 1 10"6 М тианептина;

3 - то же самое в присутствии 1 10~7 М тианептина.

4 - в присутствии 1 10 М серотонина;

6 - градуировочная зависимость для определения тианептина
(МАО-биосенсор третьего типа, субстрат серотонин - 110'3 М)

Рис. 2.28. а - зависимость величины аналитического сигнала
(ток окисления пероксида водорода) от количества ГО;

б - зависимость величины аналитического сигнала от рН буферных
растворов для биосенсора два (кривая 1) и три (кривая 2) типов в системе
фермент - субстрат - ингибитор МАО: МАО - дофамин - феназегам

Количество МУН Г на поверхности электрода изменяли от 2,5 до
0,5 мкл при концентрации исходного раствора 1 мг/мл в ДМФА или хито-
зане. Установлено, что максимальная величина аналитического сигнала (ток
окисления Н2О2) наблюдалась при использовании 1 мкл раствора МУНТ, т. е.
содержание МУНТ составляло 0,014 мг/см2. Именно такая концентрация
обеспечивала получение наилучших аналитических характеристик разраба-
тываемых биосенсоров, поэтому в дальнейшем использовали такое количе-
ство раствора МУНТ.

Для изучения действия АД на каталитическую активность МАО иссле-
дователи использовали три типа биосенсоров (табл. 2.2).

Влияние эффекторов иммобилизованной МАО. Согласно литератур-
ным данным [52], лекарственные препараты, относящиеся к классу АД, яв-
ляются блокаторами действия МАО. В то же время авторами ранее показано
[64], что лекарственные препараты, относящиеся к трициклическим АД, ока-
зывают ингибирующее действие на каталитическую активность и иммобили-
зованной МАО (ИМАО). Изучение влияния исследуемых АД на каталитиче-
скую активность ИМАО показало, что ток окисления Н2О2 (0,7-0,75 В) ли-
нейно зависит от концентрации в диапазоне от 110 4 (110 5) до 110 х М. При
этом в присутствии АД аналитический сигнал уменьшается (рис. 2.24, а), что
указывает на их ингибирующее действие на каталитическую активность
ИМАО. Поэтому в качестве аналитического сигнала в работе [51] использо-
вали ток окисления Н2О2 как продукта окислительного дезаминирования со-
ответствующих субстратов МАО [20].

Было установлено, что наилучшие условия получения аналитического
сигнала в диапазоне рН от 6,0 до 8,2 наблюдаются при рН = 7,0 для всех ти-
пов биосенсоров (рис. 2.26, б). Опасность самопроизвольного окисления био-
генных аминов в щелочной области и сохранение достаточной величины ка-
талитической активности ИМАО, что необходимо для получения хорошо
выраженного аналитического сигнала, обуславливают выбор рН для после-
дующих измерений.

Сопоставление аналитических возможностей разных типов биосенсо-
ров показало, что лучшие аналитические характеристики наблюдались в слу-
чае МАО-биосенсоров третьего типа (дисперсия ГО в хитозане). Предлагае-
мые биосенсоры третьего типа имеют ряд преимуществ по сравнению с био-
сенсорами первого и второго типов на основе первичных преобразователей,
модифицированных МУНТ в ДМФА и МУНТ в хитозане, в частности, боль-
ший по величине аналитический сигнал, лучшие операционные характери-
стики (сохранение большей величины каталитической активности, меньшая
погрешность параллельных измерений).

В случае биосенсоров третьего типа линейная зависимость величины
тока от концентрации наблюдается в диапазоне от 110 4 до ТПУх М при
большем коэффициенте чувствительности по сравнению с биосенсорами
первого и второго типов.

Определение тианептина в урине. Поскольку АД выводятся из орга-
низма с мочой, была предпринята попытка разработать способ определения
их остаточных количеств в этой биологической жидкости. Предлагаемый
биосенсор (третьего типа) опробован при определении в урине тианептина,
который составляет главный активный компонент (лекарственное вещество)
в лекарственном препарате коаксил, который относится, кроме того, к препа-
ратам строгого учета. Поскольку в состав урины входят компоненты, кото-
рые могут окисляться в рабочей области потенциалов, в частности, мочевая
кислота [65], предпринята попытка смоделировать влияние матричных ком-
понентов урины на возможность определения конкретного АД. Для этого по-
лучена так называемая «искусственная» урина, содержащая креатинин, моче-
вую кислоту, мочевину, КС1, №С1, и СиБОд в количествах, отвечаю-
щих их среднему содержанию [66].

Титриметрические методы анализа до настоящего времени относятся к
референтным методам определения лекарственных веществ во многих случа-
ях [67]. Учитывая, что, например, имипрамин применяется в виде гидрохло-
рида, использовали вариант потенциометрического кислотно-основного тит-
рования для определения данного лекарственного вещества (табл. 2.2). Ана-
лиз полученных результатов по I- и Р-критериям показывает, что системати-
ческая погрешность при определении имипрамина отсутствует, и результаты
его определения двумя методами согласуются друг с другом.

Табл. 2.2

Определение имипрамина (МАО-биосенсор 1ретьего типа,
содержание лекарственного вещества - 31710'2 мг/мл),
и = 5; Р = 0.95, и = 2,78, Ръ = 6,39

Метод Найдено мг'мл ^рэсч ^расч
(х±б) -1О-2 мг/мл 5,
Титриме- трия 2 38 ± 0 01 0 0043 1.63 1 94
Биосенсор третьего типа 2 7 ± 01 0 038

Результаты определения лекарственных веществ в лекарственных пре-
паратах с антидепрессивным действием мелипрамин, коаксил и феназепам
приведены в табл. 2.3 [51].

Полученные результаты показывают, что предложенные биосенсоры
можно применять как для контроля качества лекарственных препаратов в
биологических жидкостях, так и лекарственного вещества в лекарственных
формах.

Таким образом, в работе [51] были детально рассмотрены различные
наноструктурированные модификаторы поверхности, в частности, много-
стенные углеродные нанотрубки и оксид графена.

Было установлено, что использование хитозана как растворителя для
углеродных нанотрубок и оксида графена приводит к получению более ярко
выраженных аналитических сигналов по сравнению с дисперсиями в
ДМФА.

Табл. 2.3

Результаты определения антидепрессантов
в лекарственных препаратах с помощью МАО-биосенсора
третьего типа (и = 5, Р = 0.95)

Лекарственный препарат (таблетки) Содержание, указан- ное в инструкции, мг Найдено мг
«Мелипрамин» (ОАО «Фармацевтический завод ЭГИС», Венгрия. Будапешт) (25 ±1) (251 ±09) 0.039
«Коаксил» («Сервье Индастри». Франция) (12.5 ±0.51 (12.3 ± 0.7) 0 058
Феназепам- (ОАО «Валента Фармацевтика Щелково. Россия) (2.5 ±0.1) (2.80 ±0.2) 0.0/3

Среди рассмотренных наноструктурированных модификаторов по-
верхности первичных преобразователей наилучшие аналитические возмож-
ности в составе биосенсора проявил ГО. Такой биосенсор имеет определен-
ные преимущества перед биосенсорами, модифицированными углеродными
нанотрубками, в частности, больший коэффициент чувствительности и луч-
шие операционные характеристики.

Практическую значимость этой работы подтверждает тот факт, что
разработанный биосенсор на основе электродов, модифицированных ГО, был
использован для контроля качества лекарственных препаратов (мелипрамин,
коаксил, феназепам) и определения остаточных количеств АД в биологиче-
ской жидкости (моче) до уровня п-10’9 М.

2.6. Графеновый долинный транзистор

Группа Веепакксг’а из Цшуегм1ей Ге Пеп (Нидерланды), известная сво-
ими работами в области наноэлсктроники, в 2007 г. выступила с предложе-
нием использовать своеобразие зонной структуры графена (монослой графи-
та) для формирования полевых транзисторов с особым принципом рабо-
ты [68]. Каналом транзистора служит сужение в пленке графена (рис. 2.29,
средняя часть рисунка). Потенциал на затворе (рис. 2.29, нижняя часть ри-
сунка) смещает положение зонной структуры в канале транзистора по отно-
шению к контактам истока и стока (верхняя часть рисунка). В показанном на
рисунке состоянии ток через канал переносят только электроны 0-й долины
(черные кружки), протекание тока по другим долинам блокировано. Их мож-
но включить, подав соответствующее напряжение на затвор.

В данном случае вместо направления ориентации спина выступает
принадлежность носителя к определенной долине. Здесь имеет место анало-
гия с включением и выключением проводящих мод в сужении в двумерном
электронном газе. Именно подобными структурами эта группа всю жизнь и
занимается. Заметим, что включение и выключение таких долин происходит
и в канале обычного кремниевого полевого транзистора на подложке «крем-
ний на изоляторе» с тонким слоем кремния.

Рис. 2.29. Потенциал на затворе (с) смещает положение зонной структуры
в канале транзистора по отношению к контактам истока и стока (а).
Каналом транзистора служит сужение в пленке графена (Ь).
Горизонтальная штриховая линия показывает положение уровня Ферми

Группа исследователей из Санкт-Петербургского национального ис-
следовательского университета информационных технологий механики и оп-
тики (Университет ИТМО) использовала эту идею для разработки так назы-
ваемого долинного транзистора.

Долинный транзистор [69] состоит из расположенных на подложке ис-
тока, стока, токопроводящего канала, выполненного из графена, и резонато-
ра, а также затвора, при этом токопроводящий канал выполнен из однород-
ного монослоя графена, экранированного резонатором на 25 %, а затвор вы-
полнен из терагерцового лазера с функцией изменения электронных свойств
графена, находящегося вне площади резонатора (рис. 2.30).

Благодаря использованию однородного монослоя графена значительно
повышается технологичность изготовления устройства, а его высокое быст-
родействие обеспечивается использованием излучения терагерцового лазера
в качестве управляющего воздействия.

Рис. 2.30. Эскиз конструкции графенового
долинного транзистора [69]

“ аса
• ••••• 4* • • < * * • >

Рис. 2.31. Результаты ллоделирования пряллого режилла работы
долинного транзистора

Из уровня техники известно устройство спинового транзистора [Патент
РФ № 2387047, МПК Н01Ь 29/82, дата приоритета 23.09.2008, опубликовано
20.04.2010]. В данном устройстве содержатся эмиттер (исток) спин поляри-
зованных носителей, выполненный из ферромагнетика (ЕиО : Ре), база, вы-
полненная из оксидного соединения, и детектор (сток), выполненный из ши-
рокозонного полупроводника (ОаАз). Сила пропускаемого через базу тун-
нельного спин-поляризованного тока зависит от величины приложенного
внешнего магнитного поля, а использованные материалы допускают функци-
онирование устройства при комнатной температуре. Недостатком этого
устройства является необходимость использования достаточно высоких маг-
нитных полей для модификации транспортных свойств носителей заряда,
приводящих к наличию у устройства двух характерных величин проводимо-
сти.

"а

Рис 2.32. Результаты моделирования инверсного
режима работы

Этот недостаток отсутствует в устройстве [69], которое выполнено в
виде расположенной на подложке 1 многослойной гетероструктуры, состоя
щей из истока 2, стока 3, токопроводящего канала в виде монослоя графена 4,
резонатора 5, а также затвора 6, выполненного в виде терагерцового лазера,
который располагается над гетероструктурой.

Долинный транзистор может работать в двух режимах: прямом и ин-
версионном. При этом параметры функционирования меняются только за
счет изменения эффективности переноса заряда от стока к истоку (или
наоборот). В прямом режиме работы в исток 2 инжектируются электроны с
заданным волновым вектором. Попадая в токопроводящий слой 4, находя-
щийся между металлическими обкладками резонатора 5, электрон оказывает-
ся в невозмущенном электромагнитным полем лазера 6 графене, а значит,
приобретает дисперсионную зависимость с фиксированным значением ши-
рины запрещенной зоны.

В свою очередь, дисперсионная зависимость электронов вне резонато-
ра 5 в зависимости от взаимных значений волнового вектора электрона и
направления циркулярной поляризации электромагнитного поля лазера 6
приобретает дополнительное увеличение или уменьшение ширины запре-
щенной зоны. А именно, в случае наличия у электрона волнового вектора К,
и при облучении устройства циркулярно поляризованным полем с плотно-
стью мощности 300 Вт/см2 и частотой 33 ТГц, ширина запрещенной зоны вне
резонатора 5 меньше, чем внутри. Это приводит к тому, что электрон поки-
дает область инжекции и беспрепятственно достигает стока 3, создавая токо-
вый сигнал. Если электрон имеет волновой вектор К', то ширина запрещен-
ной зоны вне резонатора 5 больше, чем внутри. Поэтому заряд, инжектиро-
ванный в исток 2, не выходит за пределы резонатора 5, что приводит к отсут-
ствию токового сигнала.

Обратная картина наблюдается при смене направления циркулярной
поляризации электромагнитного поля. В этом случае электроны с волновым
вектором К, будут локализоваться в области резонатора 5, а с волновым век-
тором К' беспрепятственно достигать стока 3.

При функционировании устройства в инверсном режиме электроны с
заданным вектором К инжектируются в сток 3, после чего сразу попадают в
токопроводящий канал 4, облучаемый электромагнитным полем лазера 6.
При этом ширина запрещенной зоны в графене в области резонатора 5 для
таких электронов оказывается больше, а значит, они не способны достичь
области истока 2 и создать сигнал. Для электронов, обладающих волновым
вектором К', область графена внутри резонатора 5 имеет меньшую ширину
запрещенной зоны, а значит, является для таких носителей ловушкой. Элек-
троны, локализованные внутри резонатора 5, затем могут создать токовый
сигнал, проникая в исток 2. Как и в случае прямого режима работы, инверсия
направления циркулярной поляризации приводит к инверсии характеристик
по отношению к состояниям К и К'.

Для моделирования электронного транспорта во всех режимах работы
долинного транзистора авторами [69] были использованы следующие пара-
метры модели:

• радиус верхней пластины резонатора, выполненной из золота, ра-
вен 2 мкм;

• толщина слоя, изолирующего монослой графена от обкладок мик-
рорезонатора, - 3 нм;

• параметры управляющего электромагнитного поля: плотность
мощности 300 Вт/см2, частота 33 ТГц;

• расстояние между истоком, располагаемым в центре резонатора, и
стоком - 15 мкм.

Результат моделирования прямого режима работы долинного транзи-
стора представлен на рис. 2.31. Плотность электронов, имеющих волновой
вектор К и К', в момент инжекции одинакова и приведена на рис. 2.31, а.
Дальнейшая временная динамика электронов, имеющих волновой вектор (К),
приведена на панелях (Ь)—(с1), а К' - на панелях (е)-(1). Видно, что в первом
случае электронная плотность достигает стока за время порядка 30 пикосе-
кунд, тогда как во втором случае электронная плотность остается локализо-
ванной в пределах резонатора произвольное время.

Результат моделирования инверсного режима работы долинного
транзистора представлен на рис. 2.32. В этом случае электронная плотность
инжектируется в сток на расстоянии 15 мкм от истока. Как и в случае прямо-
го режима работы, начальная электронная плотность электронов, имеющих
волновые вектора К и К', одинакова и приведена на рис. 2.29, а.

Расчет эволюции электронной плотности показывает, что в случае ин-
жекции в сток электронов с волновым вектором К они не достигают истока,
рассеиваясь о потенциальный барьер, находящийся у границ резонатора.
В случае инжекции электронов с волновым вектором К' происходит их ча-
стичный сбор в области резонатора за время, меньшее, чем 70 нс, что приво-
дит к появлению токового сигнала.

Как показывают вышеприведенные результаты моделирования, долин-
ный транзистор выполняет все функции классического полевого транзистора,
работающего в ключевом режиме с логическими сигналами, за счет наличия
двух характерных величин проводимости канала, зависящих от управляюще-
го воздействия. Как и классический транзистор, рассмотренный долинный
транзистор способен работать в двух режимах: прямом и инверсном, причем
переключение между этими режимами может осуществляться как за счет из-
менения параметров инжектируемых носителей, так и за счет смены направ-
ления поляризации управляющего сигнала.

Особенностью конструкции является то, что в качестве управляющего
сигнала в долинном транзисторе предлагается использование циркулярно по-
ляризованного электромагнитного поля.

Литература

1. Т\у<>-с1!тс'П8!опа1 а!оппс сгузЫз / К. 8. Коуозс1оу, В. Лап§, Р, 8с11е<1т сТ а1. Н Ргосее<1т§8
о Г Пае Кайола! Асайету о Г Зсаепсез о Г [Не СпЛес! 81а1ез о Г Атенса. - 2005. - Уо1. 102. —
К.ЗО.-Р. 10451-10453.

2. Рагк 8. Сйеппса! тейюйз Гог Пае ргойисйоп оГ §гар1аепе$ / 8. Рагк, К. 8. К.ио!Г // Шпаге
Капо1ес1апо1о§у - 2009. - Уо1. 4. - К. 4. - Р. 217-224.

3. Ьаг§е-агеа вупДаезав о! 1аа§й-диа1а1у апс! ппйогпа §гар1аепе Й1 паз оп соррег Гоа1з / X. Ы,
XV. Саа, I. Ап еГ а1. // Зсаепсе. - 2009. - Уо1. 324. - К. 5932 - Р. 1312-1314.

4. Ьаг§е-8са1е раНегп §го\уйа оГ §гар1аепе Й1тз Гог з1ге1с1ааЫе (гапзрагеп! е1ес1гойез / К. 8. Кип,
У. /1а ао. Н. 1апе е! а1 // КаГиге. - 2009. - Уо1. 457. - К. 7230. - Р 706-710.

5. Соп1гоШп§ Йае е1ес!готс агтсппс оГЬИауег §гар1аепе / Т. О1а1а, А. Возле! ск. Т. 8еу11ег с1
а1. // Зсаепсе. - 2006. - Уо1. 313. - К. 5789. - Р. 951-954.

6. Ното§епеоиз 1аг§е-агеа §гарЬепе 1ауег етосейа оп 6 Н-8аС(0001) / С. Уаго]апайага,
М. Зумуацу!, К. Уакаапоуа е! а1. // Р1аузаса1 1<ее!с\е В. - 2008. - Уо1. 78. - К. 24. -
Р. 245403, 1-6.

7. Тосеагйз а диапшт гезаз1апсе з(апйаг4 Ъазей оп ер!Сах!а! §гар!аепе / А. Тха1епс1аик, 8. Ьага-
АуИа, А. Ка!аЬоик1аоу е( а1. // Ка1иге Капо1ес1апо1о§у. - 2010. - Уо1. 5. - К. 3. - Р. 186-
189.

8. На§1а-уаеШ ргойисйоаа оГ §гар1аепе Ьу 1!с|Ш<1-р!1азе ех&Найоп оГ §гар1аа!е / У. Негпапйех,
V. Касо1оза, М. йоГуа еГ ай // КаШге Капо1ес1апо1о§у. - 2008. - Уо1. 3. - К. 9. - Р. 563-
568.

9. йадшй рЬаве ргойисйоаа ой §гарйепе Ъу ехйаНайоаа ой цгарпйе т зигйас(ап(Ауа1ег 8о1ийопз /
М. йоауа. У. Негпапйех. Р. 1. Кт§ е! ай // 1оигпа1 ой Нее Атепсап СЬетаса! 8ос1е(у. -
2009.-УО1. 131.-К. 10.-Р. 3611-3620.
10. ОгарЬепе сИврегзюп ап<1 ехГойайоп щ 1о\с ЬоИт§ рот! во1уеп!з / А. О’МеШ, к.1. КЬап,
Р. 14. №гта1га] е! а1. // Т11е 1оигпа1 оГРЬувгса! СЬегтвйу С. - 2011. - Уо1. 115. -14. 13. -
Р. 5422-5428.

И. ЕП§Ь-сопсеп!гайоп во1уеп! ехГоЬайоп оГ угарКепе / ЦТ. К Кап. А. О’КеШ, М. ЬоСуа е! а1. //
8та11.-2010. - Уо1. 6.-14. 7,-Р. 864-871.

12. [)пес( ехГоЬайоп о!' па!ига1 §гарЫ!е т!о пйсготейе вгхе !с\у 1ауегв §гарЬепе зЬее!з изт§
юте Нсрнскв / X. ’Л'апу, Р. р. Ри1ую, О. А. Вакег е! а1. // СЬегтса! Соттишсайопз. -
2010. - Уо1. 46. - Я. 25. - Р. 4487 4489.

13. Уа^икитриПу 8. Сайоте зигГас!ап! пгесПаСес! ех&Пайоп оГ §гарЫ!е т!о §гарЬепе йакез /
8. Уайикитрийу, I. Раи1, 8. УаНуауеейИ // СагЬоп. - 2009. - Уо1. 47. - 14. 14. - Р. 3288-
3294.

14. С1еауа§е апс! згхе гебисйоп оГ §гарЫ!е сгуз!а1 изт§ иКгазоипй гасйайоп / 8. Ьоз, Ь. [)и-
с1аих, Ь. Акагех е! а1. // СагЬоп. - 2013. - Уо1 55. - Р. 53-61.

15. Нг§Ыу сопбисйп§ етаркепе в1гее!з апс! Ьап§ти1г-В1о<1§ей Гйтз / X. Ы, О. 2Ьап§, X. Ваг
е! а1. // КаСиге !4апо!есЬпо1о§у. - 2008. - Уо1. 3. - К. 9. - Р. 538-542.

16. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения / П. Н. Дьяч-
ков. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. - 293 с.

17. Раков Э. Г. Методы получения углеродных нанотрубок / Э. Г. Раков // Успехи химии. -
2000. - Т. 69. - № 1. - С. 41-59.

18. ИЦта 8. Нейса! ппсго1иЪи1е8 оГ§гарЫйс сагЪоп / 8.1цппа // №!игс. - 1991. - Уо1. 354. -
Ы. 7.-Р. 56-58.

19. [)оиЫе-\уа11е<1 сагЪоп папойлЬев ГаЬпса!ес1 Ьу а Ьу<1го§еп аге сЙ8сЬаг§е теЙтод
I. Ь. НиГсЫвоп, К. А. К1ве1еу, Е. Р. КптсЬпауа е! а1. // СагЬоп. - 2001. - Уо1. 39. -14. 5. -
Р. 761-770.

20. Са!а1уйс §гогу!Ь о! сагЬоп пггсгошЬи1ез гуйЬ йлИегепе зйиейгге / М. .1оз-асапгп. М. Мгкг-
УовЫйа, Ь. Кегсйоп. .1. О. 8апйев!еЬап И АррЬей РЬувгсз Ьейегв. - 1993. - Уо1. 62. -
К 6.-Р. 657 659.

21. Мп1!1-\уа11ес1 сагЬоп папошЬев гуИЬ ррт 1еуе1 оГ пприпйе& / V. Ь. Кихпе!воУ, К. V. Е1ите-
еуа, А. V. ЫгсЬепко е! а1. // РЬузгса 8!а!ив 8о1кй (В). - 2010. - Уо1. 247. - 14. 11-12. -
Р. 2695-2699.

22. Оаз-рЬазе зупйгезгз оГ ш!го§еп-соп!атт§ сагЬоп папошЬез апс! Йгегг е1ес!готс ргорегйез /
А. О. КибазЬоу, А. V. ОкойиЬ, 14. Р. УЫапоу е! а!, // РЬузгсз оГ Йге 8оИ<1 8!а!е. - 2002. -
Уо1. 44.-14. 4.-Р. 652-655.

23. ТЬегтойупатгс апа1уз1з оГ пис1еайоп о Г сагЬоп йеровйв оп те!а1 рагйс1ез апс! г!з ЬпрНса-
йопз Гог Йге ргоссЛг оГ сагЬоп папоГлЬез / V. Ь. КихпеГзоУ, А. 14. ЫзоИзеуа, А. Ь. СЬиуйт
е! а! // РЬузгса! Кеугегу В. - 2001. - Уо1. 64. - И. 23. - Р. 235401, 1-7.

24. Сотрагайуе 8шс1у оп Йге Е1ес!гопгс 8йис!иге оГ Лгс4)!вс1гагуе ап<1 Са!а1уйс СагЬоп \апо-
ГиЬез / Ь. 6. Ви1изЬеуа, А. V ОкоГгиЬ. I. Р. Азапоу е! а1. // Т11е 1оита1 оГРЬузгса! СЬетгз-
йу В. - 2001. - Уо1. 105. - И. 21. - Р. 4853 4859.

25. ЗупЙгезгз оГ СагЬоп КапошЬез апй МапойЬегз оп 8Шса апс! Сетей! Майтх Ма!епа1з /
Р. К. Мшйте1а, Ь. I. Наз|Ьи11па, А. О. ^згЬпйп е! а1. // 1ог.та1 оГКапота!епа1з. - 2009. -
Уок 2009.-Р. 1^1.

26. Мо1за1а А. ТЬе го1е о! те!а1 папорагйс1ев иг 11ге са!а1уйс ргоскгсйоп о! згпр4е-\уа11ес1 саг-
Ьоп папойгЬез - а гсугссу / А. Мо1за1а, А. О. КазгЬийп, Е. I. Каирртеп // .1оипга1 оГРЬув-
гез: Сопйепзей Майег. -2003.-Уо1. 15.-14. 42. - Р. 83011-83035.

27. 8е1Г-АззетЫу с>!1иЬи1аг РиПегепез / Т. Ойо, Р Кгко1асу. А. О. Ктх1ег е! а1, Ц ТЬе 1оиг-
па1 оГРЬувгса! СЬетгзйу. - 1995. - Уо1. 99. -Ц. 27. - Р. 10694-10697.

28. Са!а1уйс §го\у!1г оГ зт§ 1е-\уа11ес! папо!иЪез Ьу 1азег уаропхайоп / Т. Ойо, Р. 1\|ко1аеу,
А. ТЬезз е! а1. // СЬеписа! РЬузгсз Ьейегз. - 1995. - Уо1. 243. -14. 1-2. - Р. 49-54.
29. 8упЙ1ез!з апс! зйцсфге оГ рпзйпе апд а1ка11-те!а1-т!егса1а!е<1 зт§1е-хуа11е<1 сагЪоп папо-
!иЪез / С. Вохуег, 8. 8ихик1, К. Таш§ак1, О. ХКои // ЛррНсс! Рйузасз А. - 1998. - Уо1. 67. -
К 1.-Р. 47-52.

30. Ыи, 8. Масгозсор!с-8са1е АззетЫей Капохуагс ТЫп РНтз апс! ТЪей Рипсйопаййез /
/. Ьш, Н. Ыап®, 8. Уи // Скеппса! Ксу1с\уз. - 2012. - Уо1. 112. - К 8. - Р. 4770 4799.

31. Аггауз оГ зта1с-\уа11ес1 сагЬоп папоШЪез \гй11 Ги11 зигГасе соуегаце Гог Ы§11-регГоппапсе
е1есйошсз / О. Сао, 8. Нап, О. 8. Ги1сузк| е! а1. // ка(иге Уапо!ес11по1о"у. - 2013. -
Уо1. 8.-М.З.-Р. 180-186.

32. РаЬпсайоп оГ §гар11епе (Ып Й1т8 ЬазеО оп 1ауег-Ьу-1ауег зе1Г-аззетЫу оГ ГипсйопаНхей
§гар11епе папозЬее!з / .1. 8. Рагк, 8. М. С1ю, К1т е! а1. // АС8 АррНей Ма!епа1з апс!
1п!егГасез. - 2011. - Уо1. 3. - К 2. - Р. 360-368.

33. 8>п111? В. О. ВеФтйтзйс аззетЫу оГ Гиперона! папозйпсйагез изт§ попишГогт е!ес!пс
йеМз / В. В. 8тШ1, Т. 8. Мауег, С. В. Кеайп§ // Аппиа! Кееаеху оГ Р11у.чса1 С11ет181гу. -
2012.-Уо1. 63.-Р. 241-263.

34. Н1§11»у1е1<1 зе1Г-Иттп§ зт§1е-папоху!ге аззетЫу \упЬ сИе1ес1гор11огез1з / Е. М. Ргеег,
О. ОгасЬеу, X. Виап е! а!. // ка!иге Хапо!ес1то1о§у. - 2010. - Уо1. 5. -X. 7. - Р. 525-530.

35. В!е!ес!гор11огейс аН§птеп( оГ те(а! апд те(а1 охЮе папоиагез апд папоГиЬез: а итуегза!
зе! оГ рагате!егз Гог Ьпс1§т§ ргерайегпес! т!сгое!есйос1ез / А. XV. МауепЬиг§, М. О. Мааз,
Е. 1. В. Койук е! а!. /Я?оита1 оГ СоИоЮ ап<11п!егГасе 8с1епсе. - 2011. - Уо1. 355. - X. 2. -
Р. 486 493.

36. Ргедиепсу ВерепЦепсе оГ Оо1<1 Хапорагйс!е ЗирегаззетЫу Ъу О!с1сс(гор11огех!з /
В. С. О1егЬаг1, В. О. Похсай. 8. 3. С11еп е( а!. // Еап§тшг. - 2007. - Уо1. 23. - X. 24. -
Р. 1245(1--12456.

37. Щука А. А. Наноэлектроника / А. А. Щука. - М.: Физматкнига, 2007. - 464 с.

38. Блинов Л. М. Лэнгмюровские пленки / Л. М. Блинов V Успехи физических наук. -
1988.-Т. 155. -№3,- С. 443 480.

39. 11КЕ: Н(1р5: /\ууууу\пап<>пе\У5пс1.ги/аг(1с1е8/200Х |11екНап1сНе8к|с-гс1с-па-ис;1е'<>с111ук11-
папо1гаЪкак11-<Пуа-е1ек1гоп1к1-паза

40. 81еЪипоу У.. Агзетп А. В!о1оирса1 Зепзог апс! МегЬой оГ Из МапиГасГиге, К14 Арр1. ко.:
2013107267; \УС)/2014/129933 Ьйегпайопа! АррНсайоп Мо. РСТ/КШ013/001100 (Аи§
2014), 118 РаГеп! АррНсайоп по. 2015/0301039.

41. 81еЬипоу У. V., Аретех’а О. А., Апепт А. V., Уо1коу V. 8. Н1§Н1у 8спз1йуе апс! 8е1есйуе
8епзог сГпрз хуНк §гар11епе-ох1<1е Нпк1п§ 1ауег // АС8 Арр1. Маг 1п1егГасе8 2015, 7.
21727-21734.

42. рап X., И'кИе I. М.. Зкорох’а 8. I., Аки Н.. 8и1ег 8. О.. 8ип У. ЗепзШуе Орйса! Вюзепзогз
Гог 11п1аЬе1е<1 Таг§е1з: А Кеузеху // Апа1. С1шп. Ас1а 2008, 620. - 8-26.

43. 8ска^/оог! К. В. М., ТиАоз А. 8. НапсПтоок оГ8шТасе Р1азтоп Кезопапсе: Г11е Коуа1 8ос1е-
1у оГ Сйепйзйу, СатЬп<1§е. - 2008.

44. Соорег М. А. Орйса! Ыозепзогз т Огне; сйзсуегу // к аг. Кеу. 2002, 1. - 515-528.

45. РВА ОиЮапсе Гог ккГизйу. Аззау <1еуе1ортеп( Гог пптипо^етсйу (езйп§ оГ Йзегареийс
рго1етз. - 2009.

46. РВА Ошйапсе Гог Шйизйу риаНгу СопзМегайопз т Ветопзйайп§ ВюзтзИагйу 1о а Ке-
Гегепсе Рго(ет РгоОгсГ. - 2012.

47. СгшйеНпе оп !ттипо§етсйу аззеззтеп! оГ Ыо1сс11по1оцу-с1ег1уес1 Шегарепйс ргсйетз.
ЕМЕА/СНМР/ВМ\УР/14327/2006. Зап. 2007.

48. ОшйеНпе оп 1ттипо§ешс11у аззеззтеп! оГтопос1опа1 апйЪосйез т!еп<1ес1 Гог т у1уо сНп-
1са1 изе. ЕМА/СНМР/ВМХУР/86289/2010. Мау 2012.

49. 49.Мога1ез-Хап’ае2 Е., Мегког А. Огарйепе Охк1е аз ап Орйса! Вюзепз!п§ Р1агГопп //
Айу. Ма!ег. 2012, 24(25). - 3298-3308.
50. /./ Д'., 2ки К. Ст Вогуйак М., Нет В., Скеп О.. Ртег К. О., Со1отЪо Г Вио[) К. 8.
ТгапзГег оГ Ьаг§е-Агеа ОгарЬепе ЕИтз Гог НщЬ-РегГогтапсе Тгапзрагеп! С опсГаспуе Е1ес-
ггойев //Капо Ьей. 2009, 9. - 4359 4363.

51. Медянцева Э. П., Брусницын Д. В.. Варламова Р. М., Снтдикова Р. Р., Галявина А. Н.,
Будников Г. К. Амперометрические моноаминоксидазные биосенсоры на основе гра-
фитовых электродов и оксида графена как модификатора поверхности для определе-
ния некоторых антидепрессантов.

52. Лекарственные средства. В 2 кн. Кн 1. / М. Д. Машковский; отв. ред. С. Б. Дивов. - М.:
Новая Волна, 2002. - 540 с.

53. Втозепзог Ьазей оп р1айпшп папорагйс1ез йтзрегзей т 1отс йцшй ап<11ассазе Гог скТепти-
пайоп оГ айгепайпе / В. Вгопйат е! а1. // Бепе. Асйта1ог8 В. - 2009. - V. 140. - Р. 252-260.

54. Атреготейтс Ыозепзог Ьазей оп топоатте охШазе (МАО) йптоЫНхей 1п зо1/§е1 Шт
Гог Ьепхуйатте йе!епптайоп т рйагтасеийса!» / В. .1. [)|апе [е! а1.) // .1. оГ Рйагтасеий-
са1 апй ВютеШса! Апа1. - 2003. - V. 33. - Р. 983-990.

55. ВеизаЫе зепзог Ьазей оп Ы§11 та§пейхайоп сагЬоху1той1Г1ей §гар1тепе охМе ххчсН тгпп-
81с Ьуйго§еп регохШе саГа1уйс аейуйу Гог Ьуйго§еп регохтйе апй §1исо8е йеГесйоп /
Н. Уап§ е1 а1. // Вюзепз. Вюе1есйоп. - 2013. - V. 41. - Р. 172-179.

56. Скеп В Ма М., 8и X. Ап атреготейй решсШт Ыозеп - зог хмИН епйапсей зепзШуйу
Ьазей оп со-ттюЫНхайоп оГ сагЬоп папойгЬез, ЬетаГет, апй 13-1ас(атахс оп §1аззу саг-
Ьоп е1есйо<1е // Апа1. СЫт.Асй. - 2010. - V. 674. - Р. 89-95.

57. ОНхе-МопПаи Я.. Миног-Раксиа! Р. X., ВакЫск Е. СЬаг-асТсп/айоп апй орйпйхайоп оГ
сагЬоп папоШЬе е1есйойез ргойисей Ъу та§пейс епйартепй АррНсайоп 1о рагасе(ато1
с1е1есйоп // 8епз. АсШаЮгз В. - 2013. - V. 185. - Р. 685-693.

58. ЗкакгокЫап 8., Вав1§аг 8. Е1есйос1гет1са1 йерояйюп оГ§о1й папорагйс1ез оп сагЬоп папо-
1иЬе соа!е<1 §1аззу сагЬоп е1есйойе Гог Йге ттргоуей зепзт§ оГ йтйахШе // Е1есйосЫт.
Ас1а. - 2012. - V. 78. - Р. 422 429.

59. 1}пткг1Лтап В., Мат V., Скеп 8.-М. ЕПдЫу зепзШуе ат реготейю зепзог Гог сагЬатахе-
рте йеГепптайоп Ьазей оп е1есйосЬет!са11у гейцеей §гар1тепе ох|4е-81пДе-\уа11сй сагЬоп
папоШЬе сотрозйе Шт // 8епз. Ас!иа1ог8 В. - 2012. - V. 173. - Р. 274-280.

60. Е1есйос1тет1са1 зепзог Гог 1ох1с гас(оратте апй с1епЬпйго1 Ьазей оп Йте епйапсетеп!
ейесг оГетарЬепе охтйе / С. \\'и е( а1. // 8епз. АсШайгз В. - 2012. - V. 168. - Р. 178-184.

61. МапиГасйгге апй еуа1иайоп оГ сагЬоп папоШЬе тойтйей 8сгееп-рпп!ей е1есйойез аз е1ес-
Йосйепйса! 1оо1з / Р Гап- ) и I-Во I айо е( а1. // Та1ап1а. - 2007. - V. 74. - Р. 427 433-

62. аХ.. Лап^Х. Е1есйоз1айс 1ауег-Ьу-1ауег аззетЫей тп1й1ауег Штз оГ сЬйозап апй сагЬоп
папоШЬез // Кеху СагЬоп Магепак. - 2010. - V. 25. - К 3. - Р. 237-240.

63. Горкин В. 3. Аминоксидазы и их значение в медицине. - М.: Медицина, 1981. - 336 с.

64. Амперометрический моноаминоксидазный биосенсор для определения некоторых ан-
тидепрессантов / Э. П. Медянцева и др. // Жури, аналит. химии. - 2008. Т. 63. № 3. -
С.302-307.

(уЗ . Данилова Л. А. Анализы крови и мочи. - СПб.: Салит-Медкнига, 2003. - 128 с.

66. Совместное вольтамперометрическое определение дофамина и мочевой кислоты на
электроде, модифицированном самоорганизующимся монослоем цистамина с наноча-
стицами золота / Л. Г. Шайдарова и др. // Жури, приклади. химии. 2011. - Т 84. Вып.
2.-С. 222-228.

67. Еигореап рйагтасороета 7.0, Еигореап Вйес!ога1е Гог гЬе риаНгу оГ Мейтстез &
НеайЬСаге. - 2010. V. 2. - Р. 231-2232.

68. ВусеггА. е1 а1. Кайне рйузьез 3, 172. - 2007.

69. 11йр8://уапйех.ги/ра(еп18/йос/К.1Л 888561Л_20190425.
Глава 3

ДВУМЕРНЫЕ (20) НАНОМАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

3.1. Ограничения классических архитектурных решений
высокопроизводительных вычислительных систем

Современные высокопроизводительные системы используют в основ-
ном алгоритмы параллельной обработки данных. Основной принцип парал-
лельной обработки данных - это одновременное выполнение сразу несколь-
ких вычислительных операций, при этом различают два основных способа
обработки: параллельную и конвейерную (постадийную).

На рис. 3.1 представлена общепринятая классификация основных из-
вестных методов параллельной обработки данных (совмещение различных
операций, кодово-матричный, конвейерный, декомпозицинные методы).
Здесь же на нижнем поле рисунка даны пояснения отличий последователь-
ного метода выполнения алгоритма обработки данных от конвейерного ме-
тода.

Алгоритм

М ЕТОДЬI П.'ДА.ЪТЕДЬН: 1Й ОБИ БО ТКIГ ДАННЫХ

<-ДТ-

Время рии»нля^(К)«К. Т,

. _[ФА~ |ФА2**|

Ц-ФА) №А/ |

алгоритме»
операций

Время реи

-дт

Последовательное выполнение алгоритмов

Конвейерное выполнение алгоритмов

Рис, 3.1. Классификация методов параллельной обработки данных
Ниже представлен краткий перечень наиболее известных типов «клас-
сических» высокопроизводительных вычислительных систем с краткими ха-
рактеристиками.

Параллельные векторные системы (РУР). Основным признаком РУР-
систем является наличие специальных векторно-конвейерных процессоров, в
которых предусмотрены команды однотипной обработки векторов данных,
эффективно выполняющиеся на конвейерных функциональных устройствах.
Как правило, несколько таких процессоров работают одновременно с одной
общей памятью в рамках многопроцессорных конфигураций. Несколько та-
ких узлов могут быть объединены с помощью специального многоканально-
го коммутатора. Классическим примером компьютеров с такой архитектурой
является большинство суперкомпьютеров серий Сгау.

Симметричные мультипроцессорные системы ($МР) с общей памя-
тью. Система состоит из нескольких однородных процессоров и одного мас-
сива общей памяти (обычно состоящего из нескольких независимых блоков).
Все процессоры имеют равноправный доступ к общей памяти с одинаковой
скоростью. Процессоры подключены к памяти либо с помощью общей шины
(Нгоп1 5>1с1е Виз), либо с помощью специального многоканального коммутато-
ра. Для 8МР-систем существуют сравнительно эффективные средства автома-
тического распараллеливания. Основное преимущество: программирование в
универсальной модели общей памяти не требует использования какого-либо
дополнительного кода или существенных изменений кода.

Массивно-параллельные системы (МРР) с распределенной памятью.
Система состоит из множества однородных вычислительных узлов, включа-
ющих: один или несколько центральных процессоров; локальную память
(прямой доступ к памяти других узлов невозможен); специальный коммуни-
кационный процессор (или сетевой адаптер). Большинство массивно-
параллельных систем создаются на основе мощных процессоров с архитек-
турой К18С (с ограниченным набором команд). Узлы связаны через локаль-
ную или распределенную коммуникационную среду. Программирование
осуществляется здесь в рамках стандартной модели передачи сообщений
(Меяза§с Раззт^ 1п1ег('асе).

Системы с неравномерным доступом к памяти (1УЦМА). Система
состоит из базовых модулей, состоящих из небольшого числа специализиро-
ванных процессоров и одного блока локальной памяти. Модули объединены
с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адрес-
ное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти
(к памяти других модулей), при этом доступ к локальной памяти в несколько
раз быстрее, чем к удаленной.

Если на аппаратном уровне поддерживается когерентность кэшей во
всей системе, говорят об архитектуре СС->ШМА (рис. 3.2). Примером систем
с такой архитектурой является суперкомпьютер Л8С1.

Кластерные системы. Кластер - это набор узлов, объединенных 2Э-
или ЗВ-сетью. Каждый отдельный вычислительный узел (сотргйайопа! пос!е)
формируется из нескольких процессоров, традиционных или векторно-
конвейерных. и общей для них памяти. Внутренняя структура узлов может
быть как одинаковой (гомогенные кластеры), так и разной (гетерогенные
кластеры). Обычно кластер имеет как минимум один головной узел и от-
дельные узлы для файловой системы. Для связи узлов между собой и с памя-
тью используется одна из стандартных сетевых технологий (Рак.!. / СщаЬй
НгИегпе!, Муппе!) на базе шинной архитектуры или коммутатора. Достоин-
ство таких кластерных систем — повышенная отказоустойчивость. По кла-
стерному принципу построены некоторые модели суперкомпьютеров фирмы
1ВМ.

Дата-центричные (с1а1а-сеп!г1с) системы ориентированы не только на
повышенную скорость обработки данных, но и на эффективность работы с
большими объемами данных. Подобные крупные дата-центры потребляют
огромное количество энергии.

Квантовые вычислительные системы — это устройства, использую-
щие явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для пере-
дачи и обработки данных. Такие устройства оперируют кубитами (кванто-
выми битами), которые могут одновременно принимать значение и логиче-
ского ноля, и логической единицы.

На рис. 3.2 представлена более детальная классификация архитектур
классических параллельных вычислительных систем (81 МП, М18П, М1МП),
построенных на массивно-параллельных процессорах, мультипроцессорах,
векторных процессорах и мультикомпьютерах.

Рис. 3.2. Классификация архитектурных решении вычислительных систелл
с параллельной обработкой данных

Основным и общим признаком всех этих вычислительных систем и ар-
хитектур базовых процессоров (мультипроцессоров) является использование
фон-неймановской архитектуры и, соответственно, различные стандартные
варианты организации доступа этих процессоров к памяти. Так, ХСГМА (Моп-
Цтйгт Метогу Ассезз) обеспечивает неравномерный доступ к памяти,
СОМА (СасЬе Оп1у Метогу Ассезз) — доступ только к кэш-памяти, СС-
ЫЫМА (СасЬе СоЬегеп! МОЯ СпИбгт Метогу Ассезз) - неоднородный до-
ступ к памяти с когерентным кэшем и т. д.

3.2. Вычислительные технологии нового поколения

Стремительное развитие цифровых технологий и их многочисленных
приложений привело к лавинообразному увеличению числа совершенно но-
вых вычислительных задач, предъявляющих жесткие требования уже не
только к производительности вычислительных устройств, но и к их энер-
гоэффективности, а также к эффективности использования площади базовых
полупроводниковых кристаллов. Всё многообразие развивающихся новых
направлений вычислительных технологий можно условно разделить на две
большие группы - это технологии обработки изображений (матричных
вычислений) и технологии логической обработки информации [1].

Что надо понимать под термином «изображение»? В общем случае
изображение - это то, что мы видим, т. е. то, что может «зарепгстрировать»
зрительная система человека: например, окружающий нас мир, рисунок,
чертеж, текст, телевизионное изображение, кривая на экране осциллографа
и многое другое. Таким образом, изображение - это отражение естествен-
ных (существующих в природе) сигналов, т. е. волн различной длины, кото-
рые могут быть зарегистрированы системой человеческого зрения или со-
зданными человеком специальными приборами (устройствами). Принци-
пиальная разница между первыми и вторыми методами заключается в том,
что глаз человека воспринимает волны в достаточно узком участке элек-
тромагнитного спектра, который называется видимым. Всё видимое глазом,
а также регистрируемые приборами сигналы изначально представляют со-
бой непрерывные (недискретные) сигналы, которые в итоге образуют так
называемые «аналоговые изображения», которые можно описать только не-
прерывными функциями, а ведь все современные высокопроизводительные
компьютеры обрабатывают информацию только в цифровом (дискретном)
виде.

Сам технологический процесс регистрации отраженного непрерывного
сигнала и его преобразование в цифровое представление называется получе-
нием цифровых изображений. Различные технологии преобразования этих
изображений называются обработкой цифровых изображений. Обработка
выполняется по определенным алгоритмам, точнее — с помощью программ,
реализующих эти алгоритмы.

Компьютерная прот рамма обработки изображений - это последова-
тельность инструкций, закодированных на определенном языке программи-
рования, предназначенная для исполнения устройством управления вычисли-
тельной системы, т. е. это реализация алгоритма. Программа - это только
один из компонентов программного обеспечения систем обработки изобра-
жений.

Однако для удовлетворения возросших требований к вычислениям раз-
работчикам перспективных вычислительных устройств срочно необходимы
новые материалы, чтобы, прежде всего, дополнить существующую промыш-
ленную комплементарную кремниевую технологию «металл-оксид-
полупроводник» (КМОП), а также необходимо разработать новые микро-
электронные (низкоразмерные) технологии, чтобы обеспечить дальнейшую
диверсификацию электроники и ее приложений.

Разнообразие уже изученных многочисленными коллективами иссле-
дователей электронных свойств двумерных наноразмерных материалов пока-
зало их высокий потенциал для существенного повышения энергоэффектив-
ности процессов вычислений, позволяя при этом продолжать процесс линей-
ного масштабирования устройства вплоть до минимального размера элемен-
та порядка 5 нм.

В этом разделе рассмотрим возможности, состояние, перспективы и
проблемы использования двумерных наноразмерных материалов в вычисли-
тельных системах нового поколения. Однако для начала следует определить-
ся с терминологией, используемой авторами в этом разделе.

Все известные вычислительные технологии, в том числе рассмотрен-
ные выше в разделе 3.1, можно условно разделить на два больших класса в
зависимости от решаемых ими задач: задачи восприятия (регсерйоп) и за-
дачи логические (геаношп#) [1] (рис. 3.3).

Единая структура

Технология вычислении

Рис. 3.3. Условная классификация вычислительных технологий
в зависиллости от класса рсшаеллых задач

При решении класса «задач восприятия» обычно необходимо много-
кратно обрабатывать массивные объемы данных; следовательно, такой про-
цесс требует использования методов параллельных вычислений. В отличие
от задачи восприятия, «задача рассуждения» — это процесс, где для решения
конечной задачи используются методы последовательных вычислений. Раз-
работка единой вычислительной структуры, которая обеспечивала бы реше-
ния «двуединой» задачи, является большой проблемой для сообщества уче-
ных, поскольку основные вычислительные алгоритмы этих двух типов задач
принципиально различаются.

Как показано в разделе 3.1, в настоящее время современная компью-
терная архитектура базируется в основном на архитектуре фон Неймана — с
физически разделенными вычислительными модулями и блоками памяти, и
пользователи пытаются использовать эту архитектуру для решения как задач
обработки изображений, так и чисто вычислительных задач. С одной сторо-
ны, скорость передачи данных между блоком обработки и блоком памяти
принципиально ограничена самой этой архитектурой, что приводит к высо-
кому потреблению энергии и дополнительным затратам времени [1]. Несмот-
ря на то что полупроводниковая отрасль для повышения энергоэффективно-
сти предложила новую технологию (1кгоц§Ь зШсоп У1а (Т8У) [2], ограничен-
ная плотность соединений пластин через кремниевые вертикальные межсо-
единения не подходит для организации действительно высокоэффективных
вычислений [3, 4, 5]. С другой стороны, повышение производительности, не-
обходимое для решения современных логических задач типа геазопт^, тре-
бует обеспечения еще более высокой плотности транзисторов в модулях цен-
трального процессора вычислительной системы.

Все эти накопившиеся проблемы требуют использования новых функ-
циональных материалов, поскольку эти проблемы в значительной степени
связаны с ограничениями характеристик существующих сегодня макромате-
риалов. Для логических вычислений технология вычислений уже продемон-
стрировала свою недостаточность из-за ее низкой эффективности, обуслов-
ленной использованием алгоритма пошаговой процедуры вычислений [9], но
здесь технология полевых транзисторов (йеШ-ейесТ 1гапз18Юг — РЕТ) по-
прежнему остается наиболее часто применяемой. Однако для уменьшения
размеров элементов транзисторов ниже 5 нм классические макроматериалы
больше не являются базисной системой материалов из-за эффектов сильного
рассеяния, вызванного свободными связями. Благодаря тому, что двумерные
(21Э) материалы не имеют таких свободных связей, теоретически можно пре-
одолеть традиционное ограничение линейного масштабирования транзисто-
ров и реализовать новую транзисторную структуру с более эффективным ко-
эффициентом использования площади кристалла.

Матричные вычисления, точнее, процесс векторного скалярного произ-
ведения, являются основным методом вычислений, используемым сегодня
для решения задач обработки изображений, а технология вычислений с ис-
пользованием памяти - это аппаратная реализация матрицы вычисления. При
сборке запоминающих устройств большой емкости в виде матричного масси-
ва эта матрица памяти использует классические законы Ома и закон Кирхго-
фа для реализации эффекта кумулятивного суммирования выходных резуль-
татов всех матриц, где проводимость каждой ячейки памяти действует как
вес [41].

Можно сказать, что логические вычисления — это ключевой метод вы-
числений для цифровой схемы, а технология транзисторных вычислений —
это аппаратная реализация логических вычислений. Последовательное или
параллельное соединение двух транзисторов может создать базовый логи-
ческий вентиль, а использование нужного электрического соединения меж-
ду логическими вентилями может сформировать различные логические мо-
дули.

Таким образом, матричные вычисления и логические вычисления пока
являются основными методами вычисления при решении как задачи воспри-
ятия, так и задачи рассуждения. Архитектура фон Неймана используется се-
годня для решения задач как матричных, так и логических вычислений. Од-
нако некоторые проблемы ограничивают возможности использования архи-
тектуры фон Неймана как в матричных вычислениях, так и в логических вы-
числениях. Технология вычислений в памяти и технология «транзисторных»
вычислений ориентированы на матричные вычисления и логические вычис-
ления соответственно.

Как популярно объясняют этот предмет студентам опытные преподава-
тели, матричные вычисления обладают естественным параллелизмом, похо-
жим на ситуацию, когда люди смотрят на картинки, и эти картинки видны в
деталях с первого взгляда, а не появляются (проявляются) постепенно с тече-
нием некоторого времени.

С точки зрения математики матричные вычисления — это процесс век-
торного скалярного произведения, и соответствующие элементы векторов
сначала умножаются и затем последовательно суммируются. Например,
сумма произведения входного вектора и |-го вектора-столбца матрицы в ито-
ге становится значением )-го элемента выходного вектора. Каждое скалярное
произведение между входным вектором и вектором-столбцом матрицы мо-
жет обрабатываться одновременно, этот «естественный параллелизм» эффек-
тивен в задачах восприятия (регсербоп) с большим объемом обрабатываемых
данных (чисел).

Однако хотя эти математические методы позволяют выполнять парал-
лельные матричные вычисления, разработчики вычислительных систем на
практике сталкиваются со значительным ухудшением рабочих характери-
стик, когда топологический размер базового элемента (транзистора) стано-
вится меньше 3 нм [6, 7]. В последнее время стало ясно, что проектирование
вычислительной архитектуры в соответствии с вышеописанным вычисли-
тельным методом является более эффективным путем, поскольку требования
вычислительного метода для задач «восприятия» и «рассуждения» различны.
Вычисления с использованием оперативной памяти — это вычислительная
технология, которая использует устройства памяти, собранные конструктив-
но в большой однородный массив для выполнения матричных вычислений,
что позволяет устранить необходимость перемещения данных, требующего
больших затрат энергии и времени [8]. Эта технология имеет многообещаю-
щие перспективы в матричных вычислениях, но всё еще существует много
технических проблем, которые необходимо решить, прежде чем коммерче-
ские приложения станут жизнеспособными. Операции с памятью, потребля-
ющие много энергии, увеличивают общее потребление мощности, что
нейтрализует преимущества энергосбережения; нестабильность работы па-
мяти (сбои) может снизить точность вычислений. Входные данные предвари-
тельно обрабатываются в соответствующий вектор напряжения и затем при-
меняются к словарной строке массива памяти; массив перекрестной памяти
использует закон Ома и закон Кирхгофа для реализации матричного кумуля-
тивного суммирования, где проводимость памяти действует как вес; вычис-
лительный результат выводится в виде вектора тока из битовой строки мас-
сива памяти.

О1 ран имения использования памяти в фон-неймановских архитек-
турах. Следует напомнить, что в составле любого современного компьютера
с архитектурой фон Неймана используется одновременно несколько типов
памяти. Это относительно медленная постоянная память (постоянное запо-
минающее устройство - ПЗУ), быстрая оперативная память (оперативное за-
поминающее устройство - ОЗУ) и сверхбыстрая кэш-память.

Оперативная память энергозависима - каждый раз при выключении
компьютера все хранящиеся в ней данные удаляются (очистка оперативной
памяти), в отличие от постоянной памяти, где данные (команды) сохраняют-
ся до тех пор, пока это нужно пользователю.

В ПЗУ записываются все программы и файлы, необходимые для орга-
низации эффективной работы компьютера. Каждый раз при включении ком-
пьютера управляющая программа перезагружается в оперативную память,
считывать и обрабатывать содержимое которой можно значительно быстрее,
что повышает производительность вычислительного устройства. Однако, ка-
кой бы быстрой ни была оперативная память, процессор всегда работает еще
быстрее. Когда процессор обращается к ОЗУ «за инструкциями», то с момен-
та запроса до момента получения требуемых данных проходит несколько
циклов работы процессора, вычислительная мощность процессора при этом
простаивает.

Для устранения этого недостатка используется так называемая кэш-
память - свербыстрая оперативная память, встроенная (етЬсйес!) в кристалл
процессора. По сути, кэш-память - это более быстрая, но и более дорогая
оперативная память.

Для реализации алгоритма нейронной сети, основанного на матричных
вычислениях, применяется метод обновления веса, который использует
ошибку между выходным и целевым сигналом, для обратного распростране-
ния между слоями матрицы, корректирует и обновляет вес и затем повторяет
итерацию до тех пор, пока итоговый выходной сигнал (результат) не прибли-
зится к целевому значению [10].

Основным аппаратным элементом выполнения векторно-матричной
операции в технологии вычислений является устройство памяти, причем
наряду с емкостью используемой памяти быстродействие памяти также
имеет решающее значение. В зависимости от методов кодирования входного
вектора приложения искусственной нейронной сети (агйГкла! пента! пе1\\ огк -
АЯЯ, с кодированием амплитуды / ширины импульса) и нейронной сети с
пиковыми сигналами (врУсш^ пента! пе1иотк — ЗЫЯ, с кодированием синхро-
низации / частоты) имеют разные требования к используемому запоминаю-
щему устройству [10]. К сожалению, по-прежнему существует много техни-
ческих проблем при выполнении матричных вычислений с использованием
современных достижений технологий изготовления памяти, включая мемри-
стор, память с фазовым переходом (рЬазе-сЬап^е шелюгу — РСМ), магнитную
память с произвольным доступом (ша^пейс гапбош ассезк шелюгу — МКАМ).
сегнетоэлектрическую память с произвольным доступом на основе полевого
транзистора (!Ье 1еггое!ес!пс гапбош ассекк тетпоту / Пе1с!-е(ГесТ 1гап8181от —
РеКЛМ / РеРЕТ) и ионного транзистора.

В случае применения АЯЯ изменение веса алгоритма, связанного с ве-
личиной проводимости устройства, в идеале должно быть линейным и сим-
метричным [11]. Однако как мемристорная технология, так и технология
РСМ на практике имеют асимметричные характеристики ЗЕТ / КЕ8ЕТ, что
приводит к снижению точности вычислений [12]. Технология изготовления
давно освоена в серийном производстве флеш-памяти, но требует большого
расхода энергии на программирование [13]. Требуемое большое количество
обучающих циклов также угрожает стабильности сохраненных значений веса
в памяти. Кроме того, для приложения ЗЯМ, более реалистичное моделиро-
вание кодирования и обработки информации в вычислительном устройстве
требует, чтобы устройства памяти сегодня обладали свойствами, близкими к
биологическим нейронам и синаптическим функциям, включая возбуждаю-
щий постсинаптический потенциал, ингибирующий постсинаптический по-
тенциал и зависящую от времени импульса пластичность (8р!ке-!тпп§-
берепбеп! р1а8Йсйу — ЗТ1)Р). Физические механизмы переключения поляри-
зации в устройствах микроэлектронной памяти типа РеКАМ / РеРЕТ [14, 15]
и намагничивания МКАМ [16] не представляют собой реального, эффектив-
ного аналога кинетики биологических ионов. Так, ионные транзисторы ими-
тируют ионный обмен сигналов нервов и синаптических клеток путем элек-
трохимически контролируемой интеркаляции ионов [17, 18], но миграция
ионов и их связь значительно ограничены электролитическими стробирую-
щими способностями [19].

3.3. Элементная база новых вычислительных технологий

Логические вычисления используют специальные логические модули
для выполнения процесса «рассуждения» (гса8ошп§), который представляет
собой последовательный режим вычислений, требующий выполнения опре-
деленных условий в последовательном потоке данных, в конечном счете вы-
водя результаты вычислений, как показано на рис. 3.4, Ь.
На рисунке 3.4 (а и Ь) представлены в упрощенном схематическом виде
пояснения основных принципов аппаратной реализации матричных (а) и ло-
гических (б) вычислительных технологий. Как показано на рис 3.4, а, мат-
ричные вычисления обладают естественным параллелизмом и подчиняются
правилу «всктор-матричное умножение». Технология кросс-массива памяти
имеет преимущество в реализации матричных вычислений, при которых вы-
числения и хранение данных обрабатываются непосредственно в ячейках па-
мяти. За счет исключения процесса передачи данных вычисления в памяти
могут решаться классические «задачи восприятия», такие как обработка
изображений, языка и звука.

На рис. 3.4, Ь показаны условия выполенния логического вычислитель-
ного процесса в последовательных потоках; каждый поток вводит данные из
верхнего потока и выводит результат в следующий поток. Логические моду-
ли на основе полупроводниковых транзисторов могут обрабатывать последо-
вательные логические вычисления с высокой эффективностью, и уже разра-
ботано множество мощных аппаратных форм вычислительного оборудова-
ния, таких как центральные процессоры и программируемые вентильные
матрицы.

Часто в задаче, основанной на знаниях, люди выводят факты путем по-
следовательного рассуждения. Если входные данные заданы точно, логиче-
ские вычисления могут эффективно получать также точные результаты, что
хорошо подходит для вычислительной задачи рассуждения, основанной на ба-
зе знаний. Конкретная организация последовательных каналов вывода, схема-
тично изображенных на рис. 3.4, Ь, зависит от характеристик используемой
транзисторной элементной базы. При каскадировании транзисторных логиче-
ских элементов результат вычисления операции верхнего уровня выводится на
следующий этап для выполнения последовательных вычислений, и благодаря
электрической развязке входа (затвора) и выхода (истока / стока) каждого от-
дельного транзистора конечный результат может быть рассчитан быстро и
точно. Для «транзисторной» технологии более высокая плотность транзисто-
ров одновременно означает и более сильную логическую способность «рас-
суждать», что очень важно для систем искусственного интеллекта.

В 1974 году Деннар и др. впервые предложили теорию размерного
масштабирования, в которой горизонтальное масштабирование (уменьшение
линейного размера транзистора), вертикальное масштабирование (глубины
перехода, толщины оксида) и уменьшение величины напряжения питания, а
также пропорциональное увеличение уровня легирования подложки могут
существенно увеличить плотность полупроводникового кристалла и обеспе-
чить лучшую энергетическую эффективность [5].

Хотя в эту теорию впоследствии были внесены многочисленные усо-
вершенствования, такие как использование высокодиэлектрических материа-
лов оксида (к-диэлектрики) вместо обычного оксида, ключевая идея о том,
что «чем меньше размер, тем лучше», по-прежнему остается главной тенден-
цией развития микроэлектронных устройств и систем на их основе.
а) Задачи восприятия
(параллельные матричные вычисления)

V у„|

Вектор входного
напряжения

Ь) Задачи рассуждения
(последовательные логические
вычисления)

Матрица* всея

<5(л

•<3*

' ^яи

Фг<»а'

Вектор
выходного тока

'®2л

Аппаратное обеспечение:

14, * С„,л = (,

Аппаратное обеспечение:

Приложения'

Приложения:

Распозна-
вание
звуков

Центральный
процессор

Распознавание Обработка
образов я тыка

Вентильная матрица с
программируемым
полем

Рис. 3.4. Пояснение принципов организации
матричных (а) и логических (Ь) вычислений

Здесь С - вес, V - входное напряжение

В настоящее время для построения простейшего базового логического
элемента (ИАЫО / КОК) используется по меньшей мере два транзистора, но
результаты логических вычислений всё еще нуждаются в их перемещении во
«внекристальную» (внешнюю) память. Очевидно, что сегодня необходима
более эффективная по площади структура базовых логических элементов и
новая интеграционная парадигма, позволяющая объединить вычисления и
память в объеме одного полупроводникового прибора. Именно по этой при-
чине 2Г)-материалы для вычислительных технологий следующего поколения
после открытия и первоначального успеха графена, а также другие 20-
материалы, в частности, дихалькогениды переходных металлов (ГМО), стали
объектом интенсивных исследований [20].
Каждый слой в 20-материале ковалентно связан с поверхностью,
очищенной от свободных связей, и один слой (или несколько слоев) могут
быть отделены физически от объемного 2Г)-кристалла из-за слабой силы
Ван-дер-Ваальса (итак уап бет ХХ'ааЕ — \с1ХХ') между соседними слоями [21];
оба этих эффекта делают 2О-материалы принципиально отличными от тра-
диционных макроматериалов Благодаря своей уникальной слоистой струк-
туре в этих материалах электроны заключены в ультратонком теле 20-
полупроводникового канала, который будет точно управляться напряжени-
ем затвора [22]. Можно сказать, что двумерные материалы обладают потен-
циалом невосприимчивости к классическому «эффекту короткого канала».
Естественная толщина атомного масштаба делает 2Г)-материалы фактически
основным альтернативным выбором перспективного материала в «эпоху
после Мура», когда ограничение эффекта квантового удержания затрудняет
уменьшение размеров объемных канальных материалов до линейных разме-
ров элементов ниже 5 нм. Кроме того, сами двумерные материалы имеют
множество различных вариантов внутренней структуры (рис. 3.5, а), вклю-
чая проводниковые (графеновые), полупроводниковые (Мо8э) и изолятор-
ные (ЬВМ) системы.

В последнее время активно начались исследования материалов, свя-
занных с явлением двумерного магнетизма [23], такого как СНз (рис. 3.5, Ь),
СгзОеэТеб и РезОеТе?, также активно исследуются 2О-сегнетоэлектрики,
включая ХХ’Те [24] (рис. 3.5, Ь) и а-йъБе [25]. Отсутствие химических связей
на поверхности и слабые силы Ван-дер-Ваальса (\'с1ХХ') между соседними
слоями позволяет комбинировать 2Г)-материалы практически в любом нуж-
ном порядке для создания различных видов гетероструктур [26, 27]
(рис. 3.5, §). В частности, могут быть построены гетероструктуры ус1\Х'
смешанных размеров (20 + «О, где и равно О, 1 или 3).

На рис. 3.5, а представлены эскизы типовых структур и материалов,
включая металлические, полупроводниковые и изолирующие элементы с
увеличивающейся запрещенной зоной слева направо.

На рис. 3.5, Ь представлен наблюдаемый эффект ферромагнетизма и
сегнетоэлектрических свойств в материалах Сг! и ХХ'Тез. На рис. 3.5, б пред-
ставлена «штабелируемая» гетероструктура хйХХ' с различными 20-матери-
алами.

Рис. 3.5, е демонстрирует принципы построения различных вариантов
20-запоминающих устройств для вычислительной техники в памяти, напри-
мер, мемристор, мемтранзистор, флэш-память и ионный транзистор. Стрелка
во флэш-памяти здесь указывает на процесс туннелирования, а знак минус в
синем круге представляет электроны.

На рис. 3.5, Г показаны структуры 20-транзисторов для транзисторной
вычислительной техники, включая Т8С РЕТ, сегнетоэлектрические полевые
транзисторы и полевые транзисторы гетероструктуры \с1ХХ'. В сегнетоэлек-
трическом РЕТ знак плюс (минус) в красном (синем) круге представляет
дырки (электроны).
Ъ) Сг1у. Ферромагнетизм

а) Графен МоФ ЮГГГ

с) УГТег: сегнетоэлектричество

с1) гетероструктуры усПУ

плоскость скольжения

Рис. 3.5. Пояснение к описанию уникальных характеристик
20-ллатериалов и возможностей их использования
в вычислительных технологиях следующего поколения

На рис. 3.5, § показана структура 20-массива для матричных вычисле-
ний [55]. Массив состоит из Н пикселей, и каждый пиксель состоит из М
субпикселей. Операция выражается уравнением: I = АР, где К = (Ктпп) пред-
ставляет собой матрицу фоточувствительности, Р - входной вектор, а I - вы-
ходной вектор. Ь, как показано на рис. 3.5, К, 20-транзисторы имеют потен-
циал для реализации интеграции \с1\М путем сборки различных структурных
элементов [27].

В таблице 3.1 перечислены различные 20-заиомииающие устройства с
указанием их характеристик, в том числе ионный транзистор [43-45, 48,
62-64], флэш-память [46, 52, 129], М1М-мемристор [31-33, 130, 131], поле-
вые транзисторы у<1\У-гетероструктур [54, 65-67, 132, 133] и мемтранзистор
[39, 56-58, 134]. Соответствующие ссылки относятся к электрическим двух-
слойным оксидным тонкопленочным транзисторам (таким как 1X0 [135] и
ЮХО [136, 137] и т. д.), мемристорам на основе оксида металла (ТаОх и
НЮх и т. д, [138, 139]) и мемристивным устройствам на основе кремния [11,
139] для различных устройств памяти.

Следует отметить, что численные значения показателя РРР обычно
определяются уравнением: А? / А\ х 100%, где А\ и А-, - отклик первого и
второго импульсов; изменение веса извлекается из максимального индекса
потенцирования и ингибирования в 8 ТОР; энергия вычисляется по уравне-
нию: I х /а х V, где I и представляют текущий отклик и длительность им-
пульса соответственно, а V - напряжение истока-стока в трехполюсниках и
амплитуда спайка в двухполюсниках. Значение каждого индикатора на ри-
сунке под окончанием таблицы 3.1 показано жирным красным цветом. Как
мы видим, пока еще в этой таблице есть графы, где на месте численных зна-
чений параметров указано «нет данных». Одна из основных ближайших за-
дач исследователей - установить эти данные.

На рис. 3.5, е представлены типовые конструктивно-схемотехнические
решения элементной базы - мемтранзистор, флэш-память и ионный транзи-
стор. Мемристор использует типичную структуру металл - изолятор - металл
(М1М), а 2В-изолятор может функционировать в качестве коммутационного
слоя. Мемтранзистор имеет трехполюсную транзисторную структуру с пере-
страиваемостью затвора и миграцией границ зерен или обратимым дрейфом
других дефектов, генерирующих явление резистивного переключения. Работа
флэш-памяти основана на механизме туннелирования заряда, в то время как
ионный транзистор использует ионную связь для реализации модуляции про-
водимости.

Используя эти характеристики 20-материалов, можно повысить как
емкость, так и производительность памяти. Например, графен, первый техно-
логически доступный двумерный атомный кристалл, может функциониро-
вать или как блокирующий слой (для повышения стабильности устройства)
[28], или как контактный материал (для повышения надежности ячейки па-
мяти) [29].

Материал ЬВИ) обладая сотовой структурой, подобной графену, обла-
дает высокими изолирующими свойствами. Он используется как функцио-
нальный (коммутационный) слой в мемристорах с высокой электрической
прочностью [30] и низким программирующим током [31]. Его отличительной
особенностью является то, что 20-заиомииающес устройство на основе ЬВК
может использовать низкую величину напряжения и в силу этого иметь низ-
кое энергопотребление [32, 33].

Различными группами исследователей были продемонстрированы экс-
периментальные конструкции 2Г)-транзисторов, например, двухканальный
(1\уо-8игГасе-сЬаппе1 - Т8С) РЕТ [34], сегнетоэлектрический РЕТ [35, 36] или
РЕТ с гетероструктурой [37, 38]) (рис. 3.5, 1). Например, в работе [34] было
показано, что один 20 Т8С РЕТ может функционировать как базовый логи-
ческий элемент и реализовывать также функцию встроенной памяти. Другие
сегнетоэлектрические полевые транзисторы, такие как РЕТ с отрицательной
емкостью (пс§айуе-сарасйапсе РЕТ - РГСРЕТ), могут быть использованы для
различных маломощных применений электроники. Гетероструктуры х-аХХ' с
новым рабочим механизмом могут быть построены, например, с помощью
туннельного РЕТ (1иппе11т§ РЕТ - ТРЕТ) [37] и РЕТ с источником Дирака
(В8РЕТ) [38]. ТМГ), включая Мо8: и ХУЗег, обычно имеют соответствующие
запрещенные зоны в диапазоне 1-2 эВ, которые компенсируют известный
недостаток графена и применяются в качестве «канальных материалов» в 2Б-
транзисторах.
Таблице! 3.1

Сводная таблица характеристик запоминающих устройств
на основе 2В-материалов

Показатели для А^^ Показатели для 8^^ Низкое энергопотребление
Структура Материалы Несколько состояний Динамический диапазон РРВ (%) Изменение веса (%) Напряжение (V) Ток (А) Энергия/ импульс
\У8с;45 бО/бОо 2,3 300 Нет данных ±1,2/-0,4 ~10-’ 30 фДж
Графен48 125/125 6,1 Нет данных Нет данных Нет данных 1Г< ’ 500 фДж
а-МоОз43 50/50 1,36 115 Нет данных 2,5/—1,8 ~1»-’ 0,2 пДж
Ионный транзистор а-МоОз44 50/50 1,62 150 Нет данных ±2,5 ~10-’ 0,16 пДж
Моб,62 12/12 8 206 +60/-60 ±2 ~ю-’ 4,8 пДж
Моб,64 100/100 5 Нет данных Нет данных ±4 -10"8 ~иДж
\УОз63 20/20 5 106,8 +10/-10 +1,8/—1 ~ю-’ 36 пДж
Материал: 1ХО135, ЮХО136 137 -20-50 >4 -100-110 ±0,1-10 ±-1-5 -Ю-’-Ю-8 -фДж-пДж
Монослой Мо§2 (легкий)52 8/ Нет данных 1»’ Нет данных Нет данных Нет данных ~10-“ Нет данных
Флэш-память Мо^г/ИВЫ/ Графен46 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных ±6 10 13 Нет данных
Мо812’ 100/100 13,32 225 Нет данных -4/+5 18,3 аДж
Материал: 811"" -20-100 >4 Нет данных Нет данных ±-10-50 ~10 12-10 10 -Десятки пДж
МоЗ?3 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных ±0,2 -КГ* Нет данных
МоОх/Мо$,130 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных ±0,15 ~ш-1в Нет данных
М1М МохЛУ,.хТе32 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных ±0,5 14 3 Нет данных
ЬВМ31 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных +0,8/-0,7 ~1<Н 10 пДж
Перовскиты131 Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных 8/-2 ~10-13 400 ф
Материал: ТаОх, НЮХ138139 -20-100 >4 Нет данных Нет данных ±-3-10 ~10 1о-1О 8 -Десятки пДж
Окончание таблицы 3.1

»8е2/ ЬВМ (Ы8Ы>54 МоЗУРТСОА65 130 / Нет данных 50/50 106 5 Нет данных 375 Нет данных Нет данных Нет данных -12/-20 1(112 ~10-’ Нет данных 10 пДж
Г етероструктура ус!\У ВР/Рох132 20/20 0,22 Нет данных +7/-3 ±20 19 7 -нДж]
Полевой транзистор ЗпЗе/РВ/Рох133 20/20 0,35 Нет данных ±25/-25 ±20 ~19-7 -нДж
Пер овскит/Графен (легкий)66 20 / Нет данных 1,35 115 +3/-8 Нет данных ~ю~5 Нет данных
Ъ-ВГ^МЗеА7 600/600 4 Нет данных +60/-60 ±03 ~10-’ 66 фДж
Материал: 8111,139 -20-100 >4 Нет данных Нет данных ±-10-50 ~ш-12-ю-10 -Десятки пДж
Поликристаллический МоЗ,56 10/10 10 Нет данных +60/-160 ±30 -1Г’ -нДж
Мо8257 (Неионный пучок) 16/16 4 Нет данных Нет данных ±20 -0,64 мкДж
Мемтранзистор МО8г39 250/250 6 Нет данных +10/-44 ±10 -10~7 -0,1 нДж
Пентацен (ПУ)134 25/25 10 210 Нет данных ±10 -10~7 -0,1 мкДж
\У8еЛ»Си.*8 30/30 100 135 Нет данных -4/±0,5 . иг Нет данных
Материал: 8111139 -20-100 >4 Нет данных Нет данных ±-10-50 ~1012-1010 -Десятки нДж

Веди гетспГз 1ог ап агШ1сш пеигег пологи

Нечыгетеп'з гы а зрнсгпд пеига! пеГлогк

П_П П_П_ГЪ 1_П

мопуошис

итгьтпгип

"Пте

Л___Л-ЛЛЛЛЛ. _А_^ЛЛЛЛЛ

,А/«0 . Л1< о

. *_1_с 1Лт' __

Тте
Кроме того, 2Г)-запоминающие устройства легко могут быть встроены
в массив ячеек для матричных вычислений (рис. 3.5, §), в то время как 20-
транзисторы обладают потенциалом для обеспечения интеграции на систем-
ном уровне с помощью дополнительных функциональных слоев, наносимых
в процессе формирования многослойной структуры уй\У и слияния (интегра-
ции) блоков памяти и логики (рис. 3.5, Ь).

3.4. 20-материалы для матричных
вычислительных приложений

Как известно, одно из наиболее быстро развивающихся относительно
новых направлений вычислительной технологии нового поколения - это
нейросетевые приложения. Для различных известных вариантов нейросете-
вых приложений базовые ячейки памяти матричных вычислений должны
отвечать соответствующим определенным требованиям. Использование ам-
плитудо-широтного метода кодирования входного сигнала в приложении
АИИ (аг11(1с1а1 пеига! пе1иогк) требует применения запоминающих
устройств с хорошими энергонезависимыми характеристиками, хотя обес-
печивать синхронность импульсов (Аг) кодирования частоты [10] в прило-
жении 8ГГК (8р1к1п§ пеига! пе1иогк) необходимо в устройствах памяти как с
энергонезависимыми, так и с энергозависимыми характеристиками. Обла-
сти применения требуют энергонезависимой аналоговой памяти для
обеспечения высокой линейности и симметрии при обновлении веса, что
обеспечивает повышенную точность вычислений. 8МЯ должны иметь фи-
зические свойства, которые адекватно имитируют биологические нейроны и
синаптические функции, включая известные явления краткосрочной пла-
стичности (8ТР) и долгосрочной пластичности (Ьп^Вегт р1а811сйу - ГТР),
соответствующие энергозависимым и энергонезависимым характеристикам
режима хранения информации в классическом запоминающем устройстве,
что является сущностью 8ТР или ГТР. Например, относительно низкоча-
стотные (~0,1—5 Гц) импульсы могут привести к тому, что устройство будет
демонстрировать 8ТР, а относительно высокочастотные (~20-100 Гц) им-
пульсы приводят к ГТР, которая может быть количественно определена с
помощью так называемой парно-импульсной фасилитации (РРР) и весового
диапазона соответственно. Стимуляция, которая обеспечивает достаточную
амплитуду и длительность импульса, также может вызвать ГТР даже на от-
носительно низкой частоте [39, 40]. Кроме того, амплитуда, частота, дли-
тельность и интервала импульсного сигнала также будут влиять на 8ТР /
ГТР.

Еще одной особенностью 8ММ является использование методов вре-
менного кодирования, которое соответствует правилам обучения 8Т0Р с
биологической основой. В этом случае устройство функционирует правиль-
но, когда предварительный импульс предшествует последующему импульсу
(А/ > 0), и изменение веса будет уменьшаться с увеличением временного ин-
тервала; и наоборот (Аг < 0).

Дополнительно к уже перечисленным в разделе литературным источ-
никам существует много других обзорных статей, касающихся темы нейро-
морфных вычислений, например [11, 41], но все эти статьи сосредоточены в
основном на обсуждении физических свойств эффектов памяти появляющих-
ся макроматериалов. В то же время 20-запоминающие устройства обладают
большим потенциалом для расширения сфер применения матричных вычис-
лений с точки зрения минимизации энергопотребления вычислительных си-
стем, повышения точности и «биометической пластичности», которые каса-
ются известных существующих проблем в объемных запоминающих устрой-
ствах.

Поскольку требование обеспечения как можно более низкого энергопо-
требления является одним из основных в матричных вычислениях, и мемри-
сторы обычно имеют большие значения тока ЗЕТ, то, например, РСМ всегда
требует использования высокого рабочего напряжения [42]. Используя атом-
ный масштаб толщины 2Г)-материалов, теоретически можно существенно
снизить энергопотребление (уменьшить величину рабочего напряжения или
тока). Ши и его команда продемонстрировали конструкцию мемристора
М1М, сформированного из ЙВЯ [31], выращенного методом химического
осаждения из паровой фазы (сЬепйса! уароиг йсрозйюп - СУП). Высокие изо-
ляционные свойства пВП обеспечивают сверхнизкое энергопотребление та-
кой памяти - 0,1 фВт в режиме хранения информации.

В известных оригинальных работах Янга и его команды также под-
тверждена реальная возможность применения 20-материалов в структуре
ионного транзистора со сверхнизкой энергией программирования [43, 44]. По
сравнению с ограниченными возможностями управления ионами и связью в
обычных электролитических транзисторах, отношение площади поверхности
к объему, возникающее в результате уменьшения толщины 20-материала,
достаточно велико, и между слоями всегда имеется геометрический зазор
\с1\У [45], что обеспечивает на практике достижение желаемого эффекта
улучшения ионного стробирования и достижения низкого энергопотребления
такого «синаптического» транзистора. Известно также, что фазовые перехо-
ды в слоях ТМВ [32, 33] иногда используются в структуре М1М для мемри
стических приложений с пониженными рабочими напряжениями или более
низкими токами программирования.

Результаты исследований особенностей новых режимов работы актив-
ных базовых элементов с 20-материалами во флеш-памяти также позволяют
снизить величину ее энергопотребления [46, 47]. В этом направлении Ву и
др. предложили конструкцию двухполюсной туннельной памяти с произ-
вольным доступом на основе гетероструктур Мо§2 / ЬВЯ / графена, работа-
ющую в режиме инжекции электронов [46]. Здесь были экспериментально
получены относительно низкое рабочее напряжение (6 В), сверхвысокое со-
отношение включения / выключения (109) и сверхмалый ток в закрытом СО-
стоянии (10 1 А). Поскольку множественные состояния имеют решающее
значение для обеспечения точности вычислений в АКК, то необходимо обес-
печить модуляцию проводимости в достаточно большом динамическом диа-
пазоне, высокую линейность и необходимое соотношение симметрии. Ян и
др. были первыми, кто предложил ионный транзистор на основе двумерного
оксида переходного металла с точной модуляцией проводимости по 100 ли-
нейным и симметричным состояниям [43, 44]. Благодаря слоистой структуре
а-МоОз он способствует интеркалированию различных катионов, обеспечи-
вая лучшую настраиваемость.

Точно так же управление концентрацией ионов в слое графена [48]
или \У8е [45] реализует аналоговую настраиваемость (> 250 энергонезави-
симых состояний) с линейной и симметричной характеристикой проводи-
мости. Неизбежная технологическая изменчивость (разброс) численных па-
раметров от устройства к устройству пока также является серьезной про-
блемой, которая может привести к значительному снижению реальной про-
изводительности в АКК. Однако было показано, что использование одно-
временно нескольких параллельных устройств для построения одного си-
напса может свести к допустимому минимуму влияние этого разброса пара-
метров [49, 50].

Световая стимуляция также является еще одним новым средством мо-
дуляции проводимости благодаря отличным оптическим свойствам 20-
материалов. Благодаря квантовому ограничению [51] монослой Мо8г имеет
запрещенную зону 1,8 эВ. При использовании в конфигурации памяти физи-
ческого механизма ловушки заряда [52] и традиционной структуры РЕТ [53]
можно обеспечить соответственно 8-битный и 12-битный уровни состояний.
Например, в работе Ляна [54] гетероструктура, состоящая из \\'8е2 и ЬВК,
показала высокий динамический диапазон (106) и 130 состояний. В работе
[55] исследователи представили результаты экспериментальных исследова
ний видео датчика АКК, построенного на базе фотодиодной матрицы \\'8ег,
спроектированного для решения задач сверхбыстрого распознавания и обра-
ботки изображений.

Псрестраиваемость затвора также может быть успешно реализована и в
мемтранзисторах [39, 56, 57]. Такое перестраиваемое мемристивнос поведение
структуры обеспечивает перестраиваемый коэффициент переключения в ши-
роком диапазоне от 10 до 104 и может использоваться для модуляции несколь-
ких состояний в широком динамическом диапазоне [39, 58]. Здесь надо отме-
тить, что паразитный ток, то есть ток, протекающий через невыбранные ячей-
ки, оказывает негативное влияние на точность работы сети АКК. Были пред-
ложены различные решения, в том числе архитектуры типа «один селектор -
один резистор» [59] и «один транзистор - один резистор» [60], однако пока все
эти решения требуют использования очень сложных технологических процес-
сов. В принципе мемтранзисторы теоретически позволяют интегрировать од-
нотранзисторную однорезисторную архитектуру в одном устройстве с исполь-
зованием относительно простых базовых технологических процессов [61].
Кроме того, Сан и др. продемонстрировали устройство памяти на основе
структуры ЬВМ по / графен / КВ51 [30]. Показано, что графен эффективно бло-
кирует диффузию Ац-нитей, что необходимо обеспечить при интеграции энер-
гозависимых и энергонезависимых свойств в одном устройстве.

Системная интеграция устройств памяти с 20-материалами дает мно-
жество преимуществ в матричных вычислениях для 8ЫМ, позволяя наиболее
реалистично применять основные принципы биомимикрии. Хотя выращен-
ные с помощью СУИ 2Г)-материалы пока содержат множество внутренних
дефектов, которые могут создавать проблемы при использовании этих мате-
риалов в качестве канала или затвора диэлектрика в полевых транзисторах,
но они уже вполне пригодны для их применения в биомимике [31]. Таким
образом, 20-материалы могут обеспечить альтернативу эффекту поляриза-
ции Не КА VI / РеРЕТ или переключению намагниченности МКАМ, которые
не могут адекватно имитировать кинетику биоионов. Поскольку синапсы и
нейронные элементы в требуют организации динамики, аналогичной
принципу работы мозга, разупорядочивание внутренней матрицы 20-
материалов, выращенных методом СУО, по-видимому, распространяется вне
плоскости, создавая пути дефектов в 20-слоистой структуре, что в конечном
итоге приводит к переключению проводимости именно за счет кинетики
внутренних дефектов. Используя динамику дефектов, обусловленных грани-
цами зерен (или вакансиями серы), в мемтранзисторах МоУ могут быть реа-
лизованы эффекты переключения энергонезависимой проводимости и разно-
образная «бионическая нейропластичность» [39, 56]. В принципе, с учетом
их особенностей, мемтранзисторы с многополюсным контактом и возможно-
стью точной настройки затвора могли бы послужить основой новых систем,
обеспечивающих реализацию процессов сложного нейроморфного обучения,
имитирующих реальный (биологический) нейрон. Следует отметить, что
ЬВИ с внутренним дефектным «мемристивным поведением», выращенный с
использованием методов СУП, уже используется для построения электрон-
ных синапсов [31]. А использование локализованного ионного пучка позво-
ляет сформировать богатые дефектами наноразмерные области, тем самым
реализуя универсальную бионическую нейроморфную функцию [57].

20-материалы могут реально стать технологической платформой для
создания ионных транзисторов, предназначенных для применения в высоко-
производительных и биологических многофункциональных матричных вы-
числениях для 8МИ именно из-за их слоистой структуры атомного масштаба
и соответствующих особых свойств. Двумерные материалы и электролиты
уже используются в различных комбинациях для достижения базовых требо-
ваний нейронно-синаптической электроники в 8А1М [62, 63]. Введение 2Э-
слоистых материалов обеспечивает высоко анизотропные свойства переноса
ионов, что облегчает миграцию ионов и обеспечивает необходимые связи
между отдельными устройствами [64]. Достоинством этого подхода является
тот факт, что существующие зазоры приводят к альтернативной поверх-
ностной адсорбции или межслойной интеркаляции ионов, что может обеспе-
чивать разнообразную (краткосрочную или долгосрочную) бионическую
пластичность [45, 46]. Например, ионный синаптический транзистор на осно-
ве 2О-\\'8ез обладает усиленным ионно-стробирующим эффектом и демон-
стрирует различные превосходные бионические характеристики, включая
возбуждающий постсинаптический потенциал, РРР и пластичность, завися-
щую от частоты импульса [45]. Кроме того, «богатая» библиотека уже из-
вестных 2Г)-материалов и факт наличия фотоэлектрически управляемого ге-
тероструктурного интерфейсного барьера в принципе позволяет проектиро-
вать различные 20-сииапсы ус1\\' и нейронные компоненты с помощью вы-
равнивания зон и структурного проектирования. Показано, что уникальные
способности 20-НЕТ с гетероструктурой ус1\\' также дают возможность до-
стичь разнообразной биопластичности с помощью фотоэлектрической пере-
страиваемое™ [65].

Сегодня активно исследуются и синаптические устройства на 2И-РЕТ с
гетероструктурами ус1\\', в которых 2В-гетеропереходные синапсы показы-
вают отличные «биологические» свойства, обеспечивая появление новой па-
радигмы имитации синапсов в сочетании с 2В-органическими и неорганиче-
скими материалами. Двумерная гетероструктура пВКт / \У8ег ус1\\' с оптиче-
ским зондированием и синаптическими функциями демонстрирует 8ТИР, ко-
торое считается стандартным «правилом обучения» в бионическом модели-
ровании 8№4 [67].

Двумерные устройства памяти позволяют оптимизировать производи-
тельность матричных вычислений с точки зрения повышения точности, био-
миметической пластичности, настраиваемости и энергопотребления, обеспе-
чивая эффективную технологическую платформу как для АХИ, так и для 8ИМ
Хотя надо отметить, что и магнитные запоминающие устройства также ис-
пользуются для матричных вычислений [68]. Введение 2Г)-материалов
в принципе позволяет также повысить производительность магнитных
устройств [69], но здесь необходим поиск новых, еще неизвестных 20-
магнитов с высокими техническими характеристиками [70].

3.5. 20-материалы для логических вычислений

При выборе материалов для современных устройств, предназначен-
ных для создания усовершенствованных систем логических вычислений,
необходимо учитывать два существенных физических ограничения. С одной
стороны, чтобы гарантировать эффективное управление затвором, толщина
материалов канала уже приближается к квантовому пределу [71]. С другой
стороны, масштабирование (снижение) величины питающего напряжения
физически ограничено из-за соответствующего увеличения тока утечки, ха-
рактерного для ультратонкого диэлектрика, и для дальнейшего снижения
величины питающего напряжения требуется устройство уже с совершенно
новым физическим механизмом [72, 73].
Матрица без свободных связей и технологически относительно легко
получаемый монослой (толщина менее 1 нм) обеспечивают 2Г)-материалы
необходимым потенциалом для линейного масштабирования. На рис. 3.6, а
показано изображение общей зависимости подвижности от толщины мате-
риала (как кремния, так и некоторых перспективных 2Г)-материалов). Ис-
пользуя базовую технологию кремния на изоляторе (КНИ), на практике
можно получить действительно очень «тонкий» кремниевый канальный
транзистор. Однако подвижность объемных кремниевых РЕТ быстро ухуд-
шается, когда толщина канала становится ниже 3 нм [6, 7], в то время как
2Г)-материалы с проводимостью пир типа демонстрируют хорошую по-
движность даже при толщине канала менее 1 нм [74-78]. Напряженный
транзистор М082 также демонстрирует значительное повышение производи-
тельности при увеличении шероховатости подложки, что, возможно, связано
с атомной толщиной 20-материалов. Во всех системах материалов графен
демонстрирует самую высокую подвижность [80, 81], особенно при гермети-
зации с КВ\, но его нулевая запрещенная зона приводит к очень низкому ко-
эффициенту включения / выключения тока в графеновом транзисторе [82].
Имея различные материалы и богатую электронную зонную структуру, ТМО
показывают оптимальный баланс между подвижностью и соотношением то-
ка включения / выключения (приблизительно 10б—108) [76, 83], что необхо-
димо для разработки транзисторов с очень малыми размерами (размер эле-
мента менее 5 нм).

С ультратонким каналом на основе 20-материалов непосредственно на
подложке изолятора транзистор из 20-материалов имеет аналогичное пре-
имущество перед конструкцией кремний-на-изоляторе. В 2016 году Дезай и
его команда [84] впервые использовали углеродную нанотрубку (диаметр
~1 нм) в качестве управляющего затвора, был создан Мо8э-транзистор дли-
ной 1 нм (рис. 3.6, Ь). Устройства с длиной затвора 1 нм всё еще сохраняют
высокую производительность с почти идеальным 88 ~65 МВ с!ес 1 и коэффи-
циентом переключения ~10й, что показывает превосходство 2В-материалов
перед кремниевыми транзисторами в линейном масштабировании в диапа-
зоне ниже 5 нм.

Для решения задач масштабирования (уменьшения) величины питаю-
щего напряжения исследователями разработаны различные варианты кон-
струкций устройств, которые обычно используют новые механизмы преодо-
ления ограничения 88 (60 МВ с!ес 1 при комнатной температуре), такие как
ТРЕТ [72, 73] и Ж'РНТ [85]. Однако и в этих конструкциях ток устройств с
крутым 88 всё еще не является достаточно большим. Вводя в конструкции
2Г)-материалы с толщиной атомного масштаба, в принципе можно добиться
значительного повышения как 88, так и тока возбуждения. На рис. 3.6, с по-
казан пример реализации 20-материалов в конструкции устройств с крутым
88, включающих ТРЕТ, РТСРЕТ и Г)8РЕТ (еще одна новая технология, осно-
ванная на 2Г)-материалах Дирака). Здесь в ТРЕТ используется процесс тун-
нелирования от зоны к зоне, в котором «хвост» Ферми может быть «срезан»
запрещенной зоной, что приводит к крутому 88. Г)8РЕТ - это действительно
новая технология, которая использует точку Дирака графена, чтобы отрезать
«хвост» только Ферми. Для МСЕЕТ сегнетоэлектрическая отрицательная ем-
кость будет приводить к увеличению величины напряжения затвора, а это
означает, что величина смещения напряжения на материалах канала может
быть даже больше, чем уровень напряжения питания. Эффект повышения
производительности показан на рис. 3.6, <1 на изображении 88тш (минималь-
ный 88) по сравнению с током До (ток при 88 = 60 МВ бес-1).

Здесь:

• а - подвижность в зависимости от толщины полупроводникового
канала, покрывающего кремний на изоляторе [6, 7], графен оп 81СЕ
[80], изолированный ЬВМ [81], Т\Ю Мо8? [74, 75], ХХ'Зег [76, 77],
\\'82 [78], напряженный Мо8г [79], ВР [111-116] и В^гОгЗе [117];

• Ь - демонстрация транзистора с длиной затвора 1 нм (двухслойный
канал Мо8?) [84]. Изображение верхнего поперечного сечения про-
свечивающего электронного микроскопа характеризует размер
транзистора. Нижнее правое изображение - это передаточные ха-
рактеристики, а пунктирная линия представляет собой нижний
предел рабочей мощности для технологического рубежа, планиру-
емого к достижению в 2026 году, как указано в 1ТК8, напряжение
сток - исток РТЭ8; напряжение затвора ИО;

• с - 2Л-материал на основе усовершенствованной технологии 88,
включая ТРЕТ, МСЕЕТ и Г>8РЕТ. СРЕ, Гетто сарасйапсе; ферроем-
кость СМО8, узловое напряжение Ипр

• б - минимальные колебания, 55тт, по сравнению с током /60 (ток
при 55 = 60 МВ V бес - 1). Цветные символы представляют собой
устройства на основе 20-материалов. Синие, зеленые и красные
метки представляют ТРЕТз [37, 118-126], МСРЕТз, заполненные
(открытые) символы указывают на прямое (обратное) колебание
[35, 36, 86, 127, 128] и В8РЕТз [38], соответственно.

Вариант конструкции транзистора Ое / Мо8г ТРЕТ, созданный Шарка-
ром и его командой в 2015 году, показывал минимальный 88, равный 3,9 МВ
бес1, и /йо, равный 10 А мкм1, что связано с более сильной управляемостью
затвора на основе 2Г)-материалов [37]. Другие варианты конструкции МСЕЕТ
на основе 20-материалов также показали реальную возможность уменьше-
ния 88, однако они имели известную проблему гистерезиса [35, 36, 86]. Здесь
следует напомнить, что Ош и др. в 2018 году предложили более совершен-
ную конструкцию О8РЕТ на основе графена (2О-материала Дирака), кото-
рый действительно показал хорошие результаты как для небольшого 88, так
и для высокого тока возбуждения [38]. Этот Э8ЕЕТ также использовал точку
Дирака для отсечения «хвоста» Ферми. При этом авторы утверждали, что не-
большой 88 и имеющее место локальное тепловое излучение на границе гра-
фен / канал гарантируют высокий ток возбуждения.
. Графен с П8М-

*•> ’ ф изадмиеЙ

Ю*’

з
в 10х

№

В1,ОгЗе

Грефен на
3»О2

81 на изоляторе
адехтрскы

О О СХЮСЕ:

81 на изоляторе
(нырни)

о даосе

0 1]е-аа1

А МоЗ,
А, Мо52

I л5е:

+ Грэфи

Ф В^г5е

★ ВР

10’1

тмо

* Ам.ррфшй. ВР

* а Напряженное поХ

1 '1'1'1

0 1 2 3 4 5 6

Толщина (нм)
-3 -2-10 1
ЕЕТ с отрицательной емкостью

ЕЕТ с мето чинком Дира»

1«<Арт-*|

Рис 3.6. Демонстрация преимущества линейного масштабирования
тоанзисторов на основе 20-материалов
Лшнческяй МОЙ

ивиж {(мялицрене >га4кв гш Т

Патрсймюшс тризыщеш «гайка паа "I

Рис. 3.7. Демонстрация преимущества 20-материалов
для их интеграции в единую систему [34]
В дополнение к повышению производительности каждого отдельного
устройства, учитывая слоистую структуру 213-материалов, они могут обеспе-
чить более эффективную по площади структуру логических элементов и ин-
теграцию у<1ХУ, в которой различные материалы могут быть перенесены друг
на друга без учета известной проблемы несовпадения матриц [27].

Представлены таблицы истинности высокоэффективных по площади
логических элементов МОК и КАМО на основе 213-материалов. Матрица без
свободных связей и атомная толщина 20-материалов позволяют создать но-
вую логическую вычислительную структуру, которая использует только 50 %
транзисторных ресурсов, потребляемых кремниевой логической структурой.
1М1, сигнальный вход 1; 1М2, сигнальный вход 2; У88, отрицательное напря
жение питания.

Ь - схематическое сравнение между кремниевой ЗО-интеграцией на ос-
нове технологии Т8У и конструкции \о\\'. В кремниевой ЗО-интеграции
межсоединения основаны на Т8У (несколько мкм). Для перспективного ме-
тода интеграции ссВХ', который обеспечивается с помощью 2О-материалов,
вычислительный слой и слой памяти могут быть вертикально интегрированы
с плотными металлическими (несколько Нм) межсоединениями.

Базовый логический вычислительный блок для перспективных микро-
схем может включать в себя как логические элементы МАМО, так и МОК.
В традиционной системе макроматериалов в конструкции устройства исполь-
зуется только внешняя поверхность материалов, что требует по крайней мере
двух транзисторов для интеграции элемента МАМО / МОК. Что касается 20-
материалов, то Лью и др. в 2019 году предложили новую структуру логиче-
ских вентилей, сократив площадь транзисторов, необходимую для построе-
ния базового логического вентиля, на 50 % [34]. На рис. 3.7, а показано срав-
нение топологий для традиционной конструкции логических вентилей и кон-
струкции логических вентилей на основе 2В-материалов. Поскольку в 2В
транзисторе можно функционально использовать как верхнюю, так и ниж-
нюю поверхности канальных материалов, то один Т8С 2В-транзистор может
позволить себе иметь необходимое число контактов входного сигнала для
логического элемента МАМИ / МОК. Лью и др. в упомянутой выше работе
уже продемонстрировали, что монослойный Мо8э 2В-транзистор, соединен-
ный с сопротивлением нагрузки, действительно может реализовать как эле-
менты МАМО, так и элементы МОК, причем логическая функция здесь может
быть «фотопсреключаемой».

На рис. 3.8 в упрощенном виде представлены основные технические
проблемы и их перспективные решения для вычислительных технологий
следующего поколения на основе 20-материалов с точки зрения эффектив-
ности материалов, устройств и систем на их основе. Так, на уровне 20-
материалов ключевыми элементами здесь являются структуры крупногаба-
ритных 2О-пленок и стабильная технология их изготовления; на уровне 20-
вычислительных устройств требуются высокая производительность и отно-
сительно небольшая степень интеграции \'с1\У; на уровне 2О-систем необхо-
димо обеспечить высокую энергоэффективность и эффективность использо-
вания площади кристалла.

Технологический маршрут интеграции 20-материалов для вычислений

следующего поколения_________________________________________

................. Проблемы

Уровень материала

20-материалы ' а) Многоэлементиые ТМО

• Ь) Сложное ионное легирование
Выоояокачеотевные 20г

Перспективные решения:
^Усовершенствованный метод СУС
2) Твердое легирующее вещество

Проблемы

а) Пр обл ем а с металлическим контактом
(10 кОм мкм)

а) Нерззрущзющэя пассивация

Ь) Точность перехода

с) Ро ст матрицы гетер опер ех сдоб

Перспективные решения:

1) у«1УУ-контакт и герметизация

2) Технология напряженного
материала

Уровень устройства 20-устройства
высокая
>ффекгивность,
усПУ-инг е грация

20-снстемы

Уровень системы Высокая энерго-
эффективность и
эффективность

3) Проектирование фаз

4) Усовершенствованная
саморегулировка

5) 20 и 30-гетер о интеграция

Проблемы

а) Вычислительная мощность (-1-10 Т0Р8 1)

Ь) Ограничение пропускной способности

(-10 1 00 М решений с 1)

с) Низкая эффективность по площади

использования
площали

Перспективные решения:

1) Снижение энергопотреблашя за счет 20-

инте грации

2) Новая20-архигекгура

3) Интеграция у<15У высокой плотности

Рис. 3.8. Проблемы и технологические решения применений
20-материалов для перспективных вычислительных технологий [1]

Конструкция современного 2В-транзистора позволяет уменьшить ли-
нейные размеры (площадь транзистора) на 50 % по сравнению с «классиче-
скими» решениями и хорошо интегрироваться в вертикальном направлении.

Вертикальная интеграция является наиболее практичным способом
увеличения степени интеграции микросхем. Традиционные технологии 30-
интеграции основаны на межсоединениях [3], которые имеют низкую плот-
ность. [4]. На рис. 3.7, Ь показано схематическое сравнение между классиче-
ской кремниевой ЗГ)-интеграцией и интеграцией \х1\У. В кремниевой техно-
логии ЗВ-интеграции чипы «укладываются» вертикально и соединяются
между собой с помощью технологии Т8У. Учитывая реальный диаметр (не-
сколько мкм) каждого отдельного вертикального канала связи через кремни-
евую пластину, конечная эффективность передачи данных и геометрическое
пространство для проектирования конструкции чипа весьма ограничены,
а для интеграции \'с1\У нет подобных ограничений [27]. Базовый 20-материал
непосредственно выращивается (или переносится) на целевой подложке,
а избыточные «расходные» материалы просто стравливаются. Следует отме-
тить, что выращивание 20-материалов непосредственно на основной под-
ложке по-прежнему является технологически достаточно сложной задачей,
здесь необходимо тщательно выдерживать оптимальную температуру выра-
щивания, а также многое зависит от качества исходной подложки. На момент
выхода книги некоторые исследовательские работы уже показали, что 2В-
материалы имеют относительно низкую температуру роста [88, 89].

После изготовления основного устройства и удаления оксида второй
(следующий) функциональный слой продолжает собираться на предыдущем
функциональном слое. Поскольку слои между собой соединены металлами
(несколько нм) через диэлектрик, этот способ гораздо эффективнее, чем со-
единение Т8У. При использовании интеграции \с1\\' нет никаких ограниче-
ний и по интеграции между соседними горизонтальными функциональными
уровнями. Таким образом, каждый функциональный слой может быть «уло-
жен» вертикально, например «вычислительный» слой и слой «памяти», что
может повысить энергоэффективность передачи и обработки данных из-за
высокой плотности и низкого омического сопративления металлических
межсоединений между этими и другими слоями.

Подобные преимущества матрицы мс1\\', 2В-материалов в наилучшей
степени соответствуют технологическим требованиям к системам вычисле-
ний следующего поколения, включая и повышение производительности мат-
ричных вычислений. Практическое использование 20-материалов в вычис-
лительных устройствах для матричных вычислений на базе нейронных сетей
только началось, однако недавние работы позволили успешно применить
нейронную сеть в матричных вычислениях на основе 20-материалов [55].

Для логических вычислений перспектива использования 20-материалов
при размерном масштабировании и высокой эффективности интеграции по
площади тоже возможна, но экспериментальная проверка этой возможности
на уровне кристалла всё еще отсутствует. Несмотря на определенный прогресс
в создании таких кристаллов, всё еще существуют технические проблемы, ко-
торые необходимо решить, включая создание надежной технологии повыше-
ния величины тока возбуждения устройства и промышленных технологий
крупномасштабной гетероинтеграции.

Далее мы обсудим существующие проблемы и перспективные техноло-
гические решения для построения вычислительных систем следующего по-
коления, которые используют 2Г)-материалы, на технологическом, аппарат-
ном и системном уровнях.
3.6. Состояние, перспективы и проблемы использования
20-материалов для новых вычислительных технологий

Анализируя технологические возможности 20-материалов для вычис-
лительных технологий нового поколения, необходимо отметить ряд основ-
ных существующих проблем. Прежде всего, это подготовка технологий со-
здания «больших» площадей 20-материалов, что является необходимым
условием для проектирования сложнофункциональных интегральных схем,
причем высокопрецезионное легирование здесь имеет решающее значение
для создания промышленной относительно дешевой технологии изготовле-
ния комплементарных транзисторов на этих материалах. Хотя устройства на
основе 2Г) -технологии могут быть относительно легко созданы с применени-
ем механической обработки [83], всё еще технологически сложно произво-
дить 2Г)-материалы с большой площадью и высоким качеством [89]. Хотя
многочисленными исследователями был продемонстрирован равномерный и
качественный рост графена с помощью метода СУИ, пока сложно выращи-
вать соединения одновременно сразу нескольких различных элементов
(например, ТМИ) на большой площади. При создании многоэлементных вы-
сококачественных ТМО необходимо жестко контролировать сразу несколько
таких ключевых параметров, как стехиометрия, толщина, дефектность, раз-
мер зерен и шероховатость поверхности. Из-за имеющихся различных при-
месей (дефектов) в исходных материалах изготовленные ТМИ редко имеют
требуемую стехиометрию или чистоту, а возможность достаточно точно кон-
тролировать фазу и количество изготавливаемых слоев Г МО до сих пор оста-
ется технологически сложной задачей. Хотя состав и слои нескольких ТМО
на практике могут выполняться модифицированным СУЮ [90], процесс роста
высококачественных ТМО большой площади всё еще находится в зачаточ-
ном состоянии и требует углубленных исследований со стороны научного
сообщества. Кроме того, рост большинства высококачественных ТМО непо-
средственно на исходной подложке методом СУО или молекулярно-лучевой
эпитаксии всё еще имеет некоторые неразрешенные фундаментальные про-
блемы, в том числе - пока еще используются достаточно высокие температу-
ры для выращивания. Высокоуправляемое и стабильное легирование 20-
полупроводников также имеет большое значение для реализации требуемых
свойств материалов п- и р-типа при создании современных микроэлектрон-
ных устройств. Стандартное для полупроводниковой промышленности леги-
рование ионной имплантацией не подходит для 20-материалов [22] из-за их
атомной толщины. Легирование молекулами газа может достичь идеальной
производительности, но не является практичным из-за низкой стабильности
используемого сегодня техпроцесса. Одним из перспективных решений здесь
является использование высокоактивных диэлектриков для переноса заряда
из твердых легирующих примесей через чистое в промышленном отношении
атомно-слоевое осаждение [91].
Что же касается технологических и конструктивных особенностей из-
готовления вычислительных устройств нового поколения, то здесь необхо-
димо сосредоточиться на повышении эффективности и уменьшении площади
устройства. Высокое контактное (омическое) сопротивление пока ограничи-
вает максимальный ток возбуждения 20-траизистора, что снижает в итоге
эффективность процесса вычислений. Снижение величины контактного со-
противления интерфейса «исток - сток» становится своего рода ключом к
улучшению величины тока возбуждения при использовании 2Г)-технологии.
Однако технологическая операция нанесения металлических электродов
непосредственно на двумерные материалы обычно частично разрушает кова-
лентную связь в атомной матрице и привносит дополнительные дефекты
[21], образуя контакт Шоттки, а не желаемый омический контакт, и создавая
большое контактное омическое сопротивление. Например, типичный транзи-
стор М082 пока имеет величину контактного сопротивления «исток-сток»
приблизительно 10 кОм мкм [92], что более чем в 100 раз больше, чем у
кремниевого транзистора.

Стоит также отметить, что одной из основных причин высокого кон-
тактного сопротивления также является загрязнение поверхности [93]. Много
усилий исследователей уже было направлено на минимизацию величины
контактного сопротивления между металлом и двумерными материалами
[94]. Например, графен используется в качестве контактного материала \<1\\'
[95]. В дополнение к проблеме уменьшения величины омического контакта
следует также изучить альтернативные технологии, которые могут увеличить
ток возбуждения 2В-транзисторов, например, уже упомянутая выше техно-
логия напряженных материалов (англ. зЦезз тагепа! 1есЬпо1о§у) [80, 96] и
технология фазового проектирования (англ. рЬазе йезщп 1есИпо1о»у). Надо
также учитывать и тот факт, что многие 20-материалы ведут себя очень не-
стабильно в окружающей атмосфере (графен, черный фосфор и т. д.), что в
итоге приводит к смещению рабочего порога устройства с течением времени
и ухудшению производительности устройств на его основе. Следует отме-
тить, что ЬВН [40, 97] и органические молекулярные пленки [98, 99] иногда
могут быть использованы в качестве инкапсулированных слоев хс1\\', что
значительно улучшает стабильность технологической среды и позволяет оп-
тимизировать производительность устройства, включая мобильность носите-
лей, ток включения и перестраиваемость затвора, и т. д.

Кроме того, теоретически можно применять оксидную диэлектриче-
скую пассивацию, но из-за отсутствия свободных связей на поверхности 20-
материалов в этом случае требуется использовать дополнительные техноло-
гические процессы окисления [100]. Также в структуру материалов могут
быть введены специальные примеси или дефекты, чтобы нужным образом
изменить внутреннюю структуру материала [101]. В ряде работ показано, что
гетерогенный процесс необходимо использовать для некоторых устройств,
основанных на новых механизмах, таких как технологии ТРЕТ и В8РЕТ
[102]. Хотя непосредственное выращивание одного-единственного гетеропе-
рехода вполне осуществимо на практике [103], но пока нет известного осу-
ществимого на практике способа контролировать процессы роста массивов
матрицы переходов. Для создания технологического промышленного про-
цесса гетероинтеграции высокой плотности необходимо использовать другие
решения, например, селективное травление 20-материалов [104-106], и про-
цессы гетероинтеграции 20- и ЗВ-материалов [37].

И, наконец, как было показано на рис. 3.5, на системном уровне конеч-
ной целью вычислительной техники нового поколения является достижение
высокой производительности, высокой энергоэффективности и эффективно-
го использования площадей. Хотя классические вычислительные системы на
основе металл - оксид - полупроводник (СМО8) достигли неплохих резуль-
татов в приложениях нейронных сетей, но эта технология подошла уже
вплотную к пределу, связанному с ограничениями с точки зрения вычисли-
тельной мощности. Как правило, вычислительная мощность такой типовой
системы находится в пределах 110 ТОРЯ ХУ-1 [107-109], а пропускная спо-
собность находится в диапазоне -10-100М решений с-1 [107, 108, 110]; оба
этих диапазона нуждаются в дальнейшем расширении. Благодаря снижению
энергопотребления 2Г)-устройств и дизайну новых 2В-архитектур [34] инте-
грация 21Э-материалов в перспективную вычислительную систему предлагает
новые возможности для оптимизации вычислительной энергоэффективности.
Кроме того, существующие сегодня вычислительные системы пока требуют
использования дополнительных компонентов и набора множества базовых
ячеек, в результате чего получается вычислительная система с низкой эффек-
тивностью. 2Г)-материалы обеспечивают возможность достижения высокой
плотности компановки, значительно увеличивая энергоэффективность и про-
изводительность вычислений, как матричных, так и логических.

Литература

1. Скипзеп Ыи1, Нистер Скеп. Зкшуиап И'апу, О: Ыи. Уи-Оапу Лапу, №е1 7,кап§1,
Мту Ыиапск Репу 2кои. Тмо-сНтепмопа! та1епак Гог пехй§епегайоп сотрийп§ гссК-
по1о§1еа // Кайгге Мапо1ес1то1о§у. УОЬ. 15. - Ли1у 2020. - 545-557. \\'\\'\у.паГиге.с<>т/
паШгепапо1есЬпо1о§у

2. Ьее О- I/. е1 а!. А 1.2 V 8ОЬ 8-с11аппе1 128ОВ/8 1й§11-Ъапй\у1<1111 тетогу (НВМ) 81аске4
[)КАМ \упН еГГесЙуе гтсгоЬитр 1/О Гев! тейтойз пата 29пт ргосезз апй Т8У. 1п Ргос.
2014 ШЕЕ 1п1етайопа1 8оН(1-81а(е Сйсийз СопГегепсе 1)|ЦС81 оГ Тесктса! Рарегз
(188СС). -432-433 (ШЕЕ, 2014).

3. Ыи Рагк 8. ТГпее-сйтепвюпа! апй 2.5 Лтепзюпа! тГегсоппесйоп 1есйпо1о§у: з1а1е оГ
Пае аг1.1. Е1есйоп. Раска§ 136, 014001 (2014).

4. 8ки1акег М. М. е1 а1. ТЪгее-сйтепзюпа] тГе§гайоп оГ папо1ес11по1о§1е8 Гог сотрийп§ апй
с!а[а 8(ога§е оп а 8т§1е сЫр. №шгс 547. - 74-78 (2017).

5. Пеппапк К. Н., Саепзз1еп Р. И., Щ<1еои1 V. Ы, Ваззоих Е., ЬеВ1стс А. К. 1)емцп оГ юп-
1тр1апГе<1 МОЗЕЕТ'з уегу 8та11 рНу81са1 сНтепзюпз. ШЕЕ 1 8о11<1-81а1е С1Г-
сийз 9.-256-268 (1974).
6. кпмта Т., Рита1а Т., Теаика Т., 8и§ууата X., Така^р 8.I. Е1есйгоп йгапзрогй ргорегйез ой
икгайип-Ьоду апс! йп-§айе 801 пМОЗРЕТз иайк Ыах1а1 апй иЫах1а1 81га1п. 1п Ргос. 2006
Ыйегпайопа! Е1ес1гоп [)с\1ссз Меейп§. - 1-4 (ШЕЕ, 2006).

7. УскиЛа К. е! ак Ехрептепйа! зйийу оп сагпег йгапзрогй тесйапкт 1п иНгаЙип-Ьойу 801
папй р-МОЗРЕТз \уй11 801 йЫскпезз 1ез8 йЬап 5 пт. 1п Ргос. ТссИгиса! 1)|усзй-
1пйетайюпа1 Е1есйоп [)е\чсез Меейп§. - 47-50 (ШЕЕ, 2002).

8. 1е1пип1 В., П'он^ Н. 8. Р. 1п-тетогу сотрийп§ йуййЬ гезйзйуе з\уИсЫп§ йсучссз. Най
Е1есйоп. 1. - 333-343 (2018).

9. Вог^кеШ е1 а1. ‘Метгкйуе’ 8\\чйс11ез епаЫе ‘згайсйи!’ 1о§1с орегайопз У1а тайепа11т-
рНсайоп. Найиге 464. - 873-876 (2010).

10. Тап§ -к. е1 ак В11й§т§ Ыо1о§1са1 апй агййсйа! пеига! пейуогкв \\1й11 етег§т§ пеиготог-
рЫс с1су!сс8: 1ипс1атста18. рго§гезз, апс! с11а11еп§ез. Лс1у. Майег. 31. 1902761 (2019).

11. Уи 8. Неиго-тврпей сотрийп§ \\1й11 етег§т§ попуо1ай1е тетогуз Ргос. ШЕЕ 106. -
260-285 (2018).

12. Вигг О. И’ е! ак Ехрептепйа! йетопзйгайоп апй йо!егапст§ ой а 1аг§е-зса1е пеига! пей-
\уогк (165000 зупарвез) ивт§ рйаве-сКапуе тетогу аз Йю зупарйс \\'С1с)1Г е!етепй. ШЕЕ
Тгапз. Е1есйоп Веуйсез 62. - 3498-3507 (2015).

13. Мегпкк-Вауа) Р. е1 ак Н1§11-регйоппапсе пйхей-вщпа! пеигосотрийп§ ул йк папозса1е
Яоайп§-§а1е тетогу се!1 аггауз. ШЕЕ Тгапз. Неига! Ней\у. Ееагп. 8уз1. 29. - 4782-4790
(2017).

14. Воуп 8. е1 ак Ееагшп§ 111 гои§ 11 Йеггое1есйпс йотат йупапйсз т зойй-вйайе зупарвез. Най
Соттип. 8. - 14736 (2017).

15. Уооп%Н. У. е1 ак Ер!йах1а! Йеггое!есйпс НГО.52г0.5О2 Йип Й1тз апй Шей 1тр1етеп1айопз
т тетгкйогв Гог Ьгат-тзрйей сотрийп§. Айу. Еипсй Майег. 28. 1806037 (2018).

16. МсгаЫ А. е1 ак НеигаЕНке сотрийп§ «лй!1 рори1айопз ой зиреграгата§пейс Ьазгз йипс-
Йоп8. Най Соттип 9. 1533 (2018).

17. 2ки Ь. ()., №ап С. -к., Оно Ь. (}., 8к1 У., И'ап Агййта! зупарзе пейу/огк оп тог§атс
рго!оп сопйис!ог Гог пеиготогрЫс зуэШтв. Най Соттип. 5. 3158 (2014).

18. Уап Ле Виг^1 У. е1 ак А поп-уо1ай!е ог§ап!с екейоскетйа! йеу!се аз а 1о\у-уо1йще агйй-
С1а1 зупарзе йог пеиготогрЫс сотрийп§. Най Ма(ег. 16. 414 418 (2017).

19. (Зегазипоу Л. У. е! ак Ап еуо1уаЫе ог§атс е!есГгосЬет1са1 Ггап8181ог йог пеиготогрЫс
аррйсайоп8. Айу. 8сг 6. 1801339 (2019).

20. Пап О. е1 ак Е1ес1готсз Ьазей оп Йуо-Штепзюпа! тайепак. Най Напо1ес1то1. 9. - 768-
779 (2014).

21. Ии У. еГ ак Уап йег \\'аа18 1кГсг<>зГгисГшез апй йеуйез. Най Кеу. Ма1ег. 1. 16042 (2016).

22. СккокаИа М., Лена И., 2кап% Н. Тхуо-ййпепзюпа! зепмсопйис1ог8 йог Йап81з1ог8. Най
Кеу. Майег. 1. 16052 (2016).

23. О1Ъег1ип М., Корегзкк М., Могриг^о А. Нюозекп’ К. Ма§пейс 21) тайепак апй Ьейего-
зйгисйигез. На). НапойесЫю!. 14. 408 419 (2019).

24. Рег 2. е1 ак ЕеггоеЙесйпс злуйсЫп§ ой а Йгуо-ййпепзюпа! тейа!. НаЫге 560. 336 (2018).

25. Аш? р. е1 ак Оайе-йипаЫе апй тиШййесйюп-зууйскаЫе тетгкйуе рйепотепа т а уап
йег \\'аа1з йеггое!есйпс. Айу. Майег. 31. 1901300 (2019).

26. 5г М. е/ ак А Йеггое1есйпс зегтсопйисйог Г1е1й-еййесй йгапзгзйог. Най. Е1есйгоп. 2. - 580-586
(2019).

27. С/гг У., Ниап^ У, Оиап X. Уап йег АУаак тГе§гайоп Ьейоге апй Ьеуопй Йлсо-йппеизюпа!
тайепак. Найиге 567. 323 (2019).

28. Ыи 8. е! ак ЕИттайп§ пе§аЙуе-8ЕТ ЬеЬауйог Ьу зирргезз1п§ папоШатепй оуегуппсй!! ш
сайоп-Ьазей тетогу. Айу. Майег. 28. - 10623-10629 (2016).

29. Икшо М. е( ак КоЬизй тетгйзйогз Ьазей оп 1ауегей ййуо-й1тепз1опа! тайепак. Май. Е1ес-
йгоп. 1. 130 (2018).
30. 8ип Ь. е1 а!. 8е1Г-зе1есЙуе уап дег \\'аа1.з ЬеЫгозйисЫгез Гог 1аг§е зса1е тетогу аггау.
Кай Соттип. 10. - 1-7 (2019).

31. 8111 У. е1 а1. Е1ес1гошс зупарзез тайе о Г 1ауегей (ую-Штепзюпа! таГепак. Кай Е1ес1гоп.
1.-458-465 (2018).

32. 211ап% К е? а! Е1ес1пс-йе1с1 тйисей 8[гисшга1 йапзйюп т уегйса! МоТе2- апй Мо1-
х'Л'хТе2-Ьа.зей гез!зйуе тетопез. Кай Ма1ег. 18. - 55-61 (2019).

33. Скеп§ Р., 8ип К., Ни У. Н. Метпзйуе ЬеЬауюг апй 1йса1 тетпзГог оГ 1Т РЬазе Мо82
папозйеек.Капо Йе1й 16. - 572-576 (2015).

34. Ыи С. е1 а1. 8та11 Гоо1рпЫ 1гапз1з1ог агсЬйесйге Гог р1ю1озху11сЫп§ 1о§1с апй т зИи
тетогу. К а). Капо1есЫю1. 14. - 662-667 (2019).

35. Уе Р. !') 8(еер-з1оре ЬузЫгезхз-Ггее пе§аЙуе-сарасКапсе 21) 1гапз1з1огз. Май Капо1сс11по1.
13.-24-28 (2018).

36. 81 М. е1 а1. 81еер-з1оре \\'8с2 пе^айуе сарасйапсе йеШ-еГГес! 1гапз181ог. Капо Ьей. 18. -
3682-3687 (2018).

37, Загкаг О. е! а!. А зиЫйегтюЫс 1иппе1 йеМ-еГГес1 (гапз1з1ог \уй11 ап агоппсаПу Йип сНап-
пей КаШгс. 526. - 91-95 (2015).

38. ^^г^ С. е( а1. 1)|гас-8оигсе йеМ-ейес! 1гапз1з1огз аз епег§у-еГйс1еп1, Ы§ЫрегГоппапсе
е1есГгошс зхуИсЬез. 8с1епсе. 361. - 387-392 (2018).

39. №ап% Ь. е1 а1. Агййта! зупарзез Ьазей оп ти1йГегтта1 тетйапз1з1ог8 Гог пеиготогрЫс
аррНсайоп. Лйу. Рипсй Ма1ег. 29. 1901106 (2019).

40. УУап% 8. е1 а1. А рЬо!ое1ес1пс-зйти1а(ей Мо82 Йапз1з1ог Гог пеиготогрЫс еп§теепп§.
КезеагсЫ 2019. 1618798 (2019).

41. Аш (). Уап§ 8. В. Метпзйуе сгоззЪаг аггауз Гог Ьгат-тзрйей сотрийп§. Кай Ма1ег.
18.-309-323 (2019).

42. Ваекяоп В. Ь. е1 а1. Кап<>зса1е ексйошс зупарзез изт§ рЬазе сйапце йсхчсез. АСМ .1.
Етег§. Тесйпой Сотрий 8узй 9. - 1-20 (2013).

43. Уапц С. 8. е1 а1. А зупарйс Йапз1з1ог Ьазей оп с|иа4-21) то1уЪйепит охЫе. Айу. Ма1ег.

29. 1700906(2017).

44. Уап§ С.-8. е!. а1. ЛП-зойй-зШе зупарйс йапзхзГог хучйК и1йа1оху сопйисйпсе Гог пеиго-
тогрЫс сотрийп§. Лйу. Рипсй Ма1ег. 28. 1804170 (2018).

45. 2ки В. е1 ак 1оп цагес! зупарйс Йапз1з(ог8 Ьазей оп 21) уап йег \Уаа1з сгуз1а1з \У11й ШпаЫе
йШиз1уе йупаппсз. Айу. Ма(ег. 30. 1800195 (2018).

46. Уи А. е( а1. Т\уо-1егтта1 йоайп§-§аГе тетогу \У1Й1 уап йег \Х'аа18 11е(егоз1гис1игез Гог
и1(га11щ11 оп/оГГгайо. \ай Соттип. 7. 12725 (2016).

47. Уи А. е{ а1. А Ы§Ыоп/оГГ-гайо йоайп§-§а!е тетпз1ог аггау оп а Пех1Ые зиЬзйаЫ У1а
СУ1)-уго\уп 1аг§е-агеа 21) 1ауег з1аскт§. Лс1у. Ма1ег. 29. 1703363 (2017).

48. ЗкагЪаН М. Т. е1 а1. Ьом-роу/ег, ексйоскепйсаИу ЫпаЫе §гар11епе зупарзез Гог пеиго-
тогрЫс сотрийп§. Лйу. Ма1ег. 30. 1802353 (2018).

49. АтЬго^о 8. е1 а1. Е<|и|уа1спйасси1‘асу ассе1ега1ес1 пеигайпейуогк 1гатт§ изт§ апа1о§ие
тетогу. 1МаШге. 558. - 60-67 (2018).

50. Ьаз1гаи-Моп1асо М. А. Ске>г§ К.-Т. У. А. Е. Кез1зйуе гапйот-ассезз тетогу Ьазей оп га-
йоей тетпзЫгз. Кай Е1ес1гоп. 1. - 466 472 (2018).

51. Кис А., 21Ъочске Н Нете Т. Ыйиепсе оГ циаппип сопйпетеп! оп йте е1ес(гоЫс з1гис(иге
оГЙю Тгапзйоп те1а! зЫййе Т82. Рйуз. Кеу. В 83. 245213 (2011).

52. Ьее О. еГ а1. Ми1йЫ1 Мо82 рЬо1ое1ес(гоЫс тетогу УЙЙ! и11гаЫ§11 зепзШуйу. Лйу. МаГег.
28.-9196-9202 (2016),

53. Ьее В. е1 а/. Мопо1ауег орйса! тетогу се11з Ьазей оп агййта! йар-тесИаЫй сйаг§е з(ог-
а§е апй ге1еазе. Кай Соттип. 8. 14734 (2017).

54. Х1ап% О. е1 а!. Тхуо-Штепзюпа! ти1йЫ( оргое1ес1гоЫс тетогу хх1Г1ч ЬгоайЪапй зресйит
Шзйпсйоп. Кай Соттип. 9. 2966 (2018).
55. Меппе1 к. е1 ак ГЛйаГаз! тасЫпе У1зюп \\ч111 21!) та!епа1 пеига! пеиуогк ипа§е зепзогз.
№1иге. 579. - 62-66 (2020).

56. 8ап§н-'ап V. К. е! ак Ми1й-1егтта1 тетйапз1з1огз йот ро1усгуз(аШпе топо1ауег то-
1уЬдепит <1|8иИк1е. Кайме. 554. - 500-5047 (2018).

57. АасМззаакА. в! ак Мо82 тетйапз1з1огз ГаЬпсагед Ьу 1осаНхед ЬеНит юп Ьеат птаШа-
Йоп. АС8 папо. 13. - 14262-14273 (2019).

58. Ник Ш! е! а!. Зупарйс ЬатзЮг Нанес! оп р11азе-еп§теегед 2!) 11е1сг<>н1гисшген. Аду. Ма-
1ег. 30 1801447 (2018).

59. Микуа К. с! ак АпаГоту оГ А§/1Гайпа-Ьазед зе1ес1огз хуШ1 1010 попИпеагИу. Аду. Ма1ег.
29. 1604457(2017).

60. Ргехюзо М. е! ак Тгатт§ апд орегайоп оГ ап т1е§га1ед пеиготогрЫс перуогк Ьазед оп
те!а1-ох1де тетпзйэгз. №шге. 521. - 61-64 (2015).

61. Запуган V. е! ак КеиготогрЫс папое1есйошс та!епа1з. КаЛ. Капо1ес1то1. 11Йрз.//до1.ог§/
10.1038/841565-020-0647-7 (2020).

62. Аокп К. А, е! ак 8упег§1зйс §айп§ оГ е1есйо-1опо-рЬо1оасйуе 21!) с11а1соцеп!де пеипзЮгз:
соех181епсе оГЬеЬЫап апд 1ютеоз1айс зупарйс те1ар1азйсйу. Аду. Ма1ег. 30. 1800220
(2018).

63. ТапцА-Т. в! а1. Агййсса! зупарзез ети1а!ед Ьу ап е1есйо1у(е-§а!ед шп§з!еп-ох1де Йапз1з-
1ог. Аду. Ма1ег. 30. 1801548 (2018).

64. 2ки X., Ы Ы. Ыап^Х., Ей Ш! О. 1ошс тоди1айоп апд юте соирйп§ ейссГн т Мо82 де-
У1сез Гог пеиготогрЫс сотрийп§. На!. Магег. 18. - 141-148 (2019).

65. 3. е1 ак А Мо82 /РТС1!)Л 11уЬпд Ье1его)ипсйоп зупарзе ууйЬ еГйс1еп! р1ю1ое1ес1пс

диа! тоди1айоп апд уегзайН1у. Аду. Ма1ег. 31. 1806227 (2019).

66. Пап Н., ТРапдХ., №и Р., Уапд У, Кен Т.-Ь. ЕП§11 регГоппапсе 2!) Регоузкйе / §гарйепе
орйса! зупарзез аз агййта! еуез. 1п Ргос. 2018 ШЕЕ 1п1етайопа1 Е1есйоп !)еу!сен Мее1-
т» (ШОМ). 38.6.1-38.6.4 (ШЕЕ, 2018).

67. 8ео 8. е! ак АгййЫа! орйе-пеига! зупарзе Гог со1огед апд со1ог-ппхед райет гесо§пйюп.
КаГ. Соттип. 9. 5106 (2018).

68. ОгоШег А. е< ак КеиготогрЫс зртйотез. Как Е1ес1гоп. Ьйрз://до1.ог§/10.1038/з41928-
019-0360-9(2020).

69. Зоне. Т. е! а!. СпапГ 1иппе1т§ та§пе1огез1з(апсе т зрт-йИег уап дег ЗУаа1з Ье1егозГгас-
Шгез. Зстепсе. 360. - 1214-1218 (2018).

70. Ып X. е( а!. Тсуо-днпепзюпа! зртйотез Гог 1о\\-ро\уег е1ес1гоп1с«. Яа1. Е1есйоп. 2. -
274 283 (2019).

71. Уап К. Н.. Оигта^Л, А., Ъее К. Р. 8саНп§ гЬе 81 МО8ГЕТ: йот Ьи1к 1о 8011о Ьи1к. ШЕЕ
Тгапз. Е1есйоп Веукез. 39. - 1704-1710 (1992).

72. ЗеаЬаи^к А. С., 2кап% Ео\у-уо11а§е 1иппе! йапз18(огз Гог Ьеуопд СМО8 1о<пс. Ргос.
1ЕЕЕ. 98.-2095-2110 (2010).

73. ктезеи А. М., К1е1 Н. Типпе! йе1д-еГГес! йапз18(огз аз епег§у-еГйс1еп! е1есйотс зууйейез.
№й1ге. 479. - 329 337 (2011).

74. ЬетЪке О., АИат, А., Кеч А. ТЫскпевз-дерепдеп! тоЫШу т йуо-дппепзюпа! Мо82 йап-
8181огз. Капозса1е. 7. - 6255-6260 (2015).

75. Уп 2. е1 а1. КеаНхайоп оГ гоот-(етрега1иге рйопоп-Нтпед сагпег йапзрог! т топо1ауег
Мо82 Ьу д1е1ес!пс апд сагпег зсгеешп§. Аду. Ма1ег. 28. - 547-552 (2016).

76. Рап% Н. е! а1. ЕИ§Ь-регГоппапсе зт§1е 1ауегед \\'8е2 р-ЕЕТз ууйй сЬепйсайу доред соп-
рей. Капо Ьей. 12. - 3788-3792 (2012),

77. Ыи Ш. е1 ак К.о1е оГ теса! соп1ас!з т дез1§шп§ ЫдЬ-регГогтапсе топо1ауег п-1уре \У8е2
Йе1д еГГес! Йапз181ог8. Капо Ьей. 13. - 1983-1990 (2013).

78. Си! У. е! а1. Ш^Ь-регГогтапсе топо1ауег \\'82 йе1д-еГГес1 Йапз1з(ог8 оп Ы§11-к д1е1ес-
йюз. Аду. Ма1ег. 27. - 5230-5234 (2015).

79. Ыи Т. е! а1. Сгез1ед (суо-дйпепзюпа! йапз1з1огз. Ка1. Капо1ес1то1. 14. - 223-226 (2019).
80. 2'пи IV., РегеЬетоз V., ЕгеМа% М., Ауоипз Р. Сагпег 8сайепп§. тоЫННез, апй е1есйо-
з!айс роГепйа! т топо1ауег, ЪИауег апй ййауег §гар1гепе. РЬуз. Ксу. В. 80. 235402
(2009).

81. Вапзхепк С. е1 а1. С 1гга1п<541-тоЬ И । су срарЬепе с1е\чсе8 йот сНет 1са1 уарог йерозсйоп оп
геизаЫе соррег. 8сс. Аду. 1, е 1500222 (2015).

82. Зскнчег: Р. Огарйепе Сгапзьсогз. Час. Мапо1есЬпо1. 5. - 487-496 (2010).

83. КасИча\’1]е\г1с В., НаЛепоик: А., Вгпчо Л. СИасотеШ V., /Лх А. 8т§1е-1ауег Мо82 йапзгз-
1ог8. Маг. Мапо1есЬпо1. 6. - 147-150 (2011).

84. Веха! 8. В е! а!. Мо82 йапз1з1ог8 У.ТС11 1-папотеСег §а1е 1еп§Й18. 8с1епсе. 354. - 99-102
(2016).

85. Ккап А. I., Уеип§ С. IV., Скептт% Н. 8а1акис1сНп 8. Геггое1ес1пс пе§айуе сарасйапсе
МО8РЕТ: СарасИапсе шпта & апйГеггое1ес!пс орегайоп. 1п Ргос. 2011 ШЕЕ 1п1ета-
йопа! Е1есйоп Веуссез Меейп§ (1КВМ). 111.3.1-11.3.4. (ШЕЕ, 2011).

86. Уи 2. е1 а1. Ме§айуе сарасйапсе 21) Мо82 Йапз18(огз хусгЬ зиЬ-бОтУ/йес 8иЫ1йезЬс1й
оуег 6 огйегз, 250 цА/цт сиггепС йепзИу, апй пеайу-кузСегезгз-йее. 1п Ргос. 2017
ШЕЕ 1псегпайопа1 Е1есйоп Веуссез Меейп§ (1ЕВМ). 23.26.21-23.26.24 (ШЕЕ, 2017).

87. Мига1оге С. е1 а1. Сопйпиоиз иИга-СЫп Мо82 Штз ауохуп Ьу 1о\у-сетрегаСиге рйузсса!
уарог йерозсйоп. Арр1 РНуз. Ьей. 104. 261604 (2014).

88. Л У. е( а1. Тэуо-йппепзгопа! апйтопепе ет§1е сгу81а1з угохуп Ьу уап йег \\'аа18 ерйаху.
Май Соттип. 7. 13352 (2016).

89. Ы X. е> а1. йасусе-агеа зупШезсз оГ ЫдЬ-диаИгу апс! ит&гт §гар1гепе Й1тз оп соррег ГоПз.
Заепсе 324,- 1312-1314(2009).

90. Ыи У, Виап X., Ниап§ У., Виап X. Тууо-йппепзюпа! йапз1з(огз Ьеуопй §гар11епе апй
ТМВСз. СЬет. 8ос. Кеу. 47. - 6388-6409 (2018).

91. Вах 8., Скеп Н.-У., Репита1ска А. V., АррепхПег Л. Н1§11 регГоппапсе ти1й1ауег Мо82
Йап8181огз \уП11 зсапйшт соп1ас!з. Чапо Йесс. 13. - 100-105 (2012).

92. Каррега К. е1 а1. Рйазе-еп§теегей 1о\у-гсз1з1апсс сопСассз Гог икгаййп Мо82 йапзсзйэгз.
Май Масег. 13.- 1128-1134 (2014).

93. А/а р., РегеЬетох V., Ып У.-М. №и, У., Ауоипх Р- ТЬе оп§тз апй Итйз оГ теса1-
§гарйепе )ипсйоп гезсзСапсе. Май Чапо1ес11по1. 6. - 179-184 (2011).

94. ЛИсоп А., Кап§ Л.. Вапег^ее К., Кеч А. Е1ес1пса1 соп1ас!з (о Йуо-йппепзюпа! зепйсопйис-
1огз. Май МаСег. 14. - 1195-1205 (2015).

95. СгиХ. е1 а1. Ми1п-1егтта1 йапзрог! теазигетепСз оГМо82 изт§ а уап йег \Уаа1з НеСсго-
зйисШге йеуке р1а!Гогт. Май Мапо1ес1то1. 10. - 534-540 (2015).

96. Виап X. е1 а1. йаСега! ерйахса! §гоууЙ1 оГ Йуо-ййпепзюпа! 1ауегей зепйсопйисйэг 11еСего-
)ипсйоп8. Май МапоСесйпой 9. - 1024-1030 (2014).

97. Лее С. Н. е1 а1. Ей§Ыу з1аЫе, йиаГцасей Мо82 йапз1з(огз епсарзи1аСей Ьу Ьеха§опа1 Ьо-
гоп пйпйе хуНЬ §а!е-сопГго11аЫе сопГасй гезгзГапсе апй Й1ге81ю1й уо1Га§е. АС8 папо. 9. -
7019-7026 (2015).

98. 2као У. е1 а1. Ра881уайоп оГЫаск рЬозрЬогаз уса зеИ-аззетЫей ог§атс топо1ауегз Ьу
уап йег А'ааЕ ерйаху. Айу. Ма(ег. 29. 1603990 (2017),

99. Не В. е1 а1. Ей§Ь-рег&гтапсе Ыаск рЬозрЬогаз йе1й-ейес1 сгапзсзСогз ауНЬ 1оп§-гегт ай
з1аЫ1Иу. Мапо Ьей. 19. - 331-337 (2018).

100. ()1и С. е1 а1. 8сайп§ сагЬоп папоШЬе сотр1етепСагу йапзсзйэгз (о 5-пт §а!е 1еп§Йгз. 8сь
епсе. 355.-271-276 (2017).

101. Ы Ш. е1 а1. СшГопп апй иИгаШт Ы^к-к §а!е Й1е1ес1псз Гог 1\уо-й ! тепз1опа1 е1есйошс йе-
уссез. Май Е1есйоп. 2. - 563-571 (2019).

102. Скеп§ К. е1 а1. Н1§Ь-йедиепсу зе1Г-аН§пей §гарЬепе йапзсзГогз ауйЬ ГгапзГепей §а!е
з!аскз. Ргос. Май Асай. 8сп Г78А. 109. - 11588-11592 (2012).

103. Уап% Т. е( и1. Уап йег \\'аа1з ерйахса! цго« с11 апй ор1ое1есйотсз ой 1аг§е-зса1е \98с2/8п82
уегЬса! Ы1ауегр-п )ппсйопз. Май Соттип. 8. 1906 (2017).
104. Х1е Ь., Лао Ь., От Н. 8е1есйуе е1сйт§ оГ §гарйепе ей§ез Ьу Ьуйго§еп р1азта. .1. Ат.
СЬет. 8ос. 132. - 14751-14753 (2010).

105. Куи О. Н. е1 а1. 81па1ей 21) 1а1йсе »!(11 зиЪ-шп Ю ек!1 сйаппек Ьу сопйоИей (ЬеппаПу
тйиссй рЬазе йапзГогтайопз оГРй8е2. Лйу. Ма1ег. 31. 1904251 (2019).

106. Ыао Ь, е1 а!. Н!§й-зреей §гарЬепе Йап81з1огз ууЬЬ а зе1Г-аН§пей папохуйе §а!е. №1игс.
467. - 305-308 (2010).

107. Кап§М., Сопи^опсИа 8. К., РаШ А., 8капЬИа% X К. А. ти1й-Гипсйопа1 т-тетогу тГег-
епсе ргосеззог изт§ а з!апйагй 6Т 8КАМ аггау. 1ЕЕЕ .1. 8<>1|с1-81а1е Сйсийз. 53. - 642-
655 (2018).

108. 8гт А. е1 а1. А 1.42ТОР8\\' йеср сопуокайопа! пеига! псйуогк гесо§п!йоп ргосеззог Гог
т(еШ§еп( 1оЕ 8уз1ет. 1п Ргос. 2016 ШЕЕ 1п1егпайопа1 8оНй-81а!е Сйсийз СопГегепсе
(188СС). - 264-265 (ШЕЕ, 2016).

109. 7Иац^ А., М'ап% /.. Уегта X !п-тетогу сотри(айоп оГ а тасЫпе-1еагпт§ с1азз1йег т а
зГапйагй 6Т 8КАМ аггау. ШЕЕ .1. 8оНй-8(а1е Сйсийз. 52. - 915-924 (2017).

НО. НШя О. е1 а1. Мойегп писгоргосеззог Ьш11 йот сотр1етеп!агу сагЬоп папоШЬе йапз!з-
1огз. №шге. 572. - 595-602 (2019).

111. Ав Ь. е1 а!. В1аск рЬозрЬогиз йе1й-ейес! Йапз18(огз. №1. К’апо(ес1то1. 9. - 372-377
(2014).

112. Уаиу 7. е! а1. Е1е1й-еГГес1 йапз181огз Ьазей оп атогрЬоиз Ыаск рЬозрЬогиз икгаЙип Й1т8
Ьу рикей 1азег йерозЫоп. Лйу МаГег. 27. - 3748-3754 (2015),

113. Аузаг А. е1 а1. Ай-зГаЫе йапзрой т §гарЬепе-соп1ас(ей, Ги11у спсар81йаГсй иИгаЙип Ыаск
рЬозрЬогиз-Ьазей йе1й-ЕГГес! Йапз181огз. АС8 №по. 9. 4138 4145 (2015).

114. Х1а Р. е1 а1. Ке<Пзсоуепп§ Ыаск рЬозрЬогиз аз ап атзойорй 1ауегей таГепа! Гог ор1ое-
1есйотсз апй е1есйошсз. \аг. Соттип. 5. 4458 (2014).

115. Ката1акаг М. е! а1. Ьоху зсЬойку Ьатег Ыаск рЬозрЬогоз йе1й-ейес1 йеуйез хуйЬ Гег-
готацпейс Шппе1 соп(ас!з. 8та11. 11. - 2209-2216 (2015).

116. Ни Н. е1 а/. РЬозрЬогепе: ап ипехр1огей 20 зепйсопйисЫг \уй11 а Ы^Ь Ьо1е тоЫШу. АС8
№по. 8. 4033 4041 (2014).

117. №и А. е1 а1. Ей^Ь е1есйоп тоЫШу апй циапШт озсШайопз т поп-епсарзи1а!ей иИгаЙйп
зегтсопйисйп§ В12О28е. Май 1Мапо1есЬпо1. 12. - 530-534 (2017).

118. Ьи Н., ЗеаЬаиук А. Типпе! йе1й-ейес1 йапзхзЫгз: з1а1е-оГ-гЬе-ай. ШЕЕ .1. Е1есйоп 1)е\чс-
ез 8ос. 2. 44 49 (2014).

119. К1т 8. е1 а1. ТЫскпезз-сопйоИей Ыаск рЬозрЬогиз 1иппе1 йе1й-ейес( 1гапз1з1ог Гог 1о\\-
ро«ег зхуйсЬез. Ка(. Капо1ес1шо1. 15. - 203-206 (2020).

120. КпоП Ь. еГ а1. 1пуейег8 \\’Й1, зйатей 81 папо\\чге сотр1етеп1агу 1иппе1 йе1й-ейес( (гап-
81з1ог8. ШЕЕ Е1есйоп Оеуке Ьей. 34. - 813-815 (2013).

121. ОапЦроиг В. е1 а/. Типпе! йе!й-ейес( йапзхзЫгз Ьазей оп ГпР-СаАз Ье!егоз1гас1иге пап-
оусйез. АС8 Иапо. 6.-3109-3113 (2012).

122. ОапАМ К. еГ а1. СМО8-сотрайЫе уегйсакзШсоп-папоууйе Сга1е-А11-Агоипй р-1уре 1ип-
пе1т§ ЕЕТз луйЬ 50-тУ/йесайе зиЫЬгезЬо1й з\ут§. ШЕЕ Е1есйоп Оеу1се Ьей. 32. -
1504-1506 (2011).

123. Иен’еу С. е! а1. ЕаЬпсайоп, сЬагас1ег1хайоп, апй рЬузхсз оГШ-У Ье1его)ипсйоп шппе1т§
йе1й ейес! Йапз!з1ог8 (Н-ТЕЕТ) Гог 8(еер зиЬ-(ЬгезЬо1й з\ушц. 1а. Ргос. 2011 1п1егпайопа1
Е1есйоп Оеухсез Мее». 33.36.31-33.36.34 (ШЕЕ, 2011).

124. ЬеопеШ О. е! а1. РегГогтапсе епЬапсетеп! т ти1й-§а(е 1иппеНп§ йе1й ейес! йап81з1огз
Ьу зса1т§ 1Ье Рт-1У1й1Ь. ,1рп. I Аррк РЬуз. 49. 04ОСЮ (2010).

125. Аеоп К. е! а1. 81 1иппе1 1гап81з(огз ууйЬ а поуе! зШЫйей зоигсе апй 46 тУ/ йес з«т§. 1п
Ргос. 2010 Зутрозшт УЕ81 ТесЬпо!о§у. - 121-122 (ШЕЕ, 2010).

126. К1т 8. е1 а!. Оегтапшт-зоигсе шппе! йе!й ейес! Йапз!з1ог8 ууйЬ гесогй Ы§11 ЮК/ЮЕГ.
1п Ргос. 2009 Зутрозшт УЬ8! ТесЬпо1о§у. - 178-179 (ШЕЕ, 2009).
127. Тее М.-Н. е1 а/. Р11уз1са1 (Ыскпезз 1.x пт Геггое1ес!пс НГ/.гОх пе§айуе сараспапсе РЕТз.
1п Ргос. 2016 1ЕЕЕ 1п1егпайопа1 Е1ес1гоп ВеуЫез Меейп§. (1ЕЭМ) 12.11.11-12.11.
14 (ШЕЕ, 2016).

128. ^о А., 8Мп С. Ме§айуе сарасКапсе Йе1д еГГес! ГгапзгзЫг хуйй ЬузЫгезгз-Ггее 8иЬ-60-
т\Л с!ссас1с зхуйсЫп§. ШЕЕ Е1есйоп 1)с\чсс Ьей. 37. - 245-248 (2016).

129. Т. У. е1 а1. 1Лйа1оху ро\уег хуеагаЫе ЬеЫгозупарзе хуНй рйо1ое1ес(пс зупег§1зйс
тодЫайоп. Аду. 8Ы. 7. 1903480 (2020).

130. Вез$опоч А. А- е1 а!. йауегед тетпзйуе апд тетсарасгйуе зхуйсйез Гог рпп1аЫе е1ес-
(гошсз. Кай МаГег. 14. - 199-204 (2015).

131. Пап Н. е1 а1. Ехйете1у 1о\у орегайп§ сштеЫ гезчзйуе тетогу Ьазед оп ехГоНа!ед 21)
регоузкйе зт§1е сгуз(а18 Гог пеиготогрЫс сотрийп§. АС8 Капо. 11. - 12247-12256
(2017).

132. Тхап Н. е1 а1. АЫзойорю Ыаск рйозрйогаз зупарйс деу1се Гог пеиготогрЫс аррНсайопз.
Аду. Магег. 28. 4991 4997 (2016).

133. Тхап Н. е1 а1. Ети1айп§ Ы1т§иа1 зупарйс гезропзе изт§ а )ипсйоп-Ьазед агййЫа! зупар-
йс деухсе. АС8 Капо. 11. - 7156-7163 (2017).

134. 21хоп§ У. е! а1. 8е1есйуе ЕГУ-§айп§ ог§аЫс тет(гапз1з1огз ххгсН тодЫаЫе 1еУе1з оГ зуп-
арйс р1азйсйу. Аду. Е1есйоп. Ма1ег. 6. 1900955 (2020).

135. Ыи У. Н, 21хп О.. Ееп§ Р.. 8М У, №ап Ргеез1апдп1§ агййаа! зупарзез Ьазед оп 1аУ
ега11у рго1оп-соир1ед 1гапз1з1:ог8 оп сЫ1озап тетЬгапез. Аду. Ма1ег. 27. - 5599-5604
(2015).

136. Уап§ У. Не У., 8., 81ц У, №ап Ы§Ы зйти1а(ед 1020-Ьазед е1ес!пс-доиЫе-1ауег

(гапз1з(ог8 Гог р1ю(ое1ес1пс пеиготогрЫс де\'1се8. ШЕЕ Е1ес1гоп 1)е\1се ЬеН. 39. - 897-
900 (2018).

137. Не У, Уап& У., №е 8., Ыи В., №ап О. Е10с1пс-доиЫе-1ауег йапзгзЫгз Гог зупарйс деуЫез
апд пеиготогрЫс зуз1етз. .1. Ма1ег. СЬет. С. 6. - 5336-5352 (2018).

138. Танга М. е1 а1. Кесоттепдед тейюдз 1о з(иду гез1зйуе 8\уИсЫп§ дехчсез. Аду. Е1есйоп.
Магег. 5. 1800143 (2019).

139. Кигиш О., Уи 8., Н. Р. Зупарйс екс&оЫсз: таГепак, дсхчссз апд аррНсайопз.
Капо1есйпо1о§у. 24. 382001 (2013).

140. НогопИз М. Сотрийп§'з епег§у ргоЫет (апд \у11аГ \уе сап до аЬоиГ К). 1п Ргос. 2014
ШЕЕ 1п1егпайопа1 8оНд-81а1е Счгсийз СопГегепсе В1§ез1 оГТесЫйса! Рарегз (188СС). -
10-14 (ШЕЕ. 2014).
Глава 4

ЛЛЕТАЛЛАТЕРИАЛЫ И ОБЛАСТИ
ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

4.1. Свойства метаматериалов

Метаматериалы - это искусственно созданные или составленные среды
(композиты), обладающие уникальными электрофизическими, радиофизиче-
скими и оптическими свойствами, отсутствующими в природных материалах
(приставка «мета» происходит от греческого те1а - вне, за пределами). Элек-
тромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внут-
ренней структуры, размещенными по заданной схеме на микроскопическом
уровне, поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом,
чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик,
включая отрицательный коэффициент преломления. Одни мегаматериалы пре-
ломляют или отражают электромагнитные волны (свет) совершенно по-иному,
чем это происходит в реальном мире. Другие, например фотонные кристаллы, мо-
гут останавливать (запирать) электромагнитные волны или пропускать их по та-
ким каналам (волноводам), в которых обычно эти волны не распространяются.

В основе необычайных свойств этих материалов положены эффекты ре-
зонансного взаимодействия электромагнитной волны, распространяющейся в
гетерогенной среде, наполненной включениями, которые имеют специальную
форму, обеспечивающую резонансное возбуждение токов во включениях. Резо-
нансное взаимодействие носит непотенциальный характер, что, наряду с интер-
ференционными коллективными процессами, приводит к новым физическим
эффектам. В частности, метаматериалы могут обладать одновременно отрица-
тельной магнитной проницаемостью и электрической восприимчивостью, бла-
годаря чему формируются электромагнитные волны, у которых фазовая и груп-
повая скорости имеют противоположные направления, и, как следствие, на гра-
нице двух сред происходит отрицательное лучепреломление [1].

К классу композитных метаматериалов можно отнести и фотонные кри-
сталлы. Их специфические свойства обусловлены явлениями интерференции,
возникающими в периодических структурах, из которых составлен композит-
ный материал. Характерный размер элементарной ячейки фотонного кри-
сталла соответствует длине электромагнитной волны, характерный размер ре-
зонансных включений, о которых шла речь выше, много меньше длины волны.
Однако физические явления, отмеченные в различных метаматериалах, схожи.

К проблемам исследования метаматериалов начиная с 1990-х годов при-
влечено внимание физиков-теоретиков, химиков, физиков-экспериментато-
ров, а также различных групп исследователей, работающих в области радио-
физики, оптики и материаловедения.
Рис. 4.1. Схема отражения и преломления падающей
плоской волны, предложенная Л. И. Мандельштамом:
а - преломление на границе с обычной средой,
а - преломление на границе с метаматериалом, о - угол падения,
ср, - угол преломления, ср' - угол отражения [2]

Напомним, что одна из важнейших особенностей метаматериалов - это
отрицательное преломление света на границе раздела между обычным веще-
ством и метаматериалом. Впервые детальный анализ возможности появления
эффекта отрицательного преломления дал еще Л. И. Мандельштам в одной из
своих лекций [3], где был представлен рисунок-схема, демонстрирующий
направление векторов падающей, преломленной и отраженной волн (рис. 4.1).
Он же дал подробное объяснение физики такого явления, как «отток» потока
энергии от границы раздела между обычным веществом и метаматериалом
при отрицательном преломлении, в то время как фаза «набегает» на эту гра-
ницу (рис. 4.1, б). В 1957 г. вышла работа Д. В. Сивухина [4], а в 1965 г. -
монография В. Н. Аграновича и В. М. Гинзбурга [5], в которых анализирова-
лось распространение электромагнитной волны в диспергирующей среде и
было показано, что в среде с отрицательным значением диэлектрической (е) и
магнитной (ц) проницаемости волновой вектор распространения должен быть
направлен к границе раздела, то есть противоположно вектору групповой ско-
рости. Таким образом, для отрицательного лучепреломления необходима от-
рицательная фазовая скорость.

4.2. Краткая история создания метаматериалов

Рис. 4.2. Ход лучей (3) в линзе Веселого:

А - источник, В - изображение источника, <1 - толщина пластины,
I - расстояние от пластины

В 1967 г. отечественный ученый В. Г. Веселаго впервые ввел понятие
«леворуких» и «праворуких» сред. «Леворукими» он назвал среды с одновре-
менно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницае-
мости. В. Г. Веселаго предложил схему устройства, позднее получившего
название «линзы Веселаго». Это была пластина толщиной б, которая изготов-
лена из «левого» вещества с е = -1 ц = -1, то есть из вещества, имеющего ко-
эффициент преломления п = е1/2 • Ц12 = _1. Так как на поверхности пластины
преломление отрицательное, изображение источника фокусируется в двух
точках: одной - внутри слоя «левого» вещества, другой - вне его на расстоя-
нии б - 1 от правого края пластины (В на рис. 4.2). Таким образом, было пока-
зано, что плоский слой вещества с 8 = -1 ц = -1 служит устройством типа
линзы, переносящим изображение предмета из одной области пространства в
другую. И хотя у такой линзы отсутствует фокальная плоскость, она со-
здает объемное действительное изображение предмета. Поскольку входной
импеданс поверхности равен 1, то от поверхности нет отражения, и вся энер-
гия падающей волны переходит в преломленную волну. При этом любой луч
между объектом и изображением проходит равные пути в «обычной» и «ле-
вой» средах, следовательно, набег фазы по любым траекториям между объек
том и изображением равен нулю.
Рис. 4.3. Зависимость диэлектрической и магнитной
проницаемости композита, заполненного проводящими спиралями
с проводимостью а от частоты; с' р' - соответственно действительные части
диэлектрической и магнитной проницаемости' с", рминимальные части
диэлектрической и магнитной проницаемости

Вплоть до 2000 г. эта работа В. Г. Веселаго не обсуждалась в научной
среде, поскольку автор не дал конкретных примеров реального существования
таких «левых» сред. Однако начиная с 1990 г. подобные композиты с отрица-
тельными значениями диэлектрической проницаемости, а с 1993 г. - и с отри-
цательной магнитной проницаемостью были получены и исследованы в Ин-
ституте теоретической и прикладной электродинамики РАН. Конкретно эти
композиты использовались для создания радиопоглощающих материалов.
В 1990 г. вышла монография [3], в которой уже детально описывались
свойства композита, наполненного отрезками тонких проволок, и было пока-
зано, что у таких материалов существуют глубокие отрицательные минимумы
диэлектрической проницаемости в микроволновой области. Эти минимумы
возникают за счет возбуждения токовых резонансов в диполях, которыми яв-
ляются отрезки микропроводов. Вследствие инерции электронов при частотах,
несколько больших резонансной, сдвиг по фазе по отношению к возбуждаю-
щему излучению может достигать половины периода, что приводит к соответ-
ствующему фазовому сдвигу между величинами напряженности электромаг-
нитного поля падающей волны и электрической индукции композита, а также
к возникновению отрицательных значений ж'. Использование смеси проволок
разного размера позволяет создать вещество с двумя отрицательными резо-
нансами, разделенными, правда, значительным частотным интервалом, а при
желании - и с большим числом резонансов [8-11].

В середине 1990-х годов в России также были изготовлены композиты,
состоящие из диэлектрической матрицы, заполненной спиральными включе-
ниями. Эти композиты обладали отрицательными значениями диэлектриче-
ской и магнитной проницаемостей вблизи резонанса и также использовались
в качестве эффективных поглотителей электромагнитной энергии.

На рисунке 4.3 приведены экспериментальные зависимости поведения
диэлектрической и магнитной проницаемости для композита, заполненного
включениями в виде соосных спиралей, закрученных в разные стороны. Соос-
ные спирали использовались для устранения эффекта киральности (различие
между «правым» и «левым», когда имеется несовместимость предмета с его
зеркальным изображением). Полученные экспериментальные результаты хо-
рошо описывались обобщенной дисперсионной формулой:

ц(о>) -1 + \к Ак

Ра <'>2

-/С0₽* ’

где ©а - резонансные частоты;

Ра, Ак - соответственно полуширины и амплитуды резонансных кривых;

/ - мнимая единица.

В [12] приведены также формулы, позволяющие рассчитать значения ве-
личин Ра и Аа искусственного высокочастотного магнетика, для изготовления
которого используются неферромагнитные включения. Эти формулы при-
годны и для описания композита, состоящего из вложенных друг в друга разо-
рванных колец.

Следует отметить, что уже в 2000 г. в России в результате проведенных
теоретических и экспериментальных исследований имелась достаточно пол-
ная информация о свойствах композитов, заполненных резонансными вклю-
чениями самой разной формы [13, 14]. Одни включения (рис. 4.4, а) исполь-
зовались для получения высоких значений (как положительных, так и отри-
цательных) диэлектрической проницаемости. Соответствующие композиты
обладали сильной частотной дисперсией и отрицательным значением диэлек-
трической проницаемости в довольно широком диапазоне частот. Другие
включения (рис. 4.4, б-г) позволяли получать резонансные положительные и
отрицательные пики магнитной проницаемости (искусственные магнетики),
третьи (рис. 4.4, д-з) - одновременно отрицательные значения диэлектриче-
ской и магнитной проницаемости. Включения типа «швейцарского рулета»
(рис. 4.4, и) исследовались с целью достижения максимально возможных зна-
чений (положительных и отрицательных) магнитной проницаемости. Нако-
нец, система тонких ферромагнитных пленок (рис. 4.4, к) также применялась
для изготовления метаматериала, однако если в предыдущих случаях магнит-
ные высокочастотные свойства возникали за счет наведенных магнитным по-
лем круговых токов, то в этих материалах магнитные свойства определяются
естественным ферромагнитным резонансом самих пленок, а диэлектриче-
ские - наведенным дипольным моментом.

Рис. 4.4. Разнообразные включения,
используемые для создания материалов

4 3. Примеры метаматериалов для использования
в устройствах, работающих в микроволновой
области спектра

Рассмотрим один из метаматериалов, предназначенных для работы в
микроволновой области спектра. Это композит, состоящий из ячеек, каждая из
которых содержит четыре спирали, ориентированные так, как это изображено
на рисунке 4.5 [12, 17]. Спирали 1_| и (_• закручены в сторону, противополож-
ную спиралям 1_з и Ед. Магнитное поле волны возбуждает в такой ячейке сум-
марный магнитный момент за счет сложения моментов в спиралях Е? и Ед. Раз-
нос направление закрученности необходимо для устранения вращения плос-
кости поляризации, вызванного эффектом киральности [18, 19].
В связи с тем, что размер ячейки много меньше длины волны, коэффи-
циент киральности ячейки в среднем равен нулю. Электрическое поле возбуж-
дает электрический дипольный момент, не возбуждая магнитного. Для созда-
ния объемного материала нужна ячейка как минимум из восьми спиралей.
В этом случае оси четырех дополнительных спиралей должны быть ортого-
нальны плоскости рисунка, тогда поведение диэлектрической и магнитной
проницаемости образца носит ярко выраженный резонансный характер.

Рис. 4.5. Структура метаматериала, предназначенного
для работы в микроволновой области частот (с)
и его частотные характеристики (б)

Структура другого метаматсриала изображена на рисунке 4.6 [19]. Здесь
система разорванных колец предназначена для возбуждения магнитного мо-
мента, а система штырей (медные проволоки) - для возбуждения дипольного
момента. Такая система была впервые использована для демонстрации эф-
фекта отрицательного преломления в метаматериалах.

В монографии С. А. Щелкунова и Г. Фриса [14], изданной в 1952 г., пред-
ставлено описание метода создания искусственных магнетиков и отрицатель-
ного значения магнитной проницаемости композита с помощью системы разо-
рванных колец. В этой монографии приведены соответствующие формулы,
мало изменившиеся в современных работах, и даны рекомендации по практи-
ческому использованию таких композитов.

Рис. 4.6. Метаматериал, изготовленный для деллонстрации
эффекта «отрицательного» прелоллления

Известно множество вариантов технических решений устройств, осно-
ванных на явлении отрицательного преломления, часть из которых уже реали-
зована. К особому классу метаматериалов можно отнести так называемые ме-
тапленки. В них резонансные включения плоской формы, нанесенные на тон-
кий диэлектрический слой (или же отверстия специальной формы в тонком
проводящем слое), образуют резонансную систему, которая служит частот-
ным фильтром для электромагнитной волны. Эта обширная область приклад-
ных исследований связана с созданием частотно-селективных поверхностей и
далеко выходит за рамки наноэлектроники, например, используется для кон-
струирования обтекателей для современных стеле-самолетов. В частности, со-
здание такого обтекателя для самолета пятого поколения Р-22 было одной из
сложнейших научных и технологических задач.

4.4. Особенности фокусировки устройств
на основе метаматериалов

В настоящее время появилось много работ, посвященных совершенно
новому применению метаматериалов. Предположим, что можно изготовить
материал с любым значением коэффициента преломления - положительным и
отрицательным. Рассмотрим падение плоской электромагнитной волны на
предмет, размеры которого значительно превышают длину волны. Окружим
этот предмет оболочкой вещества с переменным в зависимости от координат
профилем коэффициента преломления и попытаемся найти такое распределе-
ние коэффициента преломления в оболочке, которое позволит восстановить
плоскопараллельный ход лучей после рефракции на оболочке (рис. 4.7). Ока-
зывается, что такое решение действительно существует, следовательно, теоре-
тически предмет можно сделать невидимым. И хотя пока «эффект невидимо-
сти» достижим только в очень узком частотном диапазоне, эксперименты ве-
дущих исследователей в этом направлении продолжаются.

Рис. 4.7. Ход лучей, претерпевающих рефракцию
на оболочке из ллетавещества заниллающей объелл ллежду К, и Кл
Предллет внутри сферы К невидилл

Одной из причин, приведших за последние 20 лет к экспоненциальному
росту публикаций, посвященных метаматериалам, стала оригинальная работа
профессора Дж. Пендри [24], опубликованная в 2000 г. В ней было показано,
что линза Веселаго, наряду с описанными выше особенностями фокусировки,
обладает способностью переносить изображение предмета с точностью, не
ограниченной так называемым «волновым пределом». Из общего курса фи-
зики нам всем хорошо известно, что с помощью оптической системы невоз-
можно различить между собой два предмета, если они находятся друг от друга
на расстоянии, меньшем длины волны наблюдения. Именно поэтому при ис-
следовании микромира и создании микрообъектов специалисты вынуждены
переходить на всё меньшие длины волн, что чрезвычайно удорожает стон
мость оборудования. Причина этого ограничения объясняется следующим.
Излучение электромагнитного источника, разложенное по полному спектру
пространственных фурье-гармоник, состоит из распространяющихся и экспо-
нециально затухающих волн. Для того чтобы передаточная функция оптиче-
ской системы была равна 1 (а только тогда образ предмета будет передан без
искажения), оптическая система должна собрать все пространственные фурье-
гармоники. Однако в пространстве, заполненном веществом с любыми поло-
жительными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, зату-
хающие волны не доходят до приемника, и часть информации о наблюдаемом
объекте всегда теряется. Хотя успешно развиваемая в течение десятилетий
спектроскопия ближнего поля позволяет преодолеть это ограничение, но в
связи с тем, что ближнепольное разрешение осуществляется последователь-
ным перемещением щупа от точки к точке с последующей обработкой инфор-
мации, получение полного изображения эволюционирующего объекта, напри-
мер живой клетки, невозможно.

В [24] показано, что плоский слой вещества се = -1,р = -1 обладает
способностью усиливать экспоненциально затухающие волны. Он показал,
что с помощью линзы Веселаго, приготовленной из такого, не имеющего по-
терь, вещества можно преодолеть дифракционный предел. Оказалось, что в
оптическом диапазоне длин волн можно улучшить оптическое изображение
благодаря использованию плоского слоя вещества с отрицательным значе-
нием диэлектрической проницаемости. В качестве такого слоя Дж. Пендри
предложил пленку серебра, у которого значение диэлектрической проницае-
мости в оптическом диапазоне отрицательное. В этом случае на границе
между пленкой и вакуумом может распространяться поверхностная волна,
и возникают условия плазмонного резонанса, при котором колебания электро-
нов в проводящем слое поддерживаются внешним электромагнитным полем.

4 5. Эффект сверхразрешения п метаматериалах

В 2003 г. в Институте теоретической и прикладной электродинамики
РАН был проведен эксперимент, впервые продемонстрировавший эффект
сверхразрешения [25]. Здесь между двумя нитевидными источниками излуче-
ния и приемником помещалась плоская тонкая пластина, выполненная из ве-
щества с отрицательными значениями е и р в области частот 1,7 ГГц. Расстоя-
ние между источниками составляло величину А/6, где X - длина волны излуче-
ния в свободном пространстве. Без пластины метаматериала приемник реги-
стрировал один размытый максимум электромагнитного поля. То же самое
наблюдалось вне полосы частот, соответствующей отрицательным значениям
е и ]о. Измерения электромагнитного поля в полосе частот, где е < 0, р < 0,
показали два четко различимых максимума поля, что убедительно демонстри-
ровало эффект сверхразрешения.

Одним из неожиданных результатов этой работы стала возможность зна-
чительного уменьшения апертуры линзы Веселаго для получения сверхразре-
шения. Даже для поперечника линзы порядка /. / 3 качество разрешения прак-
тически не менялось, что открывало широкие перспективы для различных
приложений.

Вместе с тем стали понятны и принципиальные ограничения, основными
из которых являются естественные потери, присущие метаматериалу. По-
скольку конструкция метаматериала соответствует конструкции диспергиру-
ющего композита, то соотношения Крамерса - Кронига налагают достаточно
жесткие ограничения на соотношение между действительной и мнимой ча-
стью комплексных величин диэлектрической и магнитной проницаемости.
Поэтому эффект сверхразрешения пока что удалось получить при использова-
нии очень тонкой (по отношению к длине волны) пластины метаматериала, и
значит, плоскость изображений находится достаточно близко к плоскости об-
разов.

То же самое было продемонстрировано в эксперименте [26] в области
радиочастоты 24 МГц, где было достигнуто разрешение /. / 64, но опять же -
на расстоянии от источника, меньшем, чем длина волны излучения. В литера-
туре уже появилось несколько решений, позволяющих частично облегчить
требования, налагаемые на максимально допустимый уровень потерь в мета-
материалах. Вопрос о преодолении ограничений, связанных с потерями, -
ключевой для всей проблемы сверхразрешения.

Для развития нанотехнологий принципиальным является достижение
сверхразрешения в инфракрасном и оптическом диапазоне длин волн. Напри-
мер, плазмонный резонанс на поверхности пленки из серебра может значи-
тельно улучшить воспроизведение в процессе фотолитографии. Однако каче-
ственное продвижение может быть достигнуто, только если удастся создать
вещество с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной прони-
цаемости в оптическом диапазоне и малыми потерями.

Получение магнитной проницаемости, отличной от 1 в оптическом диа-
пазоне, сам по себе факт необычайно интересный с общефизической точки
зрения. В терагерцевой области спектра это удалось сделать благодаря исполь-
зованию композита с резонансными включениями типа разомкнутых колец
(см. рис. 4.4, г), однако в инфракрасном или оптическом диапазоне длин волн
такой путь создания искусственного магнетизма сопряжен со значительными
технологическими трудностями. Дело в том, что для генерации магнитного
момента плоскость кольца должна быть ортогональна направлению магнит-
ного поля, и потому для изготовления даже тонких образцов требуется слож-
ная многослойная сборка.

Прогресс, наметившийся в этой области на момент написания данной
книги, связан с возможностью генерации магнитного момента в паре парал-
лельных металлических наноцилиндров. Плазмонный резонанс возбуждается
электрическим и магнитным полем световой волны, поскольку диэлектриче-
ская проницамость металлического наноцилиндра в оптической области ча-
стот отрицательная. На частотах выше резонансной возникающий в паре на-
ноцилиндров круговой ток может привести к магнитному полю, направлен-
ному противоположно магнитному полю возбуждающей световой волны. По
существу, это такой же резонанс, как и в разомкнутых кольцах и спиралях,
но в качестве емкости фигурирует диэлектрический разрыв между металли-
ческими наноцилиндрами, а индуктивность обеспечивается отрицательной
величиной их диэлектрической проницаемости. Методом электронно-луче-
вой литографии был сформирован трехмерный образец метаматериала, и за-
тем проведены измерения коэффициента преломления в области длин волн
от 500 до 2000 нм. Было показано, что благодаря сильному плазмонному ре-
зонансу на длинах волн около 1,5 мкм коэффициент преломления становится
отрицательным, и его действительная часть п' = 0,3 +0,1. К сожалению, пока
не удалось создать материал с малыми потерями, а мнимая часть коэффици-
ента преломления была больше или примерно такой же, как его действитель-
ная часть.

В другом эксперименте были получены отрицательные значения вели-
чин е' = 0,7 ин = -0,3 для оптического диапазона длин волн 500 нм. Однако
потери опять же были очень велики, что не позволило достичь ни отрицатель-
ного преломления, ни тем более эффекта сверхразрешения.

4.6. Принципы создания фотонных кристаллов
на основе металлате риалов

Описанию различных свойств фотонных кристаллов сегодня посвящено
огромное количество статей, докладов и монографий. Напомним, что фотон-
ными кристаллами называют такие искусственные среды, в которых благодаря
периодическому изменению диэлектрических параметров (имеется в виду по-
казатель преломления) свойства распространяющихся электромагнитных
волн (света) становятся аналогичными свойствам электронов, распространяю-
щихся в реальных кристаллах. Соответственно термин «фотонный кристалл»
подчеркивает сходство фотонов и электронов. Квантование свойств фотонов
приводит к тому, что в спектре электромагнитной волны, распространяю-
щейся в фотонном кристалле, могут возникать запрещенные зоны, в которых
плотность состояний фотонов равна нулю.

Трехмерный фотонный кристалл с абсолютной запрещенной зоной был
впервые реализован для электромагнитных волн СВЧ-диапазона. Существова-
ние абсолютной запрещенной зоны означает, что электромагнитные волны в
определенной полосе частот не могут распространяться в данном кристалле в
любом направлении, так как плотность состояния фотонов, энергия которых
соответствует этой полосе частот, равна нулю в любой точке кристалла. Как и
реальные кристаллы, фотонные по наличию и свойствам запрещенной зоны
могут представлять собой проводники, полупроводники, изоляторы и сверх-
проводники. Если в запрещенной зоне фотонного кристалла существуют де-
фекты, то возможен захват фотона дефектом аналогично тому, как происходит
захват электрона или дырки соответствующей примесью, находящейся в за-
прещенной зоне полупроводника.

Такие распространяющиеся волны с энергией, расположенной внутри
запрещенной зоны, называются дефектными модами.

Как уже отмечалось выше, необычные свойства фотонного кристалла
наблюдаются, когда размеры элементарной ячейки кристалла составляют по-
рядка длины распространяющейся в нем волны, поэтому теоретически идеаль-
ные фотонные кристаллы видимого диапазона света можно изготовить лишь
с помощью субмикронных технологий. Уровень современной науки и техники
позволяет создавать такие трехмерные кристаллы.
Рис. 4.8. Структура сротснно-кристаллических оптических волн

Области применения фотонных кристаллов в радиоэлектронике доста-
точно многочисленны - это оптические изоляторы, оптические вентили, пере-
ключатели, мультиплексоры и т. д. Одной из чрезвычайно важных с практиче-
ской точки зрения структур являются фотонно-кристаллические оптические
волокла. Они впервые были изготовлены из набора стеклянных капилляров,
собранных в плотную пачку, которая затем подвергалась обычной вытяжке.
Такое оптоволокно содержит регулярно расположенные отверстия с характер-
ным размером около 1 мкм. В дальнейшем были получены оптические фо-
тонно-кристаллические световоды разнообразной конфигурации и с различ-
ными свойствами (рис. 4.8).

В Институте радиотехники и электроники и в Научном центре волокон-
ной оптики РАН был разработан новый метод сверления для создания фо-
тонно-кристаллических световодов. Сначала в кварцевой толстой заготовке
просверливались механические отверстия с любой матрицей, а затем заго-
товка подвергалась вытяжке. В результате было получено фотонно-кристал-
лическое волокно высокого качества. В таких световодах легко создавать де-
фекты разнообразной формы и размера, так что в них можно возбуждать од-
новременно несколько мод света, частоты которых лежат в запрещенной зоне
фотонного кристалла. Дефекты, в частности, могут иметь вид пустотелого
канала, так что свет будет распространяться не в кварце, а по воздуху, что
может существенно снизить потери на длинных участках фотонно-кристал-
лических световодов. Распространение видимого и инфракрасного излучения
в фотонно-кристаллических световодах сопровождается разнообразными фи-
зическими явлениями' комбинационным рассеянием, смешением гармоник,
генерацией гармоник, что в конечном итоге приводит к генерации суперкон-
тинуума.

Не менее интересны с точки зрения исследования физических эффектов
и возможных применений одно- и двумерные фотонные кристаллы (они могут
считаться таковыми при распространении электромагнитных волн только в
определенных направлениях). Типичный одномерный фотонный кристалл -
это многослойная периодическая структура, состоящая из слоев по крайней
мере двух веществ с сильно различающимися показателями преломления.
Если электромагнитная волна распространяется вдоль нормали, в такой струк-
туре возникает запрещенная зона для определенных частот. Если один из
слоев структуры заменить веществом с отличным от других показателем пре-
ломления или изменить толщину одного слоя, то такой слой будет дефектом,
способным захватить волну, частота которой находится в запрещенной зоне.

Наличие магнитного дефектного слоя в диэлектрической немагнитной
структуре приводит к многократному увеличению фарадеевского вращения
волны при распространении в такой структуре и к усилению оптической про-
зрачности среды.

Наличие магнитных слоев в конструкциях фотонных кристаллов может
существенно изменить их свойства, прежде всего в СВЧ-диапазоне, поскольку
в СВЧ-диапазоне магнитная проницаемость ферромагнетиков в определенной
полосе частот отрицательная, что облегчает их применение при создании ме-
таматериалов. Сопрягая такие вещества с металлическими немагнитными сло-
ями или структурами, состоящими из отдельных проводников либо периоди-
ческих структур проводников, можно изготовить структуры с отрицатель-
ными значениями магнитной и диэлектрической проницаемости. Примером
могут служить созданные в Институте радиотехники и электроники РАН
структуры, предназначенные для обнаружения отрицательного отражения и
преломления магнитостатических спиновых волн. Такая структура представ-
ляет собой пленку железо-иттриевого граната с металлическими проводни-
ками на се поверхности. Свойства магнитостатических спиновых волн, рас-
пространяющихся в тонких ферромагнитных пленках, сильно зависят от
внешнего магнитного поля. В общем случае один из типов таких волн является
обратной волной, так что скалярное произведение волнового вектора на вектор
Пойнтинга у этого типа волн отрицательное.

Существование обратных волн в фотонных кристаллах обусловлено и пе-
риодичностью свойств самого кристалла. В частности, для волн, волновые век-
торы которых лежат в первой зоне Бриллюэна, может выполняться условие
распространения как для прямых волн, а для тех же волн во второй зоне Брил-
люэна - как для обратных. Подобно метаматериалам, в фотонных кристаллах
также могут обнаруживаться необычные свойства в распространяющихся вол-
нах, например отрицательное преломление.
Однако фотонные кристаллы могут быть тем метаматериалом, для кото-
рого возможно явление отрицательного преломления не только в СВЧ-диапа-
зоне, но и в оптическом диапазоне частот. Эксперименты подтверждают факт
существования отрицательного преломления в фотонных кристаллах для волн
с частотами выше частоты первой запрещенной зоны вблизи центра зоны
Бриллюэна. Это обусловлено эффектом отрицательной групповой скорости и,
как следствие, отрицательного коэффициента преломления для волны. Факти-
чески в этой области частот волны становятся обратными.

4.7. Принцип создания магноннь х кристаллов
на основе метаматериалов

Как известно, магнитостатические спиновые волны возникают как
волны макроскопического магнитного момента ферромагнетика при возбуж-
дении магнитной системы возмущением магнитного поля. Длина их волны за-
висит от многих факторов - частоты возбуждающего внешнего поля, геомет-
рии структуры, в которой распространяется волна, величины и направленно-
сти внешнего магнитного поля, физических свойств ферромагнитного матери-
ала и т. д.

В СВЧ-диапазоне для структур, содержащих магнитные слои толщи-
ной в несколько микрометров, длина спиновой волны лежит в пределах от 1
до 1000 мкм. При этом ее групповая скорость может лежать в диапазоне 104-
10''см/с. При возбуждении магнитостатических спиновых волн внешней
электромагнитной волной СВЧ-диапазона (например, сопровождающей воз-
буждающий переменный ток) теоретически можно достигнуть задержки воз-
буждающего сигнала на микросекунды. Этот факт чрезвычайно важен, по-
скольку даже современная аппаратура позволяет в такие временные интер-
валы выполнить любую желаемую обработку сигнала (волны).

В России в Институте радиотехники и электроники РАН созданы экспе-
риментальные образцы структуры, которые по аналогии с фотонными кри-
сталлами были названы магнонными кристаллами. Здесь магноны - это квази-
частицы спиновых волн, как фотоны - квазичастицы света (или электромаг-
нитных волн).

В этом институте были созданы и детально исследованы двумерные маг-
нонные кристаллы, изготовленные на основе пленок железо-иттриевого гра-
ната со специально вытравленными отверстиями (рис. 4.9).

Как видно из рис. 4.9, в, в спектрах прохождения (амплитудных и фазо-
вых) магнитостатических спиновых волн, распространяющихся в магнонных
кристаллах, четко видны запрещенные зоны.

Создание подобных структур магнонных кристаллов в ферромагнетиках
интересно еще и потому, что в отсутствие магнитного поля ферромагнетик раз-
бивается на домены. Во внешнем магнитном поле (при определенной его вели-
чине) домены исчезают, а ферромагнетик становится насыщенным и однодо-
менным. Наличие же в нем структуры магнонного кристалла (см. рис. 4.9, а)
приводит к тому, что отдельные элементы структуры превращаются в центры,
удерживающие домены. Последние же исчезают при гораздо больших величи-
нах магнитных полей, чем в обычных ферромагнетиках. Этот эффект теорети-
чески может быть использован в элементах магнитной памяти.

Рис. 4.9. Магнонные кристалы:

а - фотография поверхности магнонных кристаллов;

б - ллакет линии задержки для спиновых волн распространяющихся
в ллагноннолл кристалле; в - спектры прохождения спиновых волн
в ллагнонных кристаллах, миниллум в спектрах соответствует
запрещенной зоне кристалла
Рис. 4.10. Макет двумерного фононного кристалла (а),
зонная структура акустических волн в таком кристалле (б)
дисперсионные зависимости распространяющихся
в кристалле акустических волн (в). Г X М, Г - основные точки
обратной решетки фононного кристалла

Другая возможность реализации фотонных кристаллов в СВЧ-диапа-
зоне - это структуры для акустических волн ультразвукового диапазона, или
фононов, квазичастиц ультразвука. Поэтому такие структуры называются фо-
нонными кристаллами. Как известно, ультразвук легко возбуждается в диапа-
зоне от сотен килогерц до единиц гигагерц, при этом типичные скорости его в
кристаллах кварца, ниобата лития или кремния составляют порядка 105 см/с, и
типичные длины волн составляют миллиметры и сотни или десятки микромет-
ров. Структуры типа фононных кристаллов уже можно относительно легко из-
готовить, используя современные микроэлектронные технологии. Кроме того,
учитывая, что фононные структуры могут создаваться в кремнии, их нетрудно
интегрировать в современные полупроводниковые микросхемы, благодаря
чему могут появиться новые типы интегральных устройств.

На рис. 4.10 приведен макет двумерного фононного кристалла на основе
пленки кремния и дисперсионные зависимости распространяющихся в таком
кристалле акустических волн. В спектре их прохождения имеется запрещен-
ная зона, в частотном диапазоне которой волны не распространяются (см.
рис. 4.10, в). Фононные кристаллы другого типа можно создавать в кварцевом
оптическом волокне, при этом в нем можно одновременно возбуждать и свет,
и ультразвук, так что такое волокно одновременно будет и фотонным, и фо-
нонным кристаллом.

Изменяя частоту одной из волн, можно добиться существенного преоб-
разования другой волны при ее рассеянии на первой волне, и наоборот. Эф-
фекты типа отрицательного отражения и преломления также наблюдаются в
фононных кристаллах.

Таким образом, возможные применения фотонных, фононных и магнон-
ных кристаллов довольно многочисленны волноведущие каналы, которые
можно сгибать под прямым и даже острым углами; частотное разделение ка-
налов и кросс-модуляция пучков света или других типов волн; узкополосные
оптические (акустические, магнитные) фильтры. В фотонно-кристаллических
волокнах можно формировать солитонные линии связи, управлять скоростью
света и в результате добиться сужения спектральных углов и частотного диа-
пазона, что, в свою очередь, важно для создания эмиссионных лазеров. Вслед-
ствие генерации суперконтинуума в таких волокнах теоретически можно со-
здать лазер «белого» света. Магнонные кристаллы на основе магнитных пле-
нок могут также служить радиопоглотителями для снижения эффекта радио-
обнаружения. Возможные области применения метаматериалов, и в частности
фотонных кристаллов, далеко не ограничиваются вышеперечисленными
направлениями.

4.8. Магнитоплазменные и магнонные кристаллы
на основе монокристаллических пленок
феррит-гранатов

В работе [25] представлены основные результаты многолетних исследо-
ваний магнитоплазменных и магнонных кристаллов на основе тонких пленок
феррит-гранатов с дифракционными решетками, выполненных в научно-прак-
тическом центре Национальной академии наук Беларуси.

Привлекательность физических свойств магнитных пленок феррит-гра-
натов как объекта исследований заключается в том, что они относятся к опти-
чески прозрачным магнитодиэлектрикам и могут взаимодействовать с элек-
тромагнитными волнами оптического и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапа-
зона длин волн без тепловых потерь.

В НПЦ по материаловедению НАН Беларуси к разработке метаматериа-
лов на основе пленок феррит-гранатов, совместимых с технологией микро-
электроники, приступили в 2005 г. [25-29], и за прошедшее время были полу-
чены фундаментальные знания по процессам роста и определяющей роли хи-
мических связей в формировании зонной структуры твердого тела и особен-
ностям применения метода ионно-лучевого распыления для формирования са-
мих пленок феррит-гранатов и их постростовой размерной обработки.

Монокристаллические пленки феррит-гранатов имеют собственную пе-
риодическую структуру, характеризующуюся постоянной кристаллической
решеткой, размером примерно 12,4 нм. Основные физические свойства фер-
рит-гранатов определяются непосредственно этой кристаллической структу-
рой и расположением атомов в узлах кристаллической решетки. В том случае,
когда мы искусственно изготавливаем существенно большую по геометриче-
ским размерам периодическую структуру внутри или над данным материалом,
то при определенных условиях это приводит к появлению совершенно новых
физических свойств, обусловленных взаимодействиями в принудительно со-
зданной периодической структуре и собственными признаками исходного ма-
териала.

Рис. 4.11. А - схематическое изображение поперечного
сечения магнитоплазмонного кристалла'
Б - характерный вид внешней поверхности кристалла с периодом
10-структуры 800 нм и шириной полоски золота 700 нм
Так, магнитоплазмонный кристалл (рис. 4.11) состоит из Ю-решетки зо-
лота, организованной в виде полосок шириной 400-800 нм, толщиной 40- 80 нм,
с оптимальным зазором между ними в 100 нм. Эта решетка вырезается методом
ионной литографии на сплошных площадках размером до 100x200 мкм, нане-
сенных на гладкую поверхность, в нашем случае пленки висмут-содержащего
феррит-граната толщиной около микрометра. Падающий луч света дифраги-
рует на решетке золота и при определенных условиях обеспечивает возбужде-
ние плазмонных колебаний в области интерфейса «решетка - пленка», способ-
ных резонансно взаимодействовать с магнонными возбуждениями собственно
в пленке ферритграната [26, 27]. Одно из проявлений резонансного взаимодей-
ствия -- усиление эффекта Фарадея, или вращения плоскости поляризации про-
шедшей волны во внешнем магнитном поле. В отдельных случаях это вращение
достигает десятков градусов при субмикронной толщине пленки феррит-гра-
ната, что на порядок больше, чем это свойственно однородной структуре (ре-
кордными характеристиками обладают пленки состава ВцНе?О|т, способные
поворачивать плоскость поляризации до 10° при толщине до одного микрона).
К сожалению, даже этого усиленного эффекта Фарадея пока недостаточно для
широкого внедрения магнитоплазмонных кристаллов в практическую микро-
электронику. Тем не менее известно, что эффект резонансного воздействия
плазмонных колебаний на эффект Фарадея использовался в центре «Сколково»
(Москва) для создания экспериментальных образцов датчиков магнитного
поля, чувствительность которых не уступала повсеместно используемым в про-
мышленности СКВ ИД-датчикам томографов и магнитометров. Однако в отли-
чие от последних они обеспечивают работоспособность в диапазоне температур
до 100 °С.

Рис. 4.12. А - 10 ллагнонный кристалл с периодолл структуры 10 ллклл,
шириной кановки 2 мклл и глубиной 1,4 ллклл;

Б - 20-ллагнонный кристалл 40,40 ллклл с периодолл 80 ллклл

Магнонные кристаллы (рис. 4.12) так названы из-за принудительно со-
зданной периодической решетки в пленке феррит-граната, приводящей к ди-
фракционному характеру распространения в них собственных магнонных ко-
лебаний (спиновых волн) с характерным для них, по аналогии с дифракцией
рентгеновских волн на кристаллической решетке, законом Брэгга. Его отличи-
тельная особенность - наличие запрещенных зон в спектре спин-волновых
возбуждений. Организация эффективного процесса их передачи в полупровод-
никовых структурах - основная проблема спинтроники, не решенная в насто-
ящее время в достаточном для практических применений виде.

Для взаимодействия с СВЧ-волнами диапазона частот 2-18 ГГц бело-
русскими учеными были использованы метаматериалы в виде 1 □ (рис 4.12, А)
и 2В (рис. 4.12, Б) магнонных кристаллов размером до 10x10 мм. Здесь ди-
фракционная решетка изготавливается непосредственно в пленке УзРс5О12, пе-
риод определяется типом магнонных возбуждений в данном кристалле.
Наиболее исследованы магнонные кристаллы с периодом от 10 до 100 мкм,
минимальным зазором между страйпами до 2 мкм и максимальной глубиной
профиля травления до 3 мкм [28].

Тонкие пленки железо-иттриевого граната УзНе,О|2 (ЖИГ), выращен-
ные методом жидкофазной эпитаксии на подложках ОбзОазОп - одни из ос-
новных материалов современной магнитной СВЧ-электроники, что обуслов-
лено рекордной узостью линии ферромагнитного резонанса 0,6-1,2 Э в интер-
вале толщин до 10 мкм на частоте до 9,5 ГГц, что является максимальным для
известных СВЧ-материалов.

Указанные параметры обеспечиваются за счет совершенной кристалли-
ческой структуры и высокой энергии связи - более 5 эВ в многоподрешеточ-
ной структуре граната.

С другой стороны, совершенные феррит-гранаты относятся к классу
наиболее химически инертных материалов. Поскольку формирование прибо-
ров магнитной СВЧ-электроники требует появления рельефа в исходных
структурах, разработка процессов анизотропного бездефектного травления
профилей относится к фундаментальным задачам.

Хотя большинство стойких масочных материалов в микроэлектронике
разрабатывается на основе органических полимеров, однако практика показала,
что эти маски недостаточно прочны для травления материалов с энергией связи
в единицы эВ. В совместных проектах НТЦ материаловедения и Саратовского
филиала Института радиотехники и электроники РАН использовались для трав-
ления анизотропных профилей в пленках феррит-гранатов многослойные мас-
кирующие слои на основе А1 / АЮх и метод травления низкоэнергетическими
ионными пучками кислорода. Были получены анизотропные профили глубиной
до 3,5 мкм, чего оказалось достаточно для формирования сквозных анизотроп-
ных профилей травления в совершенных эпитаксиальных пленках феррит-гра-
натов толщиной свыше 2 мкм. В результате стал доступным для эксперимен-
тальной реализации ряд фундаментальных проблем, связанных с распростране-
нием спиновых волн в структурах с неоднородным профилем [26].

В частности, оказались возможными реализация безинерционного пере-
ключения направления движения спиновых волн (спиновых ключей), развитие
подходов к их возбуждению при отсутствии внешнего магнитного поля. Эти
результаты важны для создания элементной базы информатики нового поко-
ления, базирующейся на спиновых волнах.

Рис. 4.13. А - гетероструктура в виде 20-решетки пикселей
20,20 мкм слоя кобальта толщиной 2 нм на поверхности
ферриттраната контролируемой толщины;

Б - визуализация изменений в доменной структуре
под пикселями кобальта и вне

Комбинирование методов ионно-лучевого распыления / осаждения, раз-
работанных для формирования магнитоплазмонных и магнонных кристаллов,
позволило создать структуры, представляющие собой некоторые наложения
магнонных кристаллов друг на друга (рис. 4.13, А), предназначенные для ис-
следования эффектов воздействия непосредственно на состояние их доменной
структуры лазерным излучением (рис. 4.13, Б). Здесь на участок пленки фер-
рит-граната контролируемой толщины накладывается пиксельная решетка
20*20 мкм в виде слоя кобальта 2 нм, покрытого золотом толщиной до 4 мкм
для защиты от коррозии. В результате сложного воздействия оптического из-
лучения во внешнем магнитном поле на спиновое упорядочение такой струк-
туры можно добиться нетермического образования / распада неоднородных
магнитоупорядоченных областей со скоростью, сопоставимой со скоростью
протекающих в пленке обменных взаимодействий. Эти результаты перспек-
тивны для решения проблемы организации сверхбыстрой оптической записи -
считывания информации на основе магнито диэлектриков [29].

Развитие исследовательских работ в области метаматериалов на основе
пленок феррит-гранатов ведется по двум направлениям. Первое -- создание
пленок УзРезОц и В1зРе?О12 с объемоподобными свойствами на подложках
кремния, арсенида и нитрида галлия.

Второе - увеличение степени интеграции магнонных и магнито- плаз-
монных кристаллов за счет получения их в виде ЭБ-структур (рис. 4.14). Здесь
приведена магнитоплазмонная структура, сформированная на основе магни-
топлазмонного кристалла, показанного на рис. 4.12, на поверхность которого
методом ионно-лучевого распыления / осаждения нанесен слой ВхзРезОп тол-
щиной 200 нм. После этого структура подвергалась быстрому отжигу в ваку-
уме при температуре ниже 600 °С, что позволило сохранить плазмонную ре-
шетку золота при одновременной кристаллизации нанесенного слоя. Капсули-
рованная магнитоплазмонная структура на основе В1зРе5О]2 демонстрируется
впервые (рис. 4.14, Б). Ожидается, что в ней будут подавлены процессы воз-
буждения сторонних воздушных плазмонов, что является задачей новых ис-
следований.

Рис. 4.14. А - схематическое изображение поперечного сечения
магнитоплазмонного кристалла, капсулированного сверху
слоем В|зЕе5О,2 толщиной 200 нм;

Б - характерный вид внешней поверхности магнитоплазмонного
кристалла с периодом 1 О' структуры 800 нм
и шириной полоски золота 700 нм, капсулированного сверху
слоем В|зЕе5Ог2 толщиной 200 нм

Сегодня актуальна проблема получения пленок УзРезОп на подложках
коммерчески востребованных полупроводников на площади поверхности бо-
лее 10 см2 при неравномерности менее 10 % по толщине, в диапазоне толщин
от 10 до 100 нм. Анализ литературных данных показывает, что наиболее из-
вестный метод получения качественных пленок УзРезСКз - лазерная абляция,
или Р1_Э [25]. Его принципиальная особенность состоит в том, что он не поз-
воляет создавать пленки площадью более 1-2 см2. Ранее также сообщалось об
использовании ионного распыления больших по площади мишеней для полу-
чения качественных пленок УзРезОщ Тем не менее, указанная задача остается
актуальной до сих пор. Общепринято мнение, что пленки УзРезОгз толщиной
10-100 нм на подложках кремния и АШВУ-материалов с исходной шириной
линии ферромагнитного резонанса ~10 Э на частоте 9,4 ГГц имеют широкие
перспективы для применения в спин-волновой микроэлектронике. Нами раз-
работан многостадийный метод ионно-лучевого распыления для получения
больших по площади пленок УзРе^Оп С востребованными характеристиками.
Под многостадийностью здесь понимается разделение процессов осаждения и
кристаллизации, формирования зародышевого слоя У3РС5О12 с последующей
его кристаллизацией и повторное осаждение / кристаллизация псевдоэпитак-
сиального слоя УзЕезОщ с требуемыми свойствами.

Таким образом, решаемые задачи по формированию метаматериалов в
виде магнитоплазмонных кристаллов и магнонных кристаллов на основе пле-
нок феррит-гранатов, в том числе на подложках полупроводников, начинают
приобретать конкретные очертания, которые уже позволили ответить на во-
просы и определить пути возможных практических применений [23, 27], что
стало возможным за счет разработки базовой технологии их изготовления и
прототипирования, в том числе благодаря повсеместному комбинированию ме-
тодов двойного ионно-лучевого распыления / осаждения и препарирования при
помощи остросфокусированных пучков высокоэнергетичных ионов галлия.

Литература

1. Лагарьков А. Н., Кисель В. Н., Сарычев А. К.. Семененко В Н. Электрофизика и электро-
динамика метаматериалов» // Институт теоретической и прикладной электродинамики
ОИВТ РАН (в настоящее время - ИТПЭ РАН).

2. Мандельштам Л. И. Лекции, прочитанные 26 февраля 1940 г. и 5 мая 1944 г. И Полное
собрание трудов. - Т. 5. - М.: Изд-во АН СССР, 1950.

3. Сивухин Д. В. Об энергии электромагнитного поля в диспергирующих средах // Оптика
и спектроскопия. 1957. - Т. 3. - С. 308-312.

4. Агранович В. К., Гинзбург В. Л. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии
и теория экситонов. - М.: Наука, 1965.

5. Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями
е и ц // Успехи физических наук. 1967. Т. 92. -С. 517.

6. Электрофизические свойства перколяционных систем: под редакцией А. Н. Лагарь-
кова. -М.: ИВТАН, 1990.

7. Еа§агкочА. Л., Зетепепко V. К., С1из!уаеу У.А. е1 а1. Кезопапсе ргорегйез оГВьНеИх Ме-
Ла а! М|С1‘<>\са\'сз // Е1ес1готадпейсв. 1997. - V. 17. - Р. 213-237.

8. Зетепепко V. Л. СпЛуаеу V. А.. КуаЬоу О. Е. Мюгохуауе Мацпе11с Ргорегйез оГВГНеИх
МеЛа т Оерепбепсе оп НеНх Рйсй // РгосееЛп§ оГ Ле "В1ап1зогго-р|сн 98" 7 Й1 1п1ета-
йопа! СопГегепсе оп Сотр1ехМеЛа. Вгаш1зс11\сещ. Сгеппапу. Лте 3-6.1998. -Р. 313-316.

9. 8тИк Л. К., РасНИа Т., !'1ег I.) С. е! ак Сотрозйе теЛит \\п11 81ти11апеои81у пе§айуе
регтййуйу апй регтеаЬПйу // Рйуз. Кеу. 2000. - V. 84. - 4184.

10. ЗскеккипоД8. А., Егиз Н. Т. АпЛппаз: Тйеогу апй Ргасйсе. - Л.У.: ,1оИп \\'И1су & 8опз,
1952.-Р. 584.

11. РепЛу А. В. Кецайуе Кейасйоп Макее а Рсгксс! йепз // Рйуз. Ксу. Ьей. 2000. - V. 85. -
Р. 3966-3969.

12. Ьа^агкоу А. Л., КЕхе! V. Л. А зЛбу 1п1о Ле оГйеМ Госи81п§ иеш§ ПейЛапбесГ та1епа1б //
РгосееЛп§8 о! Ле 2П<1 1п1егпайопа1 СопГегепсе оп Ма1епа1з 16г Лйуапсес! Тескто1о§1е8,
8утрозшт р; Е1есйота§пейс Ма1епа1з, 8т§ароге, 2003. - Р. 145-148; Шет. Литепса!
апд ехрептехйа! туезй§айоп о! тЬе зиреггезоШйоп т а Й>сизт§ зуз!ет Ьазед оп а р1а(е оГ
1ей-Ьапдед тайпа! II 1ЬШ. - Р. 157-160; Шет. Неаг-Рег&с! 1та§т§ т а Росизт§ 8уз(ет
Вазед оп а Ьей-Напдед-Ма(епа1 Р1а1е // РЬуз. Кеу. Ьей. 2004. V. 92. - Р. 077401.

13. ТРП/зЫге М. С. К.. РепсЬу А. В., На]па1 А. V. 8иЬ-АУауе!еп§111 йпа§т§ а1 гадю йедиепсу М
Шита! оГРЬу81С8: Сопдепзед Майег. 2006. - V. 18. - Ь. 315-321.

14. 8ка1аеу V. М., И'енхАт Саг, 1ккгу К., СкеШаг е1 ак Усцайус тдех оГ гейасйоп т орйса!
те1ата1епа!з // Орйса Ье(. 2005. - V. 30. - Р. 3356.

15. Сгщотепко А. 18., Сект А. К., (Иеезоп Н. Р. е1 ак Напо-ГаЬпса1ед теШа \\'Ы: пе§айуе рег-
теаЫШу а1 У181Ые йедиепшез // МаШге. 2005. - V. 438. - Р. 335.

16. 81осктаи М. I. Сгйепоп Гог Не§айуе Кейасйоп \уйг11 Ьту Орйса! Ьоззез йот а РшШатеп-
1аI Рппс!р1е СацзаШу // РЬуз. Кеу. Ьей. 2004. - V. 98. - Р. 177 404.

17. Аоаннороикох А. О. е1ак РЬойтс Сгуз1а1з: МоШт§ оГРШхуоГЬщШ. -Ы.У.: РппсеШп 1Лпу.
Ргезз., 1995.

18. РГюШшс Вапд§ар Ма1епа1з / Ед. ЗоикоиНа СМ. ОогдгесШ: Кк|\сег Лсадеппс, 1996.

19. Закона К. Орйса! Ргорегйеа оГ РЬоШшс СгузгаЬ. - Вегйп: 8рпп§ег, 2001.

20. КиззеП Р. 8. А. Р1ю1отс Сгуз1а1 РШегз // 8с1епсе. 2003. - V. 299. - Р. 358.

21. Рябко М. В.. Никитой С. А., Чаморовский Ю. К. Микроструктурные волокна // Нано- и
микроснстемная техника. 2005. № 5. - С. 33 43.

22 .1поие М.. Ага! К., Рцр! Т.. АЪе М. Ма§пеШ-орйса1 ргорегйез о! опе-дппепзюпа! рЬогошс
сгуз1а1з сотрозед оГ та§пейс апд д1е1ес(пс 1ауегз // Шит. Арр1. РЬуз. 1998. - V. 83. -
Р. 6768-6770.

23. Т8оЮткМ. ТЬеогу оГ11§Ы ргора§айоп т зйоп§1у тодШайд рЬойшс сгуз1а1з: Кейасйопйке
ЬеЬауюг т Ше уютйу о! (Не рЬоГотс Ьапд §ар // РЬуз. Кеу. 2000. - V. В 62. - Р. 10696-
10705.

24. Ьа§агкоу А. Н, К!хе! V. Ы.. Зетепепко V. 18. \\'|де-апц1е аЪзогрйоп Ьу 1Ье изе оГ а тейтай-
па! р!ай // Рго§гезз Ш Е1есйота§пейсз КезеагсЬ Ьей. 1. - 35 44 (2008).

25. РепЛу А. В. Несайуе гейасйоп такез а регГес! 1епз // РЬуз. Ксу. Ьей. 85. - 3966—3969
(2000).

26. Будько Т., Новицкий Н., Стогний А. Новые метаматериалы: магнитоплазмонные и маг-
нонные кристаллы в виде тонких пленок феррит-гранатов с дифракционными решет-
ками // Наука и Инновации. 2017. № 4(170).

27. Нипан Г. Д., Стогний А. И, Кецко В. А. Оксидные ферромагнитные полупроводники:
покрытия и пленки // Успехи химии. 2012. Т. 81. № 5. - С. 458-475.

28. Кги1уапьк1у К Ь., Скеккоу А. Ь., Ке/хко V. А., 81о§пу А. I. Миггта Т. V. СИап! попИпеаг
та§пе!оорйса1 гезропзе оГта§пе1ор!аатотс сгуз(а!з // РЬузйа! 1<еу|с\у В. 2015. X 91.

29. Скеккоу А. Ь., КагВоБк! I. КггИуикА.. Вах!л§ Тк., 81о$пЦ А. I., Миггта Т. V. 8шТасе р1аз-
топ-дпуеп зесопд-Ьагтотс §епегайоп азуттейу т ашзойорй р1аатотс сгуз1а1з // РЬуз-
зса! К.еу1е\у В. 2016, ]Ч 93.

30. Веззоноу К О., Мг ис:к1енчсг М., СИепгшг К., Оигоюзка 1А., МаАекхк! А., 8/о^пу А. I.,
Кгап’сгук М. Ма§пошс Ьапд §ар8 т УЮ-Ьазед опе-дппепзюпа! тарпотс сгуз1а1з: Ап аггау
оГ§гооуез Уег8из ап аггау о!те!аШс з1през // РЬузюа! Ке\че\у В. 2015. И 91.

31. 8шрак1еп1<;2 А., Разккеучск М., Магю'л’хк! А., 81и%пу А., НоуИзкп Н 8рт ргесеззюп тоди-
1айоп т а тацпсйс Ы1ауег // Арр1. РЬуз. Ьей. 2012. Н 101.
Глава 5

НАНОМАТЕРИАЛЬ| ДЛЯ НЕЙРОМОРФНЫХ
ВЫЧИСЛЕНИЙ

5.1. Основы теории нейроморфных вычислений

5 1.1. Ретроспективный анализ результатов
нейроморфных исследований

Сегодня нейроморфные вычисления являются междисциплинарным
предметом, сочетающим элементы биологии, физики, математики, информа-
тики и электроники. Нейроморфные вычисления реализуются нейронными
системами, физическая архитектура и технические решения которых осно-
ваны на принципах функционирования биологических систем, в том числе -
человеческого мозга. Такие системы моделируют работу нейронов и их от-
ростков (аксонов и дендритов), отвечающих за восприятие информации и пе-
редачу данных. Внутренние связи между нейронами человеческого мозга об-
разуются с помощью синапсов - специальных интерфейсов, по которым
транслируются электрические сигналы (импульсы).

Следует также напомнить, что еще в 1991 году команда исследователей
под руководством К. Мида представила научной общественности первый ис-
кусственный синапс, способный длительное время хранить информацию. На
основе этого искусственного синапса был создан первый нейроморфный про-
цессор (нейропроцессор), где были использованы уже транзисторы с плаваю-
щими затворами.

Так называемые нейроморфные чипы - это попытка создать вычисли-
тельную систему, которая по принципам работы похожа на нейросеть. Как и
нейроны, элементы нейроморфной микросхемы периодически «просыпаются»
и посылают импульсы, а не находятся под постоянным напряжением. При
этом память распределяется в связях между элементами микросхемы.
Специалисты из лаборатории 1п1е1 С1гсш1 КезеагсЬ в Хиллсборо опубли-
ковали работу с описанием нейроморфного чипа, дизайн которого был осно-
ван на двух технологиях: поперечные клапаны (1а1ега1 зрт уаКек) и мемри-
сторы (Ьйр8://агх1У.ог§/аЬ8/1206.3227).

В качестве «исходной точки» для ретроспективного анализа следует
взять 1936 год, когда Тьюринг (Типп§), известный новаторской работой
в области вычислений и фундаментальной статьей «О вычисляемых чис-
лах», предоставил формальное доказательство того, что машину можно
создать таким образом, чтобы она могла выполнять любые возможные
математические вычисления, представленные в виде алгоритма. Эта ра-
бота стала отправной точкой в развитии современной отрасли вычисле-
ний. Немногие знают, что, помимо работы, которая привела к созданию
цифрового компьютера, Тьюринг спрогнозировал возникновение кон-
некционизма и нейроподобных вычислительных систем. В своем до-
кладе «Интеллектуальные машины» он описал машину, состояшую из
искусственных нейронов, каким-либо способом связанных с помощью
модификаторов. (Этот доклад был написан в 1948 году, но опубликован
лишь после смерти автора в 1968 году). По мнению автора, модифика-
торы можно настроить таким образом, чтобы они передавали или пре-
рывали сигнал. Нейроны при этом состоят из логических элементов И -
НЕ. Тьюринг выбрал именно эти логические элементы, потому что на их
основе можно создать любую другую логическую функцию.

В 1944 году в свет вышла книга физика Шредингера (8сЬгбс1т§ег) «Что
такое жизнь?», основанная на серии лекций, прочитанных в дублинском
Тринити-колледже. В книге Шредингер задает вопрос: «Как физика и
химия могут объяснить те явления в пространстве и времени, которые
происходят с живым организмом?» Он описал апериодический кри-
сталл, который предугадал природу ДНК (тогда еще нераскрытую),
а также концепцию негэнтропии, согласно которой живая система экс-
портирует энтропию, чтобы поддержать свою собственную энтропию на
низком уровне.

Только через год после выхода работы Тьюринга «Интеллектуальные
машины», в 1949 году, Хебб (НеЬЬ) описал синоптическую пластичность
как механизм, с помощью которого реализуется феномен обучения и па-
мяти. Десять лет, спустя в 1958 году, Розенблатт (КозепЫай) определил
теоретические основы коннекционизма и смоделировал персептрон, что
вызвало ажиотаж в отрасли.

В 1953 году Барлоу (Ваг1о\с) обнаружил, что нейроны мозга лягушки от-
вечают на конкретные визуальные стимулы. Вслед за этим в 1959 году
Хьюбел (НиЬс1) и Визел (\\'1е8е1) смогли показать существование нейро-
нов в первичной зрительной коре котов, которые выборочно реагируют
на контуры при определенных ориентациях. Это привело к созданию
теории рецептивных полей, согласно которой клетки одного уровня
структуры формируются из вводов клеток на более низком уровне.

В 1960 году Уидроу (\\'|с[го\у) и Хофф (Ной) разработали ЛВАЫИЕ -
физическое устройство, в котором использовалось электрохимическое
покрытие угольных стержней для имитации синоптических элементов,
называемых мемисторами. В отличие от мемристоров, мемисторы - это
электрохимические компоненты. Проводимость между двумя электро-
дами мемисторов зависит от интеграла от силы тока, проводимого в тре-
тьем электроде, по времени. Эта работа представляет собой первое объ-
единение мемристоров с электронной обратной связью, что имитирует
механизм познания.

В 1969 году Минский (Мтзку) и Паперт (РареП) вызвали ажиотаж сво-
ими исследованиями о персептронах. Они проанализировали некоторые
свойства персептронов и показали, что с их помощью нельзя вычислить
функцию «исключающего ИЛИ» (ХОВ) с использованием только мест-
ных нейронов. Реакция на исследования Минского и Паперта отвлекла
внимание от соединительных сетей до появления ряда новых открытий,
в том числе нейронной сети Хопфилда (1982 г.), метода обратного рас-
пространения ошибки (1986 г.), теории адаптивного резонанса (1987 г.)
и др. Ажиотаж в области нейронных сетей начал исчезать, так как клю-
чевую проблему генерализации в отношении запоминания оценили в
полной мере. Тогда вычислительный переворот сошел на нет.

В 1971 году Чуа (СЬиа) на основе симметрических аргументов создал
теорию мемристора (запоминающего электрохимического элемента),
который представляет собой недостающий четвертый элемент электро-
схемы с двумя электродами. Сопротивление мемристора зависит от сум-
марного заряда, прошедшего через электроды.

В 1980 году основоположник СБИС Мид (Меаб) и Конвей (Соггусау)
опубликовали книгу «Введение в проектирование больших интеграль-
ных микросхем». Кроме этого, Мид, Хопфилд и Фейнман (Реуптап)
провели совместные исследования вычислительных процессов в мозгу
животных. Это сотрудничество ускорило выход в свет работ по нейрон-
ной сети Хопфилда, нейроморфной инженерии Мида и методам вычис-
ления в области физики Фейнмана. Мид создал первые в мире нейрон-
ные микросхемы, а также искусственные сетчатку и улитку уха, которые
он описал в своей книге Апа1о§ УЬ811тр1етеп1айоп оГ Хейга! БукФтк
(«Аналоговое внедрение нейронных систем с большими интегральными
микросхемами»), опубликованной в 1989 году.

В 1982 году Байненсток (ВстепвЮск), Купер (Соорег) и Мунро (Мштго)
опубликовали теорию синаптических изменений. Известная ныне как
правило пластичности ВСМ, эта теория предпринимает попытки объяс-
нить эксперименты измерения селективной способности нейронов в пер-
вичной сенсорной коре головного мозга и ее зависимость от нейронных
вводов. Если взять данные естественных изображений, правило ВСМ со-
средотачивается на селективно ориентированных рецептивных полях.
Это является убедительным доказательством того, что такие же меха-
низмы работают в коре головного мозга, что подтверждают экспери-
менты Хьюбела и Визеля. В 1989 году Барлоу предположил, что такая
селективная реакция является результатом неконтролируемого алго-
ритма обучения, который пытается найти факториальный код независи-
мых функций. Белл (ВеП) и Сежновски (8е)по\У8к1) продолжили работу
в этой области в 1997 году и показали, что независимые компоненты
естественной среды - это пороговые фильтры. Это стало основой мате-
матической формулировки пластичности нейронов нейроны изменяют
свой синаптический вес для извлечения независимых компонентов. Со-
здавая математическую основу пластичности нейронов, Оя (О' а) вместе
с другими учеными разработал несколько правил пластичности, указав
статистические свойства распределения выходных сигналов нейронов в
качестве объективных функций. Это привело к созданию принципа ана-
лиза независимых компонентов (АНК).

Примерно в то же время в результате ранних исследований статистиче-
ской теории обучения Вапника - Червоненкиса появилась теория макси-
мизации опорных векторов, которая стала общепризнанным решением
проблемы генерализации в отношении механизма запоминания в клас-
сификаторах.

В 2004 году Нугент (Ыи§егй) и другие показали, каким образом правило
пластичности на основе АНаН вытекает из минимизации эксцесс-целе-
вой функции и используется в качестве основы самоорганизованной от-
казоустойчивости в сетевых классификаторах машины опорных векто-
ров. Таким образом, была продемонстрирована связь максимизации гра-
ниц с анализом независимых компонентов и пластичностью нейронов.
В 2006 году Нугент впервые подробно рассказал о способах реализации
правила пластичности на основе АНаН в схеме мемристора и продемон-
стрировал, что свойства аттрактора АНаН можно использовать для
настройки универсальной перенастраиваемой логической схемы.

В 2008 году НР ЕаЬогаЮпез объявили о разработке предполагаемого
электронного устройства Чуа - мемристора и исследовали его использо-
вание в качестве синапсов в нейроморфных схемах. Еще ранее сообща-
лось о разработке нескольких устройств, подобных мемристорам, кото-
рые демонстрировали характерный цикл гистерезиса, но они не были
описаны как мемристоры. В том же году Хилтон (НуЙоп ) и Нугент запу-
стили программу 8уНАР8Е (БуЧетз оГ НеиготогрЫс Абарйуе Р1аЧ1с
8са1аЫе Е1ес1гоп1сз) с целью продемонстрировать крупномасштабное
адаптивное обучение с использованием интегрированных мемристоров
на уровне биологических процессов. С 2008 года исследователи всего
мира заинтересовались мемристорами, их моделями, их связью с биоло-
гическими синапсами и их использованием в альтернативных архитек-
турах вычислительных систем.

В начале 2014 года была опубликована статья АНаН Сотрипп§ - Ргот
Ме1аз1аЫе ЗууйсЬез 1о АПгасГогз 1о МасЫпе Ьеатт§ («Вычисления на ос-
нове обучения Хебба и анги-Хебба - от метастабильных переключателей
до аттракторов и машинного обучения»). В ней формально описан новый
подход к вычислениям, который был назван «Вычисления на основе обу-
чения Хебба и анти-Хебба», и при котором, в отличие от традиционных
компьютеров, память и процессор соединены. Идея основана на динами-
ке аттракторов в нестабильных рассеивающих энергию электронных
устройствах, за основу которых были взяты биологические системы.
В результате были получена привлекательная альтернативная архитек-
тура со способностью к адаптации, самообслуживанию и обучению на ос-
нове взаимодействия с окружающей средой. В статье продемонстриро-
ваны функции машинного обучения высокого уровня, включая неконтро-
лируемую кластеризацию, контролируемую и неконтролируемую класси-
фикацию. прогнозирование сложных сигналов, неконтролируемый робо-
тизированный привод и комбинаторную оптимизацию. Позднее в том же
году была опубликована статья ТЬеггообупапйс КАМ Тес11по!о^у 81аск
(«Стек технологий термодинамического ОЗУ») и Согйса! Сотрийп” \\1 (1э
ТЬепподупапйс-КАМ («Использование термодинамического ОЗУ для
расчетов на базе вычислений, осуществляемых в коре головного мозга»),
в которых описан принцип работы устройства и полная интеграция стека,
а также представлены набор команд кТ-КАМ и АР1 от компании Кпоуупт
для внедрения сопроцессоров для нейроморфного обучения на базе АНаН
в существующие компьютерные платформы.

В конце 2014 года 1ВМ объявила о создании интегральной схемы спай-
ковых нейронов под названием Тгие ХойЬ, которая позволяет обойти уз-
кие места фон-неймановской архитектуры, потребляет 70 мВт энергии и
обладает плотностью мощности около 1/10 000 от плотности мощности
обычных микропроцессоров. Однако на данный момент этому процес-
сору недоступны внутрипроцессорное обучение и внутрипроцессорная
адаптация. [Краткая история нейроморфных компьютеров]

Всё это послужило основанием для развития новых научных направле-
ний - нейроинформатики и вычислительной нейробиологии и создания со-
ответствующей научно-инженерной инфраструктуры, включая исследование
и производство новых материалов - нейроморфных наноэлектронных мате-
риалов (МеаготогрЫс папое1ес1готс тайепак), новых вычислительных архи-
тектур и соответствующих алгоритмов обработки информации.

В 2008 году инженеры компании 1ВМ при финансовой поддержке
агентства передовых технологий ИАКРА приняли участие в комплексной про-
грамме 8уКАР8Е, в рамках которой разрабатывались компьютерные архитек-
туры, отличные от фон-неймановских. За три года ]ВМ удалось разработать
ядро с 256 искусственными нейронами (у каждого из них были 256 синапсов).
Еще через три года компания представила процессор Тгие МопЬ, состоящий
уже из 4096 таких ядер - это более миллиона нейронов. И его уже через год
успешно применили в задачах распознавания жестов и речи.

Еще одна крупная ИТ-компания, занимающаяся разработкой нейро-
морфных вычислительный систем, - это 1п1е1, которая разработала нейро-
морфный чип Ео1Ы. В его составе имелись 128 нейроморфных ядер, каждое из
которых активировало 1024 нейрона. Программировать этот процессор можно
было с помощью ЛР1, написанного на Руйюп.

Над нейроморфными чипами давно работают и исследователи из Ман-
честерского университета, которые в рамках программы Европейского Союза
Ншпап Вгаш Ргощ'ат впервые создали архитектуру 8р1ХИакег, состоящую
уже из миллиона ядер, способных эмулировать работу ста миллионов нейро-
нов и решать когнитивные задачи.

Однако, несмотря на очевидный прогресс последних лет исследований,
можно сказать, что нейроморфное «железо» всё еще находится на ранних эта-
пах своего развития. Задачи, которые ставят перед системами искусственного
интеллекта (ИИ) на его основе, в основном пока ограничиваются распознава-
нием объектов. Тем не менее, представители ИТ-индустрии убеждены, что
уже в ближайшем будущем нейроморфное «железо» - аппаратное обеспече-
ние позволит проводить полноценные сверхскоростные вычисления и откроет
совершенно новые вычислительные возможности.

Основным барьером для дальнейшего развития этого направления явля-
ется отсутствие требуемых материалов. Используемые в полупроводниковой
индустрии традиционные объемные материалы, например оксиды переходных
металлов непригодны для реализации нейроморфных функций из-за сложно-
стей контроля над стехиометрией, дефектообразованием и поверхностными со-
стояниями. В этом разделе мы рассмотрим «низкоразмерные» материалы (нано-
материалы), обладающие новыми переменными состояниями (пе\у з1а1е уап-
аЫез), электростатической настраиваемостью (е1ес1го81а1е1ипаЫ|1у) и управляе-
мостью на атомарном уровне (аЮгшс 1еуе1 согйго!) и позволяющие получать ре-
конфигурируемые переключатели и нейроморфные функции. Это так называе-
мые нульмерные ОЭ (гего-сНтепзюпа!), одномерные II) (опе-сНтепкюпа!) и
двумерные 2Э (Еуо-сНтепзюпа!) материалы. Особый интерес для исследовате-
лей представляют так называемые гибридные материалы (ЬуЬиЯ зузЮтз), инте-
грирующие свойства (Ю-, Ю-, 21)-материалов.

Еще одной положительной чертой наноразмерных материалов является
их механическая гибкость (тесЬашса! ЯехШЬИйу), что позволяет их применять
в так называемых «носимых вариантах», например в медицине, в «интеллек-
туальных» протезах и использовать в качестве афферентных нервных связей
(айсгсп! пегуез).
5 1.2. Искусственные синапсы, нейроны и нейронные сети

Нейроморфное программное обеспечение требует использования физи-
ческих моделей трех разных уровней:

• базовые компоненты (искусственные синапсы и нейроны);

• сети этих синапсов и нейронов;

• правила и методики обучения.

Исторически первые попытки изучения работы мозга млекопитающих
были сосредоточены в основном на физических аспектах нейронов - так была
получена модель нейрона МакКуллоха - Питтса (МССиПосЬ - Рйй) и мо-
дель прецентопа Розенблатта (КозепЫаП регсерйоп), ставшие теоретиче-
ской основой для последующих теоретических и экспериментальных исследо-
ваний.

Упрощенно говоря, тело клетки нейрона собирает и суммирует электри-
ческие заряды, поступающие через синаптические связи в дендритах. Денд-
рит - это короткий ветвящийся цитоплазматический отросток нейрона, не име-
ющий миелиновой оболочки, который проводит импульсы возбуждения и тор-
можения к телу нейрона.

Когда общий заряд достигает значения порогового уровня, нейрон за-
пускает спайк вдоль аксона. Спайк представляет собой кратковременное,
в форме импульса с последующими низкоамплитудными релаксационными
колебаниями, изменение потенциала, которое сопровождает возбуждение в
нервных клетках.

Аксон (нейрит) - это длинный цилиндрический отросток нервной
клетки, по которому нервные импульсы идут от тела клетки (сомы) к ин-
нервируемым органам и другим нервным клеткам. Каждый нейрон состоит
из одного аксона, тела и нескольких дендритов, в зависимости от числа кото-
рых нервные клетки делятся на монополярные, биполярные и мультиполяр-
ные.

Рис 5.1. Упрощенная биологическая структура нейрона
Полученный в итоге спайк передается другим соседним нейронам, свя-
занным через синапс, которые могут либо усиливать, либо подавлять сигнал в
зависимости от его синаптического веса (основная характеристика синапсиса).

Из медицинской литературы известно несколько различных физиологи-
ческих (биологических) моделей, описывающих работу нейронов.

Одной из первых наиболее точных моделей, по мнению большинства
экспертов, является физиологическая модель Ходжина - Хакели (Нойкт -
Нихке1у Мос1е1), предложенная авторами еще в 1952 г.

Эта модель описывается системами дифференциальных уравнений с бо-
лее чем 20 параметрами, такими как концентрация ионов К+ и Ха+.

Впоследствии эта модель была существенно модернизирована с учетом
накопленной базы новых знаний. Так появились модели Першина - Вентра
(РгаЬт - Уегйга Моде1, 2011 г.) и Леона (Геол Мо<1е1, 2013).

Более поздние исследования в области нейробиологии сместили акцент
на концептуальные проблемы обучения, анализ особенностей поведения по-
пуляций нейронов на более высоком уровне, в результате чего физиологиче-
ские модели стали основой для создания архитектур искусственных нейрон-
ных сетей (например, сетей Хопфильза) и правил обучения (например, обуче-
ние по Хеббу).

Первые попытки аппаратной реализации нейронных сетей были пред-
приняты задолго до появления микроэлектронных приборов. Так, еще в 1952 г.
М. Минский (М. Мтзку) - сотрудник психологической лаборатории Гарвард-
ского университета предложил аппаратную модель нейронной сети на элек-
тронных лампах (радиолампы).

С развитием полупроводниковой индустрии исследователи широко ис-
пользовали достижения КМОП-технологии.

Необходимость поиска новых технических решений аппаратной базы
систем ИИ возникла из-за неспособности существующей микроэлектронной
технологии удовлетворить постоянно растущие требования к вычислитель-
ным возможностям информационно-коммуникационных систем, скорости об-
работки данных и объему памяти.

Например, если скорость обработки и передачи данных и объем храни-
мой информации будут продолжать увеличиваться с нынешней скоростью, то
общая потребность в энергии, потребляемой вычислительными и коммуника-
ционными системами, реализованными на существующей КМОП-технологии,
превысит величину 102 ' Дж уже к 2040 г., что соответствует общей величине
всей энергии, вырабатываемой на Земле [9]. Именно по этой причине много-
численные коллективы ученых и специалистов изучают альтернативные мик-
роэлектронные направления - технологические решения снижения энергопо-
требления, основанные на вычислительных архитектурах и алгоритмах, от-
личных от классических структур.
5.1.3 Основные принципы функционирования
искусственных нейронных сетей

На рис. 5.2 представлена более детализированная структура биологиче-
ской нейронной сети, где цветом выделены существующие связи между сосед-
ними нейронами (синапсы).

Рис. 5.2. Упрощенная структура биологической нейронной сети

Как уже упоминалось, синапсы могут усиливать или ослаблять проходя-
щий по ним электрический сигнал. Каждую такую связь характеризуют опре-
деленным числом, называемым «весом связи». Уровень сигнала, прошедшего
через данную связь, умножается на это число (вес).

Это факт является ключевым моментом для понимания концепции по-
строения искусственных нейронных (нейроморфных) сетей.

На рис. 5.3 фрагмент искусственной нейронной сети условно представ-
лен в виде совокупности «кружков» (искусственных нейронов), связанных
между собой однонаправленными «стрелками».

Эти упрощенные «стрелки» заменяют собой реально очень сложное пе-
реплетение многочисленных «входов» и «выходов» в реальной (биологиче-
ской) нейронной сети.

В реальной биологической НС от входов сети к выходам передаются
электрические сигналы, величина (амплитуда) которых может изменяться в
процессе их применения по синапсам сети. Следовательно, величина сигнала
изменяется (сильнее / слабее), также и числом (больше / меньше). Поэтому на
входы искусственной нейронной сети подаются какие-то числа, «эквивалент-
ные» величине (амплитуде) электрического сигнала. Далее уже не «электриче-
ские сигналы» и «эквивалентные числа» будут перемещаться по сети и каким-
то образом изменяться. В этом случае и на выходе сети появится какое-то «ре-
зультирующее» число (неэлектрический сигнал), являющееся «откликом» сети.

Рис. 5.3. Структура фрагмента искусственной нейронной сети

Если теперь каждой черной «стрелке» (связи) на рис. 5.3 поставить в со-
ответствие некоторые числа (вес связи), мы получим рис. 5.4.

Рис. 5.4. Фрагмент нейронной сети
с учетом весовых значений сигналов
В этом случае величина каждого сигнала, проходящего по конкретной
«стрелке» (связи), умножается на вес этой связи. Отметим, что у каждой /-ой
связи имеется свой вес ну На рис. 5.5 представлена эквивалентная схема внут-
ренней структуры искусственного нейрона.

Рис. 5.5. Модель искусственного нейрона

У каждого нейрона, в том числе и у искусственного, имеются входы, че-
рез которые он принимает сигналы, и численные значения весов, на которые
умножаются эти сигналы. На рис. 5.5 эти веса изображены кружками иу

Поступившие на входы сигналы умножаются на свои веса. Сигнал пер-
вого входа Х1 умножается на соответствующий этому входу вес ну. В итоге
получаем Ж| 1Л’|. И так до п-ого входа. В итоге на последнем входе получаем
хяи-„.

Затем все произведения передаются в сумматор, который суммирует все
входные сигналы, умноженные на соответствующие веса:

ХЩ’! + Х2№2 + ... + Х„№„ = ~У

1=1

В результате работы сумматора появляется число, называемое «взвешен-
ной суммой».

Взвешенная сумма (1Уе1%к1ес1 $ит) (пе1) - это сумма входных сигналов,
умноженных на соответствующие им веса.

п
пе1 = У-у, гу,.
1=1

Сумматор агрегирует все входные сигналы (которых может быть много)
в какое-то одно число - взвешенную сумму, которая характеризует поступив-
ший на нейрон сигнал в целом. Эту взвешенную сумму можно также предста-
вить как степень общего возбуждения нейрона.

Для понимания роли последнего компонента искусственного нейрона -
функции активации необходимо привести понятные примеры и задачи, реша-
емые с помощью искусственного интеллекта.
Рассмотрим один искусственный нейрон. Например, его задача - ре-
шить, ехать ли вам отдыхать на море. Для этого на его входы мы подаем раз-
личные данные. Пусть у нашего нейрона будет четыре входа:

1) стоимость поездки;

2) какая на море погода;

3) текущая обстановка с работой.

4) будет ли на пляже закусочная.

Все эти параметры будем характеризовать 0 или 1. Соответственно, если
погода на море хорошая, то на этот вход подаем 1. И так со всеми остальными
параметрами.

Если у нейрона есть четыре входа, то должно быть и четыре весовых ко-
эффициента. В нашем примере весовые коэффициенты можно представить как
показатели важности каждого входа, влияющие на общее решение нейрона.
Веса входов распределим следующим образом:

1)5;

2)4,

3)1;

4)1.

Нетрудно заметить, что очень большую роль играют факторы стоимости
и погоды на море (первые два входа). Они же и будут играть решающую роль
при принятии нейроном решения.

Пусть на входы нашего нейрона мы подаем следующие сигналы:

1)1;

2)0;

3)0;

4)1.

Умножаем веса входов на сигналы соответствующих входов:

1)5;

2)0;

3)0;

4)1-

Взвешенная сумма для такого набора входных сигналов равна 6:

пе1 = = 5 + 0+ 0 + 1 = 6.

1=1

Ну а как этот нейрон должен решить, ехать на море или нет? Очевидно,
для этого нужно как-то преобразовать нашу взвешенную сумму и получить
ответ.

Просто так подавать взвешенную сумму на выход достаточно бессмыс-
ленно. Нейрон должен как-то обработать ее и сформировать адекватный вы-
ходной сигнал. Именно для этих целей и используют функцию активации.

Она преобразует взвешенную сумму в какое-то число, которое и явля-
ется выходом нейрона (выход нейрона обозначим переменной ои().
Для разных типов искусственных нейронов используют самые разные
функции активации. В общем случае их обозначают символом ф (пе1). Указа-
ние взвешенного сигнала в скобках означает, что функция активации прини-
мает взвешенную сумму как параметр.

5.1.4. Базовые принципы функционирования
искусственных нейронных сетей

Функция активации (АсйтаЯоп/шгсИоп) (ф (пе1)) - функция, принима-
ющая взвешенную сумму как аргумент. Значение этой функции и является вы-
ходом нейрона (ои1).

он(. = ф (пе()

Далее мы подробно рассмотрим самые известные функции активации.

Функция единичного скачка. Это самый простой вид функции актива-
ции. Выход нейрона может быть равен только 0 или 1. Если взвешенная сумма
больше определенного порога Ъ, то выход нейрона равен 1. Если ниже, то 0.

Как се можно использовать? Предположим, что мы поедем на море только
тогда, когда взвешенная сумма больше или равна 5. Значит, наш порог равен 5:

Ь = 5

В нашем примере взвешенная сумма равнялась 6, а значит, выходной
сигнал нашего нейрона равен 1. Итак, мы едем на море.

Однако если бы погода на море была бы плохой, а также поездка была
бы очень дорогой, но имелась бы закусочная и обстановка с работой нормаль-
ная (входы: ООП), то взвешенная сумма равнялась бы 2, а значит, выход
нейрона равнялся бы 0. Итак, мы никуда не едем.

В общем, нейрон смотрит на взвешенную сумму, и если она получается
больше его порога, то нейрон выдает выходной сигнал, равный 1.

Графически эту функцию активации можно изобразить следующим об-
разом.

На горизонтальной оси расположены величины взвешенной суммы. На
вертикальной оси - значения выходного сигнала. Легко увидеть, что воз-
можны только два значения выходного сигнала: 0 или 1. Причем 0 будет вы-
даваться всегда от минус бесконечности и вплоть до некоторого значения взве-
шенной суммы, называемого порогом. Если взвешенная сумма равна порогу
или больше него, то функция выдает 1.

Теперь запишем эту функцию активации математически. Почти навер-
няка вы сталкивались с таким понятием, как составная функция. Это когда мы
под одной функцией объединяем несколько правил, по которым рассчитыва-
ется ее значение. В виде составной функции функция единичного скачка будет
выглядеть следующим образом:

ои1(пе1) = {0,ие/ < Ъ, 1,пе1 > ь].
ои1

Порог Ь

пе1

---------------------о---------------►

-10 -5 0 5 10

Рис. 5.6. Функция единичного скачка

В этой записи нет ничего сложного. Выход нейрона (ом/) зависит от взве-
шенной суммы (ие/) следующим образом: если пег (взвешенная сумма) меньше
какого-то порога (Ъ), то он! (выход нейрона) равен 0. А если пе1 больше или
равен порогу Ь, то оп! равен 1.

Сигмоидальная функция. Существует целое семейство сигмоидаль-
ных функций, некоторые из которых применяют в качестве функции актива-
ции в искусственных нейронах.

Все эти функции обладают некоторыми очень полезными свойствами,
ради которых их и применяют в нейронных сетях. Эти свойства станут оче-
видными после того, как вы увидите графики этих функций.

Итак, самая часто используемая в нейронных сетях сигмоида - логисти-
ческая функция.

Рис. 5.7. Логистическая функция
График этой функции (рис. 5.7) выглядит достаточно просто. Если при-
смотреться, то можно увидеть некоторое подобие английской буквы 8, откуда
и пошло название семейства этих функций.

А вот так она записывается аналитически:

1
ои((пе()---------------.

' 1 + ехр(-а • пе1)

Что за параметр а? Это какое-то число, которое характеризует степень
крутизны функции. Ниже представлены логистические функции с разным па-
раметром а.

Рис. 5.8. Логистическая функция (разные а)

Опять обратимся к примеру с искусственным нейроном, определяющим,
надо ли ехать на море. В случае с функцией единичного скачка всё было оче-
видно. Мы либо едем на море (1), либо нет (0).

Здесь же случай более приближенный к реальности. Мы до конца пол-
ностью не уверены, стоит ли ехать. Тогда использование логистической функ-
ции в качестве функции активации приведет к тому, что вы будете получать
цифру между 0 и 1. Причем чем больше взвешенная сумма, тем ближе выход
будет к 1 (но никогда не будет точно ей равен). И наоборот, чем меньше взве-
шенная сумма, тем ближе выход нейрона будет к 0.

Например, выход нашего нейрона равен 0,8. Это значит, что он считает,
что поехать на море все-таки стоит. Если бы его выход был бы равен 0,2, то
это означало бы, что он почти наверняка против поездки на море.

Какие же замечательные свойства имеет логистическая функция?

• Она является «сжимающей» функцией, то есть вне зависимости от
аргумента (взвешенной суммы), выходной сигнал всегда будет в
пределах от 0 до 1.

• Она более гибкая, чем функция единичного скачка, - се результатом
может быть не только Он 1, но и любое число между ними.
• Во всех точках она имеет производную, и эта производная может
быть выражена через эту же функцию.

Именно из-за этих свойств логистическая функция чаще всего использу-
ется в качестве функции активации в искусственных нейронах.

Гиперболический тангенс. Однако есть и еще одна сигмоида - гипер-
болический тангенс. Он применяется в качестве функции активации биоло-
гами для более реалистичной модели нервной клетки.

Такая функция позволяет получить на выходе значения разных знаков
(например, от -1 до 1), что может быть полезным для ряда сетей.

Функция записывается следующим образом:

. . , I пе/У

оицпег) = гапп -- .

\ а )

В данной выше формуле параметр а также определяет степень крутизны
графика этой функции.

А вот так выглядит график этой функции.

Этот график очень похож на график логистической функции. Гипербо-
лический тангенс обладает всеми полезными свойствами, которые имеет и ло-
гистическая функция.

Итак, мы очень кратко рассмотрели структуру искусственного нейрона.
У нейрона есть входы, на которые подаются сигналы в виде чисел. Каждый
вход имеет свой вес (тоже число). Сигналы на входе умножаются на соответ-
ствующие веса, получаем набор «взвешенных» входных сигналов.

Далее этот набор попадает в сумматор, который просто складывает все
входные сигналы, помноженные на веса. Получившееся число называют взве-
шенной суммой.
Затем взвешенная сумма преобразуется функцией активации, и мы по-
лучаем выход нейрона.

Сформулируем теперь самое короткое описание работы нейрона - его
математическую модель [ЬНрк//пеига1пс(.тй/сЬар1ег/%В0%ВЕ%В1%81%В0%
ВП%О0%ВЕ%П0%В2%П 1 %8В-%00%В8%00%ВП%01 %81/].

Математическая модель искусственного нейрона с п входами:

Г _п

ОИ/=Ф У Х,1У,

У г=1

где ф - функция активации;

У х,^, - взвешенная сумма, как сумма п произведений входных сигналов
,=1

на соответствующие веса.

5.1.5. Осн -зные типы искусственных нейронных сетей

Искусственные нейронные сети состоят из совокупности искусственных
нейронов.

Как правило, в большинстве нейронных сетей есть так называемый
входной слой, который выполняет только одну задачу - распределение вход-
ных сигналов остальным нейронам. Нейроны этого слоя не производят ника-
ких вычислений.

Различают однослойные и многослойные нейронные сети.

Однослойные нейронные сети. В однослойных нейронных сетях сиг-
налы с входного слоя сразу подаются на выходной слой. Он производит необ-
ходимые вычисления, результаты которых сразу подаются на выходы.

Выглядит однослойная нейронная сеть следующим образом:
На этой картинке входной слой обозначен кружками (он не считается за
слой нейронной сети), а справа расположен слой обычных нейронов.

Нейроны соединены друг с другом стрелками. Над стрелками располо-
жены веса соответствующих связей (весовые коэффициенты).

Таким образом, однослойная нейронная сеть (8т§1е-1ауег пеига!
пе^огк) - это сеть, в которой сигналы от входного слоя сразу подаются на
выходной слой, преобразующий сигнал и сразу же выдающий ответ.

Многослойные нейронные сети. Такие сети, помимо входного и вы-
ходного слоев нейронов, характеризуются еще и скрытым слоем (слоями). По-
нять их расположение просто - эти слои находятся между входным и выход-
ным слоями.

Вхсдюй СЛОЙ Скрытый слой Выходной слой

Рис. 5.11. Многослойная нейронная сеть

Такая структура нейронных сетей копирует многослойную структуру
определенных отделов мозга, как показано на рис. 5.12.

Многослойные нейронные сети обладают гораздо большими возможно-
стями, чем однослойные.

В упрощенном виде работу скрытых слоев нейронов можно сравнить с
работой промышленного предприятия - завода. Продукт (выходной сигнал) на
заводе собирается по стадиям. После каждого станка получается какой-то про-
межуточный результат. Скрытые слои тоже преобразуют входные сигналы в
некоторые промежуточные результаты.

Сети прямого распространения (Реесрогкагс! пеига! пе/мт-к)
(Геес1Гоги'а1'<1-сети ) - искусственные нейронные сети, в которых сигнал распро-
страняется строго от входного слоя к выходному. В обратном направлении
сигнал не распространяется.

Такие сети широко используются и вполне успешно решают определен-
ный класс задач: прогнозирование, кластеризация и распознавание.

Однако никто не запрещает сигналу идти и в обратную сторону.
Сети с обратными связями. В сетях такого типа сигнал может идти и в
обратную сторону. В чем преимущество?

Дело в том, что в сетях прямого распространения выход сети определя-
ется входным сигналом и весовыми коэффициентами при искусственных
нейронах.

А в сетях с обратными связями выходы нейронов могут возвращаться на
входы. Это означает, что выход какого-нибудь нейрона определяется не
только его весами и входным сигналом, но еще и предыдущими выходами (так
как они снова вернулись на входы).

Способность сигналов циркулировать в сети открывает новые возмож-
ности нейронных сетей. С помощью таких сетей можно создавать нейросети,
восстанавливающие или дополняющие сигналы. Другими словами, такие
нейросети имеют свойства кратковременной памяти (как у человека).

Таким образом, сети с обратными связями (Кесиггеп! пеига1
пермогк') - это искусственные нейронные сети, в которых выход нейрона мо-
жет вновь подаваться на его вход. В более общем случае это означает возмож-
ность распространения сигнала от выходов к входам.

5.1.6. Принципы обучения нейронной сети

Искусственная нейронная сеть - это совокупность искусственных
нейронов. Если взять, например, 100 нейронов и соединить их друг с другом,
то при подаче сигнала на вход мы получим что-то бессмысленное на выходе.
Рис. 5.13. Структура нейронной сети с обратными связями

Значит, нам надо менять какие-т о параметры сети до тех пор, пока вход-
ной сигнал не преобразуется в нужный нам выходной.

Изменять общее количество искусственных нейронов в сети бессмыс-
ленно, поскольку увеличение количества вычислительных элементов в целом
лишь делает систему тяжеловеснее и избыточнее.

Сумматор изменить тоже не получится, так как он выполняет только
одну жестко заданную функцию - складывать.

Поэтому остается только один вариант - менять веса связей.

Обучение нейронной сети (Тгатт%) - поиск такого набора весовых ко-
эффициентов, при котором входной сигнал после прохода по сети преобразу-
ется в нужный нам выходной.

Такой подход к термину «обучение нейронной сети» соответствует и
биологическим нейросетям. Наш мозг состоит из огромного количества свя
занных друг с другом нейросетей. Каждая из них в отдельности состоит из
нейронов одного типа (функция активации одинаковая). Мы обучаемся благо-
даря изменению синапсов - элементов, которые усиливают / ослабляют вход-
ной сигнал.

Однако есть еще один важный момент. Если обучать сеть, используя
только один входной сигнал, то сеть просто «запомнит правильный ответ». Со
стороны будет казаться, что она очень быстро «обучилась». И как только вы
подадите немного измененный сигнал, ожидая увидеть правильный ответ, то
сеть выдаст бессмыслицу.

В самом деле, зачем нам сеть, определяющая лицо только на одном фото.
Мы ждем от сети способности обобщать какие-то признаки и узнавать лица и
на других фотографиях тоже.

Именно с этой целью и создаются обучающие выборки.
Обучающая выборка (Тгатт§ ье1) - конечный набор входных сигна-
лов (иногда вместе с правильными выходными сигналами), по которым про-
исходит обучение сети.

После обучения сети, то есть когда сеть выдает корректные результаты
для всех входных сигналов из обучающей выборки, ее можно использовать на
практике.

Однако прежде чем пускать свежеиспеченную нейросеть в бой, часто
производят оценку качества ее работы на так называемой тестовой вы-
борке.

Тестовая выборка (Тез(т% хе?) - конечный набор входных сигналов
(иногда вместе с правильными выходными сигналами), по которым происхо-
дит оценка качества работы сети.

Мы поняли, что такое «обучение сети» - подбор правильного набора ве-
сов. Теперь возникает вопрос - а как можно обучать сеть? В самом общем слу-
чае есть два подхода, приводящие к разным результатам: обучение с учителем
и обучение без учителя.

Обучение е учителем. Суть данного подхода заключается в том, что вы
даете на вход сигнал, смотрите на ответ сети, а затем сравниваете его с уже
готовым, правильным ответом.

Затем, с помощью специальных алгоритмов, вы меняете веса связей
нейронной сети и снова даете ей входной сигнал. Сравниваете ее ответ с пра-
вильным и повторяете этот процесс до тех пор, пока сеть не начнет отвечать с
приемлемой точностью (однозначно точных ответов сеть давать не может).

Таким образом, обучение с учителем (8ирегхпхе<11еатт%) - вид обу-
чения сети, при котором ее веса меняются так, чтобы ответы сети минимально
отличались от уже готовых правильных ответов.

Где взять правильные ответы?

Если мы хотим, чтобы сеть узнавала лица, мы можем создать обучаю-
щую выборку на 1000 фотографий (входные сигналы) и самостоятельно выде-
лить на ней лица (правильные ответы).

Если мы хотим, чтобы сеть прогнозировала рост / падение цен, то обу-
чающую выборку надо делать, основываясь на прошлых данных. В качестве
входных сигналов можно брать определенные дни, общее состояние рынка и
другие параметры. А в качестве правильных ответов - рост и падение цены в
те дни.

Стоит отметить, что учитель, конечно же, необязательно человек. Дело
в том, что порой сеть приходится тренировать часами и днями, совершая ты-
сячи и десятки тысяч попыток. В 99 % случаев эту роль играет компьютер,
а точнее, специальная компьютерная программа.

Обучение без учителя. Обучение без учителя применяют тогда, когда у
нас нет правильных ответов на входные сигналы. В этом случае вся обучаю-
щая выборка состоит из набора входных сигналов.
Что же происходит при таком обучении сети? Оказывается, при таком
«обучении» сеть начинает выделять классы подаваемых на вход сигналов. Ко-
роче говоря - сеть начинает кластеризацию.

Например, вы демонстрируете сети конфеты, пирожные и торты. Вы ни-
как не регулируете работу сети. Вы просто подаете на ее входы сведения о
данном объекте. Со временем сеть начнет выдавать сигналы трех разных ти-
пов, которые и отвечают за объекты на входе.

Таким образом, обучение без учителя (итирегхпзес! 1еатт§) - вид обу-
чения сети, при котором сеть самостоятельно классифицирует входные сиг-
налы. Правильные (эталонные) выходные сигналы не демонстрируются.

5.2. Нульмерные (00) нейроморфные материалы

5.2.1. Проблемы выбора базовых материалов
для создания искусственного нейрона

Простейшая структура искусственного нейрона может быть реализо-
вана на основе обычного конденсатора с током утечки (1еаку сарасйог), кото-
рый может обеспечить «суммирование» величин токов синапсов с собствен-
ным током утечки, «помогая» привести нейрон в состояние покоя Однако,
поскольку конденсаторы занимают большие площади на поверхности полу-
проводниковых кристаллов, более эффективные электрические модели
нейронов используют транзисторные схемы (МОП-транзисторы, триггеры
Шмитта, суммирующие усилители и компараторы). В принципе, ведь искус-
ственный синапс - это относительно простой компонент, содержащий всего
лишь два блока - хранения веса (и'ещп! з1ога§с ипй) и блок протокола индук-
ции (тдиейоп рго1осо1 ипЦ), который изменяет вес в зависимости от условий
(кр1кт§ сопсПйопз).

Например, в одной из самых первых известных модификаций «транзи-
сторного синапса» использовался МОП-транзистор с плавающим затвором. За
счет эффектов инженерии горячих электронов и туннелирования носителей за-
ряд на затворе либо сохранялся длительное время, либо рассеивался, что и
приводило к соответствующей модуляции порогового напряжения транзи-
стора.

На рис. 5.15 с краткими комментариями представлены вольт-амперные
характеристики подобных «синаптических» транзисторов, мемристоров и
межтранзисторов.

Рге-зупарос пеигоп

I О О О О Л □!

।---- •—РобГсупарНо

Бет(солдис1ог О- -О о пвогол

~ Ь1в»ес1г!с ®

2™'™^ Е1ес»гЫу1е юл

—Iо

0 • О О|е1ес1пс 1гар

Егве сЪагд©

Рге-эупарЬс пеигоп

Рис. 5.15. Вольт-амперные характеристики «синаптических»
транзисторов, мемристоров и межтранзисторов

В работах [1-27] представлены наиболее известные решения реализации
искусственных синапсов и нейронов на основе традиционных полупроводни-
ковых технологий с использованием мемристоров, транзисторов и КМОП-
мемристорных структур.

Учитывая естественные ограничения на объем этой книги, мы не будем
приводить здесь результаты более детального анализа этих работ, ограни-
чимся только общим заключением.

Несмотря на значительные успехи исследований в области создания ис-
кусственных нейронов и искусственных синапсов, задача создания эффектив-
ного нейроморфного оборудования для новых поколений вычислительных и
информационно-коммуникационных систем все еще далека от оптимального
решения.

Основная причина заключается в том, что традиционные подходы, осно-
ванные на использовании субмикронных полупроводниковых технологий,
еще не позволяют обеспечивать достижения требуемых величин производ-
ственное™ и энергоемкости программно-аппаратных комплексов, предназна-
ченных для использования в перспективных системах хранения, обработки и
передачи информации. Необходимо переходить с «субмикронного» уровня
микроэлектронных технологий на «следующий» уровень - «наноразмерной»
электроники (наноэлектроники).

5.2.2. Особенн ости нейроморфной реализации
фотонных устройств

Фотоника - одно из наиболее активно развивающихся в XXI веке направ-
лений науки и техники. На теоретической базе фотоники в конце XIX века нача-
лось и стремительное развитие радиофотоники.

Оптические свойства наноматериалов группы ОН хорошо подходят для
нейроморфной реализации различных фотонных систем и устройств. Фотон-
ные устройства обеспечивают параллельную (многоканальную) связь и так
называемую «гиперсвязь» (Ьирегсоппесйуйу) благодаря тому, что распростра-
нение фотонов не имеет таких ограничений по плотности передаваемой мощ-
ности, как проводники в электронных схемах.

Однако развитию этого направления препятствовал ряд негативных фак-
торов. Как известно, хотя для оптической связи предпочтительно использовать
линейные среды, для достижения эффекта усиления сигнала необходимо ис-
пользовать также и нелинейные среды. С другой стороны, было сложно разра-
ботать эффективные компоненты запоминающих элементов, использующих
чисто оптические сигналы. Разработчики таких систем были вынуждены при-
менять гибридные оптоэлектронные системы, где память реализуется мето-
дами микроэлектроники, а каналы связи - методами фотоники [28].

В этой связи представляет интерес использование полупроводнико-
вых квантовых точек (КТ) в качестве ОВ-материалов, поскольку они демон-
стрируют четко фиксированные уровни энергии, необходимые для выпол-
нения операций оптической обработки, а металлические ОВ-наночастицы
позволяют формировать регулируемые по величине плазмонные отклики
(р1азтошс гезропзез), которые обеспечивают необходимое локальное усиле-
ние сигналов.

Кристаллическая структура полупроводниковых квантовых точек пред-
ставлена для случая РЬ8. Квантово ограниченный электронный газ (правый
верхний угол рисунка) достигается в квантовой точке Аз, выращенной на ге-
тероструктуре СгаАз / АЮа8а [30].

Здесь горизонтальные полосы показывают типичные диапазоны физиче-
ских размеров, а вертикальные полосы показывают наиболее подходящие
средства управления свойствами для организации нейроморфных вычисле-
ний.

В работе [31] было показано, что лазеры с синхронизирующей из кван-
товых точек на основе 1пАя / 1пОаА8 имитируют как «возбуждающие», так и
«тормозные» синаптические ответы. Здесь принцип работы обеспечивается
многополосным излучением квантовых точек, хотя интеграция коллоидных
квантовых точек с фотонными волноводами остается проблемой.
Рис. 5.16. Нульмерные наноматериалы для электронных синапсов
при организации нейроморфных вычислений.

Представленная в левом нижнем углу органическая молекула
[Ко (ЫЗ] (РР6) с тремя [1 = 2 (РНепу1а7о) ругй'пе], каждый из которых содержит
одну (И = К|) функциональную группу (М2 = ИЗ, Ы5 = Ы6 и Ы8 = М9) [29]

Тем не менее, электрофоточувствительные мемисторы, как показано в
[30, 32] были реализованы на основе квантовых точек с локальным управле-
нием на пластинах СаЛч / АЮаАз, где проводимость регулируется либо элек-
трическими, либо оптическими импульсами.

Синтез квантовых точек по принципу «снизу вверх» позволяет получить
точный атомарный размер, структуру и химический состав материалов, обес-
печивая точно настроенные физические характеристики.

Например, коллоидные квантовые точки перовскита СзРЬВгз в сочетании
с органическими транзисторами показывают кратковременную и долговремен-
ную устойчивость памяти типа К.еКАМ. Они также могут быть реализованы пу-
тем встраивания квантовых точек и металлических наночастиц в органическую
или неорганическую матрицу. В работе [33] представлены результаты разра-
ботки многоуровневой КеКАМ с высоким (107) коэффициентом переключения
за счет размещения квантовых точек черного фосфора внутри биослоев поли-
метилметакрилата (ро1утеЙ1у1теЙ1асгу1а1с), где захват заряда в квантовых точ-
ках способствует образованию и разрыву филаментов. Подобный механизм за-
хвата заряда в наночастицах Аи, собранных на пленках пентацена (реШасепа),
был использован в синаптических транзисторах [34]. Полупроводниковые кван-
товые точки также позволяют реализовывать квантовые мемисторы на основе
дизефсоновских переходов, где разность фаз между квазичастицами действует
как перемена состояний (з1а1е уапаЫе) [6, 35]. Эти устройства обладают потен-
циальной возможностью устранения стохастичности, которая широко распро-
странена в обычных мемристорах на основе дефектов. Известны работы [36,
37], посвященные подходам к созданию нейронных сетей и других нейроморф-
ных архитектур на основе массивов квантовых точек.

С целью решения технологических проблем, связанных с организацией
промышленного производства, технические решения мемристоров из оксидов
металлов позволили уменьшить ширину каналов до величины менее 5 нм с
шагом 6 нм, что уже приближается к оптимальной архитектуре массивов кван-
товых точек [5].

Принимая во внимание перспективы использования квантовых точек в
нейроморфных архитектурах, целесообразно более подробно рассмотреть
как их оптические и электронные свойства, так и основные технологические
моменты их формирования и анализа, [диссертация Аль Алвани Аммар Жа-
бер Кадим «Формирование и электронные свойства пленочных структур
Ленгмюра - Блоджетт на основе квантовых точек С<18е / Сс18/7п8»].

5.3. Одномерные (Ю) нейроморфные наноматериалы

В качестве введения к этому разделу следует отметить, что первоначаль-
ный интерес исследователей к одномерным наноматериалам для нейроморф-
ных приложений был обусловлен их топологическим сходством с биологиче-
скими трубчатыми аксонами, что особенно важно для обеспечения гиперсвяз-
ности (ЬурегсоппесНуйу) в биологических системах.

В процессе последующих исследований были обнаружены и другие их
важные особенности и свойства, которые теоретически могут быть использо-
ваны при создании конструкций нейроморфных устройств, включая специ-
фические химические и физические свойства, возможность роста «снизу
вверх» (уегкаШеЬойот - ир§гоШЬ) и технологичность (вокаНоп - ргосезк аЫ-
1йу). Наиболее активно исследовались углеродные нанотрубки - УНТ (сагЬоп
папоШЬе СНТ), представляющие собой свернутый графитовый цилиндр с ме-
таллическими или полупроводниковыми свойствами в зависимости от их хи-
рального вектора (сЫга! уесГог).

Обладая высокой подвижностью носителей заряда и возможностью мас-
штабирования, полупроводниковые однослойные УНТ широко используются
при исследовании путей развития так называемой «посткремниевой» (рок1-
81Нсоп) цифровой логики с проектными нормами менее 5 нм [137, 138].

Различные варианты УНТ-транзисторов также рассматривались для
применения в «синаптических» приложениях (зупарйссйсийз) [139]. Однако
из-за технологических сложностей, связанных со «сборкой» в масштабе пла-
стины, и проблемами «выравнивания» отдельных УНТ основные усилия раз-
работчиков были сконцентрированы на сетевых тонкопленочных транзи-
сторах (1Ып-й1п1гап8181ог8 - ТЕТ8) [137].

Сетевые тонкопленочные транзисторы на углеродных наноструктурах
(СМТТРТ) исследования на предмет использования в нейроморфных прило-
жениях как в синаптических транзисторах, так и в комбинированных прило-
жениях - интеграции логики ТРТ с обычными классическими мемристорами
(мемристоры на основе СИТ в литературе встречаются крайне редко) [140].

Наиболее значимые результаты были получены для синаптических тран-
зисторов, сформированных с использованием выравненных массивов УНТ
38] и случайных сетей УНТ (гапйот перусогкз) [141, 142-145].

Основные функциональные механизмы в этих устройствах используют
электростатическую модуляцию плавающего затвора (зСайс тоскйайоп йют а
Яоайп§-§а1е) [141 ], захват заряда в оксидных диэлектриках (сЬаг§е Ггаррт^ т
ох1с!е <Ие1ес1пс8) [141, 142, 146] и эффекты миграции ионов и двойного элек-
трического слоя в полимерных диэлектриках [143, 144].

По сравнению с другими конкурирующими подходами к построению си-
наптических транзисторов использование тонкопленочных УНТ-транзисторов
имеет два основных преимущества. Во-первых, сильные локальные электри-
ческие поля, обусловленные большой кривизной характеристик УНТ, помо-
гают преодолеть энергию активации, необходимую для захвата заряда на бо-
лее глубоких уровнях, как поясняется на рис. 5.17, а.

Во-вторых, поскольку тонкопленочные транзисторы с УНТ могут быть
легированы примесями как п-типа, так и р-типа, то можно создать комбиниро-
ванные логические инверторы, которые позволяют преобразовывать времен-
ные интервалы (Те1ай\ е йпйп§ Гогтайоп) в амплитуду импульса напряжения,
что существенно упрощает реализацию ЕЛТЭР-структур (8р1кс-йтт§-Яерепйеп1
р1а8Йсйу) [26, 27, 141, 147].

В работе [146] представлены результаты исследований, когда подобные
технические решения позволяли использовать подобные «синаптические от-
веты» (8упарйсге8роп8С8) для организации ипзирсгухзей-обучения (обучение
без учителя) в спайковой нейронной сети (8ЫЫ), как показано на рис. 5.17, б.

Справочно:

Импульсная нейронная сеть (ИНС, Ри1вес1пеига1пе1м’огкв, РИИ) или спайко-
вая нейронная сеть (СНН, 8р1кт§пеига1пейл>огк, 8ИН) - третье поколение
искусственных нейронных сетей, которое отличается от бинарных (первое
поколение) и частотных / скоростных (второе поколение) ИНС тем, что в
нем нейроны обмениваются короткими (у биологических нейронов - около
1-2 мс) импульсами одинаковой амплитуды (у биологических нейронов -
около 100 мВ). Является самой реалистичной, с точки зрения физиологии,
моделью искусственных нейронных сетей.

Однако к основным проблемным вопросам реализации синаптических
тонкопленочных УНТ-транзисторов относится отсутствие энергозависимой
памяти как основы, необходимой для организации нейроморфных вычисле-
ний.

Одним из вариантов решения этой проблемы является ЗО-интеграция
структур этих транзисторов в одном массиве с вертикальными металлооксид-
ными мемристорами и стандартными кремниевыми полупроводниковыми
транзисторами, как показано на рис. 5.17, с.

Основным достоинством подобного технического решения является
возможность использования УНТ-транзисторов ТРТ для реализации сенсор-
ных функций, поскольку их электрические свойства очень чувствительны к
различным адсорбентам на их поверхности, т. е. теоретически возможно реа-
лизовать различные сенсорные функции именно в нейроморфном исполнении.

Егце один весьма широкий класс одномерных наноматериалов состав-
ляют различные виды полупроводниковых нанопроволок (наношнуров), ко-
торые обладают схожими с УНТ свойствами, за некоторыми исключениями.

Нанопроволоки являются нанострунами, с диаметром порядка нано-
метра (10 '* м). Обычно к нанопроволокам относят образцы материалов такого
типа, у которых отношение длины к ширине превышает 1000. Альтернативно
нанопроволоки могут быть определены как структуры, толщина или диаметр
которых ограничены десятками нанометров или меньше, и неограниченной
длиной. В этих масштабах уже проявляются различные квантово-механиче-
ские эффекты, отсюда и появился термин «квантовые проволоки». Существует
множество различных типов нанопроволок, включая сверхпроводящие (напри-
мер. УВСО), металлические (например, Ы1, Р1, Аи, А§), полупроводниковые
(например, кремниевые нанопроволоки (5>|'У\\ ), 1пР, СаЧ) и изолирующие
(например, 81О2, ТЮ>). Молекулярные нанопроволоки состоят из повторяю-
щихся молекулярных единиц - либо органических (например, ДПК), либо не-
органических (например, Мое §9-Дх)-

Типичные нанопроволоки имеют соотношение размеров (отношение
длины к ширине) 1000 или более, поэтому их относят к одномерным (1-0) ма-
териалам. Нанопроволоки обладают множеством интересных свойств, кото-
рые нельзя увидеть в объемных или трехмерных материалах. Это связано с
тем, что электроны в нанопроволоках занимают уровни энергии, которые от-
личаются от традиционного континуума энергетических уровней или зон объ-
емных материалов. Важные особенности квантового ограничения некоторых
нано проволок проявляются в дискретных значениях электропроводности. Та-
кие дискретные значения возникают из-за квантово-механического ограниче-
ния количества электронов, которые могут в единицу времени проходить че-
рез провод в нанометровом масштабе. Эти дискретные значения часто назы-
вают квантами проводимости, и они являются целыми кратными соотноше-
нию:

2е2

— = 77,41^.

Рис. 5.17. Одномерные материалы для нейроморфных сетей:

а - механизм туннелирования электронов между УНТ и ловушками зарядов
в соседнем подзатворочном диэлектрике из-за сильного электрического поля,
обусловленного высокой кривизной характеристики УНТ. Этот механизм
лежит в основе большинства нейроморфных устройств на основе УНТ;

Ь - схематическое изображение принципа организации неконтролируемого
(без учителя) обучения процессу распознавания образцов в
с использованием синаптических транзисторов СЫТ;

с - общий вид трехмерной интеграции наносистемы УНТ и кремниевых
транзисторов для сенсорной системы измерения концентрации газов.
Здесь слой 1 - это входные датчики УНТ 2 - память КеРАм;

3 - логика но углеродных нанотрубках; 4 - логика на кремниевых транзисторах;

5 - вертикальные межсоединения между ярусами (слоями)
Как мы видим, они являются инверсией хорошо известной единицы со-
противления Ь / е2, которая примерно равна 25 812,8 Ом и называется посто-
янной фон Клитцинга (Кк) (в честь Клауса фон Клитцинга, первооткрыва-
теля точного квантования). С 1990 г. общепринято фиксированное условное
значение Кк-9о- Примеры нано проволок включают неорганические молекуляр-
ные нанопроволоки (М0б89-х1х, ЫзМоеЗев), которые могут иметь диаметр
0,9 нм и длину в сотни микрометров. Другие известные примеры основаны на
полупроводниках, таких как 1пР, 81, ОаИ и т. д., диэлектриках (например,
8Ю2, ТЮ?) или металлах (например, Ьй, Р1).

Существует множество приложений, в которых нанопровода могут
стать важными в электронных, оптоэлектронных и наноэлектромеханических
устройствах в качестве добавок в передовые композиты, для металлических
межсоединений в квантовых устройствах нанометрового масштаба, в качестве
полевых эмиттеров и в качестве выводов для биомолекулярных наносенсоров.

Например, группа исследователей из Национального института материа-
ловедения Японии построила сложную мозгоподобную сеть, соединив между
собой многочисленные серебряные нанопроволоки, покрытые изоляционным
слоем поливинилпирролидона толщиной в один нанометр. Соединение между
двумя нанопроводами образует переменный резистивный элемент, который ве-
дет себя как синапс. Эта нанопроволочная структура, содержащая большое ко-
личество сложно взаимодействующих элементов, образует нейроморфную сеть
[ЬНр8://т<Исатог.П1/та1Ьетабс8/папоргоуо1ок-пе1готогй111уи-зе!-25-12-2019. Ьйп],
которая способна запоминать и забывать информацию.

Следует отметить и тот факт, что механизмы захвата заряда (сЬаг§е 1гар-
рт§ тесЬашзтз) в ряде работ [67, 99, 101] также использовались в гибридных
(Ю - ОО) мемристорах на основе вертикально ориентированных нанопрово-
лок 2пО с квантовыми точками СЮэ [100]. При этом в нанопроволоках 2пО с
наблюдалась диффузия атомов А” вдоль тела нанопроволоки, что приво-
дило к эффектам переключения сопротивления, аналогичным эффектам для
диффузионных мемристоров на основе Ац-8ЮХ, как отражено на рис. 5.18, <1
[15, 148].

В работах [149, 150] был исследован достаточно широкий спектр других
неорганических наноматериалов ПЭ (нанопроволоки ТЮэ, СпОх, СтьО, АНО,
С о?, СП, ХптЗпО), ОазОз, А§ и Си), при этом нанопроволоки ТЮэ заслуживают
особого внимания исследователей, поскольку они обладают светочувстви-
тельностью такого же порядка, как у мем-диода по причине динамической мо-
дуляции высоты барьера Шоттки [149, 150].

И наоборот, нанопровода на основе органического ядра (РЕО - РЗНТ) не
только в максимальной степени имитируют морфологию биологических нерв-
ных волокон, но также обладают механизмами обучения [151]. Здесь преси
наптические импульсы (рге-зупарйскрИсек) способствуют диффузии ионов
электролита в оболочку РЕО, после чего эти ионы медленно диффузируют об-
ратно. Более высокие значения импульсов способствуют проникновению
ионов глубже в ядро РЗПТ, что сводит к минимуму обратную диффузию, при
этом наблюдается очень низкая энергия - всего лишь порядка 10 фДж энерго-
затрат на одно событие (рис. 5.18, е) [1511.

На одномерных 1Г)-нанопроволоках в работе [152] были предложены и
такие «экзотические» решения нейронной сети, как фотонная система, состо-
ящая из массива полупроводниковых светоизлучательных нанопроволок и од-
нофотонных детекторов на основе сверхпроводящих нанопроволок, которые
позволяют теоретически обеспечить минимальную плотность мощностей, рав-
ную 1 мВт/см'2 (рис. 5.18,1).

Полимерные Ю-материалы для нейроморфных приложений рассматри-
ваются различными группами исследователей прежде всего из-за их механи-
ческой гибкости (пластичности), химической чувствительности (СЬепйса! зег,-
8Й1 \-11у), биосовместимости (ЬюсотрабЬПйу), что позволяет успешно приме-
нять их в мемристорах (рис. 5.18, §) и органических электрохимических тран-
зисторах (ог§ашс е1ес1госКет1са1 Игап8181ог - ОЕСТз) (рис. 5.18, Ь).

Результаты более ранних исследований этого направления были по-
дробно рассмотрены в работах [153-156]. В более поздних работах [157-164]
уже исследовались возможности и особенности использования одномерных
полимеров именно для нейроморфных приложений.

Здесь надо отметить оригинальные технические решения мемристоров
на основе поликриламида, ковалентно связанного с золотыми электродами,
которые обеспечивают регулируемое напряжение переключения путем катио-
обмена с ионами МН4, Я(СНз)4+, А<з, Тх[а+ (рис. 5.18, §) [157].

Полимерные Ю-материалы использовались при разработке механиче-
ски гибких модулей электронезависимой памяти, в том числе «полностью ор-
ганической» 64-разрядной памяти, построенной по принципу: в каждой ячейке
памяти используется «один диод на один резистор» [158].

В работе [154] приведен пример реализации полимерных ОЕСТ в каче-
стве синаптических транзисторов, где в качестве проводящих каналов исполь-
зуются одномерные полимерные цепи, а транспорт заряда моделируется окис-
лительно-восстановительными реакциями, которые запускаются импульсами
напряжения на управляющем электроде, как показано на рис. 5.18, Ь.

В работах [159, 160] представлены результаты применения полимерных
электролитов в интеграции с кремнием и материалами литий-ионных аккуму-
ляторов для конструирования синаптических транзисторов с использованием
того факта, что ОЕСТ имеют некоторые важные особенности, а именно - ионы
электролита глубже проникают в объем полимерных пленок, что может при-
вести к созданию больших суммарных емкостей, линейно увеличивающихся с
объемом, в отличие от масштабирования площади параллельных «пластинча-
тых» конденсаторов. При этом ОЕСТ показывает низкое потребление мощно-
сти (10 пДж на событие) и могут достигать более 500 различных состояний
проводимости в диапазоне до 1 В (рис. 5.18, Ь, 1).

При этом, поскольку общая электрохимическая среда, созданная поли-
мерным электролитом, позволяет взаимодействовать с множеством вентилей
произвольной геометрии, полученные пространственно распределенные входы
(выходы) этих вентилей могут быть пригодны для создания различных нейрон-
ных сетей [163, 164].

Рис. 5.18. Одномерные материалы для нейроморфных сетей

На рис. 5.181:

• 11 - сканирующее электронное микроскопическое изображение
(с ложным цветом) одиночного нанопроволочного мемристора 2п0,
контактирующего с Р1 и электрохимически активными электро-
дами. Атомы Ац мигрируют вдоль нанопроволоки, образуя проводя-
щую нить;

1 Воспроизведено с разрешения геГ. 38, Атепсап Сйеписа! 8ос1е(у (Ь); геГ. 27, 8рпп§ег КаШге Ий (с);
геГ 101, распространяется по лицензии СС ВУ 4.0 (ЬйрзУ/сгеаЦуесоттопз.ог^/Нсепзез/ЬуМ.О/) (<1);
геК 105, АР8 (Т); и геГ. 111, 8ргт§ег Кашге 1.1<1 (1).

Панель е перепечатана с разрешения геТ. 104, ААА8- © Авторы, некоторые права защищены; экс-
клюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Распространяется
под некоммерческой лицензией Сгеайуе Соттопз АйпЬиНоп 4.0 (СС ВУ-МС).
• е - схема, показывающая органическую нанопроволоку с электроли-
том (справа, В'), имитирующую возбуждающий постсинаптический
ток в биологическом синапсе (слева, В')- Зонд ворот А’ имитирует
аксон;

• Г- предложенная схема нейрона паутины на основе сверхпроводя-
щего нанопроволочного однофотонного детектора. Схема верти-
кального синаптического переключателя на основе блок-сополи-
мера полиакриламида (ПАм) и полиакриловой кислоты (РААс).
ТЕ - верхний электрод; ВЕ - нижний электрод;

• 11 - схема окислительно-восстановительной реакции в органиче-
ском электрохимическом транзисторе (ОЕСТ), где свободный про-
тон из полимера полиэтиленимина (РЕ1) изменяет проводимость
вдоль полимера поли-3,4-этилендиокситиофена полистиролсуль-
фоната (РЕПОТ:Р88);

• 1 - долгосрочная потенциация ОЭКТ, при которой дискретные уровни
проводимости достигаются прссинаптическими импульсами.

5.4. Двумерные (20) нейроморфные материалы

В работах [165-168] представлены интересные результаты ряда прове-
денных за последнее десятилетие фундаментальных исследований в области
2И наноматериалов, которые заложили теоретическую основу для разработки
целого ряда новых технологий, пригодных для использования в нейроморф-
ных приложениях.

По сравнению с ОП- и Ю-наноматериалами 2П-материалы более при-
способлены для интеграции с классическими планарными промышленными
технологиями.

Даже самые первые попытки реализации нейроморфных функций в 2В-
материалах позволили установить неожиданные физические механизмы, кото-
рые впоследствии стимулировали разработку новых концепций построения
нейроморфных устройств.

В качестве примера - однослойные дихалькогениды переходных метал-
лов в форме МХз (М = МО, XV; X = 8, 8е), расположенные между золотыми
электродами Ан, были интегрированы в ультротонкие вертикальные мемри-
сторы (толщина менее 1 нМ) (рис. 5.19, а) [169, 170], при этом их низкое оми-
ческое сопротивление в открытом состоянии (менее 10 Ом) позволяет созда-
вать высокочастотные переключатели (ключи) работающие на частотах до
50 ГГц [169], обеспечивая при этом достаточно высокий (более 100) коэффи-
циент переключения. Столь высокие значения коэффициента переключения
(шйсЬ ш §гайо) опровергают традиционные представления о роли токов
утечки в однослойных полупроводниках, предполагая наличие новых меха-
низмов переключения, в которых точечные дефекты, вероятно, играют цен-
тральную роль [170].
Многослойные мемристоры на основе М082, расположенные между сло-
ями графена (т. е. контакты Ван-дер-Ваальса), обеспечили функционирование
при значительно более высокой температуре рабочей среды (340 °С), чем обыч-
ные мемристоры на основе металлов (200 °С) [171].

МэП1са1

ВгарЬепе

ЬМеГм

Ро1, оуз1а11пе
2НТМ0СЗ

8Ю2 | Ь Г

НЮ
ее

X К X К * К
□1е1ес1г1с
6

71 'ба® Ыаз

Наподар
агарРепе

Мвт1гагз1з(ог

V чл-чл 2НТМОС апй 10

’•**** :тВЫ ооп!ас1

БЕ

УегВса!

Мопоеуег
тетгЫог

Уегйса!

Сс_псоз«в

ТЕ

(«пз
гноят
ж тмрсз

СОй'рпазаз

е
Рпазе
йапЗ|1юп

ТЕ

ТаМоТе,

2Н апй 1Т Мо32 догта1пз

К X X X X К

0 ® 5

СХХХХ*

1а®га1

ьа®га1

А1от зшпсп

ВЕ

иэтса!

Га1ега1

Рис. 5.19. Мемристорные системы 20-наноматериалоь

В результате исследований этих мемристоров методами сканирующей
электронной микросхемы была выявлена повышенная плотность вакансий
серы в состоянии включения (ОМ-зТаТе), которые заполнялись ионами кисло-
рода в состоянии ОРР-кТаТе.

Следует отметить и такой интересный факт: двухслойные мемристоры
М08э, помещенные между электродами из Си и Аи, не только показывают низ-
кие численные значения коммутационных напряжений (порядка 0,2 В), возни-
кающие в результате диффузии ионов Си, но также фактически являются пер-
вой известной демонстрацией в 2Г)-мемристорах 8р1кс41тт§-<1ерспс1еп1р1а8-
Нсйу-8ТГ)Р.

Напомним, что 8ПЭР (пластичность, зависящая от времени) - это био-
логический процесс, который регулирует силу связей между нейронами в го-
ловном мозге. Процесс регулирует силу соединения на основе относительного
времени выхода конкретного нейрона и входного потенциала действия (или
всплесков).

В рамках процесса 8ТЭР, если импульс на входе нейрона в среднем
имеет тенденцию происходить непосредственно перед выбросом на выходе
этого нейрона, то этот конкретный вход становится несколько сильнее. Если
импульс на входе имеет тенденцию в среднем возникать сразу после всплеска
на выходе, то этот конкретный вход становится несколько слабее, следова-
тельно. пластичность зависит от времени всплеска. Таким образом, входные
данные, которые могут быть причиной возбуждения постсинаптического
нейрона, с большей вероятностью будут вносить вклад в будущем, тогда как
входные данные, которые не являются причиной постсинаптического
всплеска, с меньшей вероятностью будут вносить свой вклад в будущем. Про-
цесс продолжается до тех пор, пока не останется подмножество начального
набора соединений, в то время как влияние всех остальных уменьшится до 0.
Поскольку нейрон производит всплеск на выходе, когда многие из его входов
происходят в течение короткого периода, оставшееся подмножество входов
составляют те, которые имели тенденцию быть коррелированными во вре-
мени. Кроме того, поскольку входы, которые происходят до выхода, усилива-
ются, входы, которые обеспечивают самое раннее указание на корреляцию,
в конечном итоге станут окончательным входом для нейрона.

Концепция 8ТЛР является проверенным алгоритмом обучения искус-
ственных нейронных сетей с прямым подключением в распознавании обра-
зов. Распознавание трафика, звука или движения с помощью камер с датчи-
ком динамического зрения (ВУ8) было областью исследований. Были пока-
заны правильные классификации с высокой степенью точности с минималь-
ным временем обучения. Было показано, что импульсный нейрон, обученный
с помощью 8ТИР, изучает линейную модель динамической системы с мини-
мальной ошибкой наименьших квадратов. Общий подход, копируемый из ос-
новных биологических принципов, заключается в применении оконной
функции (Ли>) к каждому синапсу в сети. Оконная функция увеличивает вес
(и, следовательно, связь) синапса, когда родительский нейрон срабатывает
непосредственно перед дочерним нейроном, но в противном случае будет
уменьшаться.

В работах [173, 174] было доказано, что вертикальные мемристоры на ос-
нове многослойного гексагонального нитрида бора (ЕВЫ) обладают эффектами
как биполярного, так и униполярного резистивного переключения. В этом слу-
чае ЕВМ-мемристоры контактируют с электрохимически активными металлами
Си иА”, что обеспечивает эффект переключения из-за процессов диффузии
ионов металлов через точечные дефекты.

Этот факт был подтвержден по результатам исследований образцов ме-
тодами как атомно-силовой, так и электронной микроскопии, а также модели-
рованием по методу Монте-Карло [173, 174].

Дополнительные нейроморфные функции 2В-наноматериалов были об-
наружены в работе [175], где исследовались амбиполярные синаптические
транзисторы на основе графена (атЫро1аг цгарЬеп Ьазес! зупарбс 1гап8181ог).
Конкретно была продемонстрирована 8ТЭР, где полярность обучения Хебба
и 8ТЭР регулируется полярностью прилагаемого к затвору напряжения.
Кроме того, как будет показано в разделе 8, устройства на основе оксида гра-
фена показали, что наблюдается гистерезисное ВАУ «без пересечения нуля»
вместо классической «гистерезисной петли» [176]. Этот факт исследователи
[176] объясняют наличием эффекта активированной поляризации, возникаю-
щей в результате миграции остаточных ионов Н+8О24, в результате чего си-
напсы демонстрируют настраиваемость в зависимости от величин амплитуды
и частоты импульсов.

Наличие механизма ионного транспорта (юпЦапзроП) также позволяет
аксиду графена действовать в качестве твердотельного ионного проводника
для построения синаптических транзисторов [177].

В работах [61, 178] демонстрируется использование диффузии ионов 1л+
для построения граферовых синапсов с отличными энергетическими (менее
500 фДж на событие) и емкостными характеристиками (более 250 состояний
памяти). Эти характеристики уже позволяют конкурировать с рассматривае-
мыми выше органическими электрохимическими транзисторами (ог§ашс е1сс-
1госЬспйса11гап8181ог).

Органический электрохимический транзистор (ОЕСТ) - это транзи-
стор, в котором ток стока формируется путем инъекции ионов из электролита
в канал полупроводника.

Классический ОЕСТ состоит из полупроводниковой или даже тонкой
пленки проводника (канала), обычно сделанной из сопряженного полимера,
который находится в прямом контакте с электролитом. Электроды истока и
стока устанавливают электрический контакт с каналом, а электрод затвора
устанавливает электрический контакт с электролитом. Электролит может быть
жидким, гелевым или твердым. В наиболее распространенной конфигурации
ОЕСТ исток заземлен, и на сток подается напряжение (напряжение стока), что
вызывает протекание тока (ток стока) из-за электронного заряда (обычно ды-
рок), присутствующего в канале. Когда на затвор подается напряжение, ионы
из электролита вводятся в канал и изменяют плотность электронного заряда и,
следовательно, величину тока стока. Когда напряжение затвора снимается, ин-
жектированные ионы возвращаются обратно в электролит, а величина тока
стока возвращается к исходному значению.

ОЕСТ отличаются от классических полевых транзисторов с электролит-
ным затвором, где ионы не проникают в канал, а накапливаются у его поверх-
ности (или у поверхности диэлектрического слоя, когда такой слой наносится
на канал). Это вызывает накопление электронного заряда внутри канала, у по-
верхности. Здесь ионы инжектируются в канал и изменяют плотность элек-
тронного заряда во всем его объеме. В результате этой объемной связи между
ионным и электронным зарядом ОЕСТ показывают очень высокие межэлек-
тродные. Недостатком ОЕСТ является то, что они медленные, поскольку ион-
ный заряд должен входить и выходить из канала. Микрофабрикаты ОЕСТ по-
казывают время отклика порядка сотен микросекунд.

Наиболее распространенные ОЕСТ основаны на (РЕВОТ:Р88) и рабо-
тают в режиме истощения. В этом материале органический полупроводник
ПЭДОТ легирует р-типа с помощью сульфонатных анионов Р88 (легирую-
щей примеси) и, следовательно, обладает высокой проводимостью (дырки).
Следовательно, в отсутствие напряжения затвора ток стока будет высоким,
и транзистор будет в состоянии ВКЛ. Когда на затвор подается положитель-
ное напряжение, катионы из электролита вводятся в канал РЕЭОТ:Р88, где
они компенсируют сульфонат-анионы. Это приводит к дедопированию
(электрохимическому легированию) РЕЭОТ, и транзистор переходит в вы-
ключенное состояние. Описаны также ОЕСТ в режиме накопления, основан-
ные на собственных органических полупроводниках (например, р §2Т-ТТ).
Точное моделирование ОЭКТ возможно с помощью дрейфово-диффузион-
ной модели.

Ионная проводимость графена через точечные дефекты была использо-
вана в работе [179] для создания катионных мемристоров.

На рис. 5.19, Ь представлена трехмерная архитектура ячейки вычисли-
тельного устройства, содержащего как логические элементы, так и элементы
памяти, где контакты мемристора формируются через грани графена [180].

Различные варианты реализации синаптических транзисторов на основе
ТМЭС (ЧгапзНюп те1а1 сЕсЬа! со<юпк1е топо1о§егз) были исследованы много-
численными командами исследователей за последние десятилетия, например
[61, 178, 181].

Так, было показано, что двоичные плавающие затворы на устройствах
типа Мо8ч обеспечивают превосходную линейность и симметрию рабочих ха-
рактеристик.

В работах [182, 183] были детально исследованы другие группы 2В
наноматериалов и диэлектриков на основе полимерных электролитов. Здесь
следует особо отметить работу [182], где было показано, что одновременное
коррелированное использование сразу нескольких физических механизмов
(электрических, оптических и ионных) позволяет существенно расширить
функциональные возможности устройств, такие как симметричное и асим-
метричное обучение Хеббуса по требованию (оп-бетапб зуттейлс ап<1 азут
тей'ус НеЬЫап 1еатт§).

Поскольку все 2Г)-наноматериалы обладают исключительно высоким
коэффициентом отношения площади поверхности к объему, они не только ис-
пользуют механизмы взаимодействия с оксидными ловушками (охМей’арз), но
и позволяют использовать так называемый «послеростовый инженерный де-
фект» (розЬщоиТИ с!е(ес1 еп§теепп§) при конструировании синаптических
транзисторов и ячеек памяти [184-186].

Использование черного фосфора (Ыаск рЬозрЬогиз) благодаря его уни-
кальным анизотропным свойствам позволяет генерировать дополнительные
синаптические функции, как показано в [187].

В ряде работ было показано, как можно использовать такие свойства,
2Г)-наноматерналов, как локальные тепловые эффекты и слабое электростати-
ческое экранирование в нейроморфных системах речевого синтеза для коди-
рования межпиковой разницы (1о епсос!е пйегаига! игле <11 Нелепее) [188].

При реализации нейроморфных устройств часто используются кон-
структивные решения «один транзистор - один мемристор» (1Т1М), в которых
транзистор функционирует как переключательный элемент, и здесь довольно
остро стоит проблема минимизации токов утечки через соседние ячейки мат-
рицы, что особенно важно на этапах обучения нейроморфной сети, хотя эти
проблемы иногда сравнительно просто устраняются во время реализации эта-
пов тестирования [189].

Понятно, что в конструкции 1Т1М площади слоев мемристоров и тран-
зисторов не только отрицательно влияют на плотность интеграции нейро-
морфных устройств, но и этапы их технологической реализации часто несов-
местимы. Поэтому многие команды исследователей активно работают в
направлении поиска оптимальных решений объединения желаемых характе-
ристик транзистора и мемристора в одном интегральном устройстве.

И такие настраиваемые с помошью затвора мемристоры (тет'.гапзйЮге)
впервые были созданы на основе кремниевых и металлоксидных синаптиче-
ских транзисторов [25].

В работе [22] детально описан физический механизм мемристорного пе-
реключения посредством использования перестраиваемого затвора (§а1е-1ипаЫе
тетпзбуе 8\уйсЫп§) в однослойных устройствах на основе Мо8з.

В работах [147, 190] представлены технические решения реализации
масштабируемых массивов мемтранзисторов на основе поликристаллического
Мо§2 с очень малыми размерами зерен (5.20, Ь).

Открытая архитектура 2В-канала дополнительно позволяет организо-
вать многопоточную гетеросинаптическую пластичность (рис. 5.19, Ь) [147].

Многослойные мемристоры Оа8а также показывают высокие коэффи-
циенты переключения (105) и низкие рабочие напряжения при возможности
обеспечения работоспособности вплоть до 2 В.

В работах [191, 192] приведены результаты исследования особенностей
формирования встроенных дефектов с использованием гелий-ионного и элек-
тронно-лучевого воздействия на структуры мемристоров на основе Мо8г.

Еще одно новое направление исследований 2П-наноматериалов - атом-
ные переключатели (а!от зусйсЬез) и квантовые фазовые переходы (циапПпп
рЬазе 1гап8Й10П8). Атомные переключатели на основе графена включают обра-
зование учрежденной цепочки в нанощели, которая образуется под действием
приложенного электрического поля и затем разрывается в результате нагрева
(рис. 5.19) [193, 194].

В качестве примера мемристора с квантовым фазовым переходом в ра-
боте [195] представлены результаты исследования многослойного 1Т-Та8?.
Была показана возможность перехода фаз между наноразмерной волной заря
довой плотности (ВЗП) (тсоттепкига^е сЬаг§е бепзйу идае - С ОXV) к почти
соизмеримой ВПЗ при 350 °К и другому фазовому переходу в состояние Мотта
соизмеримой ВЗП между 100 и 220 °К, в зависимости от направления темпе-
ратурной развертки (СетрсгаСигекусеерсИгесйоп) (рис. 5.20, 0) [195].

Эти фазовые переходы ВЗП приводят к гистерезисным вольт-темпера-
турным характеристикам и мемристическим вольт-амперным характеристи-
кам, хотя эта система еще не конкурирует с мембранами Мотта на МЬО? или
материалами с фазовыми переходами на основе халькогенидов для фазоизме-
няющих материалов для нейроморфных приложений [13, 196].

В работе [197] фазовый переход 2Н-1Т в многослойном МО8з был ис-
пользован для построения многослойных устройств (рис. 5.20, е). В этом слу-
чае, кроме управляемой полем интеркаляции (т1егса1аНоп) ионов 1л, которая
подобна графеновым синапсам [178, 198], синапсы МО82 также обеспечивали
локальное изменение фазы 2Н-1Т, которое связано с динамически изменяю-
щейся плотностью ионов [197].

На рис. 5.19, е и 5.20, е представлены эскизы конструкций ячеек памяти
КеВАМ, построенных на основе квантовых фазовых переходов и использова-
нием сплавов МоТеэ и МоПхХУхТеэ [199]. Управляемое электрическим полем
изменение фазы обеспечивает здесь более высокую скорость переключения
(10б) с задержками не более 10 нс, что значительно выше, чем для устройств с
промежуточным интеркалированным ионным слоем.

На рис. 5.19, 0 представлены результаты использования 2И-наномате-
риалов уже для больших размеров площадей, обладающих необходимой ме-
ханической «гибкостью» (пластичностью) и пригодных для построения
нейроморфных устройств, в первую очередь БГУМ [8, 200]. Конкретно обра-
батываемые в растворе пленки 2Н и М082 здесь использовались в вертикаль-
ных мемристорах и мемконденсаторах, которые могут работать при уровнях
плотности, мощности порядка 10 кВ/см, как показано на рис. 5.20, Г [201—
202].

5.5. Нейроморфные гетероструктуры
Ван-дер-Ваальса

В ряде работ [167, 168, 203-210] показан целый ряд преимуществ ис-
пользования ван-дер-ваальсовских связей между низкоразмерными наномате-
риалами для нейроморфных приложений. В первую очередь это касается от-
сутствия ряда технологических ограничений, связанных с необходимостью
использования эпитаксиальных процессов при реализации сложных полупро-
водниковых гетеропереходов [168]. Синаптические отклики, как было пока-
зано выше, существенно усиливаются за счет сенсибилизации 1 В-нанотрубок
и нанопроволок ОГ) органическими молекулами, т. е. смешанными I Ц-ОВ-ге-
теропереходами.

Эта концепция была продемонстрирована в [211] на примере 2В-0В-ге-
теропереходов на основе Мо8з и гетеропереходов «перилен-3,4,9,10-тетракар-
бонового диангидрида» (1с1гасагЬопуИс сНапЬубпбе), точнее, диангидрида пе-
рилентетракарбоновой кислоты (РТСВА) [211]. Как известно, РТСВА - это
молекула органического красителя и органический полупроводник.

В работах [205-208] представлены результаты исследований различных
вариантов «смешанных» ван-дер-ваальсовых р-п гетеропереходов (0В—2В,
1В—2В, 1В-ЗВ), которые можно использовать в различных нейроморфных
приложениях, в том числе - при реализации эффективных алгоритмов распо-
знавания изображений и синтеза речи, для реализации вероятностных нейрон-
ных сетей [210].

Рис. 5.20 Основные характеристики и физические механизмы
работы нейроморфных устройств

На рис. 5.20:

• а - ВАХ многослойного вертикального мемристора из ЬВМ;

• Ь - ВАХ многополюсного мемтранзистора (вставка), демонстриру-
ющего гетеросинаптическую пластичность. Проводимость между
электродами 2 и 4 (124 / У24) модулируется путем подачи импульсов
между электродами 5 и 6 0/56);

• с - сравнение коэффициентов переключения (ВКЛ / ВЫКЛ) в зави-
симости от толщины (длины) канала для вертикальных (боковых)
мемристоров, реализованных на основе 0В, Ю, 20 и гибридных
наносистем;
• <1 - сравнительный график зависимости времени отклика от рабо-
чего напряжения для синаптических транзисторов на основе (Ю, Ю,
20 и ван-дер-ваальсовых гетеропереходов (ус1\\'Нз);

• е - изображение структуры МоТеэ, полученное с помощью просве-
чивающей электронной микроскопии с атомарным разрешением.
Вверху выделен конкретный мемристор, показывающий появление
Тс! (вверху) во время переключения и типичная фаза 2Н (внизу);

• Г - микрофотография в отраженном свете, показывающая границы
зерен в поликристаллическом монослое М082, полученная с помо-
щью микроскопии генерации второй гармоники;

• Ь - схема поликристаллических агрегатов неправильной формы из Г,
показывающая различные ориентации кристаллов. Ь - изобретения,
показывающие начальную точку (слева), точку перевала (в центре)
и окончательную конфигурацию (справа) для 85 | 7 (верхний ряд) и
85 | 7 + Уз (нижний ряд) дислокаций в монослое Мо8э, соответ-
ственно, по результатам расчетов на основе [214]

5.6. Основные проблемы и перспективы
применения наноматериалов
в нейроморфных устройствах

Как следует из представленного выше обзора, наноматериалы откры-
вают новые разнообразные и привлекательные возможности для построения
новых концепций нейроморфных устройств и различных новых архитектур на
их основе.

Однако на момент выхода этой книги существует еще слишком много
проблем, которые надо решить, чтобы выйти за рамки теоретических и экспе-
риментальных исследований, выбрать наиболее оптимальные и перспектив-
ные варианты из сотен исследованных и перейти к практическому их приме-
нению в составе высокопроизводительных и энергоэффективных промышлен-
ных серийных устройств.

Образно говоря, все вышеупомянутые работы посвящены только одной
глобальной теме, а именно - исследованию зависимости свойств наноматери-
алов от их размеров.

Однако здесь пока не существует однозначных решений, какие именно
материалы и какие именно их свойства представляют наибольший интерес с
точки зрения практических применений.

Поясним это на конкретных примерах.

Так, весьма важная с точки зрения практических приложений величина
коэффициента переключения в 2В-мемристорах не всегда линейно зависит от
толщины слоев и существенно различается в зависимости от исследуемых фи-
зических механизмов переключения, как видно из рис. 5.20, с.
На рис. 5.20, <1 представлена в условно-графическом виде взаимосвязь
между рабочим напряжением и задержкой переключения для различных кон-
струкций синаптических устройств транзисторов, рассмотренных выше, где
величина рабочего напряжения изменяется в широком диапазоне от 0,3 В до
ЗОВ, причем не наблюдается никакой статистической корреляции этих значе-
ний со скоростью переключения (задержками сигнала) и толщинами слоев
наноматериалов.

Более того, независимо от типа наноматериала или архитектуры устрой-
ства, как видно из рассмотренных выше результатов исследований, время от-
клика синаптических транзисторов в основном превышает 1 миллисекунду,
что, вероятно, обусловлено слишком медленными процессами движения
ионов или захвата зарядов

Очевидно, что рабочие характеристики любого нейроморфного устрой-
ства на наноразмерных материалах включают в себя сложный для анализа
набор различных факторов, которые пока нельзя сформировать в виде стан-
дартных и понятных разработчикам устройств правил проектирования.

Для разработки и последующей оптимизации конкретного нейронного
устройства, и тем более - нейроморфной системы, необходимо глубокое по-
нимание лежащих в основе эффектов и физических механизмов.

Мемристоры с квантовым фазовым переходом (рис. 5.20, е) и фотон-
ные синапсы с квантовыми точками являются пока немногими примерами, в
которых физические механизмы работы достаточно глубоко изучены [31,
195, 199].

С другой стороны, из настоящего обзорного раздела следует, что ните-
видное переключение (Шатепйу 8ууйсЫп§) и диффузия ионов включают в
себя сразу несколько взаимосвязанных физических механизмов, обусловлен-
ных неравновесными процессами (перенос электронов, миграция дефектов,
тепловые эффекты и др.) [212, 213].

Расчеты, основанные на упрощенных физических моделях, дают нам
только общие представления о фундаментальной динамике протекающих про-
цессов (рис. 5.20, Ь) [24,214], но механизмы переключения на уровне интегри-
рованного устройства требуют уже применения методов молекулярной дина-
мики и кинетического моделирования Монте-Карло из-за сверхмалых разме-
ров и сложности анализируемых устройств [215, 216].

Образно говоря, наноматериалы представляют собой некую открытую
систему для определения характеристик т 811ц, которая помогает исследова-
телям делать пока только общие теоретические выводы.

Например, с помощью электростатической силовой микроскопии
(е1ес1го81а11с Гогсе ппсгозсору) были выявлены профили локального потенци-
ала на границах зерен и контактов в мемристорах М082 [22, 147]. Аналогично
с помощью электроскопии удалось установить конкретные значения атомных
процентов Мо и 8 в канале М082, поскольку на высоту барьера Шотки влияет
локальная плотность примеси, а вакансии серы (8) служат здесь в качестве
примесей п-типа.
Или, например, использование альтернативных методов, таких как гене-
рация второй гармоники (рис. 5.20, Г, §), позволяет выявлять наличие мемри-
сторных механизмов переключения [214, 218].

Процесс интеграции наноматериалов в нейроморфные устройства стал-
кивается с целым рядом проблем, на решение которых направлены усилия ис-
следователей. Пока наноматериалы не обеспечивают явного превосходства пе-
ред традиционными материалами нейроморфных устройств одновременно по
всем основным показателям (плотность компоновки, быстродействие, низкие
токи считывания и т. д.).

Например, органические электрохимические транзисторы ОЕСТ обеспе-
чивают высокую однородность интегральной структуры, но пока имеют отно-
сительно низкую степень интеграции.

В то же время вертикальные мемристоры из однослойных 2В-наномате-
риалов могут реально обеспечить высокую степень интеграции нейроморф-
ных устройств, но не обладают достаточной технологической однородностью,
характерной для уже реализованных технологий изготовления мемристоров
[170]. Поскольку латеральные синаптические транзисторы и мемристоры за-
нимают большие площади, чем вертикальные мемристоры, их целесообразно
использовать в нейроморфных приложениях, требующих настройки затвора и
«негеббовского» обучения (поп-НеЬЫап1еатт§), в отличие от ультраплотных
ЫУМ.

Синаптически транзисторы на основе УНТ 2В-полупроводниковых ма-
териалов и органических полимеров целесообразно использовать для нейро-
морфных наносистем среднего размера, где в первую очередь требуется не
сверхвысокая плотность, а механическая устойчивость, пластичность (гиб-
кость), возможность построения микродатчиков и интерфейсов [219, 220].

И здесь одной из актуальных проблем, стоящих перед «нейроморфным
сообществом», является разработка общих подходов и по возможности стан-
дартизованных протоколов описания свойств материалов, характеристик
устройств и результатов исследований [4].

Еще одна очевидная проблема - необходимость разработки как ряда
компактных физико-математических моделей для описания и анализа нано-
размерных устройств [221], так и соответствующих моделей на уровне си-
стем, поскольку итоговая производительность нейроморфной вычислитель-
ной системы, по большому счету, - это просто коллективный «отклик» за-
действованных в системе различных компонентов, устройств и межсоедине-
ний [222].

И здесь на первый план выходит задача организации тесного сотрудниче-
ства и синхронизации междисциплинарных исследований специалистов в обла-
сти нейробиологии, материаловедения, архитектур вычисленных устройств, ор-
ганической химии, прецизионного аналитического оборудования. Только в ре-
зультате такого тесного сотрудничества можно реализовать огромный потен-
циал наноматериалов в перспективных нейроморфных устройствах и системах.
Для этого уже имеются все необходимые предпосылки.
Так, постоянно пополняемая база знаний в области нейробиологии ве-
дет ко всё более увеличивающемуся пониманию физиологии мозга млекопи-
тающих и может стать основой для появления совершенно новых концепций
и алгоритмов нейроморфных вычислений и их будущих аппаратных реализа-
ций.

Пока же сложность и эффективность все известных нейроморфных
устройств и систем намного меньше их биологических аналогов. Действи-
тельно, хотя появляются всё более эффективные алгоритмы ИНС, но, образно
говоря, соотношение между общей эффективностью и индивидуальными си-
наптическими весами становится неопределенным при наличии более чем
двух уровней. Поясним это на конкретных примерах. Например, более глу-
бокое познание механизмов работы человеческого мозга позволило устано-
вить определенные алгоритмы хранения, обработки и обновления информа-
ции на основе так называемых «динамических стробирующих механизмов»
(йупаш1с§а1ш§тесЬаш8т8), как схематично показано на рис. 5.21, а. Здесь
черная субстанция, также черное вещество (лат. 8иЬз1апНа п1§га) -
составная часть экстрапирамидной системы, находящаяся в области четверо-
холмия среднего мозга, играет важную роль в регуляции моторной функции,
тонуса мышц, осуществлении статокинетической функции с участием во
многих вегетативных функциях: дыхании, сердечной деятельности, тонусе
кровеносных сосудов. Она состоит из двух частей с очень различными свя-
зями и функциями: рагз сотрас1а и рагз геПси1а!а. Данная классификация
была впервые предложена Сано в 1910 году. Рагз сотрас1а служит в основ-
ном в качестве приёмника сигналов в цепи базальных ганглиев, поставляя
дофамин полосатому телу. Рагз геИси1а1а служит в основном в качестве
трансмиттера (передатчика), передавая сигналы от базальных ганглиев к дру-
гим многочисленным структурам головного мозга.

В частности, нейроны ИоСю на левой части рисунка постоянно активи
руются (затвор закрыт) для поддержания постоянной активности. Однако ко-
гда нейроны Оо срабатывают (затвор открывается), они через таламус растор-
маживают возбуждающую петлю и лобную кору, обеспечивая тем самым
быстрое обновление содержимого рабочей памяти (правая часть схемы на
рис. 5.21, а).

В этом контексте наноматериалы в будущем будут весьма актуальны,
поскольку они позволяют настраивать ответы, охватывающие хэббийские
(НеЬЫап), нехэббийские (по-НеЬЫап), конкурентные (сотребНуе) и гемеоста-
тическис (Ьотео81аНс) варианты обучения [223, 224].

Наноматериалы обладают необходимыми свойствами для построения
трехмерных систем с синаптической гиперсвязностью на уровне устройств,
далеко выходящих за рамки свойств, характерных для топологий существую-
щих двухполюсных мемристорных матриц (кроссбаров) [225]. Структура тон-
ких пленок 20-материалов обеспечивает возможность настройки затвора и
многополосных синапсов с гиперсинаптической пластичностью (рис. 5.20, Ь),
которые допускают трехмерную интеграцию с помощью использования мно-
гоярусных 20-слоев и вертикальных межсоедиинений, как показано на
рис. 5.21, Ь [22, 24, 197[.

РГМм*О

О >аг- Г||ф «гСИШОГ

Рис. 5.21 Биомиметические и биосовместимые нейроморфные системы:
и - схема, показывающая механизм взаимодействия двух основных
компонентов И|дПегсодпНюп - высшего познания. $1Чг - сегмент черной
субстанции [рагз геЛси1аТа); ОРе - внешний сегмент (д1оЬиз раН'биз);
Ь - эскиз трехмерной интегральной схемы с использованием
многослойных перекрестных нейронных сетей;

с - отдельные синапсы и аксоны Ходжкина - Хаксли изготавливаются
из настраиваемых затвором вертикальных мемристоров (вверху)
и энергозависимых переключающих наноустройств (внизу), соответственно;
с! - схема искусственного афаэерентного нерва, состоящего
из датчиков давления, органического кольцевого генератора
и синаптического транзистора на гибкой подложке

Для организации нехэббийского обучения в нейроморфных сетях ис-
пользуются различные методы настройки шлюзов с петлями отрицательной
обратной связи, для чего исследователями предложены соответствующие
схемы интеграции наноматериалов, включая варианты «самосборки» (чеК-
аззетЫу) ОГ>- и 10-наноматериалов и «самовыравнивания» (8е1Г-аН§Ьтеп1)
для 2Г)-ван-дер-ваальсовых гетероструктур [137, 205].

Для решения технических проблем масштабируемости, возникающих
в боковых синапсах, настраиваемость затвора в вертикальных барристор-
ных синапсах предлагается обеспечивать с помощью графеновых контактов
(рис. 5.21, с, вверху).
По аналогии с ЗВ-интеграцией классических мемристоров в кроссбарах
с использованием КМОП-технологии для повышения производительности
нейроморфных структур на основе наноматериалов стоит задача разработки
искусственных нейронов и синапсов из одних и тех же (или совместных тех-
нологически) материалов (рис. 5.21, с, внизу).

По сравнению с уже достаточно исследованными способами реализации
синаптических устройств на повестке дня стоит задача одновременного ис-
пользования новых коррелированных процессов (электрических и тепловых)
и новых параметров степени свободы (спин и долина) в исследуемых нанома-
териалах с целью их практического использования в новых нейроморфных
устройствах [165, 166, 226].

Новые химические свойства, механические устойчивость и пластич-
ность, а также биологическая совместимость ряда новых наноматериалов поз-
воляют реализовать, например, конструкции афферентных искусственных
нейронов (искусственных аферонных нервов) для медицинских применений
(искусственная кожа) [140, 226, 227].

Таким образом, поскольку свойства и размеры наноматериалов доста-
точно успешно имитируют биологические системы, они обладают значитель-
ным потенциалом для реализации промышленных нейроморфных вычисли-
тельных и управляющих систем, которые максимально приближены к биоло-
гическим нейронным сетям.

5.7. Особенности реализации нейросетевых алгоритмов
на мемристорных кроссбарах

В работе [227] приведены некоторые важные особенности реализации
алгоритмов нейросетевых вычислений на мемристорных кроссбарах, рассмот-
ренных в начале этого раздела.

Как известно, присущее мемристорным кроссбарам свойство естествен-
ной параллелизации матрично-векторных операций создает теоретические
возможности для их эффективного использования в нейросетевых вычисле-
ниях, причем эти вычисления производятся на порядки быстрее по сравнению
с вычислениями на центральном процессоре и на графических ускорителях,
при низком уровне энергозатрат на проведение математических операций. Од-
нако существенным недостатком подобных аналоговых вычислений является
их относительно невысокая точность, которая в основном зависит от точности
задания се весов. В работе [227] рассмотрены две сверточные нейронные сети,
обученные на наборах данных МЫ18Т (рукописные цифры) и С1РАК. 10 (само-
леты, лодки, машины и т. д.). Первая нейронная сеть состоит из двух сверточ-
ных слоев, одного слоя подвыборки и двух полносвязанных слоев, а вторая
сеть - из четырех сверточных слоев, двух слоев подвыборки и двух полносвя-
занных слоев. Вычисления в сверточных и полносвязанных слоях выполня-
ются через матрично-векторные операции, которые эффективно реализуются
на мемристорных кроссбарах. Слои подвыборки подразумевают операцию
нахождения максимального значения из нескольких, которая также может
быть реализована на аналоговом уровне. Процесс обучения нейронной сети
происходит отдельно от анализа данных. Как правило, на этапе обучения ис-
пользуются градиентные методы оптимизации, реализацию которых целесо-
образно выполнять на центральном процессоре.

Как было указано в начале главы, мемристор - это сопротивление, про-
водимость которого меняется в зависимости от суммарного протекшего через
него электрического заряда. При этом установившиеся сопротивление в отсут-
ствие тока не изменяются со временем. То есть мемристор является элемен-
тарной ячейкой долгосрочной энергонезависимой памяти [228, 229].

Мемристорный кроссбар - это объединение подобных мемристоров в
матрицу. Благодаря закону Ома и закону Кирхгофа на основе кроссбара можно
выполнять аналоговое произведение матрицы на вектор, причем такие вычис-
ления производятся на порядки быстрее по сравнению с вычислениями на цен-
тральном процессоре и на графических ускорителях. В связи с ограниченно-
стью количества уровней проводимости мемристора на практике возникает
проблема точности представления чисел. Корпорация Не\у1е11-Раскагс1 дной из
первых создала мемристорный кроссбар, на котором реализована операция
матрично-векторного умножения [230, 231]. Однако точность задания мат-
рицы ограничивается шестью битами (для каждого мемристора выделяется
64 уровня проводимости).

Одной из наиболее актуальных задач искусственных нейронных сетей
является задача распознавания изображений. Б связи с ограниченностью точ-
ности здесь важно понимать, как именно дискретизация весов нейронной сети
будет влиять на качество ее работы.

В работе [227] исследовалось два типа архитектур нейронных сетей, обу-
ченных на наборах ММ18Т (рис. 5.22) и С1РЛК10 (рис. 5.23).

Различают два основных подхода к построению аналоговых нейросетей.
Первый подход предполагает обучение сети непосредственно на «аппарат-
ном» уровне, где наиболее простой вариант может быть представлен двух-
слойной полносвязанной сетью с одним слоем мемристорных элементов (си-
напсов). В этом случае соответствие синаптического веса (проводимости
мемристора) интенсивности входного сигнала, подаваемого на нейрон, обес-
печивает достаточно высокую точность решения задачи классификации [232].
В импульсных нейронных сетях обучение организуется с использованием пра-
вила Хебба и синаптической пластичности (метод 8>ТГ)Р [233], согласно кото-
рому изменение весов синапсов нейрона зависит от разницы во времени между
входным и выходным импульсом) [234-238]. Следует отметить, что такой под-
ход трудно реализуем на практике применительно к сложным многослойным
сетям.

Другой подход предполагает разделение этапов обучения и этапов ана-
лиза данных. Как правило, на этапе обучения используются градиентные ме-
тоды оптимизации, реализацию которых целесообразно выполнять на цен-
тральном процессоре (или на графических ускорителях). Этап анализа данных
состоит в прямом распространении сигнала по сети, что, учитывая возможно-
сти параллельного выполнения матрично-векторных умножений, идеально ло-
жится на архитектуру мемристорного кроссбара [239]. Таким образом, этап
анализа данных эффективно реализуется в аналоговом режиме.

Оисри!

Рис. 5.22. Архитектура сверточной нейронной сети (МЫ15Т)

Рис. 5.23. Архитектура сверточной нейронной сети (СТАК 10)

При таком подходе возникают две основные проблемы. Первая связана
с переходом от непрерывного диапазона изменения синаптических весов к
дискретному набору значений, обеспечиваемых мемристором. В наиболее ра-
дикальном варианте, когда мемристор может находиться в двух состояниях,
высокоомном и низкоомном, речь идет о бинаризации синаптических весов.
Ясно, что такая дискретизация может вносить погрешности в результаты ана-
лиза данных. Поэтому актуальной задачей является выявление зависимости
погрешности дискретизации от количества дискретных уровней для различ-
ных наборов данных.

Другой проблемой является возможное структурное несовершенство
(дефект) мемристорного элемента [240], ведущее к неконтролируемому изме-
нению уровня проводимости в ходе функционирования системы или инициа-
ции. В этой связи актуальным является анализ влияния дефектов мемристор-
ных элементов на точность решения задач обработки данных. Как известно,
модель мемристора можно описать как динамическую систему с неопределен-
ностями и использовать для ее исследования уже известные соответствующие
методы [241-244].
В работе [227] рассматривается именно этот «второй» подход к реализа-
ции многослойных нейронных сетей. Здесь вычисления в каждом слое сети
включают перемножение матрицы весов на входной вектор, прибавление век-
тора смещения и применение нелинейной функции активации. Все эти дей-
ствия возможно выполнить в аналоговом представлении следующим образом.

Такая нейронная сеть заранее обучается с использованием центрального
процессора или графических ускорителей, и далее ее веса размещаются в со-
ответствующих мемристорных кроссбарах.

Здесь рассматриваются две сверточные нейронные сети. Первая состоит
из двух сверточных слоев (сот), одного слоя подвыборки (тахрооГ) и двух
полносвязанных слоев (<1еп$е) (рис. 5.22), а вторая -- из четырех сверточных
слоев, двух слоев подвыборки и двух полносвязанных слоев (рис. 5.23).

Каждый сверточный слой (сот) состоит из набора ядер (рис. 5.24). Каж-
дое ядро - это матрица (в общем случае тензор) небольшого размера (в пред-
ставленных сетях - размером 3x3 и 3x3x3), которая накладывается с перехле-
стом на входные данные с последующим перемножением соответствующих
элементов и суммированием. Например, такие операции, как «размытие изоб-
ражения» или «выделение контуров», являются сверткой. Если представить
входные данные в виде вектора, а ядра свертки - в виде больших разреженных
матриц, то получение результата сверточного слоя сведется к перемножению
матрицы на вектор, что эффективно реализуется на мемристорных кроссбарах.

Рис. 5.24. Часть сверточной нейронной сети

Слой подвыборки (тахрооГ) применяется для уменьшения размера дан-
ных (рис. 5.24). В рассмотренных сетях из каждых четырех промежуточных
значений оставляется только одно - максимальное. Здесь подразумевается, что
операция выбора максимального элемента из нескольких может быть реализо-
вана на аналоговом уровне. Отметим, что если для уменьшения размера дан-
ных использовать не выбор максимального элемента, а усреднение, тогда дан-
ный слой можно представить как сверточный слой, в котором ядра покрывают
входные данные без перехлеста.

К результату каждого слоя (кроме слоя подвыборки) поэлементно при-
меняется активационная функция КеШ (рис. 5.25):

^х) = тах(0 х).

Физически данная функция представляется в виде обычного полупро-
водникового диода.

В принципе все элементы рассмотренных нейронных сетей возможно
реализовать на аналоговых электронных компонентах.

Для обучения в работе [227] использовалась библиотека Когаз, написан-
ная на языке Руйюп, которая является надстройкой над фреймворками
Оеер1еагшп§4), ТепзогНои' и ТЬеапо [244].

Первая нейронная сеть (см. рис. 5.22) была обучена на наборе данных
ММ18Т, состоящем из изображений рукописных цифр (рис. 5.26) [246]. Вторая
нейронная сеть (см. рис. 5.23) обучалась на С1РАВ_10, состоящем из самоле-
тов, автомобилей, животных и т. д. (рис. 5.27) [247]. Точность распознавания
на тестовых выборках обученной нейронной сети составила: для МРПВТ -
99,16 % и для С1НАК_ 10 - 74,86 %. Отметим, что для С1РАВ 10 возможна ре-
ализация с более высокой точностью, однако целью работы [227] являлось не
достижение высокой точности искусственной нейронной сети, а только оценка
величины погрешности вследствие дискретизации весов.

Далее авторами [227] была выполнена дискретизация весов' начиная с
двух значений (1 бит точности) идо 1024 значений (10 бит точности). Дискре-
тизация выполнялась в рамках каждого слоя отдельно. В результате было по-
казано, что для сети, обученной на ММЬТ, для достижения приемлемой точ-
ности (98-99 %) требуется 3-4 бита точности, а для нейронной сети, обучен-
ной на С1РАВ 10, нужно 6-8 бит.
хеко 0 0 О Ь О & О О 0 О О 0 0 О 0 0

ОХЕ I / I I } I ; 1 I / / I I I / /

тннее 3^$д?3г^/^75?133

ГО1Л1

НУЕ 6 г 5 5 5 555^^555555

81Х 6 (р (о 4? 1$

8еуех 777>7П7,77977177

Е1СНТ 8 В « ? 5г

МХЕ

Рис. 5.26. Набор данных МЫ15Т

А1КРЕАИЕ

А11ТОМОВ1ЕЕ

В1КВ

САТ

ВЕЕК

ВОС

ГКОС

НОК8Е

8Н1Р

ТКИС

□Я х ЫВ^й^мННкКВ

^нл«ннаннки^анмн
пшняяэаншяналявя
яяяяянвояянялняя
яннкяня^^* зян«ня
ЯЯЯГ№Н$БВЕНЯЗП&1*Э
яяяябяяяяяяннягн
яз^ЯЛР10ВйЯй&В<!ЯЯЙН
Я - ПНРлв^зыЭи5НН^Я

Рис. 6.27. Набор данных С1ЕАК 10

Таким образом, в работе [227] на примере двух сверточных сетей, обу-
ченных на наборах данных МЯ18Т и С1ГАК 10, было показано, что вполне
возможно применять простейшие мемристорные кроссбары для эффективной
аналоговой реализации нейросетевых алгоритмов. Для сети, обученной на
ММТ8Т, для достижения приемлемой точности (98-99 %) требуется 3-4 бита
точности. А для нейронной сети, обученной на СТРАК. 10, нужно 6-8 бит.

5 8. Универсальный нейроморфньгй процессор Пап]1с

Ученые из Китая вместе с коллегами из Сингапура и США в 2019 г. раз-
работали универсальный нейроморфный процессор и вычислительный модуль
на его основе, архитектура которого адаптирована к работе как классических
искусственных нейросетей, так и импульсных, которые по своему принципу
работы более близки к биологическим нейронным сетям. Процессор содержит
более 150 ядер, каждое из которых состоит из искусственных аналогов аксона,
синапса, дендрита и перикариона, что позволяет имитировать работу настоя-
щих нейронов. При этом ядра могут переключаться между двумя режимами
работы, а также конвертировать сигналы классической нейросети с определен-
ным значением в бинарные нервные импульсы для импульсной нейросети и
наоборот. [ЬНр8://пр1и81.ги/пс'\У8/2019/08/01/бап)1с]

Обычно под чипом для аппаратного ускорения нейросетевых вычисле-
ний подразумеваются чипы с более оптимальной архитектурой для множества
параллельных вычислений или с другими особенностями, ускоряющими вы-
числения. Однако существуют также и нейроморфные чипы, архитектура ко-
торых отличается от классической фон-неймановской и похожа на строение
настоящих нейронов Пока такие чипы находятся в экспериментальной фазе и
практически не применяются на практике за пределами лабораторий. Во мно-
гом это связано с тем, что большое отличие в архитектуре требует адаптиро-
вать алгоритмы под нейроморфные чипы.

Как было показано выше, классические искусственные нейросети со-
стоят из слоев, содержащих нейроны. Во время работы нейрон текущего слоя
получает сигналы со значениями от всех нейронов предыдущего. Особенность
нейросетей, позволяющая им обучаться выполняемой задаче, заключается в
том, что каждая связь между нейронами в сети имеет вес, по сути определяю-
щий силу сигнала для принимающего нейрона. Вес каждой связи может ме-
няться во время работы, что и позволяет корректировать работу алгоритма во
время обучения.

В противовес таким нейросетям существуют также импульсные
нейросети, работающие подобно настоящим нейронам. Получая сигнал от
предыдущего нейрона, они тоже сопоставляют его с определенным весом. Од-
нако главное отличие заключается в том, что они передают сигнал следую-
щему нейрону не всегда, а только если входящий сигнал превысил пороговое
значение, определяемое потенциалом действия Если сигнал был ниже, нейрон
не «срабатывает», если же он превысил порог, нейрон передает дальше сигнал
максимально возможной амплитуды.

В новом чипе Парре, созданном учеными под руководством Лупин Ши
(Ьирт§ 8Ы) из Университета Синьхуа, используется нейроморфная схема с
имитацией составных частей нейрона. Чип состоит из 156 ядер, каждое из ко-
торых содержит блоки, выполняющие роль аксона, синапса, дендрита и псри-
кариона, а также блок управления, отвечающий в основном за маршрутизацию
сигналов между ядрами (рис. 5.28). Эти компоненты позволяют каждому ядру
имитировать работу 256 нейронов.

Главная особенность этого нейропроцессора заключается в том, что сиг-
налы между нейронами могут распространяться как в бинарном виде для ра-
боты с импульсной нейросетью, так и в многоразрядном виде для работы клас-
сической искусственной нейросети. Для этого блоки имеют разные режимы
работы, использующие компоненты ядра разным образом. При этом ядра ра-
ботают независимо, и на одном кристалле можно реализовать гибридную
схему работы, при которой часть ядер работает в одном режиме, часть - в дру-
гом, а еще часть выступает в роли конвертеров, преобразуя бинарные им-
пульсы в числовые значения и наоборот. В этом и заключается принцип уни-
версальности процессора Тшпрс.

Рис. 5.28. Рэжимы работы ядер нейропроцессора Петре
[М1р5://пр|ц51.го/пе^5/2019/08/01/Напрс]

Рис. 5.29. Вычислительный ллодуль с 25 процессоралли Папрс
1МТр5://пр1и51.ги/пе\№/2019/08/01 /Папрс]
Этот нейрочип поддерживает работу также в многопроцессорном ре-
жиме. при котором сигналы распространяются не только в рамках одного про-
цессора. В качестве примера ученые собрали плату с 25 процессорами Т1апцс
(рис. 5.29). Ниже представлены основные параметры работы этого процессора
в сравнении с другими нейроморфными чипами, в том числе 1ВМ ТгцеНоПЬ и
1п1е1 Ьойп, которые также имеют архитектуру импульсной нейросети. Из них
следует, что процессор Тлапрс выполняет в полтора раза больше миллиардов
синаптических операций в секунду (О8ОР8) на ватт потребляемой мощности,
чем ТгиеМогЙк 649 против 400.

Таблица 5.1

Сравнение процессора с аналогами

[КПрч://пр1и51.ги/пех\л/2019/08/01/(|'ап|1с|

РЫГогт ТгисМогОт^з ЕтЫ® Е1ЕИ ЕуСПЗз" Р5Е5* Т1ап)1с
Х1<хШ 8№8 ЯК'К МЕР СНЫ 1.8 ТМ 1НЬп<1
ВнХХ кИЬ 9 XV-18 9X9-18 4X9-4А 16Х9-16А 12ХУ-16А 8ХХ-8А'18
Метоп 8КАМ ЗВ АМ 8 КАМ О ВАМ РВАМ 8 КАМ
ТесЬпоЬцу 28 пт 14 пт 45 пт 65 пт 22 пт 28 пт
С1оск (М112) Азупс Азупс 800 100-250 200 300
Агея (тт:| 430 60 40.8 16 К. А 14.44
Ронсг (XV) 0 ОбЗ-О 3 К. А. 0.59 0.2-0.3 41 0.95
СОРЗ/ХХ Гч. А. М А 174 246 6.9 1278
СЗОРЗАУ 400 К. А 61. А. КА. ИЛ 649

В качестве примера практического применения авторы оборудовали бес-
пилотный радиоуправляемый велосипед, разработанный несколько лет назад,
компьютером с новыми процессорами. На нем они запустили несколько
нейросетей для самоуправления, распознавания голосовых команд, отслежи-
вания человека и избегания препятствий. Часть из них была реализована в виде
классических сверточных нейросетей, а часть - в виде импульсных. Проведен-
ные испытания подтвердили, что велосипед самостоятельно едет, следуя за че-
ловеком и выполняя его команды.

Литература

\./Логю С., Нах1ег Р., Мтск А.. Меас! С. А. А81п§1е-Ггап8181ог8111соп8упар8е. ШЕЕТгапз.
Е1есйоп. Оеу. 43, 1972-1980 (1996).

2. Виопотапо О. V.. Маазх И/ 81а1е-йереп(1еп1 сотрШайопз: 8райо(етрога1 ргосев81п§ т
согйса! пеЦуогкн. Кай Псу. Меигозсг 10, 113 (2009).

3. (А1ап С. е1 а!. Ми1й-§а1е ог§атс пеигоп 1гап8181ог8 Гог зрайо!етрога1 тГогтайоп рго-
се88т§. Арр1. РЬуз. Ьей. НО, 083302 (2017).
4. Ьап~а М. е! ак Кесоттепдед теХкодз Хо зХиду гезхзйуе зхуйсЫп§ деухсез. Аду. Е1ес. Ма-
Хег. 5..1800143 (2019).

5. Р1 8. ек ак. МетпзХог сгоззЬаг аггауз хуйк 6-пт ка1Г-рйск апд 2-пт спйса! дйпепзюп МаХ.
МапоХесЫюй 14.-35-39 (2018).

6. 8еок! К е/ ак А гсу!с\у оГ Хйгее-дхтепзюпа! гезхзйуе з\уйсЫп§ сгозз-каг аггау тетопез
йот Й1е тХе§гайоп апс! та!епа1з ргорехйу роййз оГ у!е\у. Аду. РипсХ. Ма1ег. 24. -5316-
5339 (2014).

7. ТУахег К., ВИктапп К, Зкаккоу О., 8хок К. Кедох-Ьазед гезхзйуе зхуйскт§ тетопез -
Мапоюшс тескаЫзтз, ргозресХз, апд ска11еп§ез. Аду. Ма1ег. 21. - 2632-2663 (2009).

8. Тап С., Ыи 7., Ниап§ Ткап^Н Коп-у<>1ай1е гезхзйуе тетогу деухсез Ъазед оп зоЫХхоп-
ргосеззед иИгаХЫп Пуо-дхтепзюпа! папотаХепак. ('Нет. Зое. Кеу. 44. - 2615-2628 (2015).

9. Уап§ 8 8. ек ак Метпзйуе зууйсЫп§ тескаЫзт Гог теХаРоххде/теХа! паподеухсез. Май
МапоХескпой 3. -429-433 (2008).

10. РкскеП М. В., Мескекгоз-КкЪекго О., ШИйтх ИЛ А 8са1аЫе псипзХог ЬЫИ тейк Мой
тетпзХогз. Май Ма1ег. 12. - 114-117 (2013).

11. Скап^ 8. ек а.1. Оссштепсе о Г ЬоХк ишро1аг тетогу апд Хкгезко1д гезхзХапсе зхуйсЫпд т а
№0 Й1т. Ркуз. Кеу. йен. 102, 026801 (2009).

\2. Ипп Е., Кихерт К.. Ки^екег, С., И'ахег К. Сотр1етеп1агу гезхзйуе зтейскез Гог раззхуе
папосгоззЪаг тетопез. Май Ма1ег. 9. - 403 406 (2010).

13. Китаг 8.. Зкгаскап 8. Р., ИУНатз К. 8. СЬаойс дупапмсз гп папозсак МЬОг Мой тетп-
зХогз Гог апа1о§ие сотрийп§. МаШге 548. - 318-321 (2017).

14. 1Уап§2. ек ак Сарасхйуе пеига! пеХууогк \уйк пеиго-ХгапзхзХогз. Май Соттип. 9, 3208 (2018).

15. ТУап§ 7. ек а к МетпзХогз \уй11 дхГГизхуе дупаписз аз зупарйс етЫаХогз Гог пеиготогрЫс
сотрийп§. Май Ма1ег. 16. - 101-108 (2017).

16. Скиа Ь. О., 8ип§ М. К. Метпзйуе деухсез апд зузХетз. Ргос. ШЕЕ 64. - 209-223 (1976).

17. АЬс1е1оиакаЬ М.-8., Ьо:1 К., Скиа Ь. МетГгасХапсе: А таХкетайса! рагад!§т Гог сйсий
е1етеп1з \уй11 тетогу. 1хйегп. .1. ВхГиг. Сйаоз Аррй Зсх. Еп§г§. 24. 1430023 (2014).

18. Кип 8. ек ак. ЕхрептепХа! детопзйайоп оГа зесопд-огдег тетпзХог апд йз аЬййу 1о Ыо-
геайзйсаИу Йпр1етеп1 зупарйс р1азйсйу. Мапо Ьей. 15. - 2203-2211 (2015).

19. Л76 О ек ак Т\со- апд Хкгее-Хетйпа! гезхзйуе зхуйскез: Мапоте1ег-зса1е тетпзХогз апд
тетхзХогз. А<8\:. Еипс1. Ма1ег. 21. - 2660-2665 (2011).

20. Уап§ У., Скеп В.. Ьи ИС В. Метпзйуе рйузхсаПу еуо1ухп§ пеХхсогкз спаЫнху Йге ети1айоп
оПхеГегозупарйс р!азйсйу. Аду. Ма1еп 27. - 7720-7727 (2015).

21. 8с1ш1в: ИС Ргедхсйуе гехуагд зх§па1 оГдоратте пехл'опз. I. МеигорГхузю. 80. - 1-27 (1998).

22. 8ап^н ап V. К. е1 а1. Сга(е-(шхаЫе тетпзйуе рйепотепа тедхаХед Ъу §гахп Ьоапаапез т
зй1§1е-1ауег Мо8х. Ма(. Мапо1ес1то1. 10. - 403 406 (2015).

23. Уап§ У. еГ а1. Т1хгее-1егтй1а1 тепйгапзхзйхгз Ьазед оп Йуо-дйпепзюпа! 1ауегед §аШит зе1е-
пхде папозйеей Гог ро!епйа1 1<>\у-р<>\уех' е1есйотс8 аррйсайопз. Мапо Епег§у 57. - 566-
573 (2019).

24. ]Уап§ Ь. е> а1. Агййсха! зупарзез Ьазед оп тиййегтхпа! тепйгапзхзЫгз Гох' пеиготогрЫс
аррйсайоп. Аду. Рхтсй Ма1ег. 29. 1901106 (2019).

25. Мои11е1 В. Метпзйуе зузХетз апа1уз!з оГЗ-1егтта1 деухсез. 1п Ргос. 2010 17111 ШЕЕ 1п-
Хетайопа! СопГегепсе оп Е1есХгоЫсз, Сйсийз апд 8узХетз. - 930-933 (ШЕЕ. 2010).

26, Сарога1е Ы., Вап У. 8рхке Ххтт§--дерепдеп! р1азйсйу: А НеЬЫап 1еагпт§ ги1е. Апп. Кеу.
Меиго. 31. 25 46 (2008).

27. В1 С.-ср Роо М.-т. Зупарйс тодхйсайопз т сикигед Ырросатра! пеигопз. Оерепдепсе оп
зрхкейпип^, зупарйс зХгеп§Й1, апд розХзупарйс сеПХуре. 1. Меиго. 18. - 10464-10472 (1998).

28. 8ин С. е!ак 8т§1е-сЫр гшсгоргосеззог (11 аX соттшисаХез дйесйу изт§ НдЫ. МаШге 528. -
534-538 (2015).

29. Ско^апп 8. ек а! КоЪизХ гезхзйуе тетогу деухсез изт§ зоЫйопргосеззаЫе теХаксоогдх-
паХед азо аготайсз. МаХ. МаХег. 16. - 1216-1224 (2017).
30. Мтег Р е1 а1. Метпзйуе орегайоп тойе оГ а зйе-сопйоПей циапЫт 0о1 Яоайп§ §а1е
Ггапз!з1ог. Арр1. РЬуз. Бей. 106. 203501 (2015).

31. МезагИакгз С., КарзаИз А.. Во§г1зА., 8у\’г1с11зБ. А1ййс1а1 пеигоп Ьазей оп т1е§га!ей зет-
!сопйис!ог циапШт Йог тобейоскей 1азегз. Зек Кер. 6. 39317 (2016).

32. Мшег Р. е! а!. Е1есйо-р1юго-8епз!Йуе тетпзЫг Гог пеиготогрЫс апй агЬЬтейс сотри-
Йп§. РЬуз. Кеу. Арр1. 5. 054011 (2016).

33. Нан 8.-Т. е! ак В1аск рЬозрЬогиз циапЫт бой хуйЬ йтаЫе тетогу ргорегйез апй ти1й-
1еуе1 гезгзйуе зхуйсЫп§ сЬагас!епзйсз. Лйу. 8сп 4. 1600435 (2017).

34. АПЪаг! Р. е! а1. Ап ог§атс папсрагйс1е 1гапз1з1ог ЪеЬаут§ аз а Ъю1о§1са1 зр!кт§ зуп-
арзу./Ыо. Рипсй Ма1ег. 20. - 330-337 (2010).

35. Скиа Ь. О. ЫопЬпеаг сйсш! Еоипйайопз Гог папойеугсез. I. ТЬе Гош-е1етет (огиз. Ргос.
ШЕЕ 91.- 1830-1859 (2003).

36. ВоускошЛигу V. Р., ЗапезБ. В ВашЗуораЗкуау 8., Хаш/опу И'. Со11есйуе сотрЫайопа!
асйуйу т зеШаззетЫей аггауз <)Г циапшт йо!з: а поуе! пеиготогрЫс агсЫгесЫге Гог
11апое1ес1гоЫсз. ШЕЕ Тгапз. Е1ес1гоп. Юсу. 43. - 1688-1699 (1996).

31. А11а1зку М. V. е1 а1. Тоэуагйз а 1еаз1Ые 1тр1етеп1айоп оГ циапйип пеига! пейуогкз изт§
диапГит Йо1з. Арр1. РЬуз. Бей. 108. 103108 (2016).

38. №ап% У. Е1ес1гоп Ехйасйоп Пупагтсз т СйЗе апй СЙ8&/СЙ8/ /.п8 СЫапШт 1)о1з АйзогЬей
\уиИ МеЙгу! \'|о1оцсп / V. ЗУап§, Н. \Уапа, 2.1л, .1. 2Ьао, Б. ЗУапд. С). СЬеп, ЗУ. ЗУап§, Н.»
В. Зип // .1. РЬуз. СЬет. С. - 2014. - V. 118. - Р. 17240-17246.

39. С'пеп 8. Еап§тшг топо1ауегз оГ §о1й папорагйс1ез: йот оЫЫс 1о гесйЕуЬщ сЬаг§е йапз-
Гег / 8. СЬеп // Апа1уйса СЫпйса ЛсГа. - 2003. - V. 496. - Р. 29-37.

40. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1 / пер. с англ. С. Зи //
2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - С. 456.

41. Тагиев Б. Г. Эффект Пула-Френкеля в халькогенидных полупроводниках с различными
кристаллическими структурами / Б. Г. Тагиев, О. Б, Тагиев, А. М. Пашаев // Физика
твердого тела. - 2013. - № 55, вып. 5. - С. 861 -865.

42. Чухаева И. В. Характеризация структуры ленгмюровских пленок титаната бария мето-
дом просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии / И. В. Чухаева, П. В. Абакумов, М. А. Пугачевский, А. Ю.Устинов,
Е. А. Коблова, А. П. Кузьменко // Физика и технология наноматериалов и структур:
сборник научных статей 3-й Международной научно-практической конференции. -
2017.-Т.2.-С. 160-113.

43. Хи Р. Iтраст о Г ййТегеп! зигйасе Н§апйз оп 1Ье орйса! ргорегйез о Г рЬз циапШт йо( зоНйз
/ Е. Хи, Е. Е. Оег1ет, X. Ма, С. К. Наи§Ьп, М. Р. 1)оГу, 8. О. С1оийег // Ма1епа1з. - 2015.
-V. 8.-Р. 1858-1870.

44. Уан§ Х.-Р. Е0ёс(з оГ зЬаре апй зйагп й181пЬийоп оГ циапШт йо!з оп орйса! йапзЫоп т
Йге циапЫт йог тйагей р1ю1ойе!ес1огз / Х.-Р. Уап§, Х.-8. СЬеп, ЗУ. Би, У. Ри И Капозса1е
Кез Бей. - 2008. - Уо. 3. - Р.534-539.

45. СЬеп 3. Ап о!е!с ас!й-саррей Сй8е циапШт-йо1 зепзШхей зо!аг се!1 / 3. СЬеп, .1. Е. 8оп§,
X. ЗУ. 8ип, ЗУ. С). Пеп§, С. У. Лап§, ЗУ. Бе!, .1. Н. Ниап§, К. 8. БЫ // АррЬей РЬузгсз Еейегз. -
2009.-V. 94.-Р. 153115.

46. М. ЫЯиепсе оГ ЗигЕасе Бщапйз оп (Ье Биттезсеп! ргорегйез оГ Сайтшт 8е1е-

Ыйе ОиапШт 1)оГз т а Ро1уте1Ьу1те1Ьасгу1а1е Майтх / М. 2уа!§хпе, I. Майупоу,
Р. 8атокЬуа1оу, К. МосЬа1оу, А. СЫзГуакоу // РЬузгсз Ргосейга. - 2015. - V. 73. - Р. 150—
155.

47. Ыи 1.-8. ЕпЬапст§ рЬо1о1иттезсепсе циепсЫп§ апй рЬо1ое1ес(пс ргорегйез оГСй8е циап-
(ит йоГз хуйп 1ю1е ассерйп§ 11§апйз /1.-8. Бш, Н.-Н. Бо, С.-Т. СЫеп, У.-У. Ет, С.-ЗУ. СЬеп,
У.-Р. СЬеп, ЗУ.-Р. 8и, 8..С. Бюи.^Б Ма!ег. СЬет. - 2008. - V. 18. - Р. 675.

48. Ы №. Саррт§ БщапйЧпйисей 8е1Г-АззетЫу йог Риаппип 1)о1 ЗепзЫхей 8о1аг Сс11з /
ЗУ. Ы, X. 2Ьоп§ Р I. РЬуз. СЬет. Бей. - 2015. - V. 6. - Р. 796-806.
49. (ЗгапМ О. К. ипдегз!апдш§ (Не Яо1е ой Зигйасе Саррт§ Ы§апдз т Разз1уа!т§ !ке риап-
(ит Н)о(з изт§ Соррег Ворап!з аз 1п!егпа1 Зепзог / О. К. (ЗгапдЫ, М. Агипкитаг,
К. У1з\уапа(На //Л. РЬуз. Скет. С. - 2016. - V. 120. - Р. 19785-19795.

50. (Вюзк 8. Еййес! ой о1е!с ас;с! И§апд оп рко!оркуз1са1, рко!осопдисйуе апд та§пейс ргор-
егйез ой топосИзрегзе 8пО2 циапШт с!о(ч / 8. Окозк, К. Баз, К. СйакгаЪагй, 8. К. В? //
ОаИоп Тгапз. - 2013. - Уо1. 42. - Р. 3434-3446.

51. СгоШтапп С. Оиапййед Втдт§ 8са1е ой Сотрейпц Ы§апдз а! !ке Зшйасе ой Оо1д Иапораг-
Йс1ез: Т11е Яо1е ойЕпйору апд 1п1еппо1еси1аг Еогсез / С. ОоШтапп, Е. Я1Ьо!, Е. Е. Ре1ге1й,
Р. риато, Р. Т1е1епз, С. Запсйет, С. СНапёас, В. РопейаиИ // 8та11. - 2017. - V. 13- -
Р. 1604028.

52. Кап§ В.-Н. КТО с (сиг ехсйоп §епегайоп т а(огтс разз1уа!ед Сд8е / ХпЗ циапГит до!з Н§к!-
еппйт§ деу1сез / В.-Н. Капу, 1.-8. Еее, 8.-ХУ. Ьее, 8.-XV. Кпп, 1.-ХУ. Ьее, 8.-А. Оора1ап,
1.-8. Рагк, В.-Н. Клуоп, 1.-Н. Вае, Н.-Я. Кип, 8.-XV. Кап§ // Зиепййс Яеройз. - 2016. -
V. 6.-Р. 34659.

53. Ктепкоу К А. Зигйасе И§апдз аййес! рйо!отдисед тодЫайоп ой(Не циапйит до(з орйса!
регГогтапсе/ V. А. Киоепкое, Р. 8. 8аток11\'а1оу, Р. А. Ыпкоу, В. Р. 8о1оууеуа, р. Е. Ко!-
коузкйу, А. А. СЫз!уакоу, I. Я. №Ыеу // Ргос. 8Р1Е. - 2014. - V. 9126. - Р. 91263Ы.

54. КПуепкоу V. А. Еййес!з ой зигйасе Н§апдз апд зо1уеп!з оп диапШт до! рйо!оз!аЫ11!у ипдег
рикед 11У 1азег итад1айоп / V. А. Клуепкоу, Р. 8. 8атокЬуа1оу, Р. Ыпкоу, 8. В. Ргоккогоу,
I. Ь. Магйупоу, А. А. СЫз!уакоу, I. КаЫсс // Ргос. 0Й8Р1Е. - 2015. -V. 9505 9505011-1.

55. Могпз-Сокеп А. 3. 'Пае Еййес! ой а Соттоп Рипйсайоп Ргоседиге оп (Не Скеппса! Сот-
розййоп ой Пае Зигйасез ой СдЗе Риап(ит Во!з 8уп!Йез!7ед \\1!1( Тпос!у1ркозрЫпе Ох!де /
А. 1 Могпз-Сокеп, М. В. Вопако»зк1, К. Е. Кпо\у1ез, Е. А. \Х'с1зч //1. РЬуз. СНет. С. -
2010.-V. 114.-Р. 897-906.

56. Хеш> В. С1аагас!еп7а!юп ой Й1е Ы§апд Саррт§ ой НудгоркоЫс д8е-2п8 Риапшт Во!з
11зт§ ИМЯ Зресйозсору / В. 2еп§, О. Ра1ш, С. ХНапу. Ы. ХНап, XV. ХХапр. X. Л, В. СНеп,
Н. Майоизз! // Атепсап Сйеппса! 8ос!е!у. - 2018. - V. 30. - Р. 225-238. дог
10.1021/асз. скетта!ег. 7Ь04204.

57. А1е1е 8'. 1Л!гаГ11!гайоп тетЪгапе-Ьазед рипйсайоп ойЫосощи§а!ед §о1д папорагйс1е д!з-
регзюпз / Л. А1е1е, Я. 8!геиЬе1, й. Оатгад, 8. ВагЫкотезк!, М. ЕПкпск! // Зерагайоп апд
Рипйсайоп Тескпо1о§у. - 2016. - V. 157.-Р. 120-130.

5%. А1е1е И. МетЬгапе-Ьазед рипйсайоп ойрго!етз йот папорагйс1е д!зрегз!опз: 1пй1иепссз
ой тетЪгапе !уре апд айгай 1(га(1оп сопдШопз / К. А1е1е, М. ШЬпсЫ // Зерагайоп апд Ри-
пйсайоп ТесЬпо1о§у. - 2016. - V. 158 - Р.171-182.

59. Зууеепеу 8. В\ Яар1д Рипйсайоп апд 8176 Зерагайоп ой 6о1д апорагйс1ез У1а В1ай1!гайоп /
8. Е. 8\уеепеу, О. Н. \\'ое1и1е. 1. Е. НексЫзоп // 1оигпа1 оГ Атепсап СЬеппса! 8ос1е!у. -
2006.-V 128.-Р. 3190-3197.

60. .!ат>гек А. Е1ес(гозргаут§ гои!е !о папо!ес1то1о§у: Ап <>уегу|е\у / А. ,1а\уогек. А. Т. 8оЬ-
сзук Ц1. Е1ес!гоз(а!. - 2008. - V. 66. - Р. 197.

61. Но М. И. Сд8е/2п8 риап!ит Во! ТЫп ЕИт Еогтайоп Ьу ап Е1ес!тозргау Вероздюп Рго-
сезз йог Ы§11!-йгш!«т8 Веугсез / М. В. Но, К Кип, В. Кип, 8. М. СЬо, Н. Скае // 8та11. -
2014.-V 10.-Р. 4142-6. док 10.1002/зт11.201400251.

62. Ьт Х.-Ик 11зт§ а Ьауег-Ьу-Ьауег АззетЫу Тескшдие !о ЕаЬпса!е Ми1йсо1огед-1л§11!-
Егсп(йп§ Н1тз ой Сд8е@(Сд8 апд СдТе риапШт Во!з / V.-XV. Ып, \У.-Ь. Тзеп§, Н,-
Т. Скап§ И Адуапсед Ма!епа1з. - 2006. - V. 18. - Р. 1381-1386.

63. ЫХ. О1исозе Вюзепзог Вазед оп Шпосотрозпе Н1тз ойСдТе риапШт Во!з апдО1исозе
Рх1дазе / X. Ы, У. ХНои, 2. 2кеп§, X. Уие, 2. Вак 8. Ыи, 2. Тап§ // Ьап§тигг. - 2009. -
V. 25.-Р. 6580-6586.

64. 8гп’аз1ауа 8. Сотрозке Ьауег-Ьу-Ьауег (ЬВЕ) АззетЫу \\'1(Н 1пог§ашс Хапорагйс1ез апд
Капохуйез / 8. 8пуаз!ауа, К. А. Ко!оу // Асе. Сйет. Яез. - 2008. - V. 41. - Р. 1831-1841.
65. СкепютопИк В. /). риапЫш Во! 8о1аг Се11 ЕаЬпсайоп Рго!осо1з / В. В. СйегпотогсНк,
А. К. МагзйаИ, О. Р. Раск, Л М. ЬиШег, М. С. Веагб // СЬет. Ма!ег. - 2017. - V. 29. -
Р. 189-198.

66. Чумаков А. С. Ленгмюровские монослои в электрическом поле / А. С. Чумаков, И. А. Гор-
бачев, А. В, Ермаков, В. П. Ким, Е. Г. Глуховской // Известия Саратовского универси-
тета. Новая серия. Серия Физика. - 2013. - Т. 13. - С- 80-83.

67. Блинов Л. М. Ленгмюровские пленки/Л. М. Блинов//Успехи физических наук. - 1988. -
Т. 155. Вып. 3. С. 443 480.

68. Каи/8. 1_ауег-Ьу-1_ауег риап!шп Во! Сопзйшйз Пз1п§ ЗеИ-АззетЫу МеЙюбз / 8. Каир,
А. ОИсПе. 1 М. Соорег // Гап§тшг. - 2010. - V. 26. - Р. 16934-16940.

69. Горин Д. А. Коэффициент переноса пленок Ленгмюра - Блоджетт как индикатор по-
верхности монокристаллического кремния, модифицированной полиионными сло-
ями / Д. А. Горин, К. Е. Панкин, М. В. Ломова, С. Н. Штыков, Б. Н. Климов, Г. И. Ку-
рочкина, М. К. Грачев, А. М. Ягценок // Физика и техника полупроводников. - 2007. -
№41. Вып. 6.-С. 706-710.

70. Чухаева И. В. Синтез наночастиц оксида цинка золь-гель методом для получения регу.
лярных упорядоченных структур в виде пленок Ленгмюра - Блоджетт / И. В. Чухаева,
П. В. Абакумов, А. П. Кузьменко, Н. А. Борщ, Л. С- Агеева // Физика и технология
наноматериалов и структур: сборник научных статей 2-й Международной научно-
практической конференции. - 2015. - Т. 1. - С. 34-36.

71. Чухаева И. В. Особенности формирования и свойства монослоев Ленгмюра - Блод-
жетт / И. В. Чухаева, А. П. Кузьменко: материалы Международной конференции «Фи-
зика и технология наноматериалов и структур». - 2013. - С. 141-143.

72. Иванов Н. С. Новые материалы, полученные методом Ленгмюра - Блоджетт, и их при-
менение в нанотехнологии и приборостроении / Н. С. Иванов, Е. П. Подольская, Н. Г.
Суходолов // Научное приборостроение. - 2013. - № 23. Вып. 1. - С. 86-105.

73. Рожкова Е. А. Регулярные мультимолекулярные структуры (пленки Ленгмюра - Блод-
жетт), содержащие ионы железа, меди и алюминия / Е. А. Рожкова: дне. канд. хим.
наук. - СПб.: СПбГУ, 2011. - 124 с.

74. Та1кат И. К. Ьап§тшг - В1об§е!! Й1тз оГ то1еси1аг оплате та!епа1з / П. К. Та1Ьат,
Т. УататоГо, М. XV. Ме18е1 //1. РЬуз.: Сопбепв. Майег. - 2008. - V. 20. - Р. 184006.

75. ЬатЬег! К. Ьап§тшг-8с11ае1ег Перозйюп о! ОиапШт По! Ми1й1ауег8 / К. ЬатЬег!,
К.. К. Сарек, М. I. Водпагсйик, М. V. Коуа1епко, П. V. Нюшкой!, XV. Не1зз, 2. Пеле //
Ьап§тшг. - 2010. - V. 26. - Р. 7732-7736.

76. Сгам/огс!И. Г. Сс18е апс! С<18е (2п8) с]иап!шп с1о!з т 2П: А Гапщпшг топо1ауег арргоаск /
К. Е. Сга\\4'огс1, К. М. ЬеЫапс // Соогйтайоп Скепизйу Кагцю. - 2014. - V. 263-264. -
Р. 13-24.

77. ИТт Е. А. Ог§ашс то1еси1е8 а8 !оо1в !о соп!го1 !11е §го\у!11, зиНасе зйиейгге, ап<1 гес!ох
асЙУЙу оЕсоПоМа! циап!ит ск>!з / Е. А. ХУе1зз(/ Асе. СЬет. Кез. -2013. -V. 46. -Р. 2607-
2615.

78. Горбачев И. А. Изучение Влияния соотношения компонентов в смешанных монослоях
квантовых точек и арахиновой кислоты на морфологию пленок, полученных на их ос-
нове / И. А. Горбачев, Е. Г. Глуховской // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. «Химия.
Биология. Экология». - 2018. - Т. 18. - Вып. 3. - С. 229-305.

79. 8кеп У-Ч. Мопо1ауег Вейауюг апй Гап§шшг - В1об§ей Машри1айоп о!' С<18 риапйшг
По!8 / У.-Г 8йеп, У.-Ь. Ьее, У.-М. Уап§ //1. РЬуз, СЬет. В. - 2006. - V. 110. - Р.9556-
9564.

80. Миргород Ю. А. Исследование полиморфного перехода жидкость - жидкость в зависи-
мости от концентрации амфифила в воде / Ю. А. Миргород // Журнал физической хи-
мии. - 2015. - Т. 89.-№ 1.-С. 14-19.
81. Мао 6. 01егс Лс1<1 йгзогдегз зйайцч согпеит Прк1з т Еап§тшг топо1ауегз / О. Мао,
В. Уап ЗУуск, X. Хгао, М. С. Маск Соггеа, Е. (Эипп, С. К. Е1аск. Я Мепде1зокп,
К. М. ЗУаНегз // Ьап§тшг. - 2013. - V. 29. - Р. 4857-4865.

82. Миггау С. В. ЗупЙгезгз апд скагас1епхайоп оГпеаг1у топодгзрегзе СдЕ (Е = зиИиг, зе1еп1ит,
(е11ипит) зет1сопдис1ог папосгуз1а11йез / С. В. Миггау, В. .1. Могпз, М. О. Вагуепдг // ,1. Ат.
Скет. Зое. 1993.-V. 115.-Р. 8706-8715.

83. Миггау С. В. Зуп1ке§18 апд сЬагас1епхаНоп о! топодгзрегзе папосгуз1а1з апд с1озе-раскед
папосгузй! аззетЫгез / С. В. Миггау, С. К. К арап, М. О. Вахсепд! // Аппи. Кеу. Ма1ег.
Зсх. - 2000. - V. 30. - Р. 545 610.

84. УМан'аИ 8. Йапртшг Й1тз 81аЪ11Иу рЬепотепоп оГ§1усего1 д!а1ку1 пош1о11е1гаеЙгег а( Йге
ап‘-\уа1ег тГегГасе 16г уапайопз зргеадгпр йте / 8. Угдагуай, 11. Вакогузку, II. КоГке //
Адуапссз т Вго1о§гса1 Скетгзйу. - 2012. - V. 2. - Р. 233-237.

85. Ьее У.-Ь. Мопо1ауег Ьекаугог о Г зйгса рагйс1ез а! айЛуа!ег пПегГасе: а сотрапзоп Ьейуееп
сНеписа! апд ркузгеа! тодгйсайопз <>1 зигГасе / У.-Ь. Ьее, Х.-С. Эи, IV.-X. Ып, У.-М. Уапр //
.Г, СоИогд ЫегГасе Зег. - 2006. - V. 296. - Р. 233.

86. Раппп 8. 8|де-с11а1п ейесг оп йапртгпг апд йапртик - В1од§ей Й1т ргорегйез о! ро1у
(п-1ку1тейгасгу1атгде)-соа1ед та§пейс папорагйс1е / 8. Рагут, I. Ма(зиг, Е. 8а1о, Т. Мг-
уазкйа //I Сойогд 1п1егГасе Зег. -2007. - V. 313. - Р. 128-134.

87. КаВкакпзкпап С. Саррт§-Ы§апд ЕГГес! оп гНе 81аЫ1йу оГСд8е рпапйтг 1)оГ Ьапртгпг
Мопо1аусгз, / С. Кадкакггзйпап, М. К. Е. Йо, С. М. КпоЫег, М. А. Оагсга-ОапЬау,
Н. О. Мопкоприейе // Ьапртшг. - 2011. - V. 27. - Р. 2099-2103.

88. Вггогомзка А. М. ЗГаЬИйу о! зГеапс аегд топо1ауегз оп агййсга! зеа хсаГег / А. М. Вгхохогу-
зка, М. Н. О. Вида, Е. Ми§е1е // СоИогдз апд ЗигГасез А: Ркузгсоскет.Епр. ЛзресГз. -
2012.-V. 407.-Р. 38-48.

89. А1е]о Т. Ро1утег / зигГасгап1 аззгзйд зе1Г-аззетЫу оГпапорагг!с1ез тго Йапртшг - В1од§еЙ
Й1тз / Т. А1с|<>, М. В. Мегскап, М. М. \'е1ахс|иех, 1. А. Рёгех-Негпапдех // Ма1ег. Скет.
Ркуз. - 2013. - V. 138. - Р. 286-294.

90. Лаптоп X. Еапртшг апд Еапртигг - В 1од§ей Й1тз о! диапйпп до!з / X. Лаптгп, 1. X1ао;ип.
К. М. Оайаз-Азйгга, С. \\ апр. К. М. йеЫапр // СоИогдз апд ЗигГасез А: Ркузгсоскетгса!
апд Еп§гпеепп§ АзресЬ. - 2006. - V. 284-285. - Р. 35-42.

91. ИЫках’епз 115 Тууо-дгтепзюпа! зирейагйсев о Г соИогда! диапШт доГз -(огуагдз кг§к рег-
Гогтапее рко1оде!ес1ог8 / ЗУ. \\'а1гауепз // СИгепГ СГшуегзйу. - 2014.

92. СогЬаскеу I. А. Г1гс зГиду оГОге Гогтайоп ойтопо1ауегз <>1‘диагйит до!з а! дгйегеШ гепг-
регайггез / Т. А. ОогЬаскеу, I. У. Оогуаскеуа, О. Вгехезтзкгс, Е. О. Сйикоузкоу // Ргос. оГ
8Р1Е. - 2016. - V. 9917 9917П-1.

93. Лкаиззоп Т. Р. А 1о\с гетрегаШге рйазе йапзйгоп гп Еапртий - В1од§ей Й1тз / Т. Р. 1о-
йапззоп, О. ЗУ. ЬвасЬ Ц 1 Ркуз Скет В. - 2008. - V. 6. 112. - Р. 13823-3.

94. СогЪаскеу I. А. 81идут§ оГ ОиапШт ВоГз Ьапдтшг Мопо1ауегз 81акИку а! Гке ВйТегеп!
ЗиЬрказе Тетрегайгге /1. А. Оогкаскеу, 8.19. ЗЫукоу, О. ВгехезтзкЗ, Е. О. СНпккоузкоу Н
ВюХапо8с1.-2017,-V. 7.-Р. 686-691.

95. Ма18ика$к1 Ы. 8(гисшге апа1уз1з <>1 4-ос1у1-4’-суапоЫркепу1 Идшдсгуз1а11те &ее-з1апдт§
Й1тку то1еси1агдупаписз зптдайоп/М. Ма1зиказк1, М. Катига, Т. Акакапе, М. УозЫда //
АХо_|ото. - 2007. - V. 3. - дог: 10.2240 / ахо]ото 0234.

96. Си1оа]е С. Е1ес1пс Йе1д ейес!з ш петайс Нсрпд сгуз1а1з доред хуйк сагЬоп папошЬез /
С- С1г1оа]е, Е. Рейезси, С. Мо1ос. И Ркузгса Е; йогу- нпепзюпа! Зузгетз апд Капозйис-
Шгез. - 2013. - V. 54. - Р. 242-246.

97. СшШата! Р. Сопйо! оГ аейуе Идшд сгуз1а1з гукк а тарпейс Йе1д / Р. ОиШата!, .1. 1§пёз-
Ми11о1. Г. 8а§иёв // Ргос ХаЙ Асад 8с1118А. - 2016. - V. 17; 113. - Р. 5498-502.

98. У18н'апа1к Р. 8ргеадт§ апд гейаейоп дупагтез оГа дуе доред зтесйс 1к|шс| сгуз1а1 дотат
а! Йге ай - \уаге1‘ ййегГасе / Р. УгзхуапаЙг, К. А. Зигезк, Вкага! Китаг // Зой Майег. -
2012.-V. 8.-Р. 11180-11184.
99. СИ1о1 р. Оп-сЫр Леппа! саНЪгайоп \уйк 8СВ Ицик! сгуз!а1 ой 1сгогксгта1 йеуке / Р. ОШо1,
Р. О. Мопп, Н1. Р. АгаГа, К. Оиё§ап, Н. Тапака, Н. Рир1а И ЬаЬ С111р. - 2007. - V. 7. -
Р. 1600 1602.

100. О'.еграа^ К. 8ирег1аШсез ой РЬЗе апд СйЗе Мапосгуз1а1з / К. Охегеаау, XV. Еуегз,
В. Ве Муз, К.. Коо1е, й. Мее1й-ук, V. О. Втагу // ?, Ат. Скет. 8ос. 2008. - V. 130. -
Р. 7833-7835.

101. Гао А. ТипаЫе р1азтотс 1а1йсе8 ой зНуег папосгуз1а1з / А. Тао. Р. Зтзегтзикзаки!,
Р. Уапу // Май Мапо1есЬпо1. - 2007. - V. 2. - Р. 435 440.

102. Зкеускепко Е. V. 81гисй1га1 сксегзйу т Ыпагу папорагйск иреНаЛсез / Е. V. Зксускспко,
О. V. Та1арт, И. А. Ко1оу, 8. О’Впеп, С. В. Мштау / Майне. - 2006. - V. 439. - Р. 55-
59.

103. РгоИагмп' М. Р. ТйегтойупаппсаПу 81аЪ1е В1зрегз1оп8 ой0иап1шп 1)<ж т а Метайс Ыд-
шй Сгуз!а1 / М. Р. Ргойапоу, М. V. Ро§оге1оуа, А. Р. Кгуз1йа1, А. 8. ИутсЬепко, V. Ме1у,
V. Р. Зступохкспко. А. I. КпуозЬеу, V. А. Ке/ткос. 8. М. Уагто1епко, .1. ЗУ. ОоойЬу,
V. V. УазЬсЬепко // Ьап§тшг. - 2013. - V. 29. - Р. 9301-9309.

104. КоАагГеА. Ь. ОиапЛт То(/Ндшй сгуз!а1 сотрозйе та!епа1з: ЗеЙ-аззетЫу йпуепЪу Ндшй
сгуз1а1 рЬазе Напзйюп 1етр1айп§ / А. й. Койагге. К. й. РапйоШ, 8. Скозк, й. 8. Низ! //
й. Майег. Скет. С. - 2013. - V. 1. - Р. 5527- 5532.

105. КоАаг1е А. Ь. 8е1й-аззетЫей папорагйск писго-зЬеПз гетркпсй Ъу Ндшй сгуз!а1 8огйп§ /
А. й. РойаПе. В. Н. Сао, Н. Рапезаг, К. .1. РапйоШ, М. шп1, й. ЕЛуагйз, 8. Ойозк, .1. Е, Нет,
й. 8. Низ!//Зой Майег.-2015.-V. 11.-Р. 1701-1707.

106. 8ирР О. ТипаЫе ро1апзей Яиогезсепсе о! диапшт Йо1 йорей петайс Ндшй сгуз1а1з /
О. 8т§11, М. К. Изей, 8. Китах // Ыдшй Сгуз1а1з. - 2016. - V. 44:3. - Р 444 452.

107. МосШп хка А. 1пйиепсе ой Ле то1еси1аг зйисГиге ой Леппойорк Ндшй сгуз1а1з оп Лей
аЫ1йу 1о йогт топо1ауегз а1 пйегйасе / А. МойНп'зка, К. 1п§1о(, Т. Мапуп'зк!,
К.. ВЬгохузк!, й. йайхуи, В. Ваитап // Ыдшй Сгуз(а1з. - 2009. - V. 36:2. - Р. 197-208.

108. ТоппИ Р. Мопо1ауег апй Вгедазкг ап§1е пНсгозсору зшйу ой китап зегит а1Ьитт-Лра1-
тйоу! рйозрйаййу! скокпе пйхЛгез а1 Ле ап-хуаСег т(егйасе / Р. Тошп1, О. Рпе(о,
й. йг. Мтопез, й. М. ТгШо, Р. Зашпепйо // СоПоМз ЗигйВ Вюткгйасез. - 2012. - V. 92. -
Р. 64-3.

109. Апга-Сагтапа Ь. Юней оЬзегуайоп Ьу изт§ Вгсхсзгег ап§1е ткгозсору ой Ле <ИасеГу1епе
роИтепхайоп т пихей Еап§тий Я1т / й. Апха-Саппопа, М. Т. Магйп-Котего, й. й. СНпег-
Сазагез, Ь. СатасЬо // й Со11о1й 1п1егйасе Зсй - 2015. - V. 1; 459. - Р. 53-62.

110. 2ои к. Ыпе 1епз1оп апй 81гисШге ой зтесйс Ндшй сгуз!а1 тиНПауегз а1 Ле ай-ууакг т(ег-
йасе / й. Хои, й. ХХ'апу. Р. Вазпе!, Е. К. Мапп // РЬуз Кеу Е 81а1 ИопНп Зой Майег РЬуз. -
2007.-V. 76.-Р. 031602.

111. НаИеН А. Е. Х-гау геНссйУЙу геуеак юте зйисЛге а1 Ндшй сгуз1а1-адиеоиз ткгйасез /
й. Е. На11ей, В. XV. Нау\уагй, Т. Ато1й, Р. ВагЙейЬ, К.. М. ЮсЬагйзопа /> Зой Майег. -
2017.-V. 13.-Р. 5535-5542.

112. 8ир1ап Р. Ь. ЙЛегасНоп Ьеруееп Еап§тшг апй Еап§тшг-В1ой§ей Й1тз ой :\уо саИхагепез
\У1Л адиеоиз соррег апй НЛйит юпз / Р. Й. Зиргап, Т. Н. Кйскагйзоп, М. Веазу, Р. КеИеЬег,
й. Р. ЗУагй, V. МсКее // Ьапдтшг. - 2010. - V. 26. - Р. 10906-12.

113. РспчпаНо Р. У. РЬозрЬоИр1й 1п(егасйопз 1йзт§ Ьап§тшг апй йапутшг -В1ой§ей РНтз аз
Се11 МетЬгапе Мойе1з / Р. й. Раутайо, Ь. СазеН, А. Раутайо, В. 8. йоз 8ап(оз,
Т. М. ЫоЬге, М. Е. В. /атдиеШ, Н. 8. ЗНуа, Р. В. Мйапйа, О. Ы. йе ОНуейа, й. Р. СЫ-
(озап // Еап§тшг. - 2007. - V. 23. - Р. 7666-7671.

114. К1т А. Сггарйепе Ох1йе 8Ьее!з а11п1егйасез / й. К1т, Ь. й. Со1е, Р. К1т, XV. Уиап, К. К. 8Ьи11,
й. Ниап§ Н й ой Атепсап СНетгса! 8ос1е1у. - 2010. - V. 132. - Р. 8180-8186.

Н5.А§гп'еп к.-Т. Т. Зигйасе Ро1епйа1з т Еап§тшг Мопо1ауегз ой НиЛгесйопаПу Опеп1ей
Г-Не11са1 В1Ыоск Соро1урерййез / Ь.-Т.Т. Нуиуеп, А. Агйапа, 0.1еп Вппке, А. й. ЗсЬоиГеп //
Ьап§тшг. - 2010. - V. 26. - Р. 6515-6521."
116. Рахско1аП С. Р. ТЬе т/егасйоп оГ ап апйрагазйсс рерйде асйуе а§атз( АГпсап 81еерт§
31скпев8 \сй11 сек тетЬгапе то<1е18 / С- Р. Разско1ай, Е. Р. Ьорега, Е. .1. Раутайо,
Ь. Сазек, Т. М. ЫоЬге, М.Е.В. ХатдиеШ, Т. Уп(а1а, С. В'ЗИуа, О. К. ОИуейа И Со11о!дз
апс! ЗшТасез В: Вют(еНасе8. - 2009. - V. 74. - Р. 504-510.

117. ОагсгаВ. М. ЗсИ'-ЛззстЫес! 8ув1ет8 оГХапота(епа1з оп Ьапцтшг- В1од§е((Нкпз/В. М.
(Заппа >/ 1.1 туег81с1ас! де 8а1атапса. -2013.

118. Мо1еси1аг 1п(егасйопз. Ед. Ьу Ме§кеа А. // Ро1у(есктс Етуегзйу оГВискагез!, Котата -
2012.-382 р.

119. 8о1о\уе\’а I) О. Мопо1ауегТоро§гарку оГриапШт Во(з а! (Йе 1п(ег(асез / В. О. 8о1оууеуа,
I 8. 2айзеу, 8. V. 2айзеУ И Мапозссепсе апд Капо(ескпо1о§у Кезеагск. - 2013. - V. 1. -
V. 13-16.

120. Ыа1к 8- Мопо1ауег Скагас(епзйсз оГ Сккозап АззетЫед т Еап§тшг РИтз Млхед \упк|
АгасЫдсс Ас1д / .1. 1Ма(к, К.. К. \аЙ1 // ,1ауазгее Яа(к с( а1, 8шТ. Кеу. Ьей. -2014. - V. 21. -
Р. 1450049.

121. богЬаскех’ I. А. ТЬе дерепд:п§ ок Ьапцтшг топо1ауегз ок циапйип до(з апд (айу ас!д пих-
(иге ргорегйез йот (Ней сотропеп(з гайоп /1. А. ОогЬаскеу, Е. О. СПиккоузкоу // 8ага(оу
Ра11 Меейп§ 2016: РоигГк 1п(етайопа1 Зутрозшт оп Орйсз апд Вюрко(ошсз & 8РМ,
8Р1Е.-2017.-У. 10336.-Р. 6.

122. Маг1т-Стагс1а В. Рко(о1иттезсепсе Вупанмсз ой Сд8е СИ) / ро1утег Еапрпи!г-В1од§ей
Т1пп ЕИтз: Могрко1о§у ЕГ1ес(з / В. Магйп-Оапйа, Р. М. К.. Рап1о, 8. М. В. Соз(а, М. М. Уе-
1ахдиех // X Ркуз. Скет. С. - 2013. - V. 117. - Р. 14787-14795.

123. МаПт-Сгагс1а В. В1оек соро1утег азз181ед зеИ-аззетЫу ойпапорагйс1ез т(о Еап§тшг -
В1од§ей йкпз: ЕГГес! оГро1утег сопсепйайоп / В. Майш (}агс(а. М. М. Уе1ахдиех // Ма-
(епа1з Скеппзйу апд Ркузссз. - 2013. - V. 141. - Р. 324-332.

124. И'а/апаЬе 8. Ьйко§гарку оГ 8е1Г-аззетЫед 8еписопдис(ог Оиапшт Во(з оп Тетр1а(ез
ЕаЬпса(ед&отМ1хедЕап§тшг-В1од§ейЕИтз/ 8. \\ а1апаЬс. \. Татига, М. Ма(зито(о //
Ъ О1ео 8с(. - 2012. - V. бГ - Р. 277-283.

125. И'а/апаЬе 8. М1сго- апд папорайетед соррег зЬтсйсгез пзт§ д!гес(ед зейаззетЫу оп (ет-
р1а(ез ГаЬпса(ед Ггот рказе-зерага(ед ппхед Ьапшшнг - В1од§ей Й1тз / 8. 'Л'агапаЬс,
Н. Кппига, Т. 8а(о, Н. 8ЫЬа(а, Р. Зака то(о, К.. Ахипи, Н. Зака!, М. АЬе, М. Ма(зито(о Ц
Еап§тшг. - 2008. - V. 24. - Р. 8735.

126. ТУа/апаЬе 8. В!гес(ед зе1Г-аззетЫу оГ §о1д папорагйс1ез апд §о1д (кт Й1тз оп ппего- апд
папорайетед (етр1а(ез ГаЬпса(ед йот ппхед рказезерага(ед Ьап^тшг - В1од§ей Й1тз /
8. \Уа(апаЬе, Н. 81пка(а, Р. 8акато(о, К. Лхппп. Н. Зака!, М. АЬе, М. Ма(зито(о // .1. Ма-
кет. Скет. - 2009. - V. 19. - Р. 6796.

127. 8а1о М. 1)1гес[ зо1-§е1 зуп(кез!з оГрайетед хйсота (кт Й1тз изт§ зеИаззетЫу Й1 рказе-
зерага(ед ппхед Еап§тшг-В1од§ей Й1тз / М. 8а(о, Н. 8к!Ьа(а, Н. Зака!, М. АЬе, М. Ма(зп-
то(о // Тгапз. Ма(ег. Кез. Зое. Зрп. - 2008. - V. 33. - Р. 111-114.

128. Ми-:ае18. Циапкип до(з аз 1к(И|д сгуз(а! дорап(з /1. Мсгхае!, М. Ке/ткоу. Т. Не§тапп И
3. Ма(ег. Скет. - 2012. - V. 22. - Р. 22350-22365.

129. 81атаЮш О. №порагйс1с8 т 1к|тд сгуз(а18 апд Идшд сгув(аШпе папорагйс1ез / О. 8(ата-
(ош, .1. Михае!, X. Реп§, Т. Не§тапп //Тор Сип Скет. - 2012. - V. 318. - Р. 33 -93.

130. 18еус1он К. А. Типт§ диатшп-до! Ьазед рко(ошс деу!се8 сукк кди!д сгуз(а1з / К. А. Р!е§доп,
8. Вес1а!г, .1. Рбгз(пег, Т. Ме!ег, Н. МайЫаз, М. ЕГгЬапзк!, Н.-8. ККхегосу, В. Кеи(ег,
А. Э. ЧЧеск, А. Еогке, С. Ме!ег // Орйсз Ехргезз. - 2010. - V. 18. - Р. 7946-7954.

131. Ко8аПеА. Ь. ОиапСпт 1)<>г Е|С|и|д Сгуз(а1 №посотрозйе8 т Р11о(отс Веуссея / А. Е. К.о-
даг(е, Р. Ссзпегоз, 3. Е. Нет, 8. Окозк, Е. 8. Низ! // Рко(ошсз. - 2015. - V. 2. - Р. 855—
864.

132. 81п^к (8. Еппззгуйу апд е1ес(гоорйса1 ргорегйез оГ зет!сопдисйп§ дцапшт до(8 / годе апд
Идшд сгуз(а1 сотрозйез: а геу|с\у / О. 8т§к, М. Изск, 8 Кшпаг // Кер. Рго§. Ркуз. -
2016.-Р. 79056502.
133. Китаг А. Еп1гапст§ Ле рЬо(о1иттезсепсе оГ Геггое1ес(пс Ицшй сгуз(а1 Ьу йорт§ ххчгН
2п8 циапЛт йо(8 / А. Китаг, .1. РгаказЬ, А. В. ВезктикЬ, В. НагапаЛ, Р ЗИойа, А. М. Вь
гайаг//АррНей РЬузгсз Ьейегз. - 2012. - V. 100.-Р. 134101.

134. СкепЬ.-З. Ап орйсаИу зГаЫе апй ШпаЫе циапгшп йог папосгу8Га1етЬеййей сЬо1ез(епс Нс|-
шй сгуз(а1 сотрозйе 1азег Сйе (Ыз /Т.,4. СЬеп, .1.-1) Ып, С.-К.. Ьее //Л Ма(ег. СЬет. С. -
2014.-V. 2.-Р. 4388 4394.

135. 8ип 3. ТЬеогейса! яйгйу оГЬ§апй апй зок'сгн еВсск оп орйса! ргорегйез апй з(аЬШйез о Г
Сй8е папос1из(егз / .1. 8ип, X. 2Ьеп§, Н. Не, X. СЬеп, В. Воп§, К.. Ре! // ,1оигпа1 оГМо1еси1аг
8(п1с(иге.-2016. — V. 1114.-Р. 123-131.

136. Лее 3. К. I. Ы§апй-Мей!а1ей МойШсайоп оГ Ле Е1есйотс ЗйисЛге оГ Сй8е РиапГит
Во(з / .1. К.. I. Ьее, Н. В. ХУЫЙеу, К. XV. Меи1епЬег§, А. \Хо1соп, .1. X. 2йап§, В. Ргепйег§аз(,
В. В. Ьоут§оой, О. Р. Зйоизе, Т. О§1(зи, Е. 8сЫуе§1ег, Ъ. .1. ТегттеПо, Т, уап Виигеп //
Капо Ьей. - 2012. - V. 12. - Р. 2763-2767.

137. Заггюа1а О. е1 а1. СагЬоп папота(епа1з Гог ексйотсб, ор(ое1ес(гоп!сз, рЬо(оуо1(а!сз, апй
8еп81п§. СЬет. 8ос. Кеу. 42. - 2824-2860 (2013).

138. Сао О. е! ак СагЬоп папошЬе Ггапз18(ог8 зса1ей (о а 40-папотегег Гоо(рпп(. 8с!епсе 356. -
1369-1372 (2017).

139. Зозк! 3.. РагкегА- С., Нзи С. А- СагЬоп папоЛЬе согйса! пеигоп ууйЬ зр!ке-йт 1 п^-йерепй-
епс р1азйсйу. 1п Ргос. 2009 Аппиа! 1п(етайопа1 СопГегепсе оГ Ле ШЕЕ Еп§теепп§ т
МеЛсте апйВю1о§у 8ос!с1у 1651-1654 (ШЕЕ, 2009).

140. Зкикакег М. М. е1 ак. ТЬгее-йнпепзюпа! т!е§гайоп оГ папо(есЬпо1о§!ез Гог сотрийп§ апй
йа(а з(ога§е оп а зт§1е сЫр. Макиге 547. - 74-78 (2017).

141. Ют 8.. Уооп 3., Ют Н. О., Скт 8.-3. СагЬоп папоЛЬе зупарйс йапегзТог пейуогк Гог ра(-
(ет гесо§шйоп. АС8 Арр1. Ма(ег. 1п(ег. 7. - 25479-25486 (2015).

142. 8кеп А. М. е1 ак Апа1о§ пеиготогрЫс тойи1е Ьазей оп сагЬоп папоЛЬе зупарзез. АС8
И апо 7. -6117-6122 (2013).

143. Ют К. е1 а!. А сагЬоп папоЛЬе зупарзе \уйЬ йупапис 1о§!с апй 1еагпт§. Айу. Ма(ег. 25. -
1693-1698 (2013).

144. Геп% Р. е1 ак Рптей пеиготогрЫс йехчссз Ьазей оп рпп(ей сагЬоп папоЛЬе (Ып-Шт йап-
818(018. Айу. Рипой Ма(ег. 27. - 1604447 (2017).

145. !)апехк С- О. е1 ак Зупарйс гез!з(ог8 Гог сопсиггепГ тГегепсе апй 1еагпт§ ауйЬ Ы§Ь епег§у
еГГкйепсу. Айу. Ма(ег. 31. 1808032 (2019).

146. Запскег ЕзциеЗа I. е! а/. АН§пей сагЬоп папоЛЬе зупарйс йапзгзЛгз Гог 1агее-зса1е пеиго-
тогрЫс сотрийп§. АС8 Капо 12. - 7352-7361 (2018).

147. Затзкап V. К. е1 ак Ми1й-(еппта1 тетйапзхзЫгз Ггот ро1усгу8(аШпе топо1ауег то1уЬ-
йепит ЛзиШйе. Ка(иге 554. - 500-504 (2018).

148. МИапо О. е1 ак 8е1Г-Нтйей 8т§1е папомаге зуз^етз сотЫшп§ аШп-опе тетпзйуе апй
пеиготогрЫс ГипсйопаНйез. Ка(. Соттип. 9. 5151 (2018).

149. Ноп^О 8.. Скеп У. 8. 8ип./ К., 8кеп В. О. Тетагу зупарос р1азйсйу апзт§ Ггот тетй1-
ойе ЬеЬауюг оГТЮх зт§1е папохуйез. Айу. Е1ес. Ма(ег. 2. 1500359 (2016).

150. О’КеНу С. 3. е1 а1. Аззотайуе епЬапсетеп! оГ йте согге1а(ей гезропзе (о Ье(его§епеоиз
зйтий т а пеиготогрЫс папохмге Йехчсе. Айу. Е1ес. МаГег. 2. 1500458 (2016).

151. Х» №.. Мт 8.-У., Нкап^Н.. Ьее Оплате соге-зйеаЛ папогейе аП1ЙС1а1 зупарзез 1У1Л
Гет(о)ои1е епег§у еопзитрйоп. ЗсГ Айу. 2. е1501326 (2016).

152. ЗкаЫик 3. М., Висккеу 8. М., М/пп К. Р, Мат 8. №. 8ирегсопйисйп§ ор(ое1ес(готс сй-
сийз Гог пеиготогрЫс сотрийп§. РЬуз. Кеу. Арр1. 7. 034013 (2017).

153. Уап с1е Виг^1 У. е1 ак Ог§атс е1есйоЫсз Гог пеиготогрЫс сотрийп^. Как Е1есйоп 1. -
386-397 (2018).

154. Кп’пау 3. е1 ак Ог§атс ексйосЬетгса! йапзгзЛгз. Кай Кеу. Ма(ег. 3. - 17086 (2018).

155. №азег К., ОШтапп К., 81шко\’ (3., 8го1 К. Кейох-Ьазей гез!з(!уе зууйсЫп§ тетопез -
Капоюшс тесЬашзтз, ргозреск апй сЬа11еп§ез. Айу. Ма(ег. 21. - 2632-2663 (2009).
156. Ско В. е1 а/. Ог§ашс гез1з(1уе тетогу йехчссз: Регйогтапсе епйапсетеп!, т1е§гайоп, апс!
айуапсей агсЬйесЫгез. Лйу. Рипсй Магег. 21. - 2806-2829 (2011).

157. АкИепеуХ. В., 8и1огепко А., ТеппапЮ. М.. ОгеШ К. А. С11ет1са1 тосййсайоп ой [Не е1ес-
йотс сопйисйп§ 8(а1е8 т ро1утег папос1еу|се8. Кай Капо(ес1то1. 2. - 237-242 (2007).

158. Л К е/ а1. Р1ех1Ые апй [\у1зГаЫс поп-уо1ай1е тетогу се11 аггау хуйИ а11-ог§атс опе йюйе -
опе ге818[ог агсНйесГше. Кай Соттип. 4.2707 (2013).

159. .Ла/ О. е1 а/. 1оЫс/е1ес(гоЫс ЬуЬпй та(епа1з т(е§га(ей Ы а зупарйс (гапз1з(ог хуйй зщпа!
ргосе881п§ апй 1еатт§ йипсйопз. Лйу. Ма(ег. 22. - 2448-2453 (2010).

160. Ри11ег Е. А. е! а1. Ы-юп зупарйс (гапз18(ог йог 1о\у рохуег апа1о§ сотрийп§. Аду. Ма1ег. 29.
1604310(2017).

161. Уап Ле Виг# У. е1 а/. А поп-уо1ай1е ог§аЫс е1есйосЬет1са1 йеуке аз а I <>\у-у<>1 [а<хе агййаа!
зупарзе Гог пеиготогрЫс сотрийп§. Кай Ма(ег. 16. 414 418 (2017).

162. Ри11ег Е. А. е1 ак Рага11е1 рго§гатт:п§ ой ап 10111с йоайп§-§а(е тетогу аггау йог зса1аЫе
пеиготогрЫс сотрийп§. ЗЫепсе 364. - 570-574 (2019).

163. Сгкоир'икеп'и Р. е1 а1. ОпеЫайоп зе1есйуйу т а таЙ1-ца(ей ог§ашс е1ес(гос11епйса1 (гапз1з-
(ог. 8сй Кер. 6. 27007 (2016).

164. СкоириРетз Р., КоиГчиига^ И. А., МаШагая О. С. КеиготогрЫс йехасе агсЫ1ес1игез \хй11
§1оЪа1 с<>Г|Пес11УЙу (Ьгои§Ь е1есйо1у(е §айп§. Кай Соттип. 8. 15448 (2017).

165. Аагта1а О. е1 а/. Етег§т§ <1еу1се аррНсагюпз йог зеппсопйисйп§ [хуо-й1тепх1опа1 йапзь
йоп те(а1 й1сЬа1со§ешйез. АС8 Капо 8. - 1102-1120 (2014).

166. 8ап§мап V. К., Негзат М. С- Е1есйоЫс йапзрой т (хуо-йппепзюпа! та(ег1а1з. Аппи. Кеу.
РЬуз. СЬет. 69.-299-325 (2018),

167. Са.ч1т Хе1о А. Н. е1 а1. Т11е е1ес(гошс ргорегйез ой §гарЬепе. Кеу. Мой. Р11уз. 81. - 109—
162 (2009).

168. Сгн^опеуа. I. V., (Зепп А. К. Уап йег \\'аа1з НеНегозГгисшгез. Ка1иге 499. - 419 425 (2013).

169. Кип М. е! ак. Хего^зЫйс рохуег гайю-йгедиепсу зхуйсЬез Ьазей оп Мо82 а(отпз(огз. Кай
Соттип. 9.-2524 (2018).

170. (Зе В. е( а1. А1отпз1ог: Копуо1ай1е гез1з(апсе зхуйсЫп§ т аТопйс зЬее(з ой йапзйюп те(а1
й1с11а1со§еЫйез. Капо Йей. 18. 434 441 (2018),

171. ТУап§ М. е! а1. КоЬиз! тетпз1огз Ьазей оп 1ауегей (хуо-йтгепзюпа! та(епа1з. Кай Е1есй
1.- 130-136(2018).

172. Хи К. е1 а1. Уегйса! Мо82 йоиЫейауег тетпзйог хейй е1есйосЬепйса1 тейШхайоп аз ап
а(от1с-зса1е зупарзе «ЫЬ зууйсЫп§ 1ЫезЬо1йз арргоасЫп§ 100 т V. Капо Ьей. 19. — 2411—
2417(2019).

173. Рап С. е< а1. Соех1з(епсе ой§гаЫ-Ьоипйапез-а881з(ей Ыро1аг апй [ЬгезЬоШ гез18Йуе з\уйсН-
т§ т тиИПауег Ьеха§опа1 Ьогоп пйпйе. Айу. Рипс1. МаГег. 27. - 1604811 (2017).

174. 5/г/ У. е( а1. Е1есйошс зупарзез тайе ой1ауегей Г\ео-й|теп81опа1 та«епа1в. Кай Е1есй 1. -
458 465 (2018).

175. Пап Н. е1 а1. ОгарЬепе йупаппс зупарзе хейН тойи1а1аЫе р1азйсИу. Капо Ьей. 15.-8013—
8019 (2015).

176. ТРап§Е. е1 а1. СопйоПаЫе ти1йр1е йергеззюп т а §гарЬепе ох!йе агййЫа! зупарзе. Айу.
Е1ес. Ма(ег. 3. - 1600244 (2017).

177. УУап С. А. е1 а/. Р1ех1Ые те(а1 ох!йе / §гар!гепе ох1йе ЬуЬпй пеиготогрЫс Йапз1з1огз оп
Яех1Ые сопйисйп§ §гарЬепе зиЬзйайз. Айу. Ма(ег. 28. - 5878-5885 (2016),

178. ЗкагЬаИ М. Т. е1 а1. йо\у-ро\уег, е1ес1гос1гегшса11у ШпаЫе §гар!гете зупарзез йог пеиго-
тогрЫс сотрийп§. Айу. Ма1?г. 30. - 1802353 (2018).

179. /-!шо X. е! а1. Вгеакт§ (Ье сиггеп(-ге(епйоп йПетта т сайоп-Ьазей гезхзйуе зшйсЫп§ йе-
у1сез ий117Ы§ §гарЬепе ууйЬ сопГгоПей йейес(з. Айу. Ма(ег. 30. - 1705193 (2018).

180. Рее 8. е1 а1. Ме(а1 ох1йе-гез1зйуе тетогу изт§ §гарЬепе-ей§е е1есйойез. Ка(. Соттип. 6. -
8407 (2015).
181. У/ 8.-0. е1 ак Агййсса! зупарйс ети1а!огз Нанес! оп Мо82 йазй тетогу с1е\чсез \уй1с <1оиЫе
йоайп§ §а!ез. АС8 Арр1. Ма1ег. 1пгсг. 10. - 31480-31487 (2018).

182. Ачгш К. А. е1 а1. 8упег§1зйс §айп§ оГ е1есйо-1опо-рйо1оасйуе 2В-сйа1со§еп1де пеипз(огз:
Соех181епсе оГНеЬЫап апд 1ютеоз1айс зупарйс те(ар1азйсйу. Аду. Ма1ег. 30. - 1800220
(2018).

183. Лап% А. е1 ак 2!)-Мо82 пеиготогрЫс деуссез Гог Ьгат-Нке сотрЫайопа! зузСетз. 8та11
13.- 1700933 (2017).

184. Ато1А А. А. е! ак МнЫскт§ пеигойапзтсйег ге1еазе т сйепйса! зупарзез уса йуз1егезсз
еп§теепп5 т Мо82 йапзсзйгз. АС8 Капо 11.-3110-3118 (2017).

185. Скеп М. е1 а/. АЬпоппа! ти1йр1е сйаг§е тетогу з!а(ез и» ехГо1са1ед Ге\у-1аусг \\'8с2 йап-
8181ог8. АС8 Капо 11. - 1091-1102 (2017).

186. Не О. е! ак ТйегтаПу аззсз(ед попуо1ай1е тетогу т топо1ауег Мо82 йапзсзйгз. Капо
Ьей. 16.-6445-6451 (2016).

187. Пап Н. е1 а]. Апсзойорсс Ыаск рйозрйогиз зупарйс деуссе Гог пеиготогрЫс аррНсайопз.
Аду. Ма(ег. 28. - 4991 4997 (2016).

188. Веи 8., ВоМа А., Вах 8. А Ыотстейс 2В-йапзсз1ог Гог аидютогрЫс сотрийп§. Кай
Сотпшп. 10. - 3450 (2019).

189. Вауа1 Р. М. е1 а/. 1тр1етеп1айоп оГтиЙНауег регсерйоп пейуогксуйй Ы§Ыу ипсГогт раз-
зсуе спесппзйуе сгоззЬаг ссгсийз. Кай Соттип. 9.-2331 (2018).

190. Запутал V. К., Ьее Н.-8., Негхат М. С. ОаСе-йтаЫе тетпзГогз Ггот топо1ауег Мо8з.
1п Ргос. 2017 1ЕЕЕ ГЫетайопа! Е1есйоп Веуссез Меейп§ 5.1.1-514 (ГЕЕЕ, 2017).

191. .1ас1у.чх?<:хак А. е1 а1 КеиготогрЫс Мо8з спеспйапзсзйгз ГаЪпса1ед Ьу 1осаНхед ЬеИшп юп
Ьеат птадсаНоп. АС8 Капо 13. - 14262-14273 (2019).

192. А/р X. е1 ак Коот (етрегаШге 2В-спетпзЙуе йапзсз(ог \уйЬ орйса! зйогМегт р1азйсйу.
1п Ргос. 2017 1ЕЕЕ ГЫетайопа! Е1есйоп Веуссез Меейп§ 5.3.1-534 (ГЕЕЕ, 2017).

193. 81алА1еу В. е1 ак Огарйепе-Ъазед а(отсс-зса!е зсуйсйез. Капо Ьей. 8. - 3345-3349 (2008).

194. 8агка1 8. О. е1 ак 8саНп§ Итйз оГ §гарйепе папое1есйодез. Капо Ьей. 17. - 3688-3693
(2017).

195. УозкиАа М. е1 ак Метпзйуе рйазе зууйсЫп§ т Нуо-дстепзсопа! 1Т-Та82 сгуз1а1з. 8сс.
Аду. 1.- 1500606 (2015).

196. Тита Т. е1 ак 81осйазйс рйазе-сйап§е пеигопз. КаГ. КапоГесЫюк 11. - 693-699 (2016).

19 7.2киА’., ЫВ.. Ыап^Х., Ьи №. В. 1оЫс тодЫайопапд юте соирйп§еГГес!з тМо82 деуссез
Гог пеиготогрЫс сотрийп§. Кай Ма1ег. 18. - 141-148 (2018).

19 8.7,ки А. е( ак 1оп §а1ед зупарйс йапзсзйгз Ьазед оп 2В уап дег \\'аа1н сгуз1а1з сусЙс йтаЫе
дсГГизсуе дупатссз. Аду. МаГег. 30. - 1800195 (2018).

199. 7.кап;е Р. е1 а1. Е1ес1пс-йе1д тдисед з1гис!ига1 Йапзйюп т уегйса! МоТе2- апд Мо1-
х\УхТе2-Ьазед гезезйуе тетопез. Кай Ма1ег. 18. - 55—61 (2019).

200. Кап^ А., 8ап^»’ап К К., №ооА А. В., Негхат М. С- ЗоЫйоп-Ьазед ргосеззт§ оГ топодез-
регзе Г\уо-д|теп81опа1 папота!епа1з. Асе. Сйет. Кез. 50. - 943-951 (2017).

201. С'кепу Р 8ип К., Ни У. Н. Метпзйуе Ьейауюг апд 1деа1 тетпзГог оГ 1Т рйазе Мо8е
папозйее(з. Капо Ьей. 16. - 572-576 (2016).

202. Веххопох’ А. А. е! а/, йауегед тетпзйуе апд тетсараЫйуе зууйейез Гог рппгаЫе е1есйоп-
1сз. Кай Ма1ег. 14. - 199-204 (2015).

203. Ник №. е1 а1. Зупарйс Ьагпз1ог Ьазед оп рйазе-еп§теегед 2В 11е1егоз1гис1игез. Аду. Ма1ег.
30.- 1801447 (2018).

204. Пап Н. е1 ак Ети1айп§ Ы1т§иа1 зупарйс гезропзе изт§ а (ипсйоп-Ьазед агййсса! зупарйс
деуке. АС8 Капо 11. - 7156-7163 (2017).

205. 8ап§\уап, V. К. е( а1. 8е1Г-аН§пед уап дег \\'аа1з йе!его)ипсйоп дюдез апд йапз1з(огз. Капо
Ьей. 18,- 1421-1427 (2018)7

206. Аатга1а В. е! ак НуЬпд, §а!е-йтаЫе, уап дег \\'аа1з р-п йеСего)ипсйопз Ггот реЫасепе
апд Мо82. Капо Ьей. 16. - 497-503 (2016).
207. АагтшЛа I). е1 а/. Ьаг§е-агеа, |о\\'-\,о11ацс. апйатЫро1аг йе1ето)ипсйопз Ггот зо1ийоп-рго-
сеззей зепйсопйшйогз. Ыапо Ьей. 15.-416-421 (2015).

208. Аагта1а О. е1 а! ОаСе-ШпаЫе сагЬоп папо!иЬе-Мо82 Ье1его)ипсйоп р-п й!ойе. Ргос. №Й
Асай. 8с1.148А ПО. - 18076-18080 (2013).

209. Сгеарч А. Ь.. Инго К. А. Репа Е. Ь. Оаиззгап зупарзе ЛИКз т ти!й- апй Ьурегзресйа!
ипаде йа!а апа1уз!з. ШЕЕ Тгапз. 1пе(г. Меа8. 52. - 724-732 (2003).

210. 8еЪазИап А., Раппопе А., 8иЪЪи1акзкт1 КаАкакпзкпап 8., Лаз 8. Оаизззап зупарзез Гог
ргоЪаЫНзйс пеига! псПуогкз. Пай Соттип. 10.-4199 (2019).

211. (Уапё 8. е! а1. А Мо82 Р'Г( ОЛ ЬуЬпй Ье(его)ипсйоп зупарзе »ЙЬ еГйшеп! рЬо1ое1ес!пс
йиа! тойи1айоп апй уегзаЫйу. Айу. Ма1ег. 31. - 1806227 (2018).

212. Уапр .) А., 81гикоуР. В.. 81екаг10. К. Метпзйуе йсу1саз Гог сотрийп§. 6411. Капо1есЬпо1.
8.- 13-24(2013).

2\З.РегзЫп У. V. Уеп1га М. Метогу ейёс1з т сотр1ех таГепак апй папо8са1е зузГетз.
Айу. РЬуз. 60. - 145-227 (2011).

214. 2ои X.. Ни М.. 8Ы 2., УакоЪзоп В. I. Епу1гоптеп(-соп1го11ей й!з1осайоп пй§гайоп апй зп-
регр1азйсйу т топо1ауег М082. №по ей. 15. - 3495-3500 (2015).

2(5.2као Н. е1 а/. А1опйса11у Йип Гет1о)ои1е тетпзйуе йеузсе. Айу. Ма1ег. 29. - 1703232
(2017).

216. Опо/по И., Сгстап О.. 81гаскап А. Айшпс оп§1п оГиИгаГаз! гез!з1апсе 8шйсЫп§ т па-
позса1е е1есйоте1аШхайоп се11з. \а1. Ма1ег. 14. - 440 446 (2015).

217. Ы О. е1 а1. М082 тетпзЫгз ехЫЫйп§ уапаЫе з\уйсЫп§ с11агас1ег!зйс8 1о\\агй Ыогеайзйс
зупарйс егтйайоп АС8 №по 12. - 240-9252 (2018).

218. Ут X. е1 ак Ей§е попйпеаг орйсз оп а Мо82 аЮпис топо1ауег. 8с1епсе 344. - 488-490
(2014).

219. ЗЫакег М. М. е1 ак ТЫее-й!тепз!опа11п1е§гайоп оГ папо1есЬпо1о§1ез Гог сотршт§ апй
йа(а з1огауе оп а зт§1е сЫр. Кайне 547. - 74-78 (2017).

220. Кип У. е1 ак А Ыотзрйей йехзЫе ог§атс агййсга! аГГегеп! пегуе. 8с1епсе 360. - 998-1003
(2018).

221. Зскитап С. О. ек ак А зигуеу оГпеиготогрЫс сотрийп§ апй пеига! пейуогкз т Ьагйхуаге.
РгерппГ а( Ьйрз://агх!у.ог§/аЬз/1705.06963 (2018).

222. Вгоокз К. А. 1п1еШ§епсе ауйЬоШ гергезеЫайоп. Ай. 1п1е11. 47. - 139-159 (1991).

223. СгооВ/еНож Ь, Вепёю У, СоипчЦе А. Веер ксагтпц (ТЬе МП Ргезз, 2016).

224. Ье Сип У. Веп%ю У, Н1пЮп О. Веер 1еатт§. КаШге 521. 436 444 (2015).

225. 8/гикоу О. В. (УИНатз В. 8. Еоиг-йипепзюпа! аййгезз 1оро1о§у Гог сйсийз \УЙ11 з!аскей
тЫШауег сгоззЬаг аггауз. Ргос. \а!| Асай. 8с!. 118Л 106. - 20155-20158 (2009).

226. 8отеуа Т., Вао 2.. МаШагаз С. О. ТЬе П8е оГр1азйс Ыое1ес1готсз. КаЫге 540. - 379-385
(2016).

227. Морозов А. Ю., Ревизников Д. Л., Абгаряи К. К. Вопросы реализации нейросетевых ал-
горитмов на мемристорных кроссбарах // Известия вузов. Материалы электронной тех-
ники. 2019. Т. 22. № 4. 188К11609-3577; Известия высших учебных заведений. Матери-
алы электронной техники. 2019. Т 22. № 4. - С. 272-278. ВО1: 10.17073/1609-3577-
2019-4-272-278.

228. №опё Н.-8. Р, Ьее Н.-У, Уи 8.. Скеп У.-8., №и У. Скеп Р.-8., Ьее В., Скеп Р. Т„ Тзаз М,-
7. Ме1а1-ох!йе К.КАМ // Ргосеейш§з оГЙзе ШЕЕ. 2012. V. 100. 1зз. 6. Р. 1951-1970. ВО1:
10.1109/ ШКОС.2012.2190369.

229. Уап§ А. А. 8(гикоу О. В., 81ен’аП О. К. Метпзйуе йеухсез Гог сотрийп§ // Машге \апо-
1ес1шо1о§у. 2013. V. 8. И 1. -Р. 13-24. ВО1: 10.1038/ппапо.2012.240.

230. Ы С., Ни М., Ы У, А1апёН., СеИ., Моп1ёотегу Е., 2капёА., 8опё №., ПауИаН-, Огауез С. Е.,
Ы 2., 81гаскап А. Р.. Ып Р.. Ц'апу 2., ВагпеИ М., (Уи (УПНатз К. 8., Уапё А. А., Х1а
Апа1о§ие 81§па1 апй ппа§е ргосеззт§ ууйЬ 1аг§е тетп81ог сгоззЬагз // ИаШге Е1ес1гошсз.
2018. V. 1.Ы1.-Р. 52-59. ВОТ: 10.1038/з41928-017- 0002-х.
231. Ни М., Огсп’ез С. Е., Ы С.. Ы К. Ое Н, Моп1^отегу Е., ОауИаД., Лап§Н., №НИатз К. 8..
Уап§ ./. И., Х1а О., 81гаскап ./. Р. Метпз!ог-Ьазед апа1о§ сотрЫайоп апд пеига! пейуогк
с!азз!йсайоп улЫ а <йо1 ргодис! еп§те // АсКапсес! Ма!епа!з. 2018. V. 30. 188. 9. -
Р. 1705914. ООГ: Г0.Г002/а<Гта.20Г7059Г4.

232. Тарков М. С. Реализация нейронной ЗУТА-сети на мемристорном кроссбар? // ПДМ.
Приложение, 2015.-Вып. 8. - С. 151-154. ООГ: 10.17223/2226308Х/8/59.

233. В1еЫ Р. II., Соок М. ПпзирегуГзед 1еапйп§ о!' сН§И гесо§шйоп изт§ зр!ке-йтт§-
дерепдеп! р!азйсйу // ЕгоЫ. Сотри!. Неигозс!. 2015. - V. 9. Ай. По. 99. - Р. 9. ПОР
ГО.3389/й1сот.20!5.00099.

234. АтЬго^ю 8., Ва1а1Н 8., МИо V.. СагЬот К., ТГап§ СаШегот А., Катазюату И..
1е1тт И. ПеиготогрЫс 1еагпт§ апд гесо§тйоп \уйк опе-ГгапзгзГог-опе-гезхзГог зупарзез
апд ЫзГаЫе те1а1 ох!де ККАМ // ГЕЕЕ Тгапзасйопз оп Е1есйоп Оеущез. 2016. - V. 63.
Н4.-Р. 1508-1515.001; 10.1 Ю9/ТЕО.2016.2526647.

235. Ойо Т., №иН., ОаоВ., <0шпН Ппзирегу!зед 1еатт§ оп гезгзйуе тетогу аггау Ьазед зр!к!п^
пеига! пеПуогкз // ЕгоЫ. Неигозс!. 2019. - V. 13. Ли. По. 812. ОО1: 10.3389/йппз.2019.
00812.

236. МИо V., РеВгеЫ О., НиОаЮ М., ВпсаШ А., АтЬгоз! Е., В1апсМ 8., СЫсса Е., 1е1ппт О.
Кезгзйуе з\уИсЫп§ зупарзез Гог ипзирепйзед 1еатт§ т Геед-Гопуагд апд гесиггеп! пеига!
пейуогкз // ШЕЕ ГЫетайопа! Зутрозшт оп Сйсийз апд 8уз!етз (Г8сАз). Иогепсе (Г!а!у):
ШЕЕ, 2018.-Р. 1-5.ОО1: 10.1109/18СА8.2018.8351824.

231. Рес1геШ О., В1апсЫ 8., МИо V., СаЫегот А., Катазпату №. 1е1тМ О. Моде1т§-Ъазед
дезщп оГ Ьгат-тзрйед зр!кт§ пеига! пейуогкз мййг ККАМ 1еагпт§ зупарзез // ШЕЕ Гп-
Гетайопа! Е1ес!гоп Оехчсез Меейп§ (1ЕОМ). Зап Ргашйзсо (СА, 1/8А): ГЕЕЕ, 2017. -
Р. 28.1.1-28.1.4. ООГ: 10.1 Ю9/ШОМ.2017.8268467.

238. МИо V., 1е1т1н1&., Ск1сеаЕ. АйгасГог пеГгуогкз апд аззотайуе тетопев \уй11 8ТОР 1еат-
т§ т ККАМ зупарзез // ШЕЕ ГЫетайопа! Е1ес(гоп Оеухеез Меейп§ (ГЕОМ). Зап Ргап-
азсо (СА, ГГ8А): ГЕЕЕ, 2017.-Р. 11.2.1-11.2.4. ОО1: 10.1 Ю9/ШОМ.2017.8268369.

239. И В. 8Иап У., Ни М., У., Скеп У.. Уап§ Н. Метпз 1ог Ьазед арргохппагед сотрига-

йоп // 1Ыетайопа1 Зутрозшт оп 1_о\у Рохуег Е1ес!готсз апд Оез1§п (18ЕРЕО). Вецт§
(СЫпа): ШЕЕ, 2013. - Р. 242-247. ООГ: 10.1 Ю9/Г8ЕРЕО.2013.6629302.

240. Теплое Г. С.. Горнее Е. С. Модель на языке Уеп1о§-А многоуровневого биполярного
мемристора с учетом девиаций параметров переключения // Микроэлектроника. 2019.
Т. 48. №3,-С. 163-175.001: 10.1134/80544126919030104.

241. Мого2о\' А. Уи., КеуЕткоч О. Ь. Адарйуе 1Ыегро1айоп а1§опйип Ьазед оп а кд-1гее Гог пи-
тепса! 1Ые§гайоп оГзузГетз оГогдIпагу дИТегепйа! едиайопз \уйЬ 1Ыегуа11шйа1 сотййопз //
ОйГегепйа! Едиайопз. 2018. V. 54. Н 7. - Р. 945-956. О01: 10.1134/ 80012266118070121.

2А2. Могогоу А. Уи.. КеОлтком О. Е., ОШазрох’ V. Уи. Адарйуе 1Ыегро1айоп а1§ог!1Ьт Ьазед
оп а кд-йее Гог Ле ргоЫетз оГ сйепйса! ктейсз \уйй гЫегуа! рагатеГегз // Майгетайса!
Моде!з апд СотрЫег ЗппЫайопз. 2019. - V. 11. Н 4. - Р. 622-633. ООГ: ГО.1134/
82070048219040100.

243. Могоюг А. Уи.. Ие\’1гн'1ко\: В. Ь. МодеШп§ оГ дупаппс 8уз1етз \уй1, ййегуа! рагатеГегз оп
§гарЫс ргосеззогз// Программная инженерия. 2019. Т. 10. № 2. - С. 69-76. ИО1: 10.17587/
рпп. 10.69-76.

244. Морозов А. Ю.. Ревизников Д. Л. Методы компьютерного моделирования динамиче-
ских систем с интервальными параметрами. -М.: Изд-во МАИ, 2019. - 160 с.

245. Ои1И А., Ра18. Оеер 1еагпт§ ауйй Кегаз: ппр1етеЫ пеига! пе1\уогкз \уйк Кегаз оп Тйеапо
апд ТепзогИо». ВГипш^йат; МитЬай Раск! РиЫ!зЫп§ Ыд., 2017. - 490 р.

246. МПГ8ТСНН. СКЬ: 1шрв://кега8.!о/ехатр1ез/тш8!_ спп/ (дата обращения: 01.10.2019).

247. Тгат а зппр1е деер СНП оп !йе СШАК10 зта11 ппа§ез да!азе!. ЕГКЕ: Ы!рз://кегаз.1о/ех-
атр1ез/с1Гаг10_спп/ (дата обращения: 01.10.2019).
248. Тигт^А. М. (1936). Оп сотри(аЫе питЬегз, ххчг!1 ап аррПсайоп 1о (Ье еп(зсЬе!йип§з ргоЬ-
1ет. Ргосеейт§з оГ Ле Ьопйоп Ма(Ьетайса! 8ос!е(у 42: - 230-265.

249. Тингу; А. (1948). 1п(еШ§еп( тасЫпегу. Керой, ИаНопа! Рйуягса! ЬаЬога(огу.

250. 8скгосНп%ег Е. (1992). \\Ъа1!з ЫГе? : \\'Ь11 Мтй апд Майег апд Аи(оЫо§гарЫса1 8ке(сЬез.
СатЬйй§е I!(туегзйу Ргезз.

251. НеЬЬ ОО (2002). ТЬе Ог§ашхайоп оГВеЬауюг: А НеигорзусЬо1о§!са1 ТЬеогу. РзусЬо!о§у
РГ688.

252. КозепЫаН Р. (1958). ТЬе регсерйоп: а ргоЬаЬШзйс тос!с1 Гог тГогтайоп з(ога§е апй ог-
§ашгайоп т Ле Ъгат. РзусЬо1о§!са1 1<с\че\у 65: - 386.

253. Вагкпм Н. В. (1953). 8швтайоп апй тЫЫйоп т 1Ье Гго§’з гейпа. ТЬе ,1оита1 оГРЬузю!-
о§у 119: - 69-88.

254. НиЪе!О. Н., №'1ехе1 Т. № (1959). Кесерйуе йе1йз оГзт§1е пеигопез ш (Ье са(’з 8(па(е сог-
(ех. ТЬе Зоита! оГРЬузюк>§у 148. - 574-591.

255. ТРиВгою В. (1987). ТЬе оп§та1 айарйуе пеига! пег Ъгоот-Ъа1апсег. 1п: Ргос. 1987 ШЕЕ
1п(етайопа1 Зутрозшт оп Сйсийз апй 8уз(етз. Уок 2. - Р. 351-357.

256. Мгпхку М., 8еутоиг Р. (1969). Регсерйопз. МЕГ ргезз.

257. Нор/ЕЫВ. В. (1982). №шга1 псГиогкз апй рЬуз!са1 зуз(ет8 \уйЬ етег§еп( со11есйуе сот-
рШайопа! аЫЬйез. Ргосеейт§8 оГ (Ье №йопа! Асайету оГ 8с1епсез оГ гЬе Ыпйей 8(а(ез оГ
Атенса 79.-2554-2558.

258. Вите1каг10. Е., НтЮп О. Е., №ИИатх К. В. (1986). Ееагпт§ гергезепййопз Ьу Ьаск-ргор-
а§айп§ еггогз. К'аШгс 323. - 533-536.

259. Сч'оххЬег^ 8. (1987). Сотреййуе 1еатт§: Ггот 1п1егасйуе асйуайоп 1о айарйуе гезопапсе.
Со§шйуе 8с!епсе 11. - 23-63.

260. СкиаЕ. (1971). Метп8(ог (Ье пйззтд сйспй е1етеп(. ШВЕ Тгапзасйопз оп Сйсий ТЬеогу
18.-507-519.

261. Скиа Ь. О., Кап§ 8. М. (1976). Метпзйуе йеуйез апй зуз1етз. Ргосеейт§з оГ (Ье ШЕЕ
64.-209-223.

262. МеаВ С., Согтау Е. (1980). Тпйойисйоп То \'Ь81 8уз(етз. Воз(оп, МА, Г18А: АйШзоп-
'Л'Ыеу Ьопатап РиЫ1зЬт§ Со., 1пс.

263. МеаВ С., ВхтаИ М. (1989). Апа1о§ \'Ь81 1тр1етеп(айоп оГКспга! 8уз(етз. 8рпп§ег.

264. В1епепх1оск Е. Е., СоорегЕ. К., Мито Р. О' (1982). ТЬеогу Гог (Ье Йеуе1ортеп1 оГпеигоп
зе!есйуйу: опеп(айоп зретйсйу апй Ыпоси1аг пйегасйоп т угзиа! сойех. ТЬе Гриша! оГ
Кеигозсгепсе 2. - 32 48.

265. Вагкгл’ Н. В. (1989). Опзиреппзей 1евгтп§. Меига! Сотри1айоп 1. - 295-311.

266. Ве11 А. В., 8е)ттхк1 Т. В. (1997). ТЬе тйерепйеп! сотропспв оГ па!ига1 зсепез аге ей§е
йкегз. Утзюп КезеагсЬ 37. - 3327-3338.

267. Нууаппеп А.. О/а Е. (1997). А Газ! йхей-ройй а!§огйЬт Гог тйерепйеп! сотропеп! апа1у-
818. Кенга! СотрШайоп 9. - 1483-1492.

268. Сотоп Р. (1994) 1пйерепйеп1 сотропеп! апа1у818, а пс\у сопсер!? 81§па1 Ргосеззт^ 36. -
287-314.

269. 8ско1кор/, 8тапВ Р. Уортик V., 8то1а А. В. (1997). 1тргоут§ Й1е ассигасу апй зреей оГ
зиррой уес(ог тасЫпез. Айуапсез т \еша! 1пГоппайоп Ргосе5зт§ 8уз(етз 9. - 375-381.

270. Ми^еп! А., Кепуоп О.. Рог1егВ. (2004). Опзирегугзей айар(айоп (о !тргоуе ГаиЬ 1о1егапсе
оГ пеига! пе(\уогк с!а8з!йег8. 1п: Ргос. 2004 ШЕЕ КА8А / ОоО СопГегепсе оп Еуо!уаЫе
Нагйхуаге. - Р. 146-149.

П\.Ми^еп1 М. А., Рог1ег В.. Кепуоп (В. Т. (2008). КеИаЫе сотрийп§ \уйЬ ипгеЬаЫе сотро-
пеп(з: изт§ зерагаЫе епуйоптепй (о 8(аЫ1!хе 1оп§-(егт тГогтайоп з(ога§е. РЬузка В:
КопНпеаг РЬспотепа 237. - 1196-1206.

272. Ки^еп! А. (2008). Р1азйсйу-тйисей зе1Г-ог§ат7т§ папо(ес1то1о§у Гог (Ье ехйасйоп оГ т-
йерепйеп( сотропеп(з Ггот а йа(а з(геат. I !8 Ра(еп( 7. - 409, 375.

273. А. (2008). Цтуегза! 1о§т §а(е ийЬг!п§ папо(есЬпо1о§у. 178 Ра(еп( 7. - 420, 396.
274. Хицепк А. (2009). Мейюйо1о§у Гог Йге сопй§игайоп апй герай оГ ипгейаЫе зхуйсЫп§ е!е-
теп1з. 178 Ра1еп1 7. - 599, 895.

275. В.. Р!скеП М. О.. ЫХ., ОЫЬег%О А., 81екаП Б. К. е1. ак. (2008). Метпзйуе згуй-

сЫпд тесйатзт Гог тега!охк!с / тега! папойеугсез. 13аШге 19апо1ес1то1о§у 3. - 429-433.

276. Зтскег Сг. 8. (2008). 8р1ке-йтт§-йерепйеп1 1еагпт§ т тетпзйуе папойеугсез. 1п: Ргос.
2008 ШЕЕ Ьйегпайопа! Зутрозшт оп Кап<>8са1е АгсййесШгез (МАМОАКСН). - Рр 85-
92.

277. 81еюаг! О. К . ОМЬег^ О. А. А. Веек Р. А., Скеп У.. №11Нат! К. 8. е! а1. (2004). Мо1еси1е-
тйерепйеп! е1ес1пса! згуйсЫп§ т Р( / ог§ашс топо!ауег/Т1 йеугсез. Капо Ьейегз 4. - 133-
136.

278. Ко21ск1 М. X., Скора1ап С., Ва!акгРкпап М., МИкоуа М. (2006). А 1о\у-ро\уег попуо1а111е
зхуйс1ш1§ е1етеп1 Ьазей оп соррег-1ип§з(еп ох!йе зо1!с! е1есйо1у(е. ШЕЕ Тгапзасйопз оп
Капо1ес11по1оау 5. - 535-544.

279. 8зо1 К., 8ре1ег №.. В1Ытауег С., №ахег К. (2006). 8гуйсЫп§ (11 е е1ес!пса1 гезгзГапсе оГш-
йгугйиа! Й1з1осайопз т 8т§1е-сгуз(аШпе ЗгТЮз. Кашгс Ма(епа1з 5. - 312-320.

280. Е)ап§ К., Ьее О., Х!ап§ №., Ок 8., 8еоп^ О. е! а1. (2007). КергойисгЫе 11уз1егез18 апй гезгз-
йуе згуйсЫщ; 1п те1а1-СихО-те!а1ЬеГегозйисйпез. Аррйей РЬузгсз Ьейегз 90. - 042107.

281. ТзиЪоисЫ К., ОккиЬо к., К.игт%аз1пга Н., Озкипа М., Макзитоко У. е! а1. (2007). Ей§11-
Йггои§1григ сЬагас1епхайоп оГ тега! е1есггос1е регГогтапсе Гог с1ес1г1с-йек1-1пс1псес1 ге-
818(апсе з\уйсЫп§ т 1пе1а1/Рг0.7СаО.ЗМпОЗ/те1а1 зйисШгез. Лйеапсей Ма1епа1з 19. -
1711-1713.

282. ОЫеа А. 8., ТгтПзта А., Мооге О., СатрЪеП К. А. (2010). Зйусг с11а1соцетс1е Ьазей
тетпзГог с1е\'1сех. 1п: Ргос. 2010 ШЕЕ 1п(етайопа1 йот! СопГегепсе оп Кенга! Мейуогкз
(ПСМЫ). -Р. 1-3.

283. Уап§ У, Вкегцкап Р.. Ьи №. (2012). Сотр1етеп1агу гезгзйуе згуйсЫп§ т 1аша1ит ох!<1е-
Ьазей гезгзйуе тетогу с1еу!сез. Аррйей РЬун1с5 Гейегх 100. - 203112.

284. Уа!оу к. КоКск! М. X. (2013). Сайоп-Ьазей гез1з1апсе с1гап§е тетогу // Зонта! оГРйузйз
В: Аррйей Рйузйз 46. - 074005.

285. Назе^апа Т.. ХауакА., Окою Т., ТегаЬеК., Тзипюка Т. екак (2011). Метпзйуе орегайопз
с!етоп- зйа1ей Ьу §ар-1уре а(от!с згуйейез. Аррйей Рйузгсз А 102. - 811-815.

286. Васкзоп В. Ь йуеп&ап В . Соггаско О. 8., Вгег^зск М., Вшт О. №. е1 ак (2013). Ка-
по8са1е е1есйотс зупарзез изт§ рЬазе сЬап§е с!еу!сс8. АСМ ,1ошпа1 оп Етег§т§ Тес11-
по1о§1ев т Сотрийп§ 8уз1ет8 (ШТС) 9. - 12.

287. Ско1 8., АтЬго^ю 8., Ва1сМ 8., ХагсН Р., 1е1тт10. (2012). Кез181апсе йпй тос!е1 Гог соп-
<1исЙуе-Ьп<1§е (СВ) КАМ Ьу Г11атеп( зшТасе ге1ахайоп. 1п: Ргос. 2012 ШЕЕ 4Й11п1егпа-
йопа! Метогу \Уогкз1юр (1М\У). - Р. 1-4,

288. Рию Я. Е., Вок! Ь. №., МсОопаШX, №ухоск> В., Когн’ОоАР. е1 а1. (2010). СотрасГ тейюй
Гог той- ейп§ апй зшпйайоп оГ тетпз1ог <1еу1се8: юп сопс!ис1ог сйа1со§ет<1е-Ьазей
тетпз(ог с!еу!ссз. 1п. Ргос. 2010 ШЕЕ / АСМ 1п1етайопа1 Зутрозшт оп \апозса1е Аг-
сЫ1ес!игез (ЯАЫОАКСН). - Р. 19.

289. Мепхе18., ВоИ^ег V, №азег К. (2012). 81ти1айоп оГти1й1еуе18\уНсЬт§ т е1есйос11ет1са1
тегаШхайоп тетогу се11з // .1оигпа1 оГЛррИес! Рйузшз 111. - 014501.

290. Скап§ Т., Во 8. Н., К!т К. Н., 8кег!с1ап Р., ОаЪа 8. е1 ак (2011). Зупарйс Ьейауюгз апй
тойейп§ оГа те1а1 ох!йе тетпзйуе йсхчсс. Аррйей Рйузшз А 102. - 857-863.

291. ЗкепВап Р.. Кт К. Ек., Скака 8., Скап^ Т., Скеп Ь. е1 ак (2011). Неуке апй 8Р1СЕ тойе1-
т§ оГККАМ йеукез. Капозса1е 3. - 3833-3840.

292. Вю1ек О , В!о1ек 1. В1о1коуа V. (2009). 8Р1СЕ тойеНп^ оГ тетпзйуе, тетсарасйайуе
апй теттйиейуе зуз(етз. 1п: Ргос. 2009 ШЕЕ Еигореап СопГегепсе оп Сйсий ТЬеогу апй
Оез1§п (ЕССТП). - Р. 249-252.

293. Скапз Т., Во 8. Ек., Ьи №. (2011). ЗйогМепп тетогу го 1оп§-1епп тетогу йапзйюп т а
папозса1е тетпзйг. АС8 Мапо 5. - 7669 7676.
294. Мегпкк-Вауак Р., Вкоигакг 8. В.. А]гакоП1. Е. Р. (2010). ВоШепеск оГиз!п§ зт§1е тетпз-
(<>г аз а зупарзе апд Из зоЫйоп. Ргерпп! аг Жу: сз.КЕ / 1008.3450.

29 5.,/о 5. Н„ С1шп%Т., ЕЬоп^Е, ВкасМуаВ. В., МагшпАег Р. е1ак. (2010). К’апозсак тетпз!ог
йеуке а8 зупарзе т пеиготогрЫс зуз!етз. |Чап<> Еейегз 10. - 1297-1301.

296. ! кахеуал’а Т., Окно Т., ТегаЪе К., Тзигиока Т„ Ыакауата Т. еГ ак (2010). Ьеагпт^ аЫййез
асЫеуей Ьу а зт§1е зо1 к1-з!а!с аЫпис зууйсй. Лйуапсес! Ма!епа1з 22. - 1831-1834.

297. Ы К, 2коп§ К, Хи Ь., 2кан§ Хи X. е! ак (2013). ЫЫаГаз! зупарйс суспв т а сЬа1со-
§еЫйе тетпзЫг. Зсгепййс Керойз 3 йог 10.1038/згер. - 01619.

298. Мегпкк-Вауа!' Р.. Зкоигакг 8. В. (2011). Метпз!огЬазей сйсийз Гог регГогтпщ Ьазгс агйЬ-
тейс орегайопз. РгосесИа СотрЫег 8с!епсе 3. - 128-132.

299. Мегпкк-Вауа1 Р., 81юигак18. В. (2013). Метпзйуе пеиго-йгхху зуз1ет. 1ЕЕЕ Тгапзасйопз
оп СуЬегпейсз 43. - 269-285.

300. МогаЫко Р. С., АшАгеои А. (8., СМсса Е. (2013). КеиготогрЫс еп§теепп§: Ггот пеига!
зуз1етз 1о Ьгат-Ике еп§теегей зуз!етз. Хейга! Кспсогкз 45. - 1-3.

ЗОЕЛ /Ыго М.. 8иск О. (2011). МетпзЫгз сап Йпр1етеп! (изху 1о§!с. ргерпп! агХЫ сз.ЕТ/
1110.2074.

302. КИто М., 8иск О. (2012). Рихху сотриГег агсййесГиге Ьазей оп тетпЯог сйсийз. Ы: Ргос.
2012 401 1п1егпайопа1 СопГегепсе оп РиЫге Сотри1айопа1 ТесЬпо1о§1ез апд Аррйса-
йопз. - Р. 84-87.

303. Камекек О., Л1-8аганк 8., Ско К. К.. Езкга^ккап К., АЬЪоП О (2012). Ап апа1уйса1 ар-
ргоасЬ &г тетпзйуе папоагсЬйесЫгез. ШЕЕ Тгапзасйопз оп Капо!ес1то1о§у 11. - 374-
385.

304. Вохегш К., Ыпп Е., Хгекеп В., Ки^е1ег С. Вгисккаиз К. е/ ак (2011). 1п!е§га!ей сотр1е-
тепГагу гезгзйуе зхуйсйез Гог разз!уе Ы§Ь-йепзйу папосгоззЬаг аггауз. ШЕЕ Е1есГгоп 1)е-
у!се Еейегз 32. - 191-193.

305. Ют К. Н., Скака 8., Хкеекег О.. Сгиг-АПтескк А. М., Ннззат Т. е1 а1. (2011). А йтсйопа!
ЬуЬпй тетпз1ог сгоззЬаг-аггау / СМО8 зуз1ет Гог <1а[а з(ога§е апй пеиготогрЫс аррйса-
йопз. №по Еейегз 12. - 389-395.

306. Ао 8. Н., К1т К. Н., Ьи Нк (2009). НщЬ-йепзйу сгоззЬаг аггауз Ьазей оп а 81 тетпзйуе
зуз1ет. Капо Еейегз 9. - 870-874.

307. А/о КоЫпеП И'., СитЫе М. IV.. Вапег^ее X.. СагсИпак Т. А. ек ак (2009). Метпз(ог-
СМО8 ЬуЬпй т(е§га!ей сйсийз Гог гесопГ1§игаЫе 1о§!с. Капо Еейегз 9. - 3640-3645.

308. Зкгикоу Е. В.. 81еи’агк И. В., Вог&ЪекИ А.. Ю X.. РкскеЦ М. е! ак (2010). НуЬпй СМО8 /
тетпзГог йгеийз. Ы: Ргос. 2010 ШЕЕ Ьйегпайопа! Зутрозшт оп Сйсийз апй 8уз1етз
(18СА8).-Р. 1967-1970.

309. 8т<1ег О. (2011). 1пз1аг апй опЫаг 1еагпт§ \уй1г тетпзйуе папойеукез. Капо(ес1то1о§у
22.015201.

310. Тйотаз А. (2013). Метпз(ог-Ьазей пеига! пейуогкз. йоигпа! оГРЬузкз В: АррЬей РЬуз!сз
46: 093001.

311 кпАп’еп О., Ыпагез-Ваггапсо В., Ье§епз1е1п К., ОеИ^еог^гз С., РгоАгатакВ Т. (2013). 1п-
(е§гайоп оГпапозса1е тетпзГог зупарзез т пеиготогрЫс сотрийп§ агсЫГесЫгез. Ргерпп!
агХ!у сз. ЕТ/ 1302.7007.

312. Мкскаек А1ехап<Аег Хи^епк. Ттокку №ез1еу Мокег. АНаН Сотрийп§ Ргот МегазгаЫе
Згуйсйез (о АйгасТогз 1о МасЫпе 1_еагпй1§; РиЬйзйей: РеЬгиагу 10. - 2014. Ы1рз://йо1.ог§/
10.1371/(оита1.ропе.0085175.
Глава 6

МАГНОНИКА - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ,
МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА

6.1. Теоретические основь: магноники

Магноника - раздел квантовой электроники, занимающийся изучением
магнонного переноса энергии или информации в твердотельных веществах, и
соответствующая инженерная область. В устройствах магноники, в отличие от
устройств обычной электроники, энергию или информацию переносит не
электрический ток, а ток магнонов. Преимуществом спиновых волн является
их на порядки меньшая длина при той же частоте, чем у световых волн.

Магноны - кванты спиновых волн, распространяющиеся в магнитных
материалах с длинами волн нанометрового масштаба и несущие информацию
в виде углового момента, которые могут быть использованы в качестве носи-
телей информации в системах обработки информации следующего поколения
с низким энергопотреблением. В частности, искусственные магнитные мате-
риалы с периодически изменяющимися в пространстве свойствами, известные
как «магнонные кристаллы», наиболее перспективны для организации управ-
ления магнонными токами. Известно уже множество различных теоретиче-
ских подходов к реализации статических, реконфигурируемых и динамиче-
ских магнонных систем различного назначения, в частности - использованию
магнонных кристаллов для обработки аналоговой и цифровой информации.

В основу этого раздела положены материалы фундаментальной рабо-
ты [1], посвященной системному анализу основных результатов исследований
в области магнонных кристаллов, в том числе полученных авторами в течение
последнего десятилетия. Особое внимание здесь уделено применению магнон-
ных кристаллов для обработки данных в современных и перспективных ин-
формационных технологиях. В этой работе также приведены ссылки на другие
аналогичные обзоры, посвященные различным важным аспектам теории и
практики создания магнонных кристаллов, а именно - исследованиям дина-
мики спиновых волн в периодических структурах для микроволновых приме-
нений [2, 3], исследования светорассеяния плоских металлических магнонных
кристаллов [4], микромагнитное компьютерное моделирование широтно-мо-
дулированных волноводов [5], интересные фотомагнонические аспекты иссле-
дований антидотных решеток [6], теоретические исследования одномерных
мономодовых волноводов [7] и реконфигурируемых магнонных кристал-
лов [8]. Следует отметить, что результаты, представленные в обзоре [1], были
частично ранее представлены в обзорах УЮта^потсз [9] и Ма^попзрпйготсз
[10], а также в главах книг о динамических магнонических кристаллах [11] и
магнонной спинтронике [12].
Статья [1] организована следующим образом, во вступительном разделе
авторы представляют особенности магнонной спинтроники и роль в ней маг-
нонных кристаллов. Следующий раздел 2 посвящен описанию основных
свойств спиновых волн в тонких плоских пленках и волноводах, магнитным
материалам, а также методам возбуждения и детектирования спиновых волн.
Разделы 3 и 4 посвящены изучению физических явлений, происходящих в ста-
тических и динамических магнонных кристаллах соответственно.

Принципы построения и особенности функционирования магнонных
кристаллов для обработки аналоговых и цифровых данных на основе магнонов
рассматриваются в разделе 5. В частности, статические магнонные кристаллы
могут использоваться в качестве пассивных элементов, таких как микроволно-
вые фильтры, резонаторы или линии задержки для генерации СВЧ. Реконфи-
гурируемые и динамические магнонные кристаллы перспективны в качестве
активного устройства, выполняющего, например, перестраиваемую фильтра-
цию, преобразование частоты или реверсирование времени. Ниже в этом раз-
деле мы максимально близко к тексту представим материалы [1] в авторском
переводе с английского языка.

Как известно, возмущение локального магнитного порядка может рас-
пространяться в магнитном материале в виде волны. Эта волна была впервые
предсказана Ф. Блохом в 1929 году и получила название «спиновой» волны,
поскольку она связана с коллективным возбуждением электронной спиновой
системы в ферромагнитных металлах и изоляторах [13]. С тех пор теория ди-
намики намагничивания фактически превратилась в самостоятельную область
науки, в которой особое значение имеют исследования когерентных спиновых
волн, управляемых извне. Характеристики спин-волн могут быть спроектиро-
ваны с помощью широкого диапазона параметров, включая выбор характери-
стик магнитного поля, материала, формы образца, а также ориентации и вели-
чины приложенного сметающего магнитного поля [14, 15]. Это, в сочетании
с богатым выбором линейных и нелинейных свойств спиновых волн, делает
спиновые волны интересным объектом для изучения общей волновой фи-
зики [8]. Образование одно- и двумерных солитонов [16, 17], недифракцион-
ные спин-волновые каустические пучки [18, 19, 20], развороты волнового
фронта [21, 22], комнатная температура.

Данные, закодированные в зарядовых или спиновых токах, преобразу-
ются в магнонные токи, обрабатываются в магнонической системе и преобра-
зуются обратно. Магнонный кристалл - универсальный элемент в области маг-
ноники, который может быть использован для передачи, обработки и буфери-
зации данных.

Такие явления, как бозе-эйнштейновская конденсация магнонов [23, 24]
и образование магнонных сверхтоков [25] - это лишь небольшая подборка
примеров.

С другой стороны, спиновые волны в диапазоне гигагерцевых частот
представляют сегодня большой интерес для применения в телекоммуникаци-
онных системах и радарах, поскольку длины спиновых волн на порядки
меньше, чем у электромагнитных волн. В настоящее время спиновые волны и
их кванты, магноны рассматриваются в качестве носителей информации в но-
вых вычислительных устройствах вместо электронов, используемых в класси-
ческой электронике. Основными преимуществами, предлагаемыми магнонами
для обработки данных, являются [10, 26]:

• высокий потенциал для реализации новых, высокоэффективных, ос-
нованных на волновых вычислениях концепций;

• спиновые волны могут быть использованы в устройствах с субмик-
ронными размерами (до 10 нм);

• магноны позволяют переносить информацию о спине при комнат-
ной температуре без поступательного движения электронов и, сле-
довательно, без генерации паразитного джоулевого тепла.

Рис. 6.1. Концепция могнонной спинтроники

Выраженные нелинейные эффекты спиновых волн позволяют реализо-
вать функциональные возможности, основанные на магнон-магнонном взаи-
модействии, такие как стробирование сигнала в магнонном транзисторе.

Область науки, которая относится к передаче и обработке информации
с помощью спиновых волн, известна как магноника [6, 9, 27, 28]. Использова-
ние магнонных подходов в области спинтроники, до сих пор обращавшихся к
электронным спиновым токам, породило область магнонной спинтроники [10,
26]. Концепция магнонной спинтроники на рис. 6.1 показывает, что, кроме
магнонных элементов, работающих с аналоговыми и цифровыми данными,
необходимо использовать также преобразователи между магнонной подсисте-
мой и электронными спиновымии зарядовыми токами. Здесь используют раз-
личные подходы, включая использование крутящего момента передачи вра-
щения, спиновый эффект Холла, магнитоакустические явления, оптико-маг-
нитные явления и многие другие. Магнонные кристаллы для обработки дан-
ных и другие в настоящее время интенсивно исследуются. Эти конверторы вы-
ходят за рамки статьи, но частично представлены в обзоре [9].
6.1.1 Магнонные кристаллы и их роль
в области магнонной спинтроники

Магнонные кристаллы, представляющие собой искусственные магнит-
ные среды с периодическим боковым изменением их свойств, представляют
большой интерес как для чисто волновой физики, так и для прикладной маг-
ноники. Спектры возбуждений спиновых волн в таких структурах суще-
ственно отличаются по сравнению с однородными средами и проявляют такие
особенности, как запрещенные зоны, где спиновые волны не могут распро-
страняться. Несмотря на то, что термин «магнонный кристалл» является отно-
сительно новым (впервые он был введен Никитовым и др. в 2001 году) [29].
Эта область восходит к исследованиям распространения спиновых волн в пе-
риодических структурах, которые имеют свою историю, изложенную Сайк-
сом, Адамом и Коллинзом еще в 1976 году [30]. Ранние исследования магнон-
ных кристаллов были в основном ограничены их применением только для раз-
работки микроволновых фильтров и резонаторов [2, 3, 31].

В настоящее время, когда нельзя пренебрегать линейной и нелинейной
связью спин-волновых мод и размагничивающими эффектами в нано- и микро-
масштабах, многие исследования сосредоточены на понимании связанных со
спин-волнами физических явлений в магнонных кристаллах. В частности, боль-
шое внимание привлекают исследования кристаллов с дефектами [32, 33, 34, 35,
36], топологические и невзаимные явления в магнонных кристаллах [37, 38, 39,
40, 41, 42, 43, 44, 45], линейная и нелинейная спин-волновая динамика [46, 47,
48], а также формирование и распространение солитонов [49, 50, 51, 53].

Кроме того, помимо одномерных магнонных кристаллов [82-99], дву-
мерные магнонные кристаллы [53-77] интенсивно изучались эксперимен-
тально, в то время как трехмерные магнонные кристаллы [79-81] пока иссле-
дованы чисто теоретически. Для спинтронных приложений магнонные кри-
сталлы являются одним из ключевых элементов, поскольку они открывают до-
ступ к новым мульти функциональным магнононным приборам [10]. Напри-
мер, эти устройства могут использоваться в качестве спин-волновых филь-
тров, датчиков [100-102], линий задержки и фазовращателей [103, 104], ком-
понентов автоосцилляторов [50, 103, 52, 104], преобразователей частоты [105,
106], элементов буферизации [106, 107], ограничителей мощности [108], нели-
нейных усилителей [109] и компонентов логических вентилей [110, 111].

6.2, Основы динамики спиновых волн

6.2.1. Спине ые г элны в тонких магнитных
пленках и олноводах

Спиновые волны связаны с коллективным возбуждением электронной
спиновой системы в ферромагнитных металлах и диэлектриках. Основные
характеристики спин-волны могут быть получены из анализа ее дисперсион-
ного соотношения, точнее - зависимости частоты волны / от ее волнового
числа к.

Существуют два основных фактора, влияющих на энергию магнонов:
дальнодействующие диполь-дипольные и ближнедействующис обменные вза-
имодействия. В результате дисперсии спиновых волн существенно отличаются
от хорошо известной дисперсии света или звука в однородных средах. Кроме
того, дисперсионные соотношения спин-волн в плоских намагниченных плен-
ках сильно анизотропны из-за заданной ориентации намагниченности магнит-
ной среды. Поэтому, например, спиновые волны, распространяющиеся вдоль
направления намагничивания, имеют различную дисперсию в сравнении с
волнами, распространяющимися поперек намагниченности (рис. 6.2).

01 234501 2345

УУаУппир1Ьвг к х10 (габГст) Махепитоег X XI0 (габ'ст)

Рис. 6.2. Дисперсионные характеристики спиновых волн для бесконечной
в плоскости намагниченной пленки иттриевого железного граната (710)
толщиной 2,1 мкм Га), бесконечной пленки толщиной 100 Нм(Ь)
и спинового волновода шириной 2 мкм толщиной 100 нм (с)

Как следует из рис. 6.2, магнитное поле 100 МТЛ приложено в плоско-
сти, намагниченность насыщения 140 ка/м, обменная постоянная 3,6 ПДж/м,
0 - угол между направлением распространения спиновой волны и намагничен-
ностью.

Как показано на рис. 6.2, а, для волнового числа используется логариф-
мическая шкала. Синяя линия показывает самый низкий режим толщины и = 0
обратной объемной магнитостатической волны (ВУМ8\У), распространяю-
щейся вдоль магнитного поля; зеленая линия показывает первый режим тол-
щины .У = 1 ВУМ8\\', а красная линия показывает магнитостатическую поверх-
ностную спиновую волну (М88\У), распространяющуюся поперечно ориента-
ции магнитного поля. 29 режимов толщины более высокого порядка показаны
серым цветом. Дисперсии были найдены численными расчетами с использова-
нием подхода, разработанного в [113-115].

Как показано на рис. 6.2, Ь, для волнового числа используется линейная
шкала. Здесь показаны дисперсии для М88\У, а также нулевого и = 0 и первого
п = 1 режимов ВУМ8\У.
На рис. 6.2, с дисперсия для режима нулевой толщины и = 0, но показаны
различные режимы ширины ш. Расчеты в (Ь) и (с) выполняются с использова-
нием упрощенных аналитических выражений в [114], с дополнительным уче-
том широтных мод к1 СУММА = к2 + (МН / Вт) 2, а также зависимости угла
распространения спиновой волны от режима ширины ср (и1, т) и характери
стики в дипольной области. Коротковолновые обменные волны гораздо менее
чувствительны к геометрии волновода.

В большинстве прикладных случаев спиновые волны изучаются в про-
странственно ограниченных образцах, таких как тонкие пленки или полосы,
намагниченные в плоскости внешним магнитным полем. Геометрия спино-
вого волновода, а именно его толщина и ширина, является ключевым парамет-
ром, определяющим дисперсию спиновой волны наряду с магнитными свой-
ствами материала и прикладываемого магнитного поля. Для того чтобы под-
черкнуть роль геометрии волновода, на рис. 6.2 приведены дисперсионные со-
отношения для бесконечных плоских пленок различной толщины, а также для
спинового волновода. Типичные дисперсионные характеристики спиновых
волн для плоской намагниченной пленки УЮ микрометровой толщины пока-
заны на рис. 6.2, а. Несмотря на то что спиновые волны могут распростра-
няться под любым углом 0 относительно ориентации намагниченности, только
дисперсии для случаев продольного (0 = 0) и поперечного (0 = 90) распростра-
нения волн показаны для простоты. Спектр состоит из трех основных обла-
стей: область малых волновых чисел /<4 рад/см обычно соответствует диполь-
ным волнам так называемой магнитостатической волны (ТБО), область боль-
ших к > 105 рад/см соответствует обменным волнам, а область между ними
соответствует дипольно-обменным спиновым волнам (Лезуу). Можно видеть,
что, в отличие от случая, представленного на рис. 6.2, Ь и 6.2, с, дисперсии для
пленки УЮ микрометровой толщины показывают: (1) - большое снижение ча-
стоты моды обратной объемной магнитостатической волны (ВУМ8\У) до зна-
чительно меньшей частоты ферромагнитного резонанса (ГМК) и (И) - боль-
шую плотность мод ВУМ8\У более высокого порядка толщины, которые по-
казаны серым цветом. Обратите внимание, что магнитостатическая поверх-
ностная спиновая волна (М88ХУ) имеет гиперболическое, а не косинусное рас-
пределение динамической намагниченности по всей толщине пленки и, следо-
вательно, не обладает режимами толщины более высокого порядка. Слож-
ность спектра играет решающую роль в сильно перенаселенных нелинейных
магнонных системах и, например, может привести к образованию бэк-магно-
нов [23, 24], генерации сверхтоков магнонов [25] и эффективному нелиней-
ному рассеянию магнонов в магнонном транзисторе [109].

В отличие от этого, спектр спиновых волн тонкой пленки значительно
разбавлен, и на рис. 6.2, Ь показана только первая мода толщины (другие моды
толщины, не показанные здесь, имеют гораздо более высокие частоты). Это свя-
зано с тем, что квантование по толщине пленки приводит к увеличению частоты
спиновых волн, вызванному обменным взаимодействием. На рис. 6.2, с пока-
зано, как квантование спиновых волн по ширине волновода изменяет диспер-
сионные соотношения. Можно видеть, что квантование мод поперек волновода
приводит к выраженной модификации дисперсии.

62.2. Магнитные материалы для магнонных кристаллов

Спиновые волны обычно изучаются в тонких магнитных пленках или
волноводах, изготовленных в виде узких магнитных полос.

Поэтому выбор конкретного магнитного материала играет решающую
роль как в фундаментальной, так и в прикладной магнонике. Здесь основными
требованиями являются:

1) малый параметр затухания Гильберта для обеспечения длительного
времени жизни спиновых волн;

2) большая намагниченность насыщения для высоких частот и скоро-
стей спиновых волн;

3) высокие температуры Кюри для обеспечения термостабильности;

4)простота изготовления магнитных пленок и процессов формирова-
ния рисунка.

Наиболее часто используемые материалы для магноники, а также матери-
алы с высоким потенциалом для магнонических применений представлены в
сводной таблице 6.1 вместе с некоторыми выбранными параметрами и оценен-
ными характеристиками спиновых волн. Эти характеристики таковы: спин-маг-
нонные кристаллы для обработки данных 7 время жизни волны т определяется,
прежде всего, параметром затухания Гильберта а; групповой скоростью спино-
вой волны V, которая вместе с временем жизни определяет расстояние распро-
странения спиновой волны 1 / е (средняя длина свободного пробега) 1 = т у;
и отношением средней длины свободного пробега к длине волны 1 А. Послед-
нее особенно важно для магнонных применений, и его увеличение является од-
ной из основных проблем, стоящих перед этой областью [10]. Поскольку в
настоящее время практически все экспериментальные исследования в магно-
нике проводятся для дипольных волн, характеристики, представленные в таб-
лице, оцениваются с использованием дипольного приближения, в котором про-
исходит обменное взаимодействие, игнорируется. Однако следует отметить,
что использование коротковолновых обменных волн представляется перспек-
тивным, в частности, с точки зрения увеличения отношения 1 / X.

На первом месте в таблице представлен монокристаллический иттрий
железный гранат Уз^еКЮ- Пленка (ХЮ) выращена методом высокотемпера-
турной жидкофазной эпитаксии (ГРЕ) на подложках из гадолиниевого талли-
евого граната (ООП) [116-119]. Этот ферримагнетик обладает наименьшими
известными магнитными потерями, что приводит к продолжительности жизни
спиновой волны в несколько сотен наносекунд и, следовательно, находит ши-
рокое применение в научных исследованиях [9]. Большинство эксперимен-
тальных результатов, представленных в этой диссертации, были получены с
использованием ГРЕУЮ. Малые магнитные потери обусловлены тем, что ра-
бочий материал представляет собой магнитный диэлектрик (феррит) с очень
Таблица 6.1

Выбор магнитных материалов для магнонных применений,
их основные параметры и расчетные
характеристики спиновых волн2

ртЦЬюк ГРЕ УН пит коп ЗжпН(УЮ) пт-Нйск Уйгпжп коп батек (УЮ) Репп а! Юу (Ру) СоР«В Неиа1ег СМЕЗ сотрошЮ
СКетюа! сотрозкюп У.Ее.О.. У5₽е,Оо М.,Рет Со4ПРе40ВЛ1 Со .Мп..Ее .5,
Зггисхог* зпд!е-сгуз1а1 зг)д1е-сгу81а1 атогрЬоиз атогрЬоиз 31пд1е-сгуз1а1
64МП «атртд а В-10* (41(1*) 2 ЮГ* гиг* 4ЮЛ 3-10*
Закшасюп гпадгмвИхМюп М% 140 кАт 140 кАт 800 кАт 1250 кА/т 1000 кА/т
ЕхсПалде сопзЪЫ 3.6 рЗ/т 3.6 рЗ/т 16 рЗ/т 15 рЗ/т 13 рЗ/т
Сипе (етрегаЬге Тс 560 К 560 К 550-870 К 1000 К >985 К
Турюа1 Й1т Нмсклеззг 1-20 рт 5-100 пт 5-100 пт 5-100 пт 5-100 пт
Ь(аигт Гог М55Л 417 пз (@ 4.77 СНг) 167 пз (@ 4.77 ВНг) 2.1 пз (@11.1 ОНх) 2.7 пз (@ 14.8 СНг) 4.1 пз (@ 12.8 6Нх)
УМосЛу ,, .Й.8 кпъь (@ 1 = 5рт) 0.14 кт/з (@ 1= 20 пт) 1.9 кт/з (@ 1 = 20 пт) 3.5 кт/з (@ Г = 20 пт) 2.6 кт/з (@ 1 = 20 пт)
Ртг^лгЫ 14.1 тт 22 5 рт 3.9 рт 9.3 рт 10.1 рт
КаЪоВл 44.8 17.9 3.1 7.4 8.5
Не Гегелем 8, 114 117 118125 126-136 137-141 142-149

малым спин-орбитальным взаимодействием и, следовательно, с малой магнон-
фононной связью [119]. Более того, высокое качество монокристаллических
пленок ЬРЕУЮ обеспечивает малое количество неоднородностей и, таким об-
разом, подавление двухмагнонных рассеяний [14, 152]. Однако толщина этих
пленок, находящаяся в микрометровом диапазоне, не позволяет изготавливать
рабочие структуры нанометровых размеров. Поэтому изготовление нано-
структур стало возможным только в последние несколько лет с развитием

2 Характеристики рассчитаны с использованием дипольного приближения для бесконечных пленок,
намагниченных в плоскости магнитным полем 100 МТЛ. Рассмотрены магнитостатические поверх-
ностные спиновые волны, распространяющиеся перпендикулярно направлению намагничивания и
имеющие наибольшие групповые скорости. Для простоты анализируется спиновая волна волнового
числа к= 0,1 /I. Время жизни оценивается с использованием подхода объемного материала без учета
эллиптичности [15].
технологий выращивания высококачественных пленок УЮ толщиной нм,
см. вторую колонку таблицы 6.1, например, с помощью импульсно-лазерного
осаждения (РЬВ) [120-124], распыления [125] или через модификацию техно-
логии выращивания ЛПЭ [126, 127]. Хотя качество этих пленок еще хуже по
сравнению с микрометровыми пленками ЬРЕУЮ, оно уже достаточно хорошо
удовлетворяет многим требованиям магнонных применений [10].

Вторым наиболее часто используемым материалом в магнонике явля-
ется пермаллой, представляющий собой поликристаллический сплав 80 % Ю -
20 % Ре (таблица 6.1). Это мягкий магнитный материал с низкой коэрцитивно-
стью и анизотропией. Одно из основных преимуществ этого материала явля-
ется то, что он имеет довольно низкую величину спин-волнового затухания
[128-135]. Поэтому этот материал интенсивно использовался для исследова-
ния спин-волновой физики в микроструктурах (см. комментарии [136, 137]) и
в магнонных кристаллах [4, 6, 8, 135, 138]. В настоящее время большое внима-
ние исследовательского сообщества также сосредоточено на СоРеВ [139-143]
и полуметаллических соединениях Гейслера [144-151]. Эти материалы обла-
дают меньшими параметрами затухания Гильберта и большими значениями
намагниченности насыщения, а потому более пригодны для целей магноники.
Например, было показано, что средняя длина свободного пробега спиновых
волн в соединениях Гейслера может достигать 16,7 мкм [150].

Технология изготовления высококачественных спиновых волноводов
является одной из основных задач в области магноники. Наиболее часто ис-
пользуемым методом изготовления УЮ-волноводов микрометровой толщины
в виде магнитных полос является «нарезка кубиками» [153], поскольку ши-
рина волновода обычно превышает 1 мм. Основным методом нанесения ри-
сунка на такие пленки УЮ является фотолитография с последующим мокрым
травлением горячей ортофосфорной кислотой [154]. В то же время недавно
предложенный лазерный паттерн УЮ-пленок демонстрирует большой потен-
циал [155].

Другая техника может быть использована для нанесения рисунка нано-
метровых пленок УЮ: электронно-лучевая литография с последующим Аг +
сухое травление показало хорошие результаты [123, 126]. Фрезерование сфо-
кусированным ионным пучком (РГВ) также недавно показало очень многообе-
щающие результаты - спиновый волновод шириной 70 Нм был изготовлен в
виде пленки УЮ толщиной 100 нм в центре наноструктурирования универси-
тета Кайзерслаутерна. Однако чаще всего используется другой подход: маг-
нитный материал наносится на резистивную маску, изготовленную с помощью
фото- или электронно-лучевой литографии, с последующим стандартным про-
цессом отрыва. Антенны и необходимые контактные площадки осаждаются в
последующих процессах литографии и отрыва.
6.2.3. Методы возбуждения и детектирования
спиновых волн

Современная магноника предлагает использование широкого спектра
приборов, необходимых для возбуждения и обнаружения магнонов. Наиболее
часто используемые методы приведены в таблице 6.2 со ссылками на первоис-
точники и кратким описанием их конкретных особенностей. Можно видеть,
что существуют три основных направления: микроволновый, оптический и
спинтронный подходы. Основные параметры, используемые для обнаружения
магнонов, это чувствительность, диапазон обнаруживаемых длин волн и ча-
стот, а также частотное, пространственное и временное разрешение. Для ме-
ханизма возбуждения спиновых волн такие параметры, как эффективность
возбуждения, его когерентность, а также диапазон волновых чисел имеют пер-
востепенное значение [156- 200].

Наиболее широко используемым методом возбуждения спиновых волн
является индуктивное возбуждение спиновых волн с помощью микроволно-
вого тока, передаваемого через полосковую антенну. Для понимания подоб-
ного механизма возбуждения спин-волнового сигнала необходимо рассматри-
вать волновод как «резервуар» квазиклассических спинов. Когда волновод
магнитно насыщен, средняя прецессионная ось всех спинов параллельна полю
смещения. Применение микроволнового сигнала к полосковой антенне со-
здает вокруг нее переменное эрстедовское магнитное поле. Компоненты этого
поля, которые перпендикулярны к направлению смещения, создают крутящий
момент, что приводит к увеличению амплитуды прецессии [9, 156, 157].
Спины, которые прецессируют под антенной, взаимодействуют со своими
ближайшими соседями. Если выполняются правильные условия для поля и ча-
стоты, то поддерживается распространение спиновых волн. После распростра-
нения возбуждение спиновой волны может быть обнаружено выходной антен-
ной. Механизм обнаружения спиновых волн является, по симметрии, обрат-
ным процессу возбуждения.

Одним из методов обнаружения в магнонике в настоящее время, веро-
ятно, является спектроскопия рассеяния света бриллюэна (ВЕЗ) [9, 136, 137,
166]. Физической основой ВЕЗ-спектроскопии является неупругое рассеяние
фотонов на магнонах. Анализ рассеянного света от зондирующего пучка, па-
дающего на образец, позволяет определить частоты и волновые числа рассеи-
вающих магнонов, где интенсивность рассеянного фотона пропорциональна
интенсивности спиновой волны. Этот метод обычно используется в сочетании
с механизмом микроволнового возбуждения и за последнее десятилетие полу-
чил широкое распространение.

В настоящее время ВЕЗ-спектроскопия достигает пространственного
разрешения 250 Нм, а также была реализована ВЕЗ-спектроскопия с времен-
ным, фазовым и волновым разрешением [4, 9, 135, 136, 137, 166, 167, 168].

Показано формирование запрещенной зоны на частоте, соответствую-
щей спиновым волновым числам = ± л/а.
Таблица 6.2

Основные методы возбуяедения
и детектирования спиновых волн

__ . и_, Зр1пкОП1С1 Ор1'С»1

О«Иг1«сЬп1с|им «ррго.сЛм ЬсЬп1Чим Иигожот. исЛпкщм

| Т«СПП1фМ Гипсиоп ЕМШГ*! к*я.
Соп^епЬслая тзсгозГпр апГспла Ьазед арргоаей ЕхсЙайоп ♦ деГосйоп СоЬегегй ехсйайоп. ГидЬ звпяйуйу, рЬазе сопГлЯ ЫдЬ ^едиепсу гезоЬВоп 8, 155. 156
Согйаспезз а гнелла Ьазед арргоасг Ехсйайсш ♦ деГесГюп 5|тр4|Ткх1 Рвадп и-1йпои1 шппд, ассезз Ю зЬогШачвюпдт тадпопз 157, 158
Гестотадпедс гезолапсе (ЕМЯ) ГесЬМдие Ехсйайоп + деГесЬол КоЬизГ теШой кх ГЬе сЬагасГегиайоп о( лтадлвйс та!ела1з 128,129, 159,160
Рагатебю ритрюд ЮсНпдиа АтрВПсаЙоп ♦ ехейа^юп Ассезз Го 1агде тадпоп делзШез апд зЬаПц*аув4епд1й тадпопз 8, 22, 133. 161, 162
Ршзед 1одисте ггйсгоиауо тадло-Ьлкйег (Р1ММ) Ехсйайоп ♦ деГесГюп ЕхсЛайсл оГ \кгзуез 1п а «лбе Ггериепсу гапдв 129,163
1лдцсГ1уе тадпедс ргоЬо 11МР1 Шсй^дое ОвГесйол ЗраВа! гезокгёоп, Гшдй йто апд Гладиепсу гезейийоп 97,164
ЕП1оий1ИдйС ЗсаПвгтд (В 15) зресГгозсору Оетесиол Зрасе-: Йвс|иет»су‘, бт®-. рйазэ-, апд «гамзяитЬег гезо1уед теазигетепЬ. 3. 8.134- 136. 165-167
ТЬвгта! апд пооЧГ®т'а1 ехейайоп Ьу Гз 1азег Ехсйайоп Ассезз (о 1идЫгеривпсу тадпопз. зийаЫе Гог ГипдатепГа! з1ид1ез 5, 168, 169
МадпеГо орйеа! КеггеГТвсГ (МОКЕ) зресГг. ЕхсЙаВсл ♦ деГесЬол 8раоа<, Ггедиелсу-, йте, ала рпазе- гезо11Люпз 157, 170
5рп ршпр1пд (8Р) Ьазед 1еспп»фле детессоп ОеГасВот □гесГ сопмэгзюп Ггот ОС, в езро^аву еГйоел! а! тс папо-зса!е 9, 170-177
5р*п дапзГвг Гогдие (5ТТ) Ьазед 1есйпМ ив АтрФГюаЬол ♦ ехЕйайоп ИгосГсолуегайопГготОС, 1з еШсюлГаГ тс папозсаАе 178-186
Зрап-роГалхед еГосЬоп впаду 1оза зрвсГгов сору (5РЕЕ18С) □вгэейоп Ассезз Ь гыдй лаувп-итЬеге ир ЫЬе едде оГ Й1в Вй1оий1 холе 187, 188
Мадлен асоизй с севе ЕхсЯаЙол ♦ дейеейоп Н|дЬ араба. гезо*и 1юп, ЫДОу-зшгаЫе Гог тадпоп 1одю 189, 191
МадпоЬс гезопалсо Госсе гпёсгозс (МНЕМ) ОеГэсйоп Н1дЬ араба! гевоЫЬп 192
□еГесбол оГ тадпол-йлдцеед ЬеаГ Овгесйоо Ма|ос орропипйвз ГогГипдатеп1а1 збкйез 193
Мис!еаг гезопап! зсайв^пд ОвГвсЬол НдйвзГ зраба! гезо!ибоп си^еобу асЬюуапйо 194
Х-гау оетвсГед Гегготадпесс ге зол а псе (ХРМЯ) □оГвсЬол Н*дП зраба( гвзо!иОоп, ассезз Го Гаувг гезейибоп 195-197
ЕГесГгогнп адлоп зсайвппд эррсиасй □еГасйоп ЗтГаЫе Гог ГЬв деГесЬоп оГ дотат ла! розйюл 198, 199
6.3. Статические магнонные кристаллы

6.3.1. Условия брэгговскс-'о рассеяния спиновых волн
в магнонных кристаллах

Магнонные кристаллы, название которых относится к спиновым квази-
частицам - магнонам, являются искусственными магнитными носителями с
периодическим изменением их магнитных свойств в пространстве [29]. По-
добно фотонным кристаллам, работающим со светом, магнонные кристаллы
используют волновую природу магнонов для получения характеристик рас-
пространения магнонов, недоступных никаким другим средствам (см. обзоры
[4-10]). Брэгговское рассеяние влияет на спектр спиновых волн в такой пери-
одической структуре и приводит к образованию полос пропускания частот, на
которых распространение спиновых волн запрещено.

Рис. 6.3. Пояснение механизма брэгговского рассеяния'
а - эскиз брэгговского отражения спиновой волны с углам падения
0 = л / 2 от одномерного магнонного кристалла. Определен закон Брэгга
для частного случая, показанного на рисунке;

Ь - схема дисперсионных кривых мод ВУМ5'Л в однородней магнитной
пленке (пунктирные линии) и в магнонном кристалле (сплошные линии)

На рис. 6.3, а схематически показан физический механизм действия брэг-
говского рассеяния в одномерном магнонном кристалле в виде периодической
решетки отражателей с постоянной решетки а. Угол падающей спиновой волны
в этом случае равен л/2. В большинстве экспериментов эффективность отраже-
ния волны от одного отражателя довольно мала и колеблется в диапазоне от 1
до 10 % [135, 138, 154], в то время как число отражателей обычно ограничено
20 из-за относительно больших потерь спиновой волны [9].

В такой ситуации большая часть энергии спиновых волн распространя-
ется через кристалл с малыми паразитными потерями, если условие Брэгга
пЛ = 2а • 81П0 не выполняется (л - целочисленное значение). Напротив, при вы-
полнении условия Брэгга, как показано на рисунке, спиновые волны, отра-
женные от каждой пунктирной линии, имеют одинаковую фазу, обеспечиваю-
щую резонансное условие отражения. Большая часть энергии такой спиновой
волны будет отражена от магнонического кристалла. Пунктирные линии на
рис. 6.3 показывают упрощенные линеаризованные дисперсионные кривые
для мод ВУМЗХУ, распространяющихся в бесконечно протяженной пленке
вдоль смещающего магнитного поля в обоих направлениях.

Как уже упоминалось ранее, свойства спиновых волн могут быть настро-
ены с помощью множества различных геометрических и физических парамет-
ров, таких как толщина магнитной пленки, ширина спинового волновода,
намагниченность насыщения магнитного материала или приложенное смеща-
ющее магнитное поле [14, 15]. Это открывает много возможностей для реали-
зации магнонных кристаллов, так как каждый из этих параметров может пери-
одически изменяться в пространстве. Если параметры постоянны во времени
(например, они определяются только геометрией образца), то эти магнонные
кристаллы называются статическими.

Схемы различных типов статических систем - размерные магнонные
кристаллы вместе с их измеренными характеристиками, показаны на рис. 6.4.

6.3.2. Магнонные кристаллы иттрий - железо - гранат
с периодическим изменением толщины пленки

Геометрическое структурирование однородного спинового волновода
путем изготовления массива канавок на его поверхности является простым и
высокоэффективным средством изготовления магнонных кристаллов [2, 30,
154, 201,202] (рис. 6.4, а). Здесь показаны особенности фотолитографического
нанесения рисунка с последующим травлением структуры горячей ортофос-
форной кислотой. Впервые такая технология травления с использованием про-
цедуры ультрафиолетового упрочнения резиста была разработана в центре
наноструктурирования университета Кайзерслаутерна [154, 201] как надеж-
ный инструмент формирования требуемых канавок в спиновом волноводе
УЮ. [154] (см. правую часть на рис. 6.4, а) и поверхностных магнитостатиче-
ских волн [201]. Особое внимание было уделено изучению СВЧ-характери-
стик магнонных кристаллов в зависимости от глубины канавки [ 154, 201,202].

Здесь отчетливо наблюдались ярко выраженные полосы частот отбра-
ковки (было достигнуто отбраковывание более 30 дБ), и было показано, что
эффективность отбраковки и ширина частот полос отбраковки практически
линейно увеличиваются с увеличением величины глубины канавки (правая
часть рис. 6.4, а).

Результаты детальных исследований конкретной конструкции магнон-
ного кристалла и его оптимизации приведены в работе [202]. Здесь было пока-
зано, что эффективность отбраковки может регулироваться не только глуби-
ной канавки, но и ее шириной, а также количеством канавок в кристалле. Ко-
гда ширина канавок значительно меньше величины длины спиновой волны, то
увеличение ширины канавки приводит к быстрому увеличению эффективно-
сти отбраковки. Эффективность отбраковки также возрастает с увеличением
количества канавок. Было также установлено, что оптимальная глубина ка-
навки обеспечивает отличное отбраковывание при сохранении низких вноси-
мых потерь в полосах пропускания около 3 дБ, что составляет примерно 1/10
от общей толщины пленки для режима ВУМ8ХУ. Дальнейшее уменьшение глу-
бины канавки обычно приводит к увеличению эффективности отбраковки в
зонах запрещенной зоны, а также к увеличению паразитных потерь в полосах
пропускания [202].

Рис. 6.4. Основные варианты конструктивной реализации
статических магнонных кристаллов

На рис. 6.4:

• а - эскиз структуры магнонического кристалла, содержащей множе-
ство неглубоких канавок на поверхности пленки УЮ. Здесь приве-
дены характеристики пропускания ВУМ8\У для магнонных кри-
сталлов при различной глубине канавки [154];
• Ь - изображение сканирующей электронной микроскопии и оптиче-
ские изображения широтно-модулированного магнонного кри-
сталла с встроенным эталонным непаттернированным волноводом.
Расчетные кривые дисперсии спиновых волн и измеренная интен-
сивность спиновых волн для магнонического кристалла и эталон-
ного волновода показаны справа [135];

• с - схема экспериментальной установки для исследования микро-
структурного ионно-имплантированного магнонного кристалла [138].
Справа здесь показаны нормированные спектры пропускания спи-
новых волн магнонно-кристалличсского волновода (темная линия) и
«опорного» волновода (бледная линия), а также расчетные кривые
дисперсии спиновых волн.

Для описания физического механизма прохождения спиновых волн че-
рез магнонный кристалл была разработана теоретическая модель [154]. Эта
модель основана на введении пропускающих Т-матриц для спиновых волн в
пространственных точках, где толщина УЮ-волновода изменяется (ступен-
чато), а также для участков волновода с постоянными толщинами [202]. В ре-
зультате Т-матрица для каждого периодического сегмента магнонного кри-
сталла была определена как умножение четырех различных матриц - двух для
«ступеней» и двух для «промежуточных участков». Для того чтобы получить
интегральные характеристики передачи для всего магнонного кристалла, эта
матрица была возведена в степень, равную числу периодов.

Результаты этой относительно простой теоретической модели показали
хорошее согласование с экспериментальными результатами. Впоследствии эта
модель была принята большинством исследователей для описания магнонных
кристаллов с плавными преобразованиями магнитных свойств [203].

6.3.3. Металлические магнонные кристаллы
на эснсзе периодического изменения ширины
спинового золногода

Рассмотренные выше магнонные кристаллы на основе канавок [1]
имеют «макроскопические» размеры (типичная постоянная решетки состав-
ляет 300 мкм). Однако современные приложения для обработки сигналов
требуют магнонных кристаллов «субмикронных» размеров. Наноразмерный
магнонный кристалл, предложенный в работе [204], был изготовлен из перм-
аллоевого волновода путем создания периодических вариаций его ширины
(см. рис. 6.4, Ь) [135]. Эта система была исследована экспериментально с по-
мощью микрофокусированной спектроскопии бриллюэновского рассеяния
света. Четко наблюдалась запрещенная зона спиновых волн (см. правую
часть рис. 6.4, Ь). Наблюдается значительное уменьшение спина - здесь пе-
редача волн вызвана резонансным обратным рассеянием от периодической
структуры, частота запрещенной зоны была настроена в диапазоне от 6,5 до
9 ГГц путем изменения приложенного магнитного поля.
Результаты, представленные в работе [135], фактически являются пер-
вой экспериментальной реализацией механизма распространения спиновых
волн через микроструктурированный магнонный кристалл. Спиновые волны
были выведены здесь микрополосковой антенной, нанесенной на верхнюю
часть пермаллоевого волновода. В работах [204-206] был предложен и экспе-
риментально исследован еще один интересный метод инжекции магнонов в
широтно-модулированные магнонные кристаллы из полубесконечной магнит-
ной пленки.

Здесь магнонный кристалл представлял собой микроразмерный плоский
ферромагнитный волновод с периодически изменяющейся шириной. При вы-
боре ступенчатой или синусоидальной вариации ширины, анализировались
множественные или одиночные запрещенные зоны соответственно [205].
Было обнаружено, что как частота запрещенной зоны, так и ее глубина очень
сильно зависят от конкретного положения места зондирования внутри магнон-
ного кристалла, с учетом неравномерного распределения внутреннего магнит-
ного поля. Зависимость спектра спиновых волн от положения внутри магно-
ники кристалла также исследовалась в [208].

6.4. Металлические магнонные кристаллы
на основе периодического изменения величины
намагниченности насыщения

Теоретический и экспериментальный анализ характера распространения
спиновых волн был проведен в работе [209] для магнонного кристалла, реали-
зованного в виде пермаллоевого спинового волновода с периодическим про-
странственным изменением намагниченности насыщения. Здесь в спектрах
пропускания спиновых волн отчетливо наблюдались полосовые промежутки
частот, и их появление прослеживается вплоть до перекрытия отдельных по-
лосовых промежутков основной и более высоких порядков спиновых мод ши-
рины волны. Эта суперпозиция может управляться шириной магнонного кри-
сталлического волновода. Кроме того, глубина полос отклонения сильно зави-
сит от уровня изменения намагниченности и размера области с уменьшенной
намагниченностью: уменьшение намагниченности насыщения на большей
площади приводит к образованию более выраженных запрещенных зон.

В работе [138] описан пример использования локальной ионной имплан-
тации для изготовления микроструктуры магнонного кристалла на основе
пермаллоя (см. рис. 6.4, с), который был исследован в сравнении с эталонным
пермаллоевым волноводом с помощью использования микроскопии рассеяния
света Бриллюэна.

Было показано, что облучение вызывало периодическое изменение ве-
личины намагниченности насыщения вдоль тела волновода. Установлено, что
относительно слабая модификация намагниченности насыщения на 7 % доста-
точна для уменьшения пропускания спиновых волн в запрещенных зонах
в 10 раз (см. правую часть на рис. 6.4, с). Поскольку волновод состоял из од-
ного-единственного топографически неизменного материала, спиновые волны
с частотами в полосах пропускания практически не изменялись. Эти резуль-
таты доказывают практическую пригодность использования локализованной
ионной имплантации для изготовления эффективных микро- и наноразмерных
магнонных кристаллов для различных магнон-спинтронных применений.

6.5. Реконфигурируемые, динамические
и движущиеся магнонные кристаллы

Реконфигурируемые магнонные кристаллы [8, 210-217] привлекают
особое внимание исследователей, поскольку они позволяют настраивать
функциональные возможности магнитного элемента: один и тот же элемент
может быть использован в различных функциональных приложениях как маг-
нонный проводник, логический элемент или элемент буферизации данных.
Примером такой структуры является магнонный кристалл, конструктивно
оформленный в виде массива магнитных полос, намагниченных параллельно
или антипараллельно друг другу [210].

С точки зрения обеспечения минимального энергопотребления особый
интерес представляют управляемые напряжением реконфигурируемые маг-
нонные кристаллы. Наномасштабный реконфигурируемый магнонный кри-
сталл, разработанный с использованием управляемой напряжением перпенди-
кулярной магнитной анизотропии (РМА) в ферромагнитно-диэлектрических
гетероструктурах, был исследован с помощью численного моделирования в
работе [218]. Периодическая матрица металлических полос затвора была по-
мещена поверх структуры М§О / Со для того, чтобы применить периодическое
электрическое поле и изменить структуру затвора РМА т Со. Показано, что
введение РМА модифицирует распространение спиновых волн и приводит к
образованию запрещенных зон в спектре спиновых волн. Характеристики за-
прещенных зон определяются величиной приложенного электрического поля
и могут управляться динамически, то есть можно «включать» и «выключать»
запрещенные зоны в течение нескольких десятков наносекунд.

6.5.1. Оптически индуцированные реконфигурируемые
магнонные кристаллы

Важным шагом к началу и исследованию перестраиваемых магнонных
кристаллов стало исследование лазерного нагрева [203, 219].

С помощью лазера (см. рис. 6.5, а) был отработан механизм управления
спин-волновыми характеристиками реконфигурируемых МК. Установка, ис-
пользуемая для реализации световых паттернов, состояла из непрерывного ла-
зера в качестве источника света и акустооптичсского модулятора для про-
странственного регулирования интенсивности. Для изучения влияния теп-
лового градиента, индуцированного картинами интенсивности на спиновые
волны, авторы [1] использовали ферримагнитный УЮ-волновод толщиной
5 мкм, выращенный на подложке ООО толщиной 500 мкм (см. рис. 6.5 а). Если
ООО почти прозрачен для света, то УЮ поглощает около 40 % зеленого света,
используемого в эксперименте. Для повышения эффективности нагрева ис-
пользовали черный поглотитель, покрытый сверху защитной пленкой. Была
продемонстрирована предложенная концепция реконфигурируемого магнит-
ного материала, проверенная на примере реализации одно- и двумерных маг-
нонных кристаллов. Формирование запрещенных зон в характеристике про-
пускания спиновых волн показано на правой части рис. 6.5, а. Было показано,
что положение запрещенных зон может быть настроено постоянной решеткой
магнонного кристалла, а ширина запрещенных зон легко управляется интен-
сивностью лазерного излучения [202].

6.5.2. Управляемые тжхм динамические
магнонные кристаллы

Изменения свойств магнонного кристалла открывают доступ к новым
физическим механизмам, функционирующим в масштабе времени, меньшем,
чем время распространения спиновой волны через кристалл. Такие магнонные
кристаллы называются динамическими магнонными кристаллами [11, 220].

Первый известный из литературы динамический магнонный кристалл
был реализован с использованием УЮ-волновода, помещенного в простран-
ственно-периодическое динамически управляемое магнитное поле, создавае-
мое токопроводящей плоской металлической меандровой структурой
(рис. 6.5, Ь) [220]. Токоведущая структура была расположена на расстоянии
100 мкм над поверхностью УЮ, чтобы избежать нежелательных изменений
во взаимодействии между спиновыми волнами и проводником [221]. По-
скольку боковые вариации магнитного поля смещения были приблизительно
синусоидальными внутри пленки УЮ, спектр кристалла содержал только
одну пространственную составляющую, и появилась единственная полоса
отклонения (см. правую панель на рис. 6.5, Ь). Было показано, что глубина и
ширина полосы отклонения могут быть настроены с помощью выбора вели-
чины приложенного тока [11,220]. Кроме того, было показано, что такой кри-
сталл может быть переключен за время менее чем 10 НС, что в десятки раз
меньше времени релаксации спиновых волн и времени распространения спи-
новых волн по кристаллу. Возможность достижения столь быстрого времен-
ного изменения рабочих параметров кристалла «открыла двери» для изуче-
ния новых обсуждаемых физических эффектов.

Другой подход к реализации динамического магнонного кристалла был
предложен в работе [111] и основан на управлении характеристиками магнит-
ного пленочного волновода для спиновых волн с помошью электрического тока.
В предложенном устройстве используется спин-волновой волновод, изготовлен-
ный на основе игольчатого волновода с периодически изменяющейся шириной,
и двух проводящих проводников, прикрепленных к поверхности пленки вдоль
модулированных кромок. Пространственно однородное магнитное поле направ-
лено «поперек» УЮ-волновода. Положительные токи, приложенные к обоим
проводникам, индуцируют дополнительное отрицательное поле Эрстеда, кото-
рое уменьшает магнитное поле смещения вблизи края. Созданные таким обра-
зом магнитные ямы экранируют модулированные края УЮ-пленки от спиновых
волн и, следовательно, подавляют запрещенную зону магнонного кристалла.
Преимущества широтно-модулированного динамического магнонного кри-
сталла по сравнению с теми, которые используют меандровую проводку [220],
заключаются в потенциально высокой производительности и возможности ми-
ниатюризации. Действительно, управление током здесь обеспечивается корот-
кими проводниками, индуктивность которых значительно меньше, чем у про-
водника меандрового типа. Использование наноструктурированных широтно-
модулированных волноводов из пленок пермаллоя (рис. 6.4, Ь), как и в работе
[135], позволит прогнозировать значительное уменьшение размера (площади)
магнонного кристалла. Этот тип динамического магнонного кристалла был ис-
пользован и для построения логических вентилей [ПО].

6.5.3. Движущиеся магнонные кристаллы на основе
поверхностных акустических волн

Движущиеся магнонные кристаллы (топщ> та<щоп:с сгуз1а1х) представ-
ляют собой особый класс динамических перестраиваемых кристаллов, исполь-
зующих движущиеся брэгговские решетки.

Такие магнонные кристаллы были впервые созданы с помощью перио-
дической деформации, индуцированной поверхностной акустической волной
(ПАВ), движущейся вдоль спинового волновода УЮ, как показано на рис. 6.5, с
[101, 222-224]. Механизм рассеяния спиновых волн в таком кристалле прин-
ципиально отличается от рассмотренных ранее случаев тем, что оно происхо-
дит со сдвигом частоты спиновых волн вследствие классического эффекта До-
плера. Фактически в первых экспериментах имело место сочетание брэггов-
ского рассеяния с доплеровским сдвигом [222]. Схема такого рассеяния пока-
зана на правой части рис. 6.5, с, откуда видно, что рассеяние магнонов должно
происходить со сдвигом частоты, равной частоте поверхностной акустической
волны. В то же время длины волн спиновых волн и ПАВ должны быть сопо-
ставимы, чтобы обеспечить сохранение импульса.

Эксперимент проводился с использованием обратных объемных магни-
тостатических волн, характеризующихся отрицательной групповой скоро-
стью [112]. В результате было обнаружено, что спиновые волны, рассеянные
от приближающейся решетки, смещены вниз по частоте, демонстрируя об-
ратный эффект Доплера [222]. В отличие от механизма [225], здесь отраже-
ние происходит от кристаллической решетки, а не от отражающей поверхно-
сти, и, таким образом, волновое число рассеянной волны строго определяется
законом сохранения импульса. Из-за этого смещенная по частоте волна
появляется в виде одного узкого пика в передаточной характеристике маг-
нонного кристалла. Помимо интересной физики, демонстрируемой такими
системами, они обладают прикладным потенциалом для применения в раз-
личных сенсорах и системах обработки сигналов.

6.85 6 90 6.95 ЛОО 7.05 710

Р,в<]иелсу / (СН7)

Ла«гуес1ог. к.

Рис. 6.5. Конструкции и основные характеристики реконфигурируемых,
динамических, перемещающихся и магнонных кристаллов

На рис. 6.5, а представлена схема реконфигурируемого магнонного кри-
сталла, состоящего из многослойной системы ООО / УЮ / аЬаогЬег [203]. Здесь
на волноводе в первой части рисунка показан типичный тепловой ландшафт
(красный цвет - максимальная температура, синий цвет - минимальная темпе-
ратура). На правой части рисунка представлена типовая характеристика про-
пускания спиновых волн (сплошная синяя линия) в термическом ландшафте
(магнонный кристалл с пятью периодами, постоянная решетки 740 мкм) и эта-
лонные данные (красная линия).

На рис. 6.5, Ь представлена схема динамического магнонного кристалла,
содержащего плоскую токонесущую меандровую структуру с 20 периодами с
постоянной решетки а = 300 мкм (здесь показано 10). Кристалл расположен
близко к поверхности спинового волновода УЮ. На правой части рисунка пред-
ставлена типовая дисперсионная характеристика и результаты измерения спи-
новой характеристики пропускания этого динамического магнонного кристалла
для тока величиной 1 А, проходящего через меандровую структуру [220].

На рис. 6.5, с показана конструкция движущегося магнонного кристалла:
здесь спиновые волны возбуждаются и регистрируются в пленке УЮ полос-
ковыми антеннами. Поверхностная акустическая волна возбуждается на об-
разце УЮ / ООО пьезоэлектрическим кварцевым кристаллом с использова-
нием акрилового клинового преобразователя [222]. На правой части рисунка
показаны дисперсионные кривые для ВУМ8\У и 8АXV. Кружочки здесь обо-
значают волны, непосредственно участвующие в брэгговском рассеянии.

6.6. Принципы обработки данных на основе
магнонных кристаллов

6.6. 1. СВЧ-фильтры на основе магнонных кристаллов

Одним из первоначальных мотивов при изучении распространения спи-
новых волн через периодические магнитные структуры была реализация СВЧ-
фильтров и резонаторов для обработки аналоговой информации. Магнонные
кристаллы вполне могут быть использованы для этих целей, что вытекает из
характеристик передачи спиновых волн, ранее показанных на рис. 6.4 и 6.5.
Ведь спектры спиновых волн магнонного кристалла в том числе содержат и
области частот, для которых запрещена передача СВЧ-сигналов. Таким обра-
зом, магнонный кристалл вполне может служить в качестве фильтра стоп-
диапазона. Затухание СВЧ-сигнала в стоп-полосе обычно превышает 30 дБ
[154]. Теоретическое моделирование показало, что это значение на практике
может быть намного больше и может превышать даже 100 дБ.

Очевидным преимуществом таких фильтров является то, что централь-
ные частоты стоп-полос могут легко управляться или приложенным магнит-
ным полем [135, 138], или постоянной решетки магнонного кристалла [20.3].
Ширина запрещенной зоны, которая обычно близка к нескольким десяткам
МГц, определяется различными способами - за счет изменения магнитного
свойства (например, глубина канавки [153], магнитного поля [220], намагни-
ченности насыщения [138], механического напряжения [222], температуры
[203]) или изменением толщины магнитной пленки, которая определяет вели-
чину магнитного поля и наклон дисперсии спиновых волн [202]. Число запре-
щенных зон в спектрах спиновых волн задается вариационной функцией маг-
нитных свойств [206] (ступенчатые функции приводят к множественным за-
прещенным зонам [154], гармоническое изменение свойств приводит к одной
запрещенной зоне [220]). Более того, теоретически одно из самых больших
преимуществ таких фильтров определяется тем, что длины спиновых волн на
порядки меньше по сравнению с длинами электромагнитных волн в том же
диапазоне частот ГГц. Наконец, реконфигурируемые и динамические магнон-
ные кристаллы позволяют реализовать микроволновые фильтры, которые мо-
гут быть настроены или включены / выключены в наносекундном масштабе
времени [220].

Здесь следует отметить, что основными недостатками СВЧ-фильтров на
основе магнонических кристаллов пока являются относительно низкая эффек-
тивность возбуждения и детектирования спиновых волн стандартными микро-
полосковыми антеннами и относительно высокие значения затухания спино-
вых волн.

Это приводит к большим потерям в полосах пропускания фильтра, кото-
рые в экспериментальных исследованиях [1] превышали 10 дБ (см. рис. 6.4
и 6.5). Теоретически, используя более толстые магнитные пленки и специаль-
ным образом оптимизированные микроволновые антенны, это значение может
быть улучшено.

Рис. 6.6. Схема эксперимента !а) и экспериментальные характеристики
передачи ВУМЗМ для магнонных кристаллов (Ь)

На рис. 6.6, а представлена схема экспериментальной активной кольце-
вой системы, использующей магнонный кристалл для определения волнового
числа резонансного режима. Здесь две микрополосковые антенны возбуждают
и принимают спиновые волны через область УЮ-пленки. Сам магнонный кри-
сталл, который является частью той же пленки, расположен в непосредствен-
ной близости от входной антенны.

На рис. 6.6, Ь представлена характеристика передачи [3\’МЗ\\' для одно-
родных (жирный) и магнонных кристаллов (пунктир) областей пленки УЮ
(левая ось ординат). Диаграмма врезки (правая ось ординат) представляет со-
бой композит из пяти наложенных кольцевых спектров мощности для различ
ных расстояний между входной антенной и магнонным кристаллом [102].

6.6.2. Генерация СВЧ-сигнала на основе
магнонных кристаллов с : братной связью

Рассмотренные выше спин-волновые системы [1] также позволяют реа-
лизовать когерентные микроволновые источники.
Для этого часто используются самовозбуждающиеся спин-волновые си-
стемы с положительной обратной связью, называемые «активными кольцами
спин-волн» [226, 227]. Основой такого «активного кольца» является диспер-
сионный спиновый волновод с возбуждающей и приемной антеннами, соеди-
ненными между собой через контур электрической обратной связи с перемен-
ным коэффициентом усиления (см. рис. 6.6, а). При соблюдении правильных
условий усиления и фазы монохроматический (но инициированный шумом)
сигнал распространяется в этом кольце, его амплитуда увеличивается со вре-
менем до тех пор, пока не произойдет нелинейное насыщение в системе спин-
волн или во внешнем усилителе. Сигнал от активного кольца может быть ча-
стично извлечен с помощью направленного ответвителя, как показано на
схеме.

Самопроизвольное возбуждение активной кольцевой системы происхо-
дит, если внешний коэффициент усиления увеличивается за порогом самоге-
нерации спин-волновой моды с наименьшим порогом. Эта мода называется
доминантной и подавляет возбуждение всех остальных мод в квазилинейном
режиме. Однако волновое число этой доминирующей моды, определяющее ге-
нерируемую частоту, очень чувствительно к внутреннему магнитному полю и
тепловому окружению среды передачи спиновых волн. Поэтому в любой ре-
альной системе практически невозможно предсказать волновое число домини-
рующей моды.

Решением проблемы является использование спиновых отражений от
магнонного кристалла на основе канавки, что позволяет выбирать волновое
число доминирующей моды [103].

Активное кольцо, показанное на рис. 6.6, а, работает с Вугпзуу, которые
являются взаимными. Это означает, что спиновые волны, возбуждаемые вход-
ной антенной, распространяются в обоих направлениях волновода. Для дости-
жения автоколебательного режима кольца необходимо обеспечить интерфе-
ренцию между сигналом, обнаруженным на выходной антенне, усиленным и
подаваемым обратно на входную антенну, и сигналом, отраженным от магнон-
ного кристалла (см. рис. 6.6). Настройка фаз обоих сигналов играет в этом слу-
чае решающую роль. Здесь фаза сигнала от выходной антенны настраивается
внешним фазовращателем, а фаза сигнала, отраженного от магнонного кри-
сталла, определяется расстоянием между входной антенной и первой канавкой
кристалла. Таким образом, при изменении положения кристалла относительно
антенн в эксперименте возбуждались различные доминирующие моды (см.
рис. 6.6, Ь). Наблюдалось возбуждение двух различных групп мод.

Группа в соответствует условному режиму работы активного кольца,
в котором магноничсский кристалл не играет никакой роли. Это происходит
на частотах, где спин-волновая передача близка к своему максимуму. Напро-
тив, волновые числа спиновых волн, входящих в группу а, определяются ха-
рактеристиками магнонного кристалла и лежат в пределах первой запрещен-
ной зоны. Положение магнонного кристалла относительно антенн определяло,
какие из трех мод внутри запрещенной зоны были сгенерированы. Таким
образом, при выполнении фазовых условий усиления моды геометрия кольца
допускает высокоустойчивый принудительный выбор доминирующего волно-
вого числа [103].

Кроме того, в работе [104] было показано, что линия задержки на основе
одномерного магнонного кристалла, используемая в контуре обратной связи
микроволнового автоколебателя, может существенно снизить показатель фа-
зового шума и улучшить другие жизненно важные эксплуатационные харак-
теристики автогенератора. Необходимо отметить тот факт, что частотная се-
лективность магнонического кристалла с квазипериодической структурой
типа Фибоначчи может обеспечить условия для самогенсрации диссипатив-
ных солитонов в активном спиновом кольце [50, 52].

6.6.3. Инверсия частоты и обращение времени
с использованием динамических магнонных кристаллов

В предыдущем разделе были рассмотрены пропускающие свойства ди-
намического магнонного кристалла, когда он непрерывно поддерживается
либо в выключенном, либо во включенном состоянии (см. рис. 6.5, Ь). Б по-
следующих исследованиях авторов [1] было показано, что динамические маг-
нонные кристаллы открывают доступ к использованию новых физических эф-
фектов, если кристалл переключается с «выключенного» на «включенный» ре-
жимы, пока внутри него находится спин-волновой пакет [106, 105].

Если спиновая же волна с волновым вектором к, ~ +ка = +л/а падает на
динамический магнонный кристалл, пока он находится во включенном состо-
янии, то она отражается с сохранением частоты. Однако если кристалл пере-
ключить из положения «выключено» в положение «включено», пока такая
волна находится внутри, то ситуация будет совершенно иной [105]. На
рис. 6.7, а показаны экспериментальные дисперсионные кривые падающих
сигнальных волн (зеленый разрез) и отраженных магнонным кристаллом
(красный разрез).

Рисунок иллюстрирует две спектральные составляющие падающего сиг-
нала. Пространственно периодическая магнитная модуляция магнитного поля
смещения волновода, вызванная приложением импульса тока к динамиче-
ской магнонной кристаллической меандровой структуре (см. рис. 6.5, Ь), свя-
зывает эти компоненты с соответствующими компонентами отраженной
формы волны (красный открытый круг и квадрат). Разность волновых векто-
ров сигнала и отраженных волн фиксируется постоянной решетки динамиче-
ской магноники (а).

Здесь ^-спектр отраженного сигнала равномерно смещен влево по ±ка =
= ± л/а (нижняя часть). Этот сдвиг приводит к спектральной инверсии в ча-
стотной области. Экспериментально определена инверсия частоты в диапа-
зоне частот ±15 МГц [11, 106, 105].

В работе [1] обращено внимание на тот факт, что обращение сигнала во
времени эквивалентно инвертированию его спектра относительно опорной
частоты. Это можно легко доказать, рассмотрев описание Фурье области про-
извольной огибающей сигнала, которое показывает, что инверсия частоты эк-
вивалентна преобразованию I — 1. Для демонстрации эффекта обращения
спиновых волн во времени авторами [1] был использован пакет В"УМ$\У, со-
стоящий из двух импульсов (см. рис. 6.7, Ь). Здесь отключение первого или
второго импульса наглядно продемонстрировало, что пакет спиновых волн,
отраженный магнонным кристаллом, обращен во времени: в случае примене-
ния двух импульсов спиновых волн наблюдаются два соответствующих им-
пульса, отраженных динамическим магнонным кристаллом (верхний кадр,
красный цвет). Когда первый из двух импульсов выключен, второй отражен-
ный импульс отсутствует (средний кадр), и наоборот (нижний кадр), подтвер-
ждая реверс времени [105].

Рис. 6.7. Инверсия частоты и обращение времени
динамическим магнонным кристаллом [105]:
с - схема процесса инверсии частоты; Ь - экспериментально
обнаруженные спиновые волны, отраженные динамическим
магнонным кристаллом. Серая область показывает время,
в течение которого динамический магнонный кристалл был включен

На рис. 6.7 представлено пояснение механизма инверсии частоты и об-
ращения времени динамическим магнонным кристаллом.

Таким образом, в работе было показано, что динамический магнонный
кристалл может обеспечить линейные средства для выполнения спектральных
преобразований, включая инверсию частоты и обращение времени, которые
до сих пор были возможны только с помощью нелинейных механизмов [21,
22, 228, 229]. Следует обратить внимание, что эти результаты выходят далеко
за рамки теории спиновых волн, поскольку они могут быть применены к вол-
нам любой природы [230].
6.6.4. Буферизация данных в режимах
статического магнонного кристалла

Эффекты замедления или даже полной остановки света вследствие мо-
дификации дисперсии света в фотонных кристаллах были предметом интен-
сивных исследований в течение последнего десятилетия [231, 232]. Волна
света, распространяющаяся через фотонный кристалл, соединяется с внут-
ренним режимом стоячего кристалла и генерирует «режим медленного
света», который может быть использован для хранения оптических сигналов
Магнонные кристаллы как магнитный аналог фотонных кристаллов рабо-
тают со спиновыми волнами и могут демонстрировать аналогичные эффекты
в диапазоне частот ГГц. Однако, несмотря на прогресс в изучении магнон-
ных кристаллов, существенного замедления спиновых волн не было проде-
монстрировано. Это связано с выраженным затуханием спиновых волн, ко-
торое ограничивает максимальное число периодов структуры до 20 или
около того.

Малое число периодов подразумевает, что групповая скорость спиновых
волн лишь незначительно уменьшается на краях зазора [107]. Эксперимен-
тальные исследования магнонных кристаллов на основе канавок показали, что
скорость спиновых волн может быть уменьшена примерно на 20 % по краям
запрещенных зон [107].

Тем не менее, экспериментально было показано, что хранение спиновой
информации в спин-волновых режимах возможно и в магнонных кристаллах.
В отличие от традиционной схемы, используемой в фотонике, этот захват про-
исходит не за счет замедления падающей волны при ее входе в периодическую
структуру [231, 232], а за счет возбуждения квазинормальных мод искусствен-
ного кристалла [107]. Первая квазинормальная мода, собственная частота ко-
торой совпадает с минимумами групповой скорости спиновых волн на краях
запрещенных зон магнонных кристаллов, имеет самое продолжительное время
жизни среди всех остальных мод и, таким образом, сохраняет энергию сигнала
и фазовую информацию в течение весьма длительного времени после того, как
распространяющаяся волна уже покинула магнонный кристалл. Такой «захва-
ченный» сигнал спиновой волны может быть впоследствии восстановлен в
своей «бегущей» форме с помощью двухчастотного параметрического усиле-
ния. Например, на рис. 6.8, с и 6.8, Ь показано, что восстановление и, следова-
тельно, хранение происходит только на краях запрещенной зоны магнонного
кристалла [107].

На рис. 6.8 представлено пояснение физического механизма и восста-
новления СВЧ-сигнала в магнонном кристалле. Конкретно на рис. 6.8, а - пе-
редача спинового сигнала в зависимости от магнитного поля смещения. На
рис. 6.8, Ь - мощность восстановленного импульса в зависимости от поля.
Видно, что восстановленный сигнал виден только на краях запрещенных зон.
На рис. 6.8, с представлены временные профили восстановленного сигнала,
измеренные при магнитном поле 1860 Ое для различных мощностей накачки:
РР1 = 50 /иО’, Рр2 = 90 т1-Р, Ррз = 320 1п!У. На рис. 6.8, <1 показаны временные
профили восстановленных сигналов для различных мощностей накачки.

Рипрюд рслег Я, (пТЛ)

Рис. 6.8. Механизм восстановления микроволнового сигнала
в параметрически управляемом магноническом кристалле [107]

Амплитуда, время появления и длительность такого восстановленного
сигнала определялись мощностью накачки. Механизм восстановления, осно-
ванный на конкурентном нелинейном процессе усиления, был предложен ра-
нее [233], а в работе [234] была описана соответствующая теоретическая мо-
дель для случая безликих тонких магнитных пленок, описывающая зависимо-
сти амплитуды, длительности и задержки восстановленного импульса от мощ-
ности накачки с высокой точностью (см. сплошные линии на рис. 6.8, б).

Наибольшая величина задержки между возбуждением несущего инфор-
мацию импульса спиновой волны, распространяющегося через магнонный
кристалл с применением импульса накачки для считывания этой информации,
в экспериментах [107] составила 1,6 мкм. К сожалению, предлагаемые физи-
ческие явления могут быть использованы пока только для кратковременной
буферизации данных (в течение нескольких микросекунд), но не для длитель-
ного хранения.

Следует отметить, что исследования параметрических взаимодействий
между спиновыми волнами и электромагнитной накачкой в магнонных кри-
сталлах дали чрезвычайно интересное представление о нелинейной волновой
физике. В таких системах параметрически связанные волны, распространяю-
щиеся в противоположных направлениях, одновременно связаны классиче-
ским законом брэгговского отражения. В результате параметрическая неста-
бильность в магнонных кристаллах проявляет сильно фазовозависимое пове-
дение [107].
6.6.5. Магнонные кристаллы в спинтронных
логических устройствах

Одна из сильных сторон магноники заключается в преимуществах,
предоставляемых волновой природой магнонов для обработки цифровых дан-
ных и вычислений. В настоящее время новые технологии, позволяющие,
например, создавать нанометровые структуры или работать в ТГц-диапазоне
частот, в сочетании с новыми физическими явлениями и делают магнонные
кристаллы особенно перспективными для управления и манипулирования
магнонными токами [10], Идея кодирования двоичных данных в амплитуду
спиновой волны была экспериментально опробована в работе [236].

Для построения логических элементов здесь было предложено исполь-
зовать спин-волновой интерферометр Маха - Зендера, оснащенный управляе-
мыми током фазовращателями, встроенными в плечи интерферометра [237].

Рассмотренный выше в этом подразделе динамический магнонный кри-
сталл на основе широтно-модулированного волновода [111] также может быть
использован в качестве логического элемента. Принцип действия основан на
управлении распределением смещенного магнитного поля вдоль синусоидаль-
ных границ УЮ-пленочного волновода за счет изменения электрических токов
«1» и представлено нулевым входным током, а логика «1» - током, которого
достаточно, чтобы «выключить» широтную модуляцию на одной стороне маг-
нонического кристалла. Микроволновые импульсы на входной антенне пред-
ставляют собой тактовые импульсы, а СВЧ-сигнал на выходной антенне служит
логическим выходом элемента. Рабочая частота прибора соответствует цен-
тральной частоте запрещенной зоны. Поэтому наличие запрещенной зоны (т. е.
низкий уровень мощности на выходе) представляет собой логическое состояние
«0», а отсутствие запрещенной зоны представляет собой логическое состояние
«1». Экспериментально было доказано, что логика «0» появляется на выходном
порту в трех ситуациях: для двух логических «0», приложенных к входным пор-
там, и для комбинаций логики «0» и логики «1», приложенных к входам.

В случае когда логическая «1» подается одновременно на оба входа, за-
прещенная зона исчезает, спиновая волна проходит через магнонный кри-
сталл, и сигнал на выходном порту соответствует логической «1». Таким об-
разом, была экспериментально продемонстрирована работоспособность этого
динамического магнонного кристалла в качестве логического элемента [111].

В качестве альтернативы для оцифровки информации вместо амплитуды
в ряде работ было предложено использовать фазу спиновой волны [238]. Тогда
волна с некоторой выбранной фазой (ф0 соответствует логическому «0», в то
время как логическая «1» представлена волной с фаза ф0 + л. Такой подход
позволяет легко встраивать логический элемент типа «НЕ» в магнонные схемы
путем изменения положения считывающего устройства на расстояние, равное
половине длины волны. Кроме того, он открывает доступ к реализации мажо-
ритарного логического элемента в виде суммарной комбинации спиновых
волн [110, 192, 239-243].
В работе [244] был использован экспериментальный прототип трехвхо-
дового мажоритарного вентиля. Было доказано, что, в соответствии с предска-
заниями численного моделирования, фаза выходного сигнала представляет со-
бой большую часть фазы входных сигналов. Полученное время переключения
элемента около 10 НС в прототипе свидетельствует о потенциальной возмож-
ности достижения субнаносекундной обработки данных в будущих микрораз-
мерных устройствах.

В работе [240] была продемонстрирована первая микромасштабная кон-
струкция мажоритарного вентиля.

Пока одной из основных проблем практической реализации мажоритар-
ного вентиля спиновых волн является сосуществование различных спиновых
мод с различными длинами волн на фиксированной частоте. Выбрав нужную
ширину выходного волновода, можно было выбрать первый режим ширины
из объединителя и обеспечить считываемость выходного сигнала. Тем не ме-
нее, как оказалось, на выходной сигнал в [240] оказывали существенное влия-
ние обменные спиновые волны той же частоты, но с гораздо более короткими
длинами волн. Чтобы преодолеть

эти ограничения, в работе [241] были использованы изотропные прямые
объемные магнитостатические спиновые волны (РУМБХУя). Кроме того, была
достигнута высокая скорость пропускания спиновых волн через затвор до
64 %, что примерно в три раза больше, чем для плоского намагниченного за-
твора [2411. Для этой цели была использована новая асимметричная конструк-
ция мажоритарного вентиля. Еще одним перспективным решением является
применение магнонных кристаллов для выбора спин-волновой моды как в
плоской, так и во внеплоскостной геометрии.

Важным преимуществом магнонного мажоритарного вентиля является
то, что он может работать со спиновыми волнами разных длин волн одновре-
менно, что создает предпосылки к организации параллельных вычислений на
одном магнонном кристалле.

Этот подход требует «расщепления» спиновых сигналов с различными
длинами волн, и поэтому использование магнонных кристаллов здесь имеет
решающее значение [110].

6.6.6 Магнонный транзистор

Известный основной недостаток управляемых электрическим током
спин-волновых логических устройств [И, 235, 236, 237, 245] заключается в
том, что невозможно объединить два логических элемента без использования
дополнительных преобразователей типа магнон-напряжение и напряжение-
магнон: управлять магнонным током с помощью другого магнонного тока.

Такое управление в принципе возможно реализовать благодаря нелиней-
ному магнон-магнонному рассеянию, и был реализован магнонный транзистор,
позволяющий полностью обрабатывать магнонные данные [109]. В этом трех-
полюсном устройстве плотность магнонного тока, протекающего от источника
к стоку (см. синие сферы на вставке рис. 6.9), определяется общим количеством
магнонов, инжектированных в затвор транзистора (красные сферы), Магнон-
ный кристалл в виде массива поверхностных канавок используется для увели-
чения плотности затворных магнонов и, следовательно, для повышения КПД
нелинейного процесса рассеяния четырех магнонов, используемого для подав-
ления тока магнонов от источника к стоку. Здесь показано, что величина тока
от источника к стоку магнона может быть уменьшена до трех порядков вели-
чины (см. нижнюю часть рис. 6.9, Ь) [108]. Несмотря на то, что эксплуатацион-
ные характеристики представленного транзистора на основе диэлектрика в его
принципиальном виде не превосходят таковых классических полупроводнико-
вых приборов, представленный транзистор может сыграть важную роль для со-
здания будущих магнонных технологий, в которых информация будет перено-
ситься и обрабатываться магнонами [9].

Например, два магнонных транзистора, встроенные в плечи интерферо-
метра Маха - Зендера, позволяют реализовать элемент ХОК, показанный на
рис. 6.9, с. Здесь магнонный ток, подаваемый на интерферометр, делится на
два идентичных тока. Эти токи вводятся в источники транзисторов 8.

Рис. 6.9. Магнонный транзистор

На рис. 6.9, а представлена эквивалентная схема магнонного транзи-
стора [108]. Этот транзистор основан на магноническом кристалле, выполнен-
ном в виде ХЮ-пленки с массивом параллельных канавок на ее поверхности.
Магноны вводятся в тело транзистора и обнаруживаются на его стоке с помо-
щью микрополосковых антенн. На рис. 6.9, Ь представлена экспериментально
измеренная плотность магнонов стока как функция плотности магнонов за-
твора. Горизонтальные пунктирные линии здесь определяют уровни плотно-
сти тока стока, соответствующие логическому уровню «1» и «0». Принцип ра-
боты магнонного транзистора демонстрируется на врезке. Источник к стоку
магнонный ток (показан синими сферами) нелинейно рассеивается затвор-
ными магнонами (красными сферами), инжектируемыми в область затворов.
На рис. 6.9, с представлены характеристики магнонного кристалла на основе
полностью магнонного чипа, реализующего логическую операцию ХОК, и со-
ответствующая таблица истинности. Такая периодическая структура приводит
к образованию запрещенных зон - частот, на которых распространение спино-
вых волн запрещено. Следовательно, области между запрещенными зонами
допускают селективное распространение спиновых волн, тогда как выражен-
ные изменения дисперсии спиновых волн вблизи краев запрещенных зон вы-
зывают образование запрещенных солитонов, замедление спиновых волн и
появление ограниченных спиновых мод.

Для получения «канавочных» УЮ-магнонных кристаллов рядом иссле-
довательских групп была разработана новая технология, основанная на фото-
литографическом нанесении рисунка с последующим травлением горячей ор-
тофосфорной кислотой. В работе [154] впервые было исследовано распростра-
нение обратных объемных магнитостатических волн в таких кристаллах и от-
мечена высокая эффективность формирования запрещенных зон.

Здесь было замечено, что эффективность отклонения поверхностных
магнитостатических спиновых волн в магнонных кристаллах на основе кана-
вок сильно подавлена (до 600 раз) по сравнению с рассеянием обратных объ-
емных магнитостатический волн [201].

В заключение следует еще раз отметить, что в основу этого раздела тех-
нической антологии положены материалы, текстовые и графические, фунда-
ментального обзора Ма§потс сгуз1а1з Гог с1а1а ргосеззт§, подготовленного кол-
лективом авторов А. V. СЬитак, А. А. 8ег§а, В. НШеЬгапа. Кроме собствен-
ных результатов теоретических и экспериментальных исследований, авторы
использовали материалы других авторитетных исследователей, работающих
в этом направлении, а именно В. Ьа§е1апс1, 8. \Уо1кк (№по 8кгис1ипп§ Сеп1ег,
СГшуегзйу ок Ка1зегз1аиГет), М. Уо@е1апб, О. Уоп Ргеутапп (Огопр ок Орй-
са1 ТесЬпо1о§1езапб РЬоГошсз, Сшуегзйу ок Ка1зегз1аЩет), М. Р. Коз1у1еу
(Цтуегзйу ок ХУезГегп Аизйайа), V. 8. Т1Ьегкеу1сЬап<1, А. К. 81аут (Оак1апс1
СГшуегзйу), А. В. Кагспоиъка апс! .1. Р. Оге§§ (Ст хегзйу окОхкогб), Р. ВЬа§а1
апй А. ,1ап<1ег (Оге^оп ЗкйеСгн уегзйу), (Не §гопрз ок В. А. Кайшкоз (81. Ре1ег8-
Ьиг§ Е1ес1го1ес1эг1са1 Р1п।\ ег811у), апс! 1. РаззЬепбег (Не1тЬоЬг-/епйит Вгез-
<1еп-Ко88еп<:1ог(). А. V. СЬитак ако аскпомбеб^ез (Не йпапсза! зиррог! Ьу ЕКС
8кагйп§ 6гап1 678309 МащтопСйсиЩ, А. А. 8ег§а аскпомбеб^ез 1Не йпапша!
зирроп Ьу ВААВ (РгсуекГ 57213643 Ьтеаг апс! попНпсаг зрт-усауе бупагшез т
та§потс-сгуз1а1-Ьазеб ткго-зггеб тащ'.оп сопбийз), апй В. НШеЬгапбз
аскпомбеб^ез ГЬе йпапсха! зирроп Ьу Йзе ВРО т ГЬе кгатс ок 8РВ ТКК 173:
8РПЧ+Х.

6.7. Создание и исследование двухкомпонентных
планарных магнонных кристалла? на основе
пленок ферромагнитных металлов с различной
величиной модуляции магнитного параметра

В рассмотренном выше разделе представлен материал зарубежных ис-
следователей этого направления. Складывается впечатление, что в России та-
кие исследования не проводятся, но это не так.
В настоящем разделе показан результат многолетнего исследования
группой специалистов магнонных кристаллов, в частности, в отчете о научно-
исследовательской работе «Спиновые волны и спиновый транспорт в планар-
ных периодических магнитных микро- и наноструктурах и структурах на ос-
нове углеродных нанотрубок и ферромагнитных металлов» Федерального гос-
ударственного бюджетного учреждения науки «Институт радиотехники и
электроники им. В. А. Котельникова РАН».

Ниже мы представим наиболее интересный текстовой и графический ма-
териал из этого отчета.

Активное изучение материалов с периодическим изменением одного
или нескольких магнитных параметров, называемых магнонными кристал-
лами (МК), обусловлено перспективностью их использования в приборах
СВЧ-техники, устройствах хранения и обработки информации, датчиков и
т. д. Хотя не спадает активность исследований МК на основе пленок железо-
иттриевого граната [267-268], в последнее время растет интерес и к изучению
МК из ферромагнитных металлов, в частности, к двухкомпонентным МК
(ДМК), т. е. структурам, в которых происходит периодическое чередование
областей из двух различных материалов [269, 270]. Это связано с лучшей сов-
местимостью процесса изготовления МК из ферромагнитных металлов с по-
лупроводниковой технологией и гораздо более широкими возможностями пе-
рехода к субмикронным размерам элементов. При этом величина модуляции
магнитного параметра может определяться как различием намагниченностей
выбранных материалов, так и степенью залегания одного материала в другом.

На данный момент наиболее изученными являются ДМК на основе ко-
бальта (Со) и пермаллоя (Ру) [271-274]. В то же время сочетания и иных мате-
риалов могут представлять интерес с точки зрения изучения возможностей
управления свойствами ДМК. В частности, ДМК на основе железокобальто-
вого сплава (СоРе) и Ру вызывают интерес большим магнитным контрастом
по намагниченностям по сравнению со структурами Со-Ру. Кроме того, вызы-
вает интерес вопрос о возможности управления свойствами ДМК за счет глу-
бины залегания одного материала в другом, который также на сегодня недо-
статочно изучен. В данной работе исследуются ДМК на основе сочетаний Со-
Ру и СоРе-Ру с различной глубиной залегания элементов из одного ферромаг-
нетика в матрице из другого.

6.7.1. Технология изготовления двухкомпонентных
магнонных кристаллам на основе пленок ферромагнитных
металлов и экспериментальные образцы

Технология изготовления ДМК включала комбинацию структурирова-
ния материала за счет ионного травления и метода взрывной литографии при
использовании одной и той же маски из фоторезиста. Основные этапы изго-
товления образцов проиллюстрированы на рис. 6.10. В качестве подложек ис-
пользовались пластины кремния марки 100-КЛБ 10 (111). На первом этапе
проводилась очистка подложек поочередным промыванием (три раза) в диме-
тилкетоне и изопропиловом спирте при ультразвуковом воздействии в течение
10 минут. После этого подложки отжигались в вакуумной камере при темпе-
ратуре около 300 °С в течение 15 минут. После

охлаждения до комнатной температуры на них наносился базисный слой
ферромагнитного металла методом магнетронного распыления на постоянном
токе (рис. 6.10, б). В качестве базисного слоя использовались пленки Ру или
Со. Далее проводилась фотолитография, включающая в себя три стадии: нане-
сение фоторезиста АХ 5214Е М1сго СЬеписак ОтЬН (рис. 6.10, в), его экспо-
нирование в ультрафиолетовом излучении через фотошаблон (рис. 6.10, г) и
проявление в проявителе АХ 726 М1Р (рис. 6.10, д). На четвертом этапе прово-
дилось травление ферромагнитной пленки до заданной глубины ионами ар-
гона (рис. 6.10, е). После этого следовал этап нанесения второго (встраивае-
мого) ферромагнитного металла также с помощью метода магнетронного рас-
пыления на постоянном токе (рис. 6.10, ж). В качестве встраиваемого ферро-
магнитного металла использовался либо РеСо, либо Ру, либо Со. На заключи-
тельном этапе проводилось удаление фоторезиста с участками пленки на нем
с помощью средства удаления фоторезиста АХКе1тю\ ег (рис. 6.10, з).

б) Напыление базисной пленки
магнетронным распылением

в. Нанесение фоторезиста

с) Ионное траь кипе

ж) Напы зенне истранваемой плёнки
магнетронным распылителем

з) Удаление фоторезист!

Рис. 6.И; Схематичное изображение процесса изготовления
образцов на примере одномерного ДМК

Было изготовлено несколько наборов образцов, обладающих различным
сочетанием ферромагнитных металлов и различной «глубиной залегания»
встраиваемого металла в базисном слое (см. таблицу 6.3), Толщина пленок во
всех случаях составляла 50 нм и определялась по времени напыления по зара-
нее определенной скорости напыления на тестовых образцах с теневой мас-
кой. «Глубина залегания» частиц из одного ферромагнитного материала в мат-
рице из другого измерялась с помощью атомно-силовой микроскопии. Каж-
дый набор образцов включал в себя шесть образцов с различной формой пери-
одических элементов и их геометрических размеров, два образца одномерных
ДМК в виде чередующихся полос и четыре образца двумерных ДМК с прямо-
угольной или квадратной формой элементов Параметры элементов периоди-
ческих микроструктур и их обозначения показаны в таблице 6.4. Помимо
ДМК, в целях дальнейшего сравнения были изготовлены референсные струк-
туры, представляющие собой наборы отдельных не контактирующих друг с
другом микрополосок с геометрическими размерами, соответствующими раз-
мерам элементов в одномерных ДМК.

Таблица 6.3

Схематичный профиль элемента структуры ДМК
и его геометрические параметры

№ серии Материал А Материал В А, нм Глубина залегания с = (п - Л), нм п, нм т, нм
1 Ру Со -10 60 50 50
2 Со Ру -25 75 50 50
3 СоРе Ру 35 15 50 50
4 СоРе Ру 6 44 50 50
5 СоРе Ру 20 30 50 50

Таблица 6.4

Схематичное изображение элементов ДМК

(слева - двумерных, справа - одномерных) в плоскости образца
и их размеры. Дли одномерных ДМК § = 0. а = 5 мм

Обозначение

элемента | 1
микро- структуры -4 Г -4
1 (1 1 1
Л .МКМ мкм Ь. мкм И’.МКМ 1. мкм
85ц 6.5 3.5 6.5 3.5 10
В8ц 11 5 3.5 11.5 3.5 15
8К. 21 4 6.5 3.5 10
ВК. 26 4 11.5 3.5 15
81 500С 0 6 5 3.5 10
ВТ 5000 0 11.5 3.5 15
6.7.2. Спектр спин-волновых возбуждений
двухкомпонентных магнонных кристаллов

Основная масса экспериментов по исследованию спектров спин-волно-
вых возбуждений в изготовленных образцах ДМК проводилась методом фер-
ромагнитного резонанса (ФМР) на фиксированной частоте 9,9 ГГц. Внешнее
магнитное поле прикладывалось касательно плоскости пленок и изменялось в
диапазоне 0,15-1,6 кЭ. Измерения выполнялись при различных углах г между
осью симметрии ДМК и направлением внешнего поля подмагничивания.
Спектры ФМР при разных ориентациях поля подмагничивания для ДМК се-
рии № 1 с различной формой элементов показаны на рис. 6.11 и 6.12.

Рис. 6.11. Спектры ФМР одномерных ДМК с элементами из Со и Ру
по типу ВЬ (с) и 31 (б) при трех различных углах г между
направлениями внешнего поля, приложенного в плоскости пленки,
и осью симметрии структуры. На вставках (II) и (III) показаны участки спектров,
выделенные прямоугольной рамкой. Пунктирные стрелки с цифрами
указывают на линии поглощения, близкие к соответствующим откликам,
наблюдаемым при численном моделировании ДМК

Для ДМК на основе Со / Ру два наиболее интенсивных отклика ФМР
(Нге»1, 2) наблюдались при любых углах г и максимально смещались по полю
на величину 5Нге&. Первый из откликов Нгея, располагающийся в области по-
лей 0,45 -0,68 кЭ соответствовал квазиоднородной прецессии намагниченно-
сти в кобальте, второй Нге82, располагающийся в диапазоне 1,00-1,08 кЭ -
в пермаллое. Сдвиг <Шге5 был обусловлен эффектом анизотропии формы. При
этом контакт двух ферромагнитных материалов послужил причиной измене-
ния величины этого сдвига по сравнению с изменением положения квазиодно-
родного резонанса в решетках из отдельных элементов ДМК тех же размеров.

Рис. 6.12. Спектры ^Мр двумерных ДМК с элементами из Со и Ру
по типу ЗК (а) и 5$р {б) при трех различных углах г между внешним полем,
приложенным в плоскости пленки, и осью симметрии структуры.

На вставках (II) и (III) показаны участки спектров, выделенные
прямоугольной рамкой

Наличие дополнительных откликов в спектрах ФМР между Нгев1 и Нге82,
наблюдаемое при некоторых углах г, связано с установлением спин-волновых
резонансов (СВР) поверхностными магнитостатическими волнами (ПМСВ) по
ширине элементов ДМК. Причиной этому является отсутствие ПМСВ в элемен-
тах из Со в интервале полей Нге81 - Нге,2, что приводит к эффективному отраже-
нию ПМСВ от границ Со-Ру и локализации колебаний в пермаллоевых элемен-
тах. Это подтверждается также результатами численного моделирования.

При г = 90° можно ожидать аналогичного эффекта в виде установления
СВР и локализации обратной объемной магнитостатической волны (ООМСВ)
по ширине областей кобальта. Однако в эксперименте этого не наблюдалось,
что, очевидно, связано с большой шириной элементов Со, которая была
больше длины свободного пробега ООМСВ в Со. Меньшая ширина микропо-
лосок из кобальта в ДМК серии № 2 (Ь (Со) ~ 3,5 мкм) не поспособствовала
наблюдению в них локализованных мод. Для данного образца были проведены
исследования спектра ФМР в широком интервале частот с использованием из-
мерителя комплексных коэффициентов передачи и копланарного волновода
при разных ориентациях поля подмагничивания по отношению к оси симмет-
рии магнитных микрополосок. В полученном спектре ФМР наблюдались осо-
бенности, аналогичные экспериментам на фиксированной частоте с предыду-
щими образцами. Б частности, присутствовали моды ПМСВ, локализованные
в микрополосках из пермаллоя (см. рис. 6.13).

Рис. 6.13. Отклик ФМР в зависимости от величины приложенного поля
и частоты для ДМК с типом элементов 51 серии № 2
(Ь (Со ) - 3,5 мкм и (Ру) - 6,5 мкм), при г = О

На рис. 6.14 представлены спектры ФМР для образцов с различной глу-
биной залегания СоРе в Ру (серии № 3-5). Приведенные данные показывают,
что увеличение глубины залегания элементов СоРе в пленке Ру с 15 до 44 нм
приводит к менее отчетливому квантованию спектра ФМР. При этом струк-
туры СоРе / Ру демонстрируют качественно иное поведение спектра по срав-
нению с образцами Со / Ру. Во-первых, не наблюдается отклика, отвечающего
однородному ФМР, что может быть вызвано плохим качеством пленки СоРе с
точки зрения затухания спиновых волн. Во-вторых, при г = 0 интенсивность
резонансов ПМСВ оказывается гораздо меньше и убывает с ростом глубины
залегания. В то же время при г = 90° при малой глубине залегания при полях
ниже поля однородного ФМР для элементов из Ру наблюдается серия до-
вольно интенсивных откликов. Объяснения такому поведению на данный мо-
мент не найдено. Возможно, эти отклики связаны с формированием локализо-
ванных мод в местах сильной неоднородности внутреннего поля, вызванной
сильными полями размагничивания при г = 90°. Действительно, элементы
СоРе обладают значительно большей намагниченностью и при г = 90° могут
оказывать сильное влияние на внутреннее поле в Ру. При этом можно ожидать
качественного изменения в распределении внутреннего поля при изменении
глубины залегания (вплоть до формирования в пленке Ру участков с противо-
положной ориентацией поля).

Для ряда структур были также проведены измерения спектра тепловых
магнонов с помощью комплекса бриллюэновского рассеяния света (БРС).
В качестве примера на рис. 6.15 изображен спектр БРС для ДМК с элементами
по типу 8К серии № 3. Эксперимент проводился при касательном направлении
внешнего поля величиной 400 Э, ориентированном вдоль длинной стороны
прямоугольных элементов (г = 0). Сбор данных с образца осуществлялся в те-
чение 10 часов лазерным пучком, имеющим диаметр 40 мкм.

Рис. 6.14. Спектры ФМР образцов ДМК с элементами из Ру и СоРе
по типу структуры ВЬ с разной глубиной залегания СоРе в Ру,
обозначенной как с на вставках, для углов г = 0 (а) и 90° (6)

Часюта, ГГц

Рис. 6.15. Спектр БРС для образца ДМК с типом элементов 5Р.
глубиной залегания СоРе в Ру с = 15 нм, угол г = 0. На вставке
в большем масштабе показан участок спектра выделенный рамкой
Спектр БРС показывает два интенсивных отклика на частотах 5,96 и
7,47 ГГц, вызванных квазиоднородной прецессией намагниченности, соответ-
ственно, в элементах Ру и СоРе. На частоте 8,68 ГГц наблюдался также третий
пик, имеющий заметно меньшую интенсивность и вызванный спин-волновым
резонансом по ширине элементов из Ру. Таким образом, данные БРС также
подтверждают эффект квантования спектра спиновых волн в исследуемых
ДМК.

6.7.3. Создание и исследование ферритогых
магнонных кристаллов с наличием дефекта*
и более чем одного пространственного периода

В последние годы активно исследуется возможность разработки СВЧ-
устройств обработки информации, использующих особенности распростране-
ния магнитостатических волн (МСВ) в ферритовых магнонных кристаллах
(МК). Чаще всего МК представляют собой пленку железоиттриевого граната
(ЖИГ), на поверхности которой с помощью химического или ионного травле-
ния получены одно- или двухмерные периодические структуры [275]. В таких
структурах в результате интерференции, распространяющейся в отраженных
от поверхностных неоднородностей волн,

Х = 2Л/и,

где X - длина МСВ. Л - период изменения параметра, п = 1,2..., возможно фор-
мирование брэгговских резонансов (БР), приводящих к возникновению в спек-
трах МСВ запрещенных зон. В эксперименте эти изменения спектра проявля-
ются как частотные области увеличения потерь на распространение, наблюда-
ющиеся, если число периодов решетки на длине пробега МСВ Г не слишком
мало (Г > Л) [276]. МК на основе пленки ЖИГ могут также быть получены с
помощью приложения к ее поверхности периодической системы металличе-
ских полосок [277] или формирования в пленке периодически изменяющегося
внутреннего магнитного поля [278]. Кроме того, в случае наличия «сбоев» в
периодичности поверхностной структуры МК в запрещенных зонах спектра
МСВ могут появляться разрешенные состояния - так называемые «дефектные
моды» [279]. Особенности спектров МСВ. обусловленные возникновением БР,
могут быть применены для фильтрации СВЧ-сигналов [280], а в случае нели-
нейного режима распространения МСВ [281] - использованы для разработки
многофункциональных СВЧ-устройств [282].

В данной работе описываются результаты экспериментального исследо-
вания особенностей распространения МСВ в магнонных кристаллах с нали-
чием более чем одного пространственного периода, а также резонансных мод
в одно- и двумерных МК с дефектами.
6.7.3.1. Формирование запрещенных зон в спектрах
спиновых волн, распространяющихся в комбинированной
структуре «феррит: вый магнонный кристалл -
периодическая решетка из металлических полосок»

В данном разделе представлены результаты исследования запрещенных
зон в спектре МСВ, распространяющихся в комбинированном магнонном кри-
сталле. В качестве его основы выступал ферритовый магнонный кристалл
(ФМК) - пленка ЖИГ толщиной 14,7 мкм, на поверхности которой с помощью
химического травления формировалась поверхностная периодическая Ю-
структура, состоящая из канавок глубиной 1 мкм, шириной 80 мкм, располо-
женных с периодом 150 мкм. При подготовке эксперимента ФМК размещался
на входном и выходном микрополосковых преобразователях, расстояние
между которыми составляло Г = 4 мм, и намагничивался касательно прило-
женным постоянным полем Н, направленным параллельно преобразователям.
Такая геометрия эксперимента соответствует возбуждению в ЖИГ поверх-
ностных МСВ (ПМСВ). В частотной зависимости коэффициента передачи
ПМСВ 52/(/), измеряемого с помощью векторного анализатора цепей, наблю-
дались узкие частотные области затухания ПМСВ (отмеченные красными
стрелками на рис. 6.16, а), которые соответствуют брэгговским резонансам
ПМСВ с номерами п = 1, 2, 3, 4. Альтернативный способ формирования брэг-
говских резонансов иллюстрирует рис. 6.16, б, на котором представлена зави-
симость 52{(7), полученная при наложении нетравленой пленки ЖИГ на анало-
гичные преобразователи, между которыми была сформирована решетка из
медных полосок шириной 270 мкм, размещенных с периодом 390 мкм. В этом
случае брэгговские резонансы наблюдаются на частотах, соответствующих
номерам т = 1, 2, 3, 4, 5 (отмечены синими стрелками), при этом частоты/п и
/т различаются вследствие разницы величин Г.

На рис. 6.16, в представлен вид зависимости 821 (/) для «комбинирован-
ного МК» - когда ФМК располагается на микрополосковых преобразователях
с периодической решеткой из металлических полосок, и распространяющаяся
в ФМК ПМСВ испытывает отражения не только от поверхностной решетки из
канавок, но и от решетки из металлических полосок. Видно, что «результиру-
ющая» зависимость 5'2/ (/) демонстрирует различные результаты взаимодей-
ствия волн. Так, например, в случае достаточно большой отстройки частот/, и
/„, когда полосы затухания ПМСВ не перекрываются, положение частоты БР
и его интенсивность практически не изменяются (см. пунктирные линии на
рисунках 6.16, а и 6.16, в для и = 2 и рис. 6.16, б и 6.16, в для т = 1). В случае
хотя бы частичного перекрытия полос непропускания, соответствующих ча-
стотам (п и йп, может наблюдаться их «суммирование», как, например, для
резонансов с номерами и = / и т = 2 (см. рис. 6.16, а - 6.16, в). В то же время
возможна и ситуация, когда в результате взаимодействия падающей и отра-
женной волн интенсивности провалов в зависимости изменяются, как
происходит, например, в частотной области наблюдения резонансов с номе-
рами п = 3,4 и т = 3,4. Для прояснения физического механизма этого процесса
требуется проведение дополнительных исследований.

Рассмотрим еще один способ управления спектром ПМСВ, распростра-
няющихся в комбинированном МК, использующий зависимость вида характе-
ристики 521(/) ФМК от угла между направлениями волновых векторов ПМСВ
и поверхностной ПЭ-структуры (последний направлен перпендикулярно оси
канавки) - см. вставку к рис. 6.17. Дело в том, что, как показано в [38], при
изменении величины частоты и интенсивности БР в ФМК уменьшаются, и
при а = 30° характеристика .5’21 (/) становится гладкой (см. кривую, обозначен-
ную ФМК, на рис. 6.17, б).

3 5 ' 3.7 3 9 <ГГц 4’1

Рис. 6.16. Частотные зависимости коэффициента передачи
ПМСВ 52/(1) в случае размещения:

• - ферритового МК на микрополосковых преобразователях:
б -- пленки ЖИГ на микрополосковых преобразователях с пеоиодической
решеткой из металлических полосок: в - ферритового МК
на микрополосковых преобоазователях с периодической решеткой
из металлических полосок, Н = 685 Э
Рис. 6 17. Частотные зависимости коэффициента передачи

ПМСВ $21 (1) в случае размещения ФМК на микрополосковых
преобразователях с периодической решеткой из металлических полосок
при а = 20 (а) и 30° (б), Н = 685 Э

6.7.3.2. Формирование запрещенных зон в спектрах
с пине вых волн, распространяющихся в ферритовом
магнонном кристалле с поверхностной структурой,
состоящей их двух периодических решеток

Рассмотренную в разделе 6.1 возможность отражения распространяю-
щейся в ФМК МСВ от двух периодических структур с различающимися пара-
метрами можно реализовать не только с помощью приложения к ФМК внеш-
ней решетки из металлических полосок, но и путем химического вытравлива-
ния на поверхности ферритовой пленки сразу двух периодических структур из
канавок с разными постоянными решетки. Такая структура была изготовлена
с помошью фотолитографии и химического травления. В одном технологиче-
ском цикле были сформированы магнонные кристаллы с периодами =
= 170 мкм, Л2 = 290 мкм (см. рис. 6.18 слева), а также кристалл с комбинацией
этих периодов (см. рис. 6.18 справа и рис. 6.19). МК были изготовлены из
пленки ЖИГ толщиной 8,8 мкм. Глубина вытравленных канавок была 1,5-
1,8 мкм (рис. 6.19).

Рис. 6.18. Фотография поверхности полученных кристаллов
слева - с одиночными периодами, справа - с двумя наложенными
друг на друга периодами

0.0

С 500 ООО 1500 2000

Рис. 6.19. Профиль поверхности для магнонных кристаллов
с периодами Л, = 170 мкм (красная линия), Лг = 290 мкм (зеленая линия)
и комбинации этих периодов (черная линия), измеренный
перпендикулярно канавкам. Сверху - фотография участка кристалла
с двумя периодами, соответствующая данному профилю

Следует отметить, что окна для травления в резисте, сформированные
при фотолитографии, имели ширину 10 мкм. Однако в результате растрава ши-
рина канавок по основанию (вблизи поверхности пленки) была существенно
выше (~ 90 мкм), в результате чего в ряде случаев канавки от различных пери-
одических решеток частично перекрывались друг другом.

Исследования структур проводилось по методике, аналогичной описан-
ной в разделе 6.1. Измерялись частотные зависимости коэффициентов пере-
дачи ПМСВ при различных значениях поля подмагничивания.
В целом наличие двух решеток с различными периодами приводит к
сложному взаимодействию падающей и отраженных волн аналогично рас-
смотренному в разделе 6.2 случаю. На рис. 6.20 приведены частотные зависи-
мости коэффициента передачи ПМСВ 5г1(/) для решетки с = 170 мкм (ри-
сунок 6.20, а), Л2 = 290 мкм (рис. 6.20, б) и ФМК с двумя периодическими
решетками (рис. 6.20, в). Видно, что в последнем случае в зависимости $21(0
может быть сформирована помеченная стрелкой особенность типа «дефект-
ной моды» [283] (см. также разделы 6.2, 6.3).

5?1'ЯЕ| тМки,

1----------1 । '----Г-----------1------------

2 0 2 4 2 8 3 2 ГГГц

Рис. 6.20. Частотные зависимости коэффициента передачи ПМСВ 5а, (О
для решетки с периодом Л, = 170 мкм (а), Л? = 290 мкм (б] и в ФМК
с двумя периодическими решетками (в) при поле подмагничивания Н = 304 Э

6.7.3.3. Методы и результаты исследований одновходового
брэгговского резонатора на основе одномерного
магнонного кристалла с дефектом

Исследуемые образцы одномерных (Ю) магнонных кристаллов с дефек-
тами представляли собой периодическую решетку вытравленных канавок глу-
биной <5<1 ~ 1,8 мкм и шириной ~ 80 мкм с периодом Л ~ 150 мкм в пленке
ЖИГ толщиной <1 ~ 14,7 мкм, с шириной линии ферромагнитного резонанса
2АН ~ 0,45 Э и намагниченностью насыщения 4ттМ0 ~ 1750 Гс. Магнонные
кристаллы изготавливались с использованием фотолитографии и химического
травления. В центральной части периодической решетки из канавок распола-
гался дефект, представляющий собой гребень в виде микрополоски шириной
Д,„ ~ т-Л, где т = 1, 2, 3. Были изготовлены и исследованы три образца
магнонных кристаллов с размерами дефектов Ь\ - 150 мкм, 1,2-300 мкм и
600 мкм.

На рис. 6.21 показаны микрофотография участка поверхности (сверху) и
профиль (снизу) периодической структуры с дефектом образца одномерного
магнонного кристалла. Следует отметить, что благодаря изотропности хими-
ческого травления полученные с помошью него канавки обладали трапецие-
видным профилем.

Рис. 6.21. Микрофотография поверхности (сверху) и профиль
участка периодической структуры (снизу) 1 О МК, содержащего дефект
в форлле гребня шириной 1~т. Схема эксперимента по возбуждению
одновходового брэгговского резонатора на основе 1С МК с дефектом

При условии Ь,„ ~ т-Л дефекты можно рассматривать как брэгговские
резонаторы типа Фабри - Перо для спиновых волн, распространяющихся пер-
пендикулярно полосовой микроструктуре, аналогичные оптическим [283],
в которых роль резонаторных промежутков выполняют дефекты размером Ь,„,
а роль «зеркал» - отражательные решетки магнонного кристалла. Возбужде-
ние резонаторов происходит при выполнении условия:

= ил,

где к„ — резонансное волновое число;

и = 1,2...- номер моды резонатора.

Наиболее эффективно возбуждение резонатора осуществляется в случае,
когда возбуждающая антенна располагается непосредственно на дефекте, так
как при этом мощность волны распределяется в равной степени между двумя
отражательными решетками. В итоге, за счет взаимной интерференции отра-
женных от брэгговских зеркал волн, в области дефекта формируется стоячая
волна. Понятно, что когда роль зеркал выполняют две эквивалентные периоди-
ческие решетки отражателей, то условие резонанса будет выполняться на цен-
тральной частоте брэгговского резонанса для этих решеток, а в частотной зави
симости коэффициента отражения будет формироваться пик поглощения.
В эксперименте образцы помещались на микрополосковый преобразо-
ватель шириной IV ~ 30 мкм и длиной 1 ~ 5 мм, чтобы преобразователь нахо-
дился в центре дефекта. Касательное поле подмагничивания прикладывалось
вдоль преобразователя, что соответствует возбуждению в пленке ЖИГ по-
верхностной магнитостатической волны (ПМСВ). С помощью векторного ана-
лизатора цепей измерялись частотные зависимости коэффициента отражения
сигнала от микрополоскового преобразователя.

На рис. 6.22, а и б приведены результаты измерений для брэгговского ре-
зонатора с размером Ь\ ~ 150 мкм. В частотной зависимости модуля коэффици-
ента отражения 8п(/) в полосе частот возбуждения ПМСВ / >/оехр ~ 1920 МГц
видны пики поглощения, отвечающие возбуждению резонатора (см. стрелочки
на 6.22, а, сопровождающиеся также изменениями в фазе отраженного сиг-
нала). Для первого резонанса изменения 511 и фи составляют 35 дБ и 200° со-

Г, ГГц Г, ГГц

Рис. 6.22. Частотные зависимости модуля 5п и фазы фп-коэффициента
отражения сигнала для одновходовых Ю-брэгговских резонаторов
с размерами С, - 150 мкм, 1.2 - 300 мкм и 1_з - 600 мкм,
снятые пои величине магнитного поля Но - 238 Э во всей полосе возбуждения
сигнала (с б) и в окрестности резонанса основной моды (в, г)
На рис. 6.22, виг показаны характеристики 5'ц(/) и <рп(/) в окрестности
первого резонанса для структур с размерами дефектов ~ 150 мкм, 2-2 -300 мкм
и 2-3 — 600 мкм. Возбуждение резонаторов происходит в одном интервале на
резонансных частотах: /(? - 2510,2 МГц,у)* ~ 2509,7 МГц,/зк - 2511,7 МГц,
с шириной по уровню +3 дБ: Л/1к - 100 кГц, Л/?11 ~ 500 кГц, А/зк - 600 кГц.
Каждому резонатору соответствуют величины добротности Ош = / А/,,,1*:

20 500, 5000 и 4200 для т = 1, 2 и 3 соответственно.

6.7,3.4. Методы и результаты исследований
магнонного кристалла «пленка железо-иттриев эго граната -
периодическая решетка из микропол^сок пермаллоя»

Магнонный кристалл «пленка ЖИГ - периодическая решетка из микро-
полосок пермаллоя» был изготовлен методом взрывной литографии с исполь-
зованием электронно-лучевой литографии и магнетронного распыления. Сна-
чала с помощью электронно-лучевой литографии на пленке ЖИГ формирова-
лась маска из резиста с окнами в виде периодической решетки из микрополо-
сок шириной 1 мкм. Далее с помощью магнетронного распыления на образец
наносился слой пермаллоя толщиной 100 нм. Затем резист смывался, в резуль-
тате чего получался образец в виде пленки ЖИГ с системой из пермаллоевых
микрополосок (см. рис. 6.23).

Рис. 6.23. Фотография магнонного кристалла

«пленка ЖИГ - решетка из пермаллсевых полосок» со Сформированными
микроантеннами для возбуждения и приема спиновых волн

При этом использовалась пленка ЖИГ толщиной 0,5 мкм и намагничен-
ностью насыщения 1,75 кГс на подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГГ)
толщиной 500 мкм. Периодическая система из микрополосок имела вид пери-
одической решетки с периодом 9 мкм, в которой каждая третья микрополоска
отсутствует. Таким образом, такой магнонный кристалл, с одной стороны,
можно рассматривать как решетку с периодом Л = 9 мкм с периодическим де-
фектом типа пропуск периода, а с другой - как решетку из сдвоенных микро-
полосок с периодом Л = 27 мкм.

Для исследования эффектов распространения спиновых волн в магнон-
ном кристалле со столь малым периодом использовалась система возбужде-
ния - приема спиновых волн в виде копланарных микроантенн, сформирован-
ных непосредственно на пленке ЖИГ (см. рис. 6.23). Микроантенны изготав-
ливались методом взрывной литографии с использованием фотолитографии и
магнетронного распыления из меди толщиной 0,3 мкм по аналогичной проце-
дуре, как и в случае изготовления пермаллоевых микрополосок. При этом одна
из антенн была размещена на магнонном кристалле (в области с периодиче-
ской решеткой из пермаллоевых полосок), а вторая - вне его. Ширина провод-
ников в антеннах составляла 7 мкм, разделенных щелями шириной 4 мкм.
Длина антенн была 800 мкм, расстояние между антеннами - 200 мкм.

Исследование особенностей характеристик распространения спиновых
волн в магнонном кристалле «пленка ЖИГ - решетка из пермаллоевых микро-
полосок» проводилось в геометрии ПМСВ, когда поле подмагничивания при-
ложено касательно к пленке перпендикулярно направлению распространения
волны (вдоль антенн) (см. рис. 6.23). С помощью векторного анализатора це-
пей и зондовой СВЧ-станции измерялись амплитудно-частотные характери-
стики (ЛЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) коэффициента передачи
при различных величинах поля подмагничивания. Данные ФЧХ использова-
лись для расчета экспериментальных дисперсионных характеристик.

На рис. 6.24 продемонстрированы основные особенности поведения за-
прещенных зон, наблюдавшиеся в эксперименте для этого типа магнонного
кристалла. На рисунке 6.24, а приведены зоны прохождения ПМСВ для двух
противоположных направлений распространения волны (5Д и ЗД). Красная
кривая соответствует направлению распространения, при котором максималь-
ная амплитуда колебаний реализуется на поверхности пленки ЖИГ с пермал-
лоевыми микрополосками и микроантеннами, синяя - направлению распро-
странения, при котором максимальная амплитуда колебаний реализуется на
противоположной поверхности пленки ЖИГ.

В зонах прохождения ПМСВ видны осцилляции коэффициента прохож-
дения, практически эквидистантные по частоте с интервалом 3,57 МГц. Эти
осцилляции связаны с резонансным взаимодействием ПМСВ с упругими мо-
дами слоистого волновода ЖИГ / ГГГ [41], что подтверждается хорошим со-
ответствием наблюдаемого частотного интервала между осцилляциями с тео-
ретически предсказываемым для сдвиговых упругих мод при толщине под-
ложки 500 мкм.

Помимо этого, в зонах прохождения ПМСВ можно также видеть более
широкие пики поглощения. Положение этих пиков находится в хорошем со-
гласии с теоретически предсказываемым для низших брэгговских резонансов
в решетках с периодами 9 и 27 мкм (ср. рис. 6.24, а и б), что указывает на то,
что природа появления этих запрещенных зон связана именно с брэгговскими
резонансами.

Рис. 6.24. АНХ коэффициента прохождения (а) и экспериментальные
дисперсионные характеристики (б) ПМСВ при распространении
в магнонном кристалле «пленка ЖИГ - решетка из пермаллоевых микрополосок»
для двух противоположных направлений распространения

Следует отметить, что, исходя из выражения для волновых чисел, отвеча-
ющих брэгговским резонансам к = тг- и / Л (где п - номер резонанса), низший
(л = 1) брэгговский резонанс для Л = 9 мкм теоретически совпадает с третьим
(л = 3) резонансом для решетки с периодом Л = 27 мкм. Однако наблюдавшуюся
в эксперименте запрещенную зону для волнового числа к 3450 рад/см, на наш
взгляд, следует связать именно с низшим резонансом для периода 9 мкм, а не с
третьим резонансом на периоде 27 мкм, исходя из того, что эффективность ре-
зонансов должна уменьшаться с их номером и отсутствием свидетельств брэг-
говского резонанса с номером л = 2 на периоде 27 мкм. То есть мы делаем вы-
вод, что каждый из периодов в данной структуре участвует в формировании
своих брэгговских резонансов.

При этом обращает на себя внимание невзаимное поведение брэгговских
запрещенных зон при смене направления распространения ПМСВ. Для
ПМСВ, «прижатой» к поверхности с пермаллоевой решеткой, виден отчетли-
вый резонанс на периоде 27 мкм и слабый резонанс на периоде 9 мкм. При
смене направления распространения волны, что сопровождается сменой по-
верхности, к которой «прижата» волна, резонанс на периоде 27 мкм исчезает,
а на 9 мкм - усиливается. При изменении полярности поля подмагничивания,
что приводит к смене поверхности, к которой «прижата» волна при фиксиро-
ванном направлении распространения, наблюдалось полное обращение кар-
тины: то, что наблюдалось ранее для 821, в этом случае наблюдается для 8ц, и
наоборот. Это указывает на то, что поведение запрещенных зон однозначно
связано с поверхностью, к которой прижата волна. Однако объяснений такому
невзаимному поведению брэгговских запрещенных зон пока нет.

Заключение

Таким образом, в рамках данного этапа отечественными учеными-иссле-
дователями были получены следующие основные результаты.

Методом локального анодного окисления созданы образцы планарных
туннельных структур на основе пленок никеля и железокобальтового сплава.
Проведено исследование, направленное на оптимизацию технологии получе-
ния таких структур за счет выбора текстуры ферромагнитной пленки. Пока-
зано, что для эффективного локального анодного окисления выбор пленок ни-
келя с текстурой (100) является более предпочтительным по сравнению с ни-
келем (111).

Созданы и исследованы образцы двухкомпонентных магнонных кри-
сталлов (ДМК) на основе сочетаний из различных материалов, кобальт - перм-
аллой и пермаллой - железокобальтовый сплав. Показано, что свойствами
ДМК можно управлять как за счет подбора материалов, так и за счет выбора
глубины залегания одного материала в другом. Показано также, что с точки
зрения получения максимальной величины анизотропного магнитосопротив-
ления предпочтительными являются одномерные ДМК на основе сочетания
кобальта и пермаллоя.

Созданы магнонные кристаллы (МК) на основе пленок ЖИГ с более чем
одним пространственным периодом (ферритовые МК с поверхностной струк-
турой, состоящей из двух периодических решеток, комбинированный МК из
ферритового МК и решетки металлических полосок) и исследованы особен-
ности формирования брэгговских запрещенных зон в спектре распространяю-
щихся в них поверхностных магнитостатических волн. Показано, что в МК.
состоящем из двух решеток, запрещенные зоны могут как формироваться про-
стым наложением запрещенных зон от каждой из решеток, так и демонстри-
ровать более сложное поведение.

Созданы одно- и двумерные МК с наличием дефектов периодической
структуры и исследованы особенности формирования дефектных мод в них.
Продемонстрирована возможность использования дефектов МК в качестве
высокодобротных резонаторов спиновых волн.
Проведено микромагнитное моделирование процессов перемагничива-
ния и эффекта анизотропного магнитосопротивления в слоистых обменно свя-
занных структурах. Показано, что эффект анизотропного магнитосопротивле-
ния в трехслойных структурах не связан однозначно с возможностью наблю-
дения в них антиферромагнитного состояния.

Поставленные в рамках данного этапа задачи выполнены полностью.
Полученные результаты не уступают мировому уровню и могут представлять
интерес при разработке устройств обработки информации на основе магнети-
ков. В частности, результаты по туннельным структурам, получаемым с помо-
щью локального анодного окисления, двухкомпонентным магнонным кри-
сталлам и микромагнитному моделированию слоистых структур могут пред-
ставлять интерес для разработки магнитных датчиков, а по ферритовым маг-
нонным кристаллам - для разработки устройств обработки СВЧ-сигналов.

Литература

1. СЬитак А. V.. Зегуа А. А., ЕИПеЪгапсЕ А. А. Ма§потс сгуз1а1з (ог с1а1а ргосеззт^.
ЕасЬЬегехсЬ РЬузхк апд ЕапдезГог8сЬип§зхеп(гит ОРТ1МА8, ТесЬшзсЬе ип1уегзйа1 Кай
зегз1аи(ет, 67663 Ка1зегз1аи1егп, Оеппапу.

2. Кеес1 К. ОхуепзА М., Саг/егК. Ь. 1985. С1гс. 8ух1. Зтн. Ргос. 4. - 157.

3. Нагкетапп Р. 1984. ГЕЕЕ Тгапз. оп Ма§пейсз МАО-20. 1013.

4. (ЗиЬЫоШ О., ТасекI 8., Масктп М., Саг1оН1 О., АВеуеуе А. О., Кох1у1ес М. - Р. 2010.

Г. РЬуз. В: Арр1. Р11уз. 43, 264003.

5. Кип 8.-К. 201С. Г. РЬуз. О: Арр1. РЬуз. 43, 264004.

6. ЬепкВ.. Щг1ск$ Н.. (ЗагЬз р. М. 1Гп7епЬег§. - М.: 2011. РЬуз. К.ер. 507. 107136.

1 .А1- №ак$ка Н.. Ак)ои) А., Ща/ан-Коикат В., ОоЬггупзкг Ь. 2011. 8игГ. 8с1епсе Кер. - 66,
29.

8. КгаюсгукМ., (ЗгипсПег Б. 2014. Г. РЬуз.: Сопдепз. Майег 26. 123202

9. 8ег§аА. А., СЬитак А. V., НШеЪгапсВВ. 2010. Г. РЬуз. Б: Арр1. РЬуз. 43, 264002.

10. СЬитак А. У., Уазуискка У. 1. Зегуа А. А., НШеЬгаткз В. 2015. Иа1. РЬуз. 11. -453.

11. СЬитакА. V., Кагепотка А. Б., 8ег&аА. А., НШеЪгашкзВ. Т11е дупаппс та§потс сгуз1а1:
Нете Ьоп7опз т агййсга! сгуз!а1 Ьазед 81§па1 ргосеззт§. 1п: Тор1сз т АррИед РЬузкз.
Уо1. 125: Ма§потсз Ггот Йгпдатеп(а1з 1о аррНсайопз. 8. О. Ветокгйоу А. И. 81аут
(едз.). 8рпп§ег. -Р. 243-255 (2012).

12. Кагептезка А. О., СЬитакА. V., .Зегуа/1. А., НП1еЬгап(к В. Ма§поп зртггошез. 1п: Напд-
Ьоок оГ 8рт(гошсз. У. Хи, В. В. АтезсЬа1от, Г. К1йа (едз.). 8ргт§ег. - Р. 1505-1549
(2015).

\З.В1оскР. 1930. X. РЬуз. 61.-206.

14. Оигеукк А. С., Ме1к<>\ О. А. Ма§пейхайоп ОзсШайопз апй \\'ау<.'8 1996. (СКС, Нете
Уогк).

\5.81апсН О. В., РгаЪкакаг А. 8рт \\'ауез: ТЬеогу апд АррНсайопз 2009 (8рпп§ег, Нете
Уогк).

16. КаИткоз В А., КохзЫкох №. С., 81аут А. №. 1983. 8оу. РЬуз. - ГЕТР Ьей. 38.-413.

17. 8ег§аА. А., Ветокп1оу 8. О. НШеЪгапЗз В., 81ахтА. К. 2004. РЬуз. КеУ. Ьей. 92. 117203.

18. ЗскпеиАегТ., 8егуа А. А., СкитакА. V.. Зансксеу С. 1У.. ТгиВе! 8., Н/о108., Кох1у1ех М. Р..
ТгЬегкеукк V. 8.. 81аут А. №.. НШеЬгапВз В. 2010. РЬуз. К?у. Ьей. 104. - 197203.

19. ОетМоу V. Е., ОетокгИох 8. О., ВЫ И., О'Согтап В., Тзо1 М., Ы X. 2009. РЬуз. Кеу.

В 80.-014429.
20. СЯеМизаК. ШтчскзН., Везяопоу V. Я., Сиротка Я., 8ю§пПА. I. к1аЯе\\’зк1 А. 2013 Арр1.
РЬукХей. 102.- 102409.

21. Ме1коу О. А., 8ег§а А. А., Т(Ъегке\пск V. 8., ОНумукА. Я., 81 аут А. Я. 2000 РЬув. Кеу. Ьей.
84. 3438.

22. 8ег§а А. А., НШеЪгапск В.. ЯетокгИоу 8. О., 81оуш А. IV., ИАегМсЖ Р , Уазуискка V, I.,
Ягуарко О.. С/ттакА. V. 2005. Рйуз. Кес. Еей. 94. 167202.

23. ЯетокгИоу 8. О., ЯетиЯоу V. Е., Я:уарко О., Ме1коу С. А., 8ег%а А. А., ЕЕИеЪгапск В..
81спчпА. №006 \а1игс 443. 430.

24. 8ег§аА. А., ЯЬегкеччск V. 8., 8апАуе§ С. РУ., Уцзуискка V. Я. Воакко Я. А., СкитакА. V.,
Ыеитапп Т., ОЪту В., Ме1коу О. А., 81а\’т А. Я., ЕНИеЬгапсВ В. 2014 Май Соттип. 5.
3452.

25. Воакко Я. А., 8ег%а А. А., С1аизеп Р . Уазуискка У. Пеиз.чпег Р„ Ме1коу О. А.. Ротуц-
1оу А., Я ’уоу V. 8., ШиекгапсЬ В 2016 МаШге Ркув. 12. 1057.

26. 8’атрз К. Я., ВгеИкгеиЯл 8., Акегтап Я, СкитакА. V., О(ат У., Ваиег С. Е. ТЫе1еЯ.-Я..

Втуеп М., МщеНск 8. А., К1аш М. 2014 .1. Ркуз. Ц: Арр1. Рйув. 47, 333001.

27. Кгируак V. У., Нккеп В. Я. 2006 .1. Ма§п. Ма§п. Магег.306. 191.

28. Кгируак V. V., ЯетокгИоу 8. О., ОгипсИег Я. 2010 .1. Рйуз. В: Арр1. Рйгуз. 43. 264001.

29. МкИау 8. А., ТаИкаАез Р., Тзсп С, 8. 2001 ,1. Ма§п. Ма§п. Май 236. 320.

30. Зкуез С. О.. ААат Я. Я., Со1Ипп Я Н. 1976 Аррй Рйуз. Ьей. 29. 388.

31. ккак И< 8. 1988 Ргос. оПЬе 1ЕЕЕ 76. 171.

32. Кискко А. К., 8око1оузкП М. Я., Кгируак У. У. 2005 Рйук. В 370. 73.

33. СМ К. Н„ Аки У., Тза1 С. 8. 2014 I Аррй Рйув. 115. 170125.

34. Ж К., /.капр У. Я., Киок М. Н. Япп Н. 8., №> 8. С.. ^а^ауапар^Па^ К., Уап%Н. 2014 Рйув.
Кеу. В 90. 060405.

35. Мого^оуа М. А.. (Зпзкт 8. V.. ЗаАоуМкоу А. У. Котапепко Я. V.. ЗкатеузкИ У. Р., №кч
(оу 8. А. 2015 Аррй РНуз. Ьей. 107. 242402.

36. Хт§Я. 8., Уаи§ Н., Сао У. Я. 2015 I. Ма§п. Мапу. Май 377. 286.

37. РШтопоу У, Рау1оу Е., УузЮз/ки 8.. ЮкИоу 8. 2012 Аррй Рйуз. Ьей. 101. 242408.

38. ЗМпАои К., МакитоЮ К., Мигакапп 8. 2013 Рйуз. Кеу. В 87. 174427.

39. УегЬа К.. Т(Ьегкеу1ск У., Вапком’зкч Е.. МеИчЯег Т.. Ме1коу С., 81ау(п А. 2013 Аррй Рйуз.
Еей. 103. 082407.

40. НиЪег К., Кгакстук М., Зсккагге Т., Уи Н., Яиегг О., А1Ьег( 8.. (ЗгипсИег Я. 2013 Аррй
Рйуз. Ьей. 102. 012403.

41. ЫзепкоуЯ, Ка1уаЫп Я., №1а(оу 8. 2013 Аррй Рйуя. Ьей. 103. 202402.

42. Моп(опсе11о Р., ТсухМ 8.. Споуатйт Я.. МаВат! М., СиЪЫоШ О., СаНоШ С.. 8гго(кт Е..
АктаВ Е.. О§пп Р. У.. Кт^1уак У. У. 2013 Аррй РЬуз. Ьей. 102. 202411.

АЗ. Ызепкоу Я, ТуЬегкеууск V., 81аУ1п А., ВопАагепко Р.. Яуапоу В. А.. Вапкокзкг Е., МеИг-
1ег Т., ХгкИоу 8. 2014 Рйу8. Кеу. В 90. 104417.

44. Мч-исакге-лпса М., РспАоу Е. 8., Уузо1зку 8. Я., Кгаксгук М., РШтопсш У. А., №кИоу 8. А.
2014 РЬув.Кеу. В 90. 174416.

45. Я1зепкоу 1.. ТуЬегкеууск У., КгкИох’ 8., 81аут А. 2016 Рйуз. Кеу. В 93. 214441.

46. ЗаАоуткоу А. У.. Вертим Е. X. Могоаоуа М. А., ЗкагаеузкИ Уи. Р., СпзМм 8. У.. Зкезки-
коуа 8. Е., Х1кИоу 8. А. 2016 Аррй Рйуз. Ьей. 109. 042407.

47. Могогоуа М. А.. Зкач аеузкауа А. У., Ма(уееу О. V. Верит Е. Ы., ЗкагаеузкИ У. Р. 2016
Р11У8. \\'ауе РЬепот.24. 1.

48. Мого^оуа М. А.. МаВгееу О. У.. ЗкагаеузкИ У. Р. 2016 Рйуз. 8оИ<1 81а1е 58. 1967.

49. ЦяНпоуА. В., Оп^ог’еуа X. У., КаИпгкоз В. А. 2008 .1К1Р Ьей. 88. 31.

50. (ЯгВкт 8. У., Верит Е. №.. Зкагаеузки У. Р., МкЦог 8. А. 2013 Аррй Рйуз. Ьей. 103.
022408.

51, Зкезкикоуа 8. Е., МогогоуаМ. А., ВертпЕ. X, ЗкагаеузкИ У. Р., РчкИоу 8. А. 2013 Р11У8.
А'ауеРНепот. 21. 304.
52. ОпвЫп 8. У.. ВерпЫ Е. К.. Могохоуа М. А.. ЗкагаеузкИ У. Р. ЮкМоу 8 А. 2016 ,1. Арр1.
Ркуз. 115. 053908.

53. Уухыхки 8. Ь., ЮкКоу 8. А., РШтопот У. А. 2005 ,1. Ехрег. ТЬеог. Ркуз. 101. 547.

54. КеаЯеу Р. 8., Кт^1уак V. У.. ХеиКег! А., ОаЫкИопоу Е. А., Нюкеп К. А.. СЫЫгезз А. К..
КаИпе А. А2008 РЬуз. К.еу. В 78. 214412.

55. Тасс1п 8., МасЫгт М., ОиЬЫоШ С., Ташуака Н.. Опо Т., Кох1у1еу М. Р. 2010 Ркуз. Кеу.
В 82. 024401.

56. ШпсИз Н., ЬеикВ., МиепгепЬег§ М. 2010 Арр1. Ркуз. Ьей. 97. 092506.

57. ТассЫ 8., Моп(опсеИо Р., Мас1ат1 М., ОиЪЫоШ О., СаНоЫ С-, СНоуаптт Ь.. Хпчеп К.,
ЫкаеН р„ Аат 8., АдеуеуеА. О., 8Ы§к X. 2011 РЬуз. Кеу. Ьей. 107. 127204.

58. Вг/егг (?.. Марата М, Хеикхст 8 , ТассЫ 8.. СЫЪЫоШ Сг.. Саг1оШ О., ОгипсНег В. 2011
Арр1. РЬуз. Ьей.99. 202502.

59. УегЬаК., Ме1коу О., Т1Ъегкехчск К, 81а\чпА. 2012 РЬуз. Кеу. В 85. 014427.

60. Везракп’ А. V.. (АоНкоуа О. Л., 8аут 8. 8., 8/о^пуА. I.. ХоуИзкИ X. Ы. 2012 1пог§. Ма1ег.48.

1190.

61. ТассЫ 8., Виегг О., К1о8 А. 1К, Марат) М.. Хеихзег 8., ОиЬЫоМ С., Саг1оШ О., Кгаксгук
М., СгптсИег О. 2012 РЬуз. Кеу. Ьей. 109. 137202.

62. Зака 8.. Мап<Аа1 В. Вагтап 8., Китае В.. Капа В., Рикита К, 8п§кпо1о 8., 01ат У., Ваг-
тапА. 2013 Айу. Рипсй Ма1ег. 23. 2378.

63. Ко$1у1еу М.. 2коп^8., Вт§А., ААеуеуе А. О. 2013 I. Арр1. РЬуз. 114. 113910.

64. Иап О. 8.. Уо§е1 А.. Аипц Н., Лее К. 8., кУещаяр М., 81о11 Н., 8скйХ О., Р1хскег Р., Мегег
О.. Кип 8. К. 2013 8и. Кер. 3. 2262.

65. СЫК. Н„ 2ки У, Т$Ы С. 8. 2013 1ЕЕЕ Тгап. Ма§п.49. 1000.

66. ЫиX. М., В1п§А., Какаре! С. X., АРеуеус А. О. 2013 Арр1. РЬуз. Лей. 103. 062401.

67. Уап с1е кУ)е1е В . МоЫопсеИо Р. 2014 .1. РЬуз. В: Арр1. РЬуз. 47. 315002.

68. кУап§ 2кап%Н., Ма О., Тап^Х. Ыао У., 21юп^2. 2014 1. Арр1. РЬуз. 115. 133904.

69. №'апу 2кап§ Н., Тап^Х., 8и Н. ВЫ Р., А1п§ У., Укону 2. 2014 Л РЬуз. В: Арр1. РЬуз.,

47. 065004.

70, й'у/ег/ К., Ма1а§о Р., СВоуаппии Ь. 2014 РЬсйошсз Напоз1гис1.: Еипйат. Арр1. 12. 398.

71. Ма1а^о Р., Споуапшш А., 2пчеп К.. Оги&ееН Р., Кган’сгук М. 2015 РЬуз. Кеу. В 92.
064416.

72. Китаг В., АВеуеуеА. О. 2015 3. Арр1. РЬуз. 117 143901.

73. Ызепкоу I., Ка1уаЫп В., Охокт 8., К1ок А. кУ., Мгаксгук М, Хгккоу 8. 2015 ,1. Ма§п.
Ма§п. Май 378'. 313.

74. Тасс1п 8., Огизгескг Р., МаАап) М., СаИоИ) О., К1ох А. кУ., Кгаксгук М., АВеуеуе А-, ОиЬ-
ЫоШ О. 2015 Зек Кер. 5. 10367.

75. Какаре! О. X.. 1Аи X. М., В1п§ А, Со1иЪ У. О., 8а1уик О. У., УегЬа К. У. Випуаех' 8. А..
АВеуеуе А. О. 2015 Арр1. РЬуз. Еей.107. 232402.

76. Ы 2. X, кУапёМ. X., №е У. 2., кУапёВ. Ж. Хга 0. Ь„ Тап§ кУ.. 2еп^2. М„ Оно О. Н. 2016
1. Ма§п. Ма§п. Май 414. 49.

77. Ызепкоу I., Тукегкехусп V., Ьеу1п-РотреКк1 Ь., Е1епа В., МеИг1ег Т., ХгкИоу 8.. 81аут А.
2016 РЬуз. Кеу. АррИей 5. 064005.

78. ТассЫ 8.. ОиЬЫоШ О., МаАат) М., Саг1оШ О. 2017 .1. РЬуз.: Сопйепз. Майег 29. 073001.

79. Кгауусгук М., Риз^кагхкг Н. 2008 РЬуз. Кеу. В 77. 054437 Маписа 8 2013 1. Арр1. РЬуз.

114. 043912.

80. У1уаз I. К.. Маппса 8., КгаАУсгук М., Кги§1уак V. V. 2012 РЬуз. Кеу. В 86. 144417,

81. ОпЬЫоШ О., ТассЫ 8., Саг1от О., 8Ы§11Х., Ооо1аир 8., ААеуеуе А. О., Кох(у1еу М. 2007
Арр1. РЬуз. Ьей. 90. 092503.

82. кУап§2. К., 2кап§ У. Ь.. Ат Н. 8., Х^З. С.. КиокМ. Н, Аат 8., ААеуеуе А. О. 2009 Арр1.
РЬуз. Ьей. 94. 083112.
83. ТассЫ 8., Мас1апй М., ОиЬЫоШ О., Саг1оШ О.. Сгоикшр 8.. АЗеуеуе А О.. 8туЬ18., Ко-
з1у1еуМ.Р. 2010, РЬуз. Кеу. В 82. 184408.

84. йш§/, Кох1у1е\- М.. А(1еуеу А. О. 2011 РЬуз. Кеу. Ьей. 107. 047205.

85. МгисМепчс: М., Кгауусхук М., М1ккау1оузк1у К. V., Кгиу1уак V. К 2012 РЬуз. Кеу. В 86.
024425.

86. Веуиип Е. 8., РШтопоу У. А., Раг1ое Е. 8., Уузо1зкп 3. Е., №кИт> 8. А. 2012 Арр1. РЬуз.
Ьей. 100. 252412.

87. МаЕ. 8., Ыт Н. 8., 2капу К I.., ХрЗ. С.. КиокМ. Н. 2012 Капозса1е Кез. Ьей. 7. 498.

88. МгиргВетсхМ., Кган’с-укМ.. Заккагоу V. К.. КЫу1п(зеу У. V., РШтопоу У. А.. МкИоуЗ. А.
2013 I. Арр1. РЬуз. 113. 093908.

89. Юану 2капу Н. Гапу X. Рапуокг Н, Ваг р., Акопу А. 2014 Арр1. РЬуз. Ьей., 150.
112405.

90. Ууво1зкИ 8. I.. КЫет1зеу У. V., РШтопоу У. А., ХгкИоу 8. А. ЗюупН А. I., ХоуИзкИ 8. 8.
2015 ТесЬ. РЬуз. Ьей. 41. 1099.

91. Капахшеа 18., Оо1о Т., ПоопуЗ IV., Л11ап.чагуа1 В. Такар1 Н. 2015 У. Арр1. РЬуз. 117.
17Е510.

92. МаР., /кои У.. Вгаип Н. В Век IV. 8. 2015 Нано Ьей. 15. 4036.

93. ТРапуХ. 6.. Ойо О. Н, ЫА.Х, Ц'апу Г). IV., №е У. 7... Тапу IV. 2015 ЕРЬ 109. 37008.

94. Тгопсозо К. Е.. ОИоа С.. Ренсе РеИре, 8ипех А. 8. 2015 РЬуз. Кеу. В 92. 224424.

95. Ввззопоу V. О., Мгпак1етс: М., Ыетизх К., Спешен ка 13., МаШ.е\узк1 А., Зюупу А. I.,
Кган’сгук М. 2015 РЬуз. Кеу. В 91. 104421.

96. Коз(у1еу М.. 8скга<1ег Р., 81атрз К. к.. (ЗиЬЫоШ О., Саг1оШ О.. ААеуеуе А. О.. Ооо1аир
8., Зтук 8. 2016 Арр1. РЬуз. Ьей. 92. 132504.

97. ОпТопех-Котего С. к.. каасапо-ОШе А., ВгоеШосзкИ А., КаЬткоз В., АуиИаг-НиегТа М,
Воттуиеа-Зиаге: 7. Ь., Горен-МаШопас1о О., <^еенЫ 8., Ко!око1зеу О.. Мопзпчцз О.
2016 У. Арр1. РЬуз. 120. 043901.

98. СзИпоха I. А., ЮкИтА. А.. 11зНпоу А. В. 2016 ТесЬ. РЬуз. 61. 473.

99. 1поие М.. Вагузкеу А., Такау! Н., Нт Р В.. На1а/ики К.. 8ос1а 3., Тоуо К. 2011 Арр1. РЬуз.
Ьей. 98. 132511.

100. Кгункий 3 О., МеАуеАА. V. 2012 Арр1. РЬуз. Ьей.100. 192410.

101. А1а1ау 8., КауаА. О.. Ко1а1 V. 8., Оепсег Н, Еуг Т. 2015 .1. 8ирегсоп<1. Ыоу. Ма§п. 28. 2071.

102. Кагепо-кзка А. В.. СЬитакА. Е. Зегуа А. А., Оперу .1. р., НП1еЬгат)з В. 2010 Арр1. РЬуз.
Ьей. 96. 082505.

103. Вапкоуузк! Е.. МеИг1ег Т., Ккутуп К. 8., Т1Ьегкеу1ск V. 8.. 81аут А. X., Тапу Н. А". 2015
Арр1. РЬуз. Ьей.107. 122409.'

104. Скиток А. V., ТгЪегкеугск V. 8., Капе пшенка А. О., 8егуа А. А., Огеру 3 р., 81аут А. X.
НШеЬгапАз В 2010 Ма!. Соттип. 1. 141.

105. Кагепокика А. В., ОгеууЗ. Р.. 'ПЪегкеек'к V. 8., 81аут А. 18., СЬитак А. У., 8егуа А. А..
НШеЬгапсЕ В. 2012 РЬуз. Кеу. Ьей. 108. 015505.

106. СкитакА. V.. Уазуискка V. I., 8егуаА. А., Кох!у1ее М. Р., Т1Ьегкеу1ск У. 8.. НШеЬгашЗх В.
2012 РЬуз. Кеу. Ьей. 108. 257207.

107. 11зПпоуА. В., ВгссАоузкИ А. V., КаИткоз В. А. 2010 Арр1 РЬуз. Ьей.96. 142513.

108. СкитакА. V., ЗегуаА. А., НШеЪгапск В. 2014 К'а1. Соттип.5,4700КЬйип А 2012 У. Арр1.
РЬуз. 111. 054307.

109. ИгкШп А. А., ЦзИпоу А. В., 8етеногу А. А.. СЬитак А. V., Зегуа А. А., Уазуискка V. I.,
Ьакс1егап1а Е., КаИткозВ. А., НШеЪгашЕ В. 2015 Арр1. РЬуз. Ьей. 106. 102405.

110. Ватой К. IV., ЕзкЬаск 3. К. 1961 РЬуз. СЬет. 8о1к1з 19. 308.

11 Х.КаИпгкоз В. А. 1980 1ЕЕ Ргос. 127. 4.

112. КаНпткоз В. А.. 8!аут А. О. 1986 У. РЬуз. С: 8оНс1 8(а1е РЬуз. 19. 7013.

113. КаИткоз В. А., Когкиз X. V.. Коз!у1еу М. Р., 81ау1п А. О. 1990 У. РЬуз.: Сопйепз. Майег 2.
9861.
114. ОеИег 8., (ЗШео М. А. 1957 Ас1а Сгуз1а11о§г. 10. 239.

115. СИазз Н. Е., ЕШо1 М. Т. 1976 1. Сгузг. ОгоууШ 34. 285.

116. О1азз Н I.. 1988 Ргос. оПйеШЕЕ 76. 151.

117. Скегерапоу V., Ко1ококя Е уоу V. 1993 РКу81С8 КерогГз 229. 81.

118. Вин У., 8оп§ У.-У.. Скаи% Н.. КаЬа1ек М.. .книг М., ЗскпеМег IV., №и М.. 8ски11ке1зз Н.,
НаЦтакпА. 2012 Арр1. Рйуз. Ьей.101. 152405.

119. В'АШууКеПу О., Анапе А.. ВетагА К., Веп Тоиззе/А., Накп С., Мо1ресегез А. Н, Саггё-
Гёго С., АасдтН Е.. Вегап1о1 С., ВоПо1оШ Р., [.еЬоигуеоо К.. Ма^е А.-С., с1еЬоиЬепз О.,
К1ет О., Сгоз К, Рег1 А. 2013 Арр1. РЬуз. Ьей. 103. 082408.

120. Уи Н. А’ЛИВу Ке11у О.. Сгоз V.. Вегпап! К.. Вог1о1оШ Р.. Анапе А.. ВгапсН Р., НиЬег К
81азторои1оз Е, ОгитПег В. 2014 8с1. Кер. 4. 6848 (2014).

121. Накп С., А'а1е1оу V. V., де ЬоиЬепз О., К1е1п О., сГАПпу Ке11у О.. АпапеА. К., Ветагс!К..
,/аеаие! Е., Вог1о1о1Н Р.. Сгоз V., Рпе1оА Е., Мийо? М. 2014 Арр1. Ркуз. Ьей. 104 152410.

122. ОпЪазН М. С.. КеЫЬег^ег А., Кт В. Н., АакоЬ С}.. К1сппМ, СкитакА. 1., НШеЬгапАз В.,
Козз С. А. 2014 Арр1. Рйуз. Ьей.Ма1ег. 2. 106102,

123. Ыи Т., Скипу И., У/аттск V., 8ип У., КаЪа1ек М., На0тапп А.. Вепу №и М. 2014
.1. Арр1. Р11уз. 115. 17А501.

124. Р1гго Р.. Вгаскег В., СкитакА. И, Ьауе!В., ВиЬз С., Вигекепко О.. СогпеПР.. Ьеуеп В.,
НШеЬгапАз В 2014 Арр1. Рйуз. Ьей. 104. 012402.

125. ВиЬз С.. Вигакепко О., Ыпке К.. ВапНемпку А., Вгскпег С, ВеИИк А. 2016 агХ1у:
1608.08043.

126. Атак)Н. В„ Е1теп О. ИС 1923 1. ГгапкИп 1пз1. 195. 621.

127. РаПоп С. Е. 1968 1. Арр1. РНуз. 39. 3060.

128. Ка1аНска1 8. 8., Кг1уоз1к Р., ТУи М.. Район С. Е., 8скпе1с1ег М. Ь., КаЬоз Р., 8Иеа Т. А..
АЧЬагуегА Р 2006 ,1. Арр1. Ркуз. 99. 093909.

129. ВепиАоу У. Е., Коз1у!е\: М. Р., Ко11 К.. КггуМесгко Р., Ке1зз О.. ВетокгИоу 8. О. 2009
Арр1. РНуз. Ьей. 95. 112509.

130. Вскзеагге Т.. НиЬегК., Виегг С.. СптА1ег В. 2012 РНуз. Кеу. В 85. 134448.

131. Уоу! К., ГгасНп Р. У., Реагзоп А. Е.. ЗеЬазИап Т., ВаАегВ. О., НЩеЬгапАз В., Но/рпапп А..
8скикке1зз Н. 2014 Ыа1. Соттип. 5. 3727.

132. Вгаскег Т., Риго Р., Меуег Т., НеиззпегР.. 1.ауе1 В.. Аегуа А. А., НШеЪгапЛзВ. 2014 Арр1.
Рйув. Ьей. 104. 202408’

133. Скитак А. V.. Р1гго Р.. Вег^а А. А., Ко.ч1у1еу М. Р.. Вкчпрз К. Ь., Вскиккегзз Н.. Уо§{ К..
НегтзАоег/ег 8. А., каеуе!В. ВеекР. А., НШеЬгапАз В. 2009 Арр1. Рйуз. Ьей. 95. 262508.

134. ВепМоу V. Е., ВетокгНоу 8. О. 2015 ШЕЕ Тгапз. Ма§п.51. 0800215.

135. ВеЬазИап Т., Вскнккегзз К., ОЪгу В., НШеЪгапАз В . Вскиккегзз Н. 2015 Сопс1. Майег.
Рйуз. 3. 35.

136. ОЪгу В., Риго Р.. Вгаскег В., Скитак А. V., Оз1еп А., С1иЪо1ап1 Р., Аегуа А. А., РаззЪен-
АегА., НШеЪгапАз В. 2013 Арр1. РНуз. Ьей. 102. 202403.

131. Вгипзск А. 1979 1. Арр1. Ркуз. 50. 7603.

138. ИиX., 2кап§ Саг1ег М. А., Х1ао О. 2011 1. Арр1. Рйуз. 110. 033910.

139. Хи Р., Ниап§ Ыао 2., Ы 8.. Оп§К. 2012 I. Арр1. Рйуз. 111. 07А304.

140. СопсцА., ОгезегА., 8еЪазИап Т., КНп^1ег8., ОЪгуВ., ЬееепВ., НШеЬгапНзВ. 2013 I- Арр1.
Рйуз. 113.213909.

141. Сонса А.. Рараюаппои Е. Тк., КИп^1ег 8.. Огезег А., АеЪазИан Т., Ъех/еп В, Ьозск А.. НИ-
1еЬгапс1з В. 2014 Арр1. РНуз. Ьей. 104. 182407.

142. АизПн Е. 1904 Уег11а11<11и11цсп йег [ЗеиГзсКеп Р11уз1ка118с1чс‘п ОезеПзскай 6. 211.

143. Ве Ото! К. А., МиеНегР. М.. еап Епуеп Р С.. Визскоя К. Н. А. 1983 РНуз. Кеу. Ьей. 50.

2024.

144. КиЪо1а Т., Тзипе§1 8., Оо^апе М, Мсикапи 8., Мгуааак) Т., Иа^апита Н., АпАо У. 2009
Арр1. Рйуз. Ьей. 94. 122504.
145. Ни С., Мекез С. К. А., СкзЫеу М., Меюез Г., ВгШег ИС Н. 2009 Арр1. Ркуз. Ьей. 95.
022509.

146. Тгис1е18., Оагег О.. Натг1е’8.. НШеЬгапск В. 2010 ,1. РЬуз. В: Арр1. РЬуз. 43. 193001.

147. Оо^апе М., КиЪо1а Т., Коса У, МСгикатС 3., Кцуапита 11., ЗакитаА., АпИо У. 2010 Арр1.
Ркуз. Ьей. 96. 252501.

148. 8еЬазИап Т., Окскпга У, КиЬоСа Т., Р/ггоР., Вгаскег Т., Уо^С К.. Зег§аА. А., Иа^апита Н..
Оо§апе М., АпВо У., НШеЬгапск В. 2012 Арр1. Ркуз. Ьей. 100. 112402.

149. Рпго Р., ЗеЪазкап Т„ Вгаскег Т.. Зег^аА- А., КиЬоСа Т., Ца^апита Н., Оо§апеМ.. Апско У,
НШеЬгатШз В. 2014 Ркуз. Кее. Ьей. 113. 227601.

150. Зрагкз М. Реггота§пейс Ке1ахайоп ТЬеогу 1964 (Кете Уогк: МсОгаху-НШ).

151. Маес1а А., Зизакл М. 2006 ШЕЕ Тгапз. Ма§п. 42. 3096.

152. СкитакА. V., 8ег§аА. А., НШеЬгапскВ.. КозСу1еу М. Р. 2008 Арр1. Ркуз, Ьей. 93. 022508.

153. Оакпоп 8., 1%шМК 18скШа К, ЗаИок Е. 2015 .1. Р1гуз. В: Арр1. Р1гуз. 48. 164014.

154. Оапёи1уА. К.. И'еЬЬ И. С. 1975 ШЕЕ Тгапз. М1СГ. ТЬеогу апй ТесЬп.МТТ-23. 998.

155. ЗскпеШег Т., Коз!\’1е\> М. Р., 8ег§а А. А.. Иешпапп Т., НШеЬгапсЬзВ. 2008 РЬуз. Кеу. В 77.
214411.

156. Аи У, АктаИЕ., ИтуСгИеу О., ОуоппкМ., 1)а\чзоп Т., Кги%1уак V. V. 2012 Арр1. РЬуз.
Ьей. 100. 182404.

157. Наитпу, У., сГАШуу Ке11у О.. Сгоз V., Вегпагс!К. ВогСо1оШР., АпапеА., ВгапШР., Нет-
Ъаск Е., ОгипсНег О. 2016 Май Соттип. 7. 11255.

158. Какаге) О. Н. Ме»>ез 1Р1^еп Р. Е., Натте1 Р. С., 81ау!п А. Н, Ро§оге1оу Уи. О.,
СозГа М. В.. Оо1иЪ V. О.. ОизИепко К. Уи., ЕтпзаИ 2. Капозсг ХапогссЬп. 8.2811.

159. К1т^1ег 8., СкитакА. V., \1е\сез Т., КкоскШасН В., Мен>ез С., ВиЪз С., Зипкепко О., НИ-
1еЬга>Шз В., Сотка А. 2015 .1. РЬуз. В: Арр1. РЬуз. 48. 015001.

160. Скитак А. V., Ме1кос О. А., ОетЩоу V. Е., Огуарко О., 8а{опог У. ВетокгИоу 8 О.
2009 РЬуз. Кеу. Ьей. 102. 187205.

161. Вгаскег Т., Риго Р., НШеЬгапск В. 2016 агХгу: 1611.05893.

162. КеппеюеП К. 8, СгемВ. С., 1лнп М. 8., П'ооШсагА к С., РгазсШ 8.. Зсатрз К. Ь. 2007 8игГ.
8с1. 601. 5766.

163. ЗтИк К. К.. КаЬаСекМ. 8., КпуозСк Р., №и М. 2008 .1. Арр1. РЬуз. 104. 043911.

164. ВетокгИоу 8. О., НШеЬгапНз В., ЗкпчпА. Ы. 2001 РЬуз. Керойз 348. 441.

165. Еокг Е., 8ег§а А. А., ЗскпеШег Т., НатНе 8., НШеЪгапсЬз В. 2009 Кеу. 8с1. 1пзггит. 80.
043903.

166. 8апШуе% С. ИС, 8ипу/1е1зск М. В. Уазуиска V. I., 8ег§а А. А., Сксизеп Р.. Зскиккегзз Н..
НШеЪгатШз В., Кге1зе1 А., Корее!: Р. 2010 Кеу. 8сЬ 1пзйит. 81. 073902.

167. КггНуик А., К1те1 А. V., КиУту Тк. 2010 Кеу. Мой. РЬуз. 82. 2731.

168. ЬатЬегС С.-Н.. Мапу 'т 8., УагаргазасЗВ. 8. О., Ск. 3.. ТакаказЫ У. К.. Некп М., СтскеШ
М.. МакпапзТа О., НопоК., Еаттап У, АезсЫипапп М.. ЕцНегЮн Е. К 2014 Зсгепсе 345.
1337.

169. Ваиег О. Н., Скаи1еаи8. У., №о!1егзс1ог/<и., Васк С. Н. 2014 Арр1. РЬуз. Ьей. 104. 102404.

170. Тзегкоупуак У., ВгаСааз А. Ваиег О. Е. IV. 2002 РЬуз. Кеу. Ьей. 88. 117601.

171. Соз1аске М. V.. 81ас!ко\’ М., В'аИз 8. М.. уап Вег №а1 С. Н., сап Ч еез В. 8. 2006 РЬуз. Кеу.
Ьей. 97. 216603.

172. ЗаИок Е., 18ес!а М., МсуаЦта Н., Та/ата С. 2006 Арр1. РЬуз. Ьей. 88. 182509.

173. Ксутага У.. Наги К.. ТакаказЫ 8., Оке 8.. Сакик! К., Мтпс^исЫ М, Стесала Н, Капа! Н.,
АпВо К.. ТакапазЫ К.. Маекаюа 8., ЗаИок Е. 2010 Иашге 464. 262.

174. ЗапсЬл’е^ С. ИС, Каутага У., СкитакА. У., 8ег§аА. А., Уазуискка V. I., 8ип$1ейск М. В.
ЗаИок Е НШеЪтапсЬз В. 2011 РЬуз. Кеу. Ьей. 106. 216601.

175. Скитак А. V, 8ег§а А. А.. 8ип^1е1зск М. В., НеЪ К., Воакко В. А., ТШегкеспск V. 8., НИ-
1еЬга>Шз В. 2012 Арр1. РЬуз. Ьей. 100. 082405.

176. Но//тапп А. 2013 ШЕЕ Тгапз. Ма§п. 49. 5172.
177. 81опс:е'Л’8к13. С. 1995 .1. Ма§п. Ма§п. Ма1ег.159. Ы.

178. Кпуого1оу I. X.. Ет1еу К. С.. 8апкеу 3. С., КВе1еу 8. 3. Ка1рк Б. С.. Викгтап К. А. 2005
8с1епсе 307. 228.

179. ВетМоу V. Е., [ЗгсцМт 8., ВетокгИоу 8. О. 2010 №1. Ма1ег. 9. 984.

180. МаЗапи М., Вопе(Н 8., Сопло1<> О., ТассЫ 8., Саг1о1(1 О.. СиЪЫоШ О., Мапсо//Е. В
Таг М. А.. Акегтап3. 2011 №1. ИапсйесЬ. 6. 635.

181. Ветии/оу V. Е., ЦгагЫИн 8., ШпсЫ 33., Т1Ьегкеу1ск V., 81а\>'т А., ВаИкег В., 8сктИ% С.,
ВетокгИоу 8. О. 2012 Кай Ма1ег. 11. 1028.

182. СоИеЗ М., Ве МШу X.. В’АШуу-КеПу О., К/аЗеЗоу V. V.. ВегпагЗ К., Вог1о1оШ Р., Вет1-
<3оу V. Е., ВетокгИоу8. О., РпеЮЗ. Е.. МипосМ., АпапеА., Сгоз V.. ВеЬоиЪепз О.. К1ет О.
2016 1Ма1. Соттип 7. 10377.

У&З. Ьаиег V., Воскко В. А. ВгаскегТ., РйгоР Уазуискка V, 3. 8ег%а А. А.. Зип$1е1зск М. В.,
А§гам>а1 М., КоЫ/аняку/ Уи. V., Ме1коу С. А., ВиЪз С., НШеЬгапАз В . СкитакА. V. 2016
Арр1. РЬуз. Ьей. 108. 612402.

184. СогпеНззеп Ь. 3., Ыи 3., Вите В. А.. Веп Утиме/3., уап №еех В. 3. 2015 Как РЬуз. 11.
1022.

185. Ьаиег V, ЗскпеЫег М., Меуег Т Вгаскег Т.. Р1гго Р.. ЕЗепк В., Неивзпег Е., Ьае§е1 В.
ОпЪазН М., Козх С.. ЕИПеЬгапЗз В., СкитакА. V. 2016 агХ1у: 1611.06054.

186. РИка! М., МИВ В. В, 33 и-хекпег 3. 1999 РЬуз. Кеу. Ьей. 82. 2579.

187. Тап% №. X., 2кап% У., ТиЗоха 3., Ргокор 3., ЕВкогп М., К'и-хекпег 3. 2007 РЬуз. Кеу. Ьей.
99. 087202.

188. КкИипА., №ап§К. Е. 2005 8ирег1ай. М1сгоз1гис1. 38. 184.

18 9.ВиИа8., Скапр 8.-С.,КатЯ., ХИитоуВ. Е., МатраЗгиЫ 8., Уоип^З. А.. ХаеетЗА. 2015
8с1. Кер. 5. 9861.

190. 7<>рга1ох О., 8огёеВ . Уауххе! А.. Сохетапз 8., Атаги 3., СЗаШагЗоп Р.-Е., Ве МккеИ О.,
А3е1тапп С.. №ои1егз В., Ьатуегетз К.. 8ауап 8., Ка^кауап Р.. Уегкех/ В.. КаЗи I.,
Ткеап А. 2015 РгосеесЬп§з оПЬе 1501 ШЕЕ Ьйетайопа! СопГегепсе оп 1Мапо1есЬпо1о§у,
,1и1у 27-30, 2015. Коте, 1Са1у.

191. К1ет О., Зе ЬоиЪепз О., Еа1е1т: V. V.. Вои$1 Е., ОиШе! Т., ЕЗиг<1ес1иМ ЕЗ., Ьекзккоу А.,
81аутА. X, ВЪегкехчск У. 8., УикасНпоугс X. 2008 РЬуз. Кеу. В 78. 144410.

192. Ап Т.. Уа^уискка V. 3., 13ски1аК., СкитакА. V., Уата^иск)К., НагИК.. ОкеЗ.. Зип^1еВск
М. В. КаЦууагп У„ ААасЫ Н., НШеЪгапск В.. Маекака 8., ЗаИок Е. 2013 Май Ма1ег. 12.
549.

№>3.Воск1а%е Ь.. 8коЪоЗа С., 8сЫа^е К.. №И1е 33.-С.. В^епиапВоуа Ь., Ва/( 8., Ме1ег О.,
КоЫзЬег^ег К. 2015 РЬуз. Кеу. Ьей. 114. 147601.

194. (Зои1оп 3.. Ко^а1ем А., №Ике1т Е.. Заоиеп X, (Зои1оп-Оте1 С.. Оогроп С., Уоиззе/3. В .
1пЗепс1от М. У. 2005 .1НТР Ьей. 82. 696.

195. МагПп Т.. №<>11егхЗог1 О., 81атт С., Вигг Н. А., МаНкеВ К., Васк С- Н.. ВаугеиГкег Ст.
2008 ?. Арр1. РЬуз. 103. 07В112.

196. 81ептп§ О. В С., 8ке1/огЗ Ь. К., СауШ 8. А., Но//тапп Е, Наег1т§ег М.. НеуеНа! Т.,
кУокегзИо)-/О.. ВоууЗеп О. 3., Сге^огу 8. А., Васк С. Н.. Зе Сгоо1 Р. А. 3., уап ЗегЬаап С.
2015 Меху]. РЬуз. 17.013019.

197. МЫагА. Р., АНапёЗ. Р.. Маг1у А., №агт Р.. Затхоп У. 2008 РЬуз. Кеу. В 77. 060401 (К).

193. Кадие! В., Пге1 М., 8опЗег§агЗЕ., СезреЗез О., Мату К. 2002 РЬуз. Кеу. В 66. 024433.

199. Скитак А. V., 8ег§а А. А., №о11/8.. НШеЬгапск В.. Коч1у1еу М. Р. 2009 Арр1. РЬуз. Ьей.
94. 172511.

200. СкитакА. У., 8ег§аА. А., №о1^8., ЕИИеЪгапЗз В.. Кох1у1еу М. Р. 2009 ,1. Арр1. РЬуз. 105.
083906.

201. Соре! М., СкитакА. У.. №а!1егЕ. 33.. Ьапдпег Т., Уазуискка У. I., ЕНИеЪгапЗз В., уоп Егеу-
тапп С. 2015 Май РЬуз. 11. 487.

202. Ьее К. 8., НапВ. 8., Кт 8. К. 2009 РЬуз. Кеу. Ьей.102. 127202.
203. Лг/Атог М, Аи К, УазИе С Рщгуагззоп 8., Кги^куак V. У. 2013 .1. Ркуз. В: Арр1. Ркуз. 46.
135003.

204. ФиЪо1аги Р„ СкитакА. V., СпрогуеуаХ. Уи., 8ег§аА. А.. НШеЬгапс/з В. 2012 ,1. Ркуз. В:
Арр1. Ркуз. 45. 255002.

205. ТУап§ О.. 21юп§ X., Ли Ь.. Тап§ X. Ва1 Р., 2кап% Н.. Веаск С. 8. О. 2013 1 Ма§п. Ма§п.
Мак 340. 23.

206. УУап^ О. 2кап§ Н., Ма С., 1Лао К, 2кепр К, 2коп^ 2. 2014 1. Арр1. Ркуз. 115. 133906.

207. С1иЪо1аги Р.. СкитакА. У., ОЪгу В., 8ег%аА. А., НШеЪгашЗз В. 2013 Ркуз. Кеу. В 88.
134406.

208. Торр В.. НеНтапп В.. Коз!у1еу М. Р., ОгипсПег О. 2010 Ркуз. Кеу. Ьей. 104. 207205.

209. Могоюуа М. А.. ЗкагаеузкИ У. Р., ХНп1оу 8. А. 2014 1. Соттип. ТескпоЬ Е1есйоп. 59.

467.

2\0. Какааег О. X., 1лиХ. М., Вт^В.. ААеуеуеА. О. 2014 Арр1. Ркуз. Ьей. 104. 042403.

211. ТВзИпоу А. В., КаШткозВ. А. 2014 Теск. Ркуз. Ьей. 40. 570.

212. В/ К., Ыт Н. 8., 2капё У. Ь„ Х$ 8. С, Киок М. Н„ Х^иуеп Н. Т„ СоНат М. О. 2014 1.
Арр1. Ркуз. 115. 053904.

213. ВегепсИ В., Тахеп-а В. М., (Вагс1а-Оагс1а А., Карозо М.. КИ>ет> Р. А., ВиЫулчк В., Ка-
кахе1 С. X., 8сктоо1 В. 8. 2014 Арр1. Ркуз. Ьей.104. 082408.

214. Ы 2. X.. №апёХ. О.. №Ьн§В. 1К, Ме К 2, Тан§ био С. Н. 2015 I Ма§п. Ма§п. Май
338. 10.

215. Моююуа М. А.. Макуееу О. V., ЗкагаеузкИ У. Р., ХИсНоу 8. А. 2016 Ркуз. 8о11<1 81а1е 58.
273.

216. 1Рапу(В., СкитакА. V., ВтЬ., 2кап§Н., НШеЬгагиВз В., 2коп%2к. 2016агХ1у: 1607.07975.

217. ОЬгу В Уазуискка К СкитакА. V., Зег&а А. А.. НШеЬгагиВз В. 2012 Арр1. Ркуз. Ьей.
101’ 192406."

218. Скитак А. V, Хеитапп Т., 8ег§а А. А., НШеЪгапВз В., Коз1у1еу М. Р. 2009 1. Ркуз. В:
Арр1. Ркуз. 42. 205005.

219. РеИзоу У. К., Оз1гоузкауа X. У.. РоркоуА. Р. 1996 .1. Арр1. Ркуз. 79 5730.

220. Скитак А. V.. Вкауа! Р Вапскег А., 8ег§а А. А., НШеЪгашВз В 2010 Ркуз. Кеу. В 81.
140404 (К).

221. Уузо1зкп 8. Ь., Х^ккоу 8. А., Рах1оу Е. 8., РШтопог Уи. А. 2013 I. Соттип. Тескпо!. Е1.
58. 347.

222. Кгузкю!К. О., МесЕ’еВА. V. 2015 1. Ма§п.Ма§п. Май 395. 180.

22 3.8)апсИ В. В. Неп(у В. Е., Сорт А. О., Уап ’1 Но/В. Р. 2006 Ркуз. Кеу. В. 74. 060404 (К).

22А. КаИткоз В. А.. КоизЫкоу X С., РаИоп С. Е. 1998 Ркуз. Кеу. Ьей.80. 4301.

225. Ветокз-Иоу 8- О., 8ег§а А. А., Ве/тВоу V. Е., НШеЬгапВз В.. Какп1коз В. А., Коз1у1еу М. Р.

2003 ХаШге 426. 159.

226. ТеГскпчск Уа. В., РШре1зку X. Р., Зккипоу V. У. Рппс1р1ез оГрказе соп]и§айоп (8ргт§ег,
1985)

221 .Когре1 А.. СкаПе/ее М. 1981 Ргос. оГ1ЕЕЕ69. 1539.

228 .8п:ап У., РепЛу В. В. 2011 Ор1. Ехргезз 19. 14502.

229. Кгаизз Т. 2007 1. Ркуз. В: Арр1. Ркуз. 40. 2666.

230. Вака Т. 2008 Как РкоГоп. 2. 465.

23 1.5'егда А. А., СкитакА. У., АпВге А., Ме1коу О. А., 81оуш А. X., ВетокпЮу 8. О., НШе-
ЪгапАз В. 2007 Ркуз. Кеу. Ьей. 99. 227202.

232. СкитакА. У., 8ег^а А. А., Ме1коу О. А., ТгЪегкехчск У.. 81аут А. Х-, НШеЬгагиВз В. 2009
Ркуз. Кеу. В 79. 014405.

233. Нег1е1 К.. №и1/кеке! №., Кихскпег В. 2004 Ркуз. Кеу. Ьей. 93. 257202.

234. Коз1у1еу М. Р. 8ег§а А. А., 8скпе1с1ег Т., Ьеиеп В., НШеЬгапАз В. 2005 Арр1. Ркуз. Ьей.
87. 153501.
235. $с!теи1ег Т., 8ег§а А. А., Ьеееп В., НШеЬгапйз В., 81а т/и К. Ь., Коз1у1еу М. Р. 2008 Арр1.
РЬуз. Ьей. 92. 022505.

236. КкИип А., Н'апр К. Ь. 2011 1. Арр1. РНуз. 110. 034306.

237. КкИип А., Вао М., Н 'ану К. Б. 2010 .1. РЬуз. В: Арр1. РЬуз. 43. 264005.

238. КЦп$ег 8. Риго Р.. Вгаскег Т.. Ьеуеп В.. НШеЪгашк В., СкитакА. V. 2014 Арр1. РЬуз.
Ьей. 105. 152410.

239. КИп%1ег 8. Ри-го Р.. Вгаскег Т.. Беуеп В. ЩЦеЬгапйя В , СкитакА. V. 2015 Арр1. РЬуз.
Ьей. 106. 212406.

240. Стапгкот А., КНп%1ег 8., И'иптег Т., (Вергар 8., Скоэз К., НиеЫ Н.. (Зоеппетчет 8. Т. В.
2016 агХА: 1604.07262у1.

241. Вгаскег Т., Неиззпег Р., РптоР., Меуег Т., Рйскег Т., СгеПеп М., Нетг В., каре/ В., 8егуа
А. А.. НШеЪгапск В. 2016 8ст Кер. 6. 38235.

242. Ргзскег Т., Кечеетц М., Вогкко И. А., Зег^а А. А., ЗууогоГка 1.1.. С1иЬо1аги Р., АМтпапп
С., НШеЪгапсБ В., СкитакА. V. 2016 агХА: 1612. 07708.

243. БееК.-8., Кт 8.-К. 2008 1. Арр1. РЬуз. 104. 053909.

244. Скитак А. V. 8сайегш§ оГ Ьаск\уагс| зрт хуауез т а опе-йппепзюпа! таагтотс сгуз!а1
[Текст] / А. V. СЬитак. А. А. 8ег§а, В. НШеЬгапйз, М. Р. Коз1у1е\' // Арр1. РЬуз. Ьей. -
2008.-V 93.-Р. 022508.

245. Скитак А.У. 8сайегт§ о! зшТасе апй уоЬнпе зрт хсауе.з т а та§потс сгуз1а1 [Текст] /
А. V. СЬитак, А. А. 8ег§а, 8. \Х<>1Г. В. НШеЬгапйз, М. Р. Коз1у1еу // Арр1. РЬуз. Ьей -
2009. -Уо1. 94.-Р. 172511.

246. ОиЬЫоШ О. ВпПошп Н§Ы 8«айепп§ зйиИез оГ р1апаг те!аШс та§потс сгуз1а1з [Текст] /
О. СгиЬЫой!, 8. ТассЫ, М. Майапй, О. Саг1о1й, А. О. Айеуеуе, М. Коз1у1еу // .1. РЬуз. Б:
Арр1. РЬуз. - 2010. - Уо1.43. - Р. 264003.

241. Акап^ V. Б. Ееггота§пейс апй апШстготацпсйс зрт -хуауе Шзрегзюпз т а Й1ро1е-ех-
сЬап§е соир1ей Ььсотропеп! та§пошс сгузТа! [Текст] / V. Ь. ХЬап§, Н. 8. Ыт, С. 8. Ып,
X. К. \\'ап". 8. С. М§, М. Н. Киок, 8. 1ат, А. О. Айеуеуе, М. О. Сойат // Арр1. РЬуз.
Ьей-201Г - Уо1. 99.-Р. 143118.

248. Айеуеуе А. О. РаЬпсайоп апй з!айс та§пейс ргорегйез оГпоуе! опе- апй 1\уо-й|тепз1опа1
Ысотропеп( та§пошс сгуз!а1з [Текст] / А. О. Айеуеуе, 8. 1ат. У. Кеп // ШЕЕ Тгапз. оп
Ма§п. - 2011. - Уо1. 47, К 6. - Р. 1639-1643.

249. ТУан§ /. К. Напозйисйггео та§потс сгуз!а1з хуйЬ зххе-йтаЫе Ьапй§арз [Текст] / X. К. \Уап§,
V. Ь. ХЬап§, Н. 8. Нт, 8. С. М. Н. Киок, 8. Тат, А. О. Айеуеуе //АС8 папо. -2010. -
Уо1. 4. К 2. - Р. 643-648.

250. А7 Н. 8р|п\уауе ргора§айоп т 1озз1езз суЬпйлса! тацпотс хуаусцшйез [Текст] / Н. Х1,
X. ХУап§, У. ХЬеп§, Р 1. Куап //1. Арр1. РЬуз. - 2009. - Уо1. 105. - Р. 07А502.

251. Ып С. 8. Вапй §ар рагатеГегз о! опе-йипепзюпа! Ысотропеп! папозйисйггей та§поп1с
сгуз<а1з [Текст] / С. 8. Ьт, Н. 8. Ыт, X. К. \\ апр, 8. С. М. Н. Киок // Арр1. РЬуз.
Ье1.-2011.-Уо1. 98.-Р. 022504.

252. Высоцкий С. Л. Магнитостатические спиновые волны в двумерных периодических
структурах - магнито-фотонных кристаллах [Текст] ! С. Л. Высоцкий, С. А. Никитов,
Ю. А. Филимонов // ЖЭТФ. - 2005. - Т. 128. — Вып. 3(9). - С. 636-644.

253. СкитакА. V. Везщп апй орйппхайоп о!опе-йппепзюпа! Геггйе-й1т Ьазей та§пошс сгуз-
1а1з [Текст] / А. V. СЬитак, А. А. 8ег§а, В. НШеЬгапйз, М. Р. Коз(у1еУ //1 Арр1. РЬуз. -
2009.-Уо1. 105.-Р. 083906.

254. Устинов А. Б. Наблюдение солитонов огибающей спиновых волн в периодических маг-
нитных пленочных структурах [Текст] / А. Б. Устинов, Н. Ю. Григорьева, Б. А. Кали-
никос // Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 88. - Вып. 1. - С. 34-39.

255. Скитак А. V. А сиггеп1-сопйо11ей, йупапйс та§поп1с сгуз!а1 [Текст] / А. V. СЬитак,
Т. Неитапп. А. А, 8ег§а, В. НШеЬгапйз апй М. Р. Коз1у1еУ // I. РЬуз. В. - 2009. -
Уо1. 42.-205005.
256. РШтопоу У. Ма§пе108(айс Зш'Гасе 'Ласе Ргора§айоп ш а Опе-Вппепзюпа! Ма§пошс
Сгузга! АИЙ1 Вгокеп Тгапз1айопа1 Зуттейу [Текст] / У. РШтопоу, Е. Рау1оу, 8. Уузокки
апс! 8. №кйоу // Арр1. РЬуз.Ьей. - 2012. - Уо1. 101. - 242408.

251 .Хивинцев Ю. В. н др. Отчет о научно-исследовательской работе «Спиновые волны и
спиновый транспорт в планарных периодических магнитных микро- и наноструктурах
и структурах на основе углеродных нанотрубок и ферромагнитных металлов». Феде-
ральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт радиотехники и
электроники им. В. А. Котельникова РАН. УДК 539.23 № госрегистрации 01201353215.
Глава 7

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ -
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ СИНТЕЗ, ПРИМЕНЕНИЕ

7.1 Физические основы квантовых точек

Квантовая точка - это фрагмент проводника или нанокристала неорга-
нического полупроводникового материала (кремния, фосфида индия, селе-
нида кадмия), носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в
пространстве по всем трем измерениям, а размеры настолько малы, что носи-
тели заряда ведут себя совсем не так, как в объемных полупроводниках.

Обычно квантовая точка представляет собой фрагмент проводника или
полупроводника (например, Сс1Те, С<18, С<18е, 7п8е, 2г. 8 и др.). Квантовыми
их назвали потому, что при столь малых размерах в них проявляются кван-
товые (дискретные) свойства электронов. Физические свойства кристаллов
сверхмалых размеров (нанокристалов) принципиально отличаются от «мас-
сивных» кристаллов. Уменьшение геометрических размеров частиц приво-
дит к увеличению ширины запрещенной зоны. Следовательно, существует
возможность варьировать длину волны эмиссии квантовой точки в зависи-
мости от размера используемых частиц. Чем больше радиус этой частицы,
тем меньше излучаемая энергия, тем больше длина волны эмиссии. Кванто-
воразмерным эффектом в общем случае называют изменение термодинами-
ческих и кинетических свойств кристалла, когда хотя бы один из его геомет-
рических размеров становится соизмеримым с длиной волны де Бройля элек-
тронов.

Первооткрывателями нанокристаллических полупроводниковых кван-
товых точек, выполнившими пионерские исследования их электронных и оп-
тических свойств, были советские ученые А. И. Екимов и А. А. Онущенко, ко-
торые в 1981 году предложили и реализовали первые КТ. Здесь были микро-
кристаллы соединений А2В6, сформированные в стеклянной матрице. Кван-
товыми точками (КТ) называют частицы с размерами меньше 100 наномет-
ров - во всех трех измерениях, которые содержат электроны проводимости.

На рис. 7.1 представлено графическое изображение такой квантовой
точки.

Поскольку при таких размерах квантовая точка уже уподобляется свой-
ствами атому, ее так часто и называют - искусственный атом. Как известно,
в классической квантовой механике наряду с массой частице присваивается
некая длина волны, связанная с ее энергией (корпускулярно-волновой дуа-
лизм). Когда длина волны становится сравнимой с характерными размерами
ограничивающего такую частицу пространства, энергетические уровни дела-
ются дискретными, что мы и наблюдаем в атомах и квантовых точках. Благо-
даря успехам современной технологии можно получать КТ различного раз-
мера, изменяя энергетический спектр, что дает широкие возможности при
формировании наноструктур, в зависимости от областей применения.

Рис. 7.1. Общий вид трехмерной квантовой точки [5]

Рис. 7.2. Энергетический спектр квантовой точки [4]

Энергетический спектр квантовой точки неоднороден, поскольку в нем
присутствуют отдельные уровни энергии для электрона (отрицательно заря-
женной частицы) и дырки. Дыркой в полупроводниках называется незапол-
ненная валентная связь, носитель положительного заряда, численно равного
электрону, она появляется, когда связь между ядром и электроном разрыва-
ется. Если создаются условия, при которых носитель заряда в кристалле пере-
ходит с уровня на уровень, то при этом переходе излучается фотон. Изменяя
размер частицы, можно управлять частотой поглощения и длиной волны этого
излучения. Практически же это значит, что в зависимости от размера частицы
КТ при облучении они будут светиться разным цветом (рис. 7.3).
Возможность контролировать длину волны излучения через размер ча-
стицы позволяет получать из квантовых точек устойчивые вещества, превра-
щающие поглощаемую ими энергию в световое излучение - фотостабильные
люминофоры [4]. На смену элементам классических электронных приборов,
для которых применимо классическое описание, приходит элементная база
наноэлектроники, где необходим последовательно квантово-механический
подход.

Рис. 7.3. Изменение цвета (полосы испускания)
коллоидного раствора частиц Сб$е в оболочке 2п$е
в зависимости от размера квантовых точек [4]

Квантово-размерные наноструктуры важны не только для наноэлектро-
ники, но и как основа информационных систем нового поколения. Современ-
ная субмикронная технология позволяет создавать объекты, в которых движе-
ние электронов локализовано в плоскости. Такая ситуация имеет место в по-
лупроводниковых гетероструктурах, на переходе металл - диэлектрик. При
приложении достаточно высокого напряжения перпендикулярно слоям гете-
роструктуры электроны выходят на поверхность и ведут себя как двумерный
электронный газ. Если к тому же потенциал ограничивает электроны в одном
направлении в плоскости, то электроны могут свободно двигаться только в од-
ном оставшемся - это одномерный газ (квантовые проволоки). Если же огра-
ничивается движение электронов в обоих направлениях, мы получаем кван-
товую точку [5, с. 34].

Квантовые точки (КТ) - это гигантские (по сравнению с атомами) искус-
ственные атомы с контролируемыми параметрами. Современные технологии
позволяют получать и отдельные КТ, и массивы КТ с контролируемыми пара-
метрами, такими как расположение, область локализации, число носителей за-
ряда, крутизна удерживающего потенциала. Если мы сравним КТ и «обыч-
ные» атомы, то КТ перспективны из-за возможности управлять их свойствами
с помощью магнитного поля (таблица 1). Чтобы значимо изменить свойства
обычных атомов, требуются поля, как в нейтронных звездах, а для квантовых
точек - вполне доступные в земных лабораториях.

Таблица 7.1

Сравнение параметров квантовых точек и атомов [5]

Параметр Атомы Квантовые точки
Разность уровней энергии 1 Эв 10 4 Эв
Энергия ионизации 10 Эв 10 4 Эв
Управляющие магнитные поля 104Тл 1-10 Тл

Системы же КТ могут рассматриваться как искусственные гигантские
молекулы с контролируемо изменяемыми параметрами. Периодические и апе-
риодические массивы КТ - искусственные кристаллы и квазикристаллы.

Рис. 7.4. Структура двумерной квантовой точки [5]

Типичный линейный размер квантовой точки - несколько десятков
нанометров, однако размер занятой электронами области из-за внешнего по-
тенциала может быть значительно меньше. В такой ситуации становится су-
щественным квантование движения в плоскости границы, так что получается
структура, подобная атому (с дискретными уровнями энергии), но роль атом-
ного потенциала выполняет искусственно созданный потенциал квантовой
точки, а число электронов может контролируемо изменяться от единиц до не-
скольких сотен [5].

Полупроводниковые квантовые точки обладают спектром уникальных
характеристик, которые к тому же могут регулироваться их размером (кван-
тово-размерные эффекты) [8—10], выбором стабилизатора [11-14] и т. д. КТ
широко используются в производстве нанокомпозитных материалов [15] и по
праву могут считаться научной революцией XXI века в материаловедении.
Они нашли широкое применение в оптоэлектронных устройствах [16, 17].

Полупроводниковые КТ со структурой типа «ядро - оболочка - обо-
лочка» являются особенно привлекательными ввиду сочетания уникальных
свойств, для изучения фундаментальных физических процессов и перспектив
применения для электронных и оптоэлектронных устройств, таких как свето-
излучающие элементы и солнечные батареи [18-21]. Эти перспективы при-
вели к появлению большого количества методик, направленных на достиже-
ние точного контроля размеров ядра и каждой из оболочек, так как именно
эти параметры являются ключевыми для изменения электрофизических
свойств [22, 23]. Среди всех типов КТ структуры «ядро - оболочка» или
«ядро - оболочка - оболочка» наиболее изученными являются КТ состава
Сб8е / Хп8 и Сб8е / С68 / 2п8 [24-26]; излучение ядра Сб8е может покрывать
большую часть видимого спектра в зависимости от его размера, а оболочка
(оболочки) с большой шириной запрещенной зоны ограничивают перенос за-
ряда.

Квантовые точки Сб8е / С<18 / 2п8 могут быть использованы для улучше-
ния светопоглошающих свойств чистых графеновых листов, что открывает воз-
можность для создания высокочувствительных детекторов УФ излучения. На
рис. 7.5 показан спектр поглощения - излучения для КТ состава Сс18е / С<18 /
2п8, диспергированных в хлороформе при комнатной температуре, энергетиче-
ские уровни КТ в растворе и механизм квантового удержания (поясняется на
рис. 7.6).

св

Безызлучательные релаксационные

11о1 ношение

Запрещенная
зона

ЭМПССПк

Рис. 7.5. Нормированные графики спектров поглощения
и излучения для КТ состава Сс1$е / СФ / 7п$ [10]

УВ
Рис. 7.6. Механизм люминесценции квантовых точек

7.2. Оптические и электронные свойства
квантовых точек

Фотонные процессы, которые протекают в многокомпонентных кванто-
вых точках, очень сильно связаны не только со структурой ядра и его шириной
запрещенной зоны, но и с составом внешних оболочек и химической природой
молекул окружения. Так, авторы [28] провели сравнительные исследования
фотонных процессов в квантовых точках двух типов: КТ типа 1 представляли
собой ядро без оболочек, и КТ типа 2 - многокомпонентные полупроводнико-
вые квантовые точки с внутренним составов типа ядро / оболочка 1 / обо-
лочка 2. Химический состав оболочек у КТ типа 2 выбирался таким образом,
чтобы ширина запрещенных зон компонент КТ увеличивалась от ядра к внеш-
ней оболочке, как это показано на рис. 7.7.

В обоих случаях на поверхности КТ присутствовала оболочка из орга-
нического красителя метила виологена (Ме11эу I Ую1о§еп, МУ2+), имеющего
энергетический уровень на глубине Емуг+ = _4 эВ относительно вакуумного
уровня.

Здесь же схематично показаны возможные переходы для КТ типа 1 и 2.
Символ к обозначает скорости переходных процессов. В комплексах С<18е-
МУ2+ (на рис. 7.7 слева): /</ - скорость заполнения состояния; к? илд - скорости
переноса носителей заряда. В комплексах С<18е / Сс18 / 7п8-МУ2+ (на рис. 7.7
справа): к/ - скорость переноса электрона из С<18 в Сё8е; к, и кз - скорости
переноса носителей заряда. Авторы обнаружили, что наличие оболочек может
понижать скорости излучательной рекомбинации электронов более чем на по-
рядок.
Рис. 7.7. Схематическое изображение электронных переносов в системе:
квантовая точка, покрьгая оболочкой из метила виологена МУ2+
(энергетические положения краев зоны проводимости
и валентной зоны приведены относительно уровня вакуума) [28]

Состав оболочек, окружения и расстояния между точками сильно вли-
яют не только на оптические, но и на электрофизические свойства. В работе
[29] исследовались планарные структуры, как показано на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Принцип получения ленгмюровских монослоев
и измерений их электропроводности на поверхности твердых
подложек с системой встречно-штыревых электродов [29]

Измеряя проводимость пленок, нанесенных на встречно-штыревую си-
стему, авторы [29] обнаружили, что электропроводность пленок зависит слож-
ным образом как от расстояния межу наночастицами, так и от химической при-
роды стабилизатора на поверхности КТ и его диэлектрических свойств.

В ряде работ, где описываются исследования электронных свойств тон-
ких пленок на основе полупроводников, показано, что при приложении элек-
трического поля доминируют два различных механизма проводимости -
Шоттки и Пула -- Френкеля [30-32]. При проводимости по механизму Пула -
Френкеля перенос происходит, когда захваченные электроны возбуждаются
в зоне проводимости диэлектрического слоя. Экспоненциальная часть выра-
жения тока в модели Пула - Френкеля очень похожа на выражение для тока
по модели Шоттки, но высота барьера заменяется глубиной потенциальной
ямы ловушек.

7.3. Поверхностные молекулы -
стабилизаторы квантовых точек

У квантовых точек, как и большинства наноструктур, велико соотноше-
ние количества атомов, находящихся на поверхности, к атомам, находящимся
в объеме, а также повышена их реакционная способность.

Спектры поглощения КТ сильно зависят от их кристаллической струк-
туры, формы и размеров [33, 34]. Гибридные наноматериалы на основе КТ и
устройства с их использованием играют важную роль в качестве альтернативы
устройствам, создаваемым с помощью литографии, устройствам фотоволь-
таики и биотехнологических применений.

Для предотвращения агрегации и ускоренной седиментации КТ их по-
верхность покрывается различными стабилизаторами, в качестве которых вы-
ступают органические молекулы. На рис. 7.9 представлены молекулярная струк-
тура олеиновой кислоты (ОА) и диоксида триоктилфосфина (ТОРО) с зигзаго-
образной и тетраэдрической конфигурацией соответственно (а) и спектры по-
глощения (черная кривая) и излучения (красная кривая) для четырех разных
размеров КТ, покрытых ОА (б). В зависимости от размера частиц мы видим для
каждого случая четкий пик поглощения в видимой области. А смещение пика
поглощения в коротковолновую область при уменьшении размера частиц гово-
рит о проявлении эффекта квантового удержания в этих частицах [35].

Люминесцентные спектры пленок КТ в матрице полиметилметакрилата
(РММА) на твердой подложке имеют небольшое (около 7 нм) красное смеще-
ние по сравнению со спектрами КТ. диспергированных в растворе [36]. При-
чем такой сдвиг проявлялся независимо от типа стабилизатора. Авторы объяс-
няли этот сдвиг безызлучательным переносом возбужденных носителей за-
ряда внутри агломератов КТ, входящих в состав пленки. Квантовый выход лю-
минесценции КТ в пленках в три - пять раз ниже, чем у тех же КТ в дисперсии.
Влияние природы молекулы стабилизатора на оптические свойства КТ отме-
чается у авторов [37]. При сравнении систем КТ с двумя типами стабилизато-
ров - алифатическим и ароматическим оказалось, что квантовый выход КТ с
алифатическим стабилизатором составляет всего порядка 15 %, а с тиофено-
лом (ароматический) не превышает и 5 %. Предполагается, что этот эффект
связан с захватом носителей заряда на и-орбиталь ароматического тиофенола.
Независимо от типа стабилизатора все пленки состава КТ / РММА оказались
очень фотостабильными при облучении на длине волны 440 нм.
Меньшее расстояние между частицами и большая плотность поверх-
ностных состояний в обработанных 1,2-этандитиолом структурах из КТ при-
водит к значительному гашению излучения через безызлучательную рекомби-
нацию носителей на дефектах или поверхности [33].

Рис. 7.9 а - молекулярная структура молекул ОА и ТОРО;

б - спектры поглощения (черные кривые) и люминесценции /красные) КТ
диаметром 2,5, 3, 4 и 4.5 нм (стабилизатор - ОА:
длина волны возбуждающего излучения - 470 нм) [35]

7.4. Методы реализации квантоьых точек

7.4.1. Введение в пр< <блему

Квантовые точки можно получать двумя известными методами: с по-
мощью коллоидного химического синтеза и с помощью эпитаксиальных тех-
нологий. Оба метода позволяют получать КТ на основе различных полупро-
водниковых материалов, а также КТ с различной геометрией [2]. Каждый из
них имеет свои достоинства -- более простой в реализации химический синтез
коллоидных КТ, и недостатки - достаточно сложный и дорогостоящий метод
роста эпитаксиальных КТ, - находят применение в решении различных задач
полупроводниковой электроники [2]. В настоящее время наибольший инте-
рес у исследователей вызывают гетеронаноструктуры с квантовыми точками
на основе арсенида галлия (ОаАк) или его твердых растворов разного состава.
Основное техническое применение квантово-размерных структур этого типа
в настоящее время мы видим в разработках светоизлучающих приборов,
прежде всего лазеров для волоконно-оптических линий связи. Также значи-
тельные возможности дает допирование структур на основе полупроводни-
ков переходными металлами. Различие постоянных кристаллических реше-
ток гетеропары, ранее считавшееся ее недостатком, оказалось весьма ценным
свойством в технологии получения так называемых самоорганизованных
квантовых точек. Здесь под самоорганизацией понимается самопроизвольное
возникновение упорядоченных макроскопических структур из менее упоря-
доченной среды.

В основе процесса самоорганизации лежит свойство неравновесных фи-
зических систем при приближении к термодинамическому равновесию пере-
ходить в состояние, в котором свободная энергия системы минимальна. Если
на поверхности из материала А осажден тонкий однородный слой материала
В, то при установлении термодинамического равновесия в слое В возникает
атомная структура, и он имеет форму, при которой свободная энергия системы
будет минимальна. Факторами, определяющими направление и конечный ре-
зультат самоорганизации, являются рассогласование постоянных решеток ма-
териалов А и В, создающее упругие напряжения в системе и повышающее ее
внутреннюю энергию, толщина слоя и некоторые другие. При одних значе-
ниях этих параметров может образоваться однородный слой материала В, по-
вторяющий структуру подложки. При других значениях может оказаться бо-
лее энергетически выгодным, чтобы материал В образовал массив напряжен-
ных кластеров определенных размеров и формы или собрался в один большой
кластер. Экспериментально уже давно установлено, что при осаждении из па-
ровой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста слоя на подложке:
1) послойный (двумерный) рост. Он происходит, если материал В смачивает
подложку, и его постоянная решетки мало отличается от постоянной решетки
материала А [5, с. 34]; 2) островковый (трехмерный) рост слоя. Он имеет место
при плохом смачивании; 3) промежуточный механизм роста, при котором сна-
чала происходит послойный рост слоя В, который затем сменяется островко-
вым ростом. Этот механизм наблюдается при наличии смачивания и значи-
тельном рассогласовании решеток А и В Последний механизм используется
для получения самоорганизующихся квантовых точек в системе 1пОаЛз /
ОаАз. Самый важный результат изучения данного механизма - возможность
получения массива однородных по размерам, бездефектных, напряженных на-
нокластеров 1пОаАз в матрице (ЗаАз. обладающих свойствами квантовых то-
чек. Часто применяется получение массивов квантовых точек с помощью мо-
лекулярно-лучевой эпитаксии, основанное на использовании самосогласован-
ного роста по механизму Странского - Крастанова. Но квантовые точки, по-
лученные в таком процессе, оказываются значительно напряженными. Это
приводит к существенным сдвигам спектра электронных состояний и к изме-
нению управляющих параметров. В зависимости от условий создания кванто-
вых точек могут быть использованы различные виды представления удержи-
вающего потенциала.

Для круглой квантовой точки возможно представление потенциала в
виде:

У) = ^^2(х2+у2).
7.4.2. Методы формирс ~-ания тонких пленок

Существуют различные способы получения тонких пленок, например,
метод нанесения электрораспылением, который потенциально подходит в ка-
честве решения задачи получения пленок КТ на большой площади. Техноло-
гически управление этим методом относительно простое и реализовано через
изменение приложенного напряжения, скорости потока, расстояния между
соплом и подложкой и временем процесса. Причем этот метод позволяет фор-
мировать тонкие пленки без предварительной обработки поверхностей, в от-
личие от метода вращающейся подложки [38], покрытия погружением [3 9] или
послойной сборки [40--42]. Кроме того, для проведения процесса требуется не-
большое количество раствора (микролитры), в отличие от метода вращаю-
щейся подложки или погружения.

Метод погружения подложки требует объема, достаточного для полного
покрытия подложки раствором со всех сторон. Как правило, при этом исполь-
зуются достаточно низкие концентрации растворов КТ (например, 10-
20 мг/мл для погружения и ~30 мг/мл для метода вращающейся подложки). За
счет этого процесс формирования пленок оказывается достаточно длитель-
ным, так как нанесение каждого слоя занимает продолжительное время. Од-
нако это может быть предпочтительным для более тонкого контроля струк-
туры осаждаемых пленок [43].

Построение зависимости поверхностного давления от площади моно-
слоя дает представление о механических и фазовых свойствах пленки, а мик-
роскопия угла Брюстера - об ее оптических свойствах. Для исследования
структуры монослоев можно также применять метод рассеяния рентгеновских
лучей и т. и. После формирования ленгмюровские монослои могут быть пере-
несены на любые твердые подложки и изучены любыми доступными мето-
дами (сканирующая зондовая микроскопия, электронная микроскопия, снятие
спектров поглощения и люминесценции и т. д.) [44-46].

7.4.3. Технология Ленгмюра - Блоджетт

В 1980-х годах стало популярно исследование тонких пленок
Ленгмюра - Блоджетт (ЛБ). Метод ЛБ позволяет упорядочивать расположе-
ние в пленках квантовых точек, частиц полупроводников, металлов или ди-
электриков и дает информацию о фазовых состояниях пленки, расстояниях
между частицами и т. и. [47].

Метод ЛБ позволяет исследовать взаимодействие органических и неор-
ганических материалов на границе раздела жидкость - газ. Эта методика поз-
воляет изучать материалы в квазидвумерном состоянии при контроле парамет-
ров внешней среды [48]. В методе существует большое количество факторов,
которые позволяют управлять протеканием эксперимента: состав субфазы,
кислотность, температура и т. п. Эти параметры позволяют легко контролиро-
вать изменение механических и химических характеристик монослоя.

Также уникальность метода состоит в возможности точного послойного
контроля толщины пленок при переносе на твердые подложки, что реализу-
ется путем нанесения определенного числа отдельных монослоев [49]. Тонкие
пленки ЛБ используются в различных областях, таких как биофизика и биохи-
мия, датчики, оптоэлектроника и т. д. [47, 50, 51].

Рис. 7.10. Ленгмюровская ванна К$У бПта 1.В ТгоидН КМ 2002

Интересными особенностями тонких пленок Ленгмюра - Блоджетт яв-
ляются внутренний контроль структуры монослоя вплоть до молекулярного
уровня и точный контроль толщины пленки. А сами монослои и пленки фор-
мируются на ванне Ленгмюра - Блоджетт (рис. 7.10) и могут быть автомати-
чески перенесены на подложки. При этом для формирования монослоев могут
быть использованы самые различные функциональные материалы, обладаю-
щие свойствами, необходимыми для конкретного приложения полученных
структур [52, 53].
Л4.4. Формирование монослоев квантовых точек
на границе раздела «жидкость - газ»

Технология Ленгмюра - Блоджетт позволяет исследовать взаимодей-
ствия между квантовыми точками (наночастицами) и объяснить характер вза-
имодействия между ними в квазидвумерных структурах (20).

Свойства молекул веществ, используемых для стабилизации КТ, позво-
ляют применять для их диспергирования множество неполярных растворите-
лей, например, хлороформ, гексан и т. п. при использовании триоктилфос-
фина оксида. При этом связь «фосфор - кислород» является сильно полярной,
что позволяет КТ с этим стабилизатором демонстрировать дифильные свой-
ства и формировать стабильные монослои на поверхности раздела «жид-
кость - газ».

Для формирования монослоя суспензия квантовых точек вносится на по-
верхность раздела в различных областях [54]. При анализе изотерм сжатия мо-
нослоев КТ выделяют несколько основных областей. В области I монослой
находится в газовой фазе, где взаимодействия между КТ редки (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Изотерма сжатия монослоя КТ Себе на поверхности
раздела «вода - газ». Различные участки изотерм соответствуют
различным фазовым состояниям монослоя [54]

Затем монослой переходит к формированию жидко-расширенной фазы
II, но при дальнейшем сжатии скорость изменения поверхностного давления
падает (при значении давления около 17 мН/м и площади Ат), что свидетель-
ствует о возможной миграции КТ в объем субфазы. Далее при сжатии моно-
слоя наблюдается плато III, продолжающееся примерно до значения площади
А] / 2, где начинается следующий участок IV. На этом участке начинается
второй, более плавный рост поверхностного давления, и затем плато мень-
шего размера V. И наконец, последний участок роста давления VI начинается
при значении площади порядка ЛУЗ. Эти участки изотерм, типичные для рас-
твора КТ, соответствуют формированию двух- и трехслойной структуры, что
также подтверждается данными просвечивающей электронной микроскопии
(ПЭМ).

Некоторые исследования демонстрируют различные особенности про-
цесса самосборки монослоев КТ в зависимости от их размера и типа исполь-
зуемых стабилизаторов [55, 56], также исследовались возможности для управ-
ления числом слоев и расстоянием между частицами [57]. При использовании
метода ЛБ, зная природу вещества, можно получить информацию о площади,
занимаемой КТ или одной молекулой на поверхности раздела.

7.4.5. Стабильность монослоес на границе
раздела «жидкость - газ»

Протяженные амфифильные молекулы [58], имеющие в своем составе
две части (гидрофильную и гидрофобную), при внесении на поверхность об-
разуют монослой, при сжатии которого они строго упорядочиваются.

Из-за характерного прыжкового механизма переноса заряда, который
доминирует в твердотельных КТ, выбор молекул стабилизатора также опреде-
ляет пространственное разделение между квантовыми точками и высоту тун-
нельного барьера для носителей заряда.

Другими словами, выбор стабилизатора и длина молекул играют реша-
ющую роль для определения подвижности носителей заряда и проводимости
пленок квантовых точек. Объемные алифатические молекулы (с 8-18 атомами
углерода), такие как триоктилфосфин (ТОРО) и олеиновая кислота (ОА)
(рис. 7.11) [59], обычно используют в синтезе для

предотвращения агрегации частиц и придания растворимости кванто-
вым точкам (для создания коллоида), гидрофобилизируя или гидрофилизируя
их [60, 61]. Однако настолько длинные молекулы создают сильные изолирую-
щие барьеры между квантовыми точками и препятствуют эффективному пе-
реносу заряда. Предыдущие исследования показали, что минимальная длина
цепи в 12 атомов была необходима для стабильности монослоя. Были прове-
дены эксперименты для более короткой цепи (п = 4, 6, 8 и 12). Оказалось, что
с и = 6 и 8 монослой нестабилен, а при и = 4 не показал конденсированную
фазу и, по-видимому, растворяется в субфазе [62].

Молекулы стабилизатора, которые покрывают квантовые точки, оказы-
вают значительное влияние на формирование монослоев и их устойчивость
[63]. Характер взаимодействия с водной субфазой определяется химическим
строением «головных» и «хвостовых» групп молекул, покрывающих КТ [64].

Для оценки устойчивости монослоев в исследованиях используется ме-
тод релаксации площади при постоянном поверхностном давлении.

Авторы [65] исследовали стабильность монослоев КТ с различными ста-
билизаторами - ТОРО, додекантиолом (ПОТ), дитиокарбаматами с одной,
двумя или тремя алкильными цепями (ОТС-1, 1ЭТС-2 и ЛТС-3). При исполь-
зовании ТОРО в качестве стабилизатора убыль площади оказалась наимень-
шая (~9 %). Для всех остальных - ЭТС- и ВТ)Т-полимеров наблюдается резкое
уменьшение величин нормированной площади монослоя - 5 / 5о, где 5о - пло-
щадь монослоя в момент фиксации давления, 5 - изменяющаяся во времени
площадь монослоя (рис. 7.13).

Рис. 7.12. Схематическое изображение
молекулы олеиновой кислоты

V 1.00
СО
й 0.95
га
о 0.90
1=
$ 0.В5
X
т 0 80

О
с °’75
го
а 0.70

о ) 900 1ЙЭ0 2700 3600

Время (с)

Рис. 7.13. Схема покрытия поверхности КТ различными стабилизаторами:
1 - ООТ: 2 - ТОРО’ 3 - ОТС-1; 4 - ОТС-2; 5 - ОТС-3 (а):
изотермы монослоев КТ при постоянном значении
поверхностного давления 13 мН/м (б) [65]

Авторы предложили модель, которая схематически демонстрирует рас-
творение монослоя в субфазе (рис. 7.14). Они показали, что стабильность мо-
нослоев можно количественно сравнить на основе относительной величины
коэффициентов десорбции, и она зависит от химической природы связи моле-
кул стабилизатора с поверхностью КТ и от их гидрофобности (длины алкиль-
ной цепи хвостовой группы).
Рис. 7.14. Модель, схематически показывающая
растворение монослоя КТ в субфазе [65]

Исследования демонстрируют, что монослой КТ, стабилизированных
ЭТС, образует пленку промежуточной стабильности. Однако с использова-
нием ТОРО формируются стабильные монослои, и при использовании Г)1)Т
монослои показывают наименьшую стабильность [66].

7.4.6. Предельная минимальная площадь
монослоев квантовых точек

Главнае идея работы [67] заключалась в анализе наночастиц в квази-
двумерной системе, что позволяет легко оценивать несколько параметров,
относящихся к КТ. Основным свойством, наблюдаемым с помощью этих из-
мерений, является предельная площадь наночастицы или предельная пло-
щадь молекулы. Эти термины используются для определения наименьшей
площади, занимаемой наночастицей или молекулой соответственно. Анализ
изотерм, полученных для пленок КТ, показывает линейную часть, которая
возрастает, указывая на образование монослоя Экстраполяция этой линей-
ной части до нулевого поверхностного давления количественно определяет
предельную минимальную площадь наночастиц исследуемых КТ. Были про-
ведены эксперименты для двух основных типов стабилизаторов (ТОРО и
ОПТ), которые показали предельные площади 135,0 и 22,5 А2/мол соответ-
ственно (рис. 7.15).

При сравнении ОЭТ с олеиновой кислотой мы видим, что оба соедине-
ния имеют сходные площади 22,5 и 21,8 А2/мол соответственно (благодаря
одинаковой длине углеводородной цепи). На протяжении всего эксперимента
тиольная группа ОПТ не окислялась, и даже после коллапса монослоя вторая
точка начала роста давления была в области около 7 А2/мол. Окончательные
наблюдения за этими изотермами сжатия показывают, что ОПТ формирует
стабильную многослойную пленку, даже когда оставшаяся область монослоя
достигает трети ее первоначальной площади [68].
Турбулентный спой

Тонкая пленка Ленгмюра

Г '

Е статичный слой

Рис. 7.15. Изотермы сжатия для пленок КТ
с (а) ОЛТ и (б) ТОрО [67]

7.4.7. Влияние температуры субфазы
на ленгллюроьские монослои

Свойства формируемых монослоев КТ могут контролироваться измене-
нием различных параметров, таких как концентрация, состав, поверхностное
давление и т. и. В этом разделе обсуждается влияние температуры на свойства
монослоев КТ. Исследователи [69] отмечают, что им удалось получить различ-
ные морфологии пленок КТ, изменяя состав и температуру субфазы. Морфо-
логия поверхности характеризовалась с помощью просвечивающей и скани-
рующей электронной микроскопии.

Они нагревали водную субфазу до 50 °С перед добавлением раствора КТ
(50 мкл при концентрации 1,4 мкМ, рис. 7.16: а) при комнатной температуре и
б) при 50 °С).

Метод нагревания субфазы дал более толстую и менее однородную
пленку КТ. Результаты показывают, что она в основном состоит из бислойной
структуры, чередующейся с меньшими по площади монослойными участками.
СЭМ-изображение демонстрирует, что пленка содержит несколько трещин с
размерами микрометрового диапазона (рис. 7.16, в).

В другой работе изучался процесс формирования монослоев КТ состава
Сс18е / Сс18 / 2п8, стабилизированных олеиновой кислотой, при различной тем-
пературе субфазы: 11,21 и 34 °С (рис. 7 17). Изменение температуры субфазы
оказывает воздействие на скорость диффузии молекул ПАВ в субфазу [70] и
на фазовое состояние монослоев.

Увеличение температуры субфазы приводит к уменьшению максималь-
ного поверхностного давления за счет увеличения скорости растворения мо-
лекул поверхностно-активного вещества и уменьшения их концентрации на
поверхности субфазы (рис. 7.18).

Образование бислойных пленок, содержащих КТ, происходит при 11 °С
и поверхностном давлении 25 мН/м. Аналогичная тенденция наблюдается и
при 21 °С и 25 мН/м. Температура 34 °С позволяет достичь состояния истин-
ного монослоя с некоторой незанятой на подложках областью, которая возни-
кает по причине низкого значения поверхностного давления при переносе [70].
Рис. 7 16. ПЭМ изображения монослоев КТ с этиленгликолем при
комнатной температуре (а) и при 5С °С (б); СЭМ-изображение, показывающее
формирование трешин в пленке при 50 °С (з) [69]

Рис. 7.17. ПЭМ-изображения. показывающие структуру пленок из
монослоев КТ, сформированных при 11 (а) 21 (б) и 34 °С (в) и перенесенных
при значении поверхностного давления 2,5 мН/м [70]

Рис. 7.18. ПЭМ-изображения, показывающие структуру пленок из
монослоев КТ, сформированных при 11 га), 21 (б) и 34 °С (в) и перенесенных
при значении поверхностного давления 25 мН/м [70]
Стабильность монослоев КТ изучалась при различной температуре суб-
фазы также в [71,72]. Повышение температуры субфазы приводит к более ран-
нему росту поверхностного давления, увеличению скорости диффузии и
уменьшению минимальной площади монослоя, что связано с увеличением
скорости десорбции КТ в водную субфазу. В частности, увеличение темпера-
туры приводит к увеличению толщины покоящегося слоя Уменьшение глу-
бины субфазы приводит к уменьшению этих эффектов. Кроме того, изменение
температуры приводит к изменению продолжительности десорбции от гра-
ницы раздела воды до покоящегося слоя и от покоящегося слоя до турбулент-
ного слоя. При 31 °С была достигнута минимальная продолжительность одно-
временного протекания обоих процессов десорбции.

7.4.8. Методы молекулярно-лучевой и мосгидридной
газафазовой эпитаксии

Одним из эффективных способов изготовления размерно-ограничен-
ных структур является молекулярно-лучевая эпитаксия. Она представляет со-
бой совершенную технологию выращивания монокристаллических слоев с
контролем толщины на уровне атомных размеров, которая позволяет созда-
вать абсолютно новые структуры и приборы. Ее отличие заключается в высо-
ком уровне контроля условий конденсации атомов или молекул и возможно-
сти управлять этим процессом с большой точностью. На полупроводниковую
подложку напыляют с высокой точностью слои из другого полупроводника,
и по мере наращивания слоев атомы начинают собираться в кластеры, так как
при существенном отличии параметра кристаллической решетки подложки от
параметра выращиваемого кристалла более энергетически выгодным является
образование островков, нежели равномерная поверхность с однородным натя-
жением. В последние годы было обнаружено, что при пониженных темпера-
турах роста при монослойном росте полупроводника с параметрами кристал-
лической решетки, отличающимися от параметров решетки подложки, можно
получить на поверхности роста почти одинаковые по размеру островки. Ост-
ровки осаждаемого полупроводника пирамидальной формы практически не
содержат дефектов и представляют собой квантовые точки. Движущей силой
образования квантовых точек в процессе самоорганизации является уменьше-
ние энергии деформации. Так, если на подложке из арсенида галлия растить
слой арсенида индия, параметры решетки которого больше, то возникнут
упругие напряжения, приводящие к росту островков (квантовых точек) 1пАз
на поверхности 6аАз. Поверхность покрывается пирамидками 1пАз с разме-
рами в несколько десятков ангстрем. Оказывается более выгодным формиро-
вание островков по сравнению с однородно-напряженной поверхностью. Рост
пирамид происходит до полного снятия упругого напряжения на вершине пи-
рамиды. Благодаря этому стало возможным изготавливать СВЧ и оптические
приборы, требующие высокой точности исполнения. Преимуществом данного
метода является возможность создания строго упорядоченных квантовых то-
чек одинаковых размеров и даже их горизонтальных и вертикальных масси-
вов. Однако существуют и недостатки этого метода; пирамидальная форма не
может быть описана моделью шарообразных объектов, а значит, становится
невозможным рассматривать данные структуры как атомоподобные с высокой
точностью. Кроме того, такой метод очень сложен и дорог в исполнении.

Смачивающий
слой

Подложка С а Ас

Рис. 7.19. Монослойный рост островков
пирамидальной формы [3]

В методе газофазовой эпитаксии на кристаллическую подложку осажда-
ется требуемое вещество, получаемое из газовой фазы в результате химиче-
ской реакции. Если осаждать вещество в несколько монослоев, то можно по-
лучить поверхность, которую будут покрывать пирамидки - квантовые точки
(рис. 7.19). Причина их образования - та же самая, что и при росте с помошью
молекулярно-лучевой эпитаксии - уменьшение энергии системы за счет
уменьшения энергии упругой деформации [3].

7.4.9. Метод коллоидного синтеза

Для синтеза коллоидных квантовых точек используются химические ме-
тоды, основанные на росте нанокристаллов. Это могут быть подходы, осно-
ванные как на «дроблении» вещества (сверху вниз), так и на «выращивании»
нанокристаллов (снизу вверх). Традиционным методом получения квантовых
точек является метод синтеза в неполярных средах (или металлоорганического
синтеза). Путь синтеза коллоидных квантовых точек лежит через создание мо-
нодисперсных коллоидных растворов первого типа - суспензоидов (иногда их
также называют необратимыми, или лиофобными коллоидами) методом кон-
денсации фазы из пересыщенного раствора. Коллоидные частицы при этом
имеют характерную кристаллическую структуру и высокое стремление к аг-
регации. Коллоидный метод относится к методам зернового роста и позволяет
сильно варьировать концентрации коллоидных частиц в растворе. В органиче-
ский растворитель вводят растворы из элементов II и IV групп таблицы Мен-
делеева, которые осаждаются на молекулах растворителя. При проведении та-
ких реакций необходимо тщательно соблюдать ряд параметров, таких как уро-
вень рН и концентрация ряда органических соединений в системе, так как это
существенным образом влияет на размеры частиц в коллоиде. За счет разделе-
ния этапов нуклеации и роста во времени технология позволила впервые осу-
ществить синтез растворов коллоидных квантовых точек с относительно вы-
сокой степенью монодисперсности и квантовым выходом (более 9 %). Синтез
квантовых точек данным методом происходит в несколько этапов:

1) нуклеация;

2) рост зародышей;

3) стадия созревания Оствальда.

Рассмотрим более подробно, как происходит процесс синтеза.

Стадия нуклеации

время—»

Рис. 7.20. Изменение концентрации конденсирующегося
вещества на этапах нуклеации и роста из сильно
пересыщенного раствора [3]

Согласно классической теории зародышеобразования, нуклеация проис-
ходит спонтанно: в некоторых нестабильных участках пересыщенного рас-
твора молекулы или ионы растворенного вещества сами по себе способны кри-
сталлизоваться, образуя зародыши (рис. 7.20) [3].

Стадия роста зародышей

Коллоидная теория при интерпретации явлений, связанных с ростом
кристаллов, исходит из связи между формой кристалла и поверхностной
энергией всех его граней. Согласно диффузионной трактовке роста кристал-
лов, процесс образования кристаллической грани протекает с большой ско-
ростью и зависит только от скорости диффузии. Поскольку процесс является
диффузионным, основным параметром для его регулирования является тем-
пература [3].
Стадия созревания Оствальда

Когда реагенты исчерпаны, из-за роста частиц начинается процесс созре-
вания Оствальда, при котором большие частицы продолжают расти за счет рас-
творения более мелких, уменьшая поверхностную энергию системы. При этом
происходит дефокусировка. При уменьшении степени пересыщения критиче-
ский размер зародышей растет, и частицы меньше этого критического размера
растворяются. Если реакцию быстро остановить на этой стадии, частицы будут
иметь широкое распределение по размерам. На этапе созревания Оствальда не-
возможно получить монодисперсные частицы. Размер оставшихся после пол-
ного исчезновения пересыщения частиц может достигать микрометров, по-
этому нанокристаллы с хорошим распределением по размерам можно получить
лишь при взрывной нуклеации и остановке реакции быстро после ее окончания
и до начала созревания Оствальда. Для взрывной нуклеации необходимо созда-
вать высокую степень пересыщения [2].

7.4 10. Эпитаксиальные квантовые точки

Эпитаксиальные КТ формируются в два этапа. На первом происходит
зарождение и последующий рост ансамбля самоорганизующихся при гетеро-
эпитаксии нанокристаллов (чаще всего пирамидальной формы). На втором -
их заращивание материалом подложки в условиях роста кристаллической
структуры. В результате нанокристаллы - квантовые точки оказываются
встроенными в кристаллическую матрицу подложки и находятся в поле упру-
гих деформаций. Наиболее часто используются такие полупроводниковые ма-
териалы, как: 1пАз (арсенид индия), 1п8Ь (антимонид индия), РЬ8е (селенид
свинца), РЬ8 (сульфид свинца), ГпР, 2п8е (фосфид индия - селенид цинка),
2пТе, Сс18 (теллурид цинка - сульфид кадмия), С'с18е (селенид кадмия), 2п8,
Н§Те (сульфид цинка - теллурид ртути), Н§8е (селенид ртути), 2пО (оксид
цинка), ТЮэ (оксид титана) [2].

7.4.11. Жидкие кристаллы

Термотропные жидкие кристаллы (8СВ) представляют собой стержне-
образные молекулы, которые имеют ароматические и алкильные фрагменты.
Физические взаимодействия между молекулами 8СВ приводят к их самоорга-
низации и образованию различных фракций, таких как нематическая (И),
смектическая-А (8тА) и изотропная (рис. 7.21) [79].

Ряд исследований [80, 81], посвященных контролю положения молекул
8СВ, демонстрируют различные методы и факторы (электрическое или маг-
нитное поле, обработка поверхности), позволяющие влиять на фазовые состо-
яния и структуру пленок.

Изотерма сжатия монослоя 8СВ (рис. 7.22) показывает последователь-
ность фаз: двумерный газ + жидкость с низкой плотностью (Ы), фаза Ы и
коллапс пленки. Состояние пленки после коллапса представлено Ы-фазой и
трехслойной пленкой, которая при дальнейшем сжатии трансформируется в
полноценную трехслойную структуру (бислой поверх монослоя).

4-ОКТИЛ-4'-Ц1/| АНОБИФЕНИЛ

294.5к 306 5К 313.5К

Сгузг •»--* 5тЛ <-----► М <----»1?о

Рис. 7.21. Фазовые переходы в объеме жидкого кристалла 8СВ
в зависимости от температуры [79]

Рис. 7.22. Изотерма сжатия монослоя 8СВ при 25 °С.
Стрелка указывает на площадь (8 А2/мол) [82]

Описанные изотермы сжатия монослоев 8СВ и последовательности фаз
на поверхности раздела жидкость - газ согласуются с известными литератур-
ными данными [82].

Другие исследования [83] продемонстрировали, что при нагревании 8СВ
поочередно проходит следующие фазовые состояния: кристаллическое (X),
смектическое А (8го А), нематическое (И) и изотропное (I), при следующих пе-
реходных температурах: Тхвшл = 294,5 К, Г\йтА = 306,3 К и Гм = 313 К. Недав-
ние калориметрические исследования на различных скоростях нагрева и с ис-
пользованием различных видов калориметров (сканирующий калориметр и
модуляционный калориметр) показали изменения в упорядоченности струк-
туры в процессе совершения этих переходов.

Рис. 7.23, а показывает устройство при комнатной температуре, то есть
при 297 К. При этой температуре 8СВ находится в смектической фазе.
В устройстве не проводилась какая-либо предварительная обработка, приво-
дящая к селективности фазового состояния 8СВ. Хорошо известно, что в этом
состоянии смектическая фаза демонстрирует более или менее регулярные мас-
сивы линий под кросс-поляризационной микроскопией, и можно отметить
наличие смектических доменов в капле (рис. 7.23, г, д). Это конусы вращения,
которые возникают в результате анизотропного поверхностного натяжения
фазы смектика А.

а б в

Рис. 7.23. а-г - изображения, полученные с поллощью
ВХ 51 О1утроз (х20 и перекрестный поляризатор).
Напряжение, приложенное к нагревателю: г - О В; б - С.8 В: в - 1,2 В.
Сллектическая фаза выглядит серой (г и д) неллатическая - яркой (ж)
и изотропная - черной, центральная точка на в [83]

В этом исследовании показан метод, основанный на использовании 8СВ,
который при нагревании от комнатной температуры устойчиво демонстрирует
фазовый переход при 313 К. Показано, что этот переход легко наблюдается,
что ограничивает влияние изменений температуры внутри изотропной фазы
на точность калибровки [83].

В последнее время наиболее актуальными проблемами в нанотехноло-
гиях являются разработки различных методов упорядочивания различных на-
ночастиц с разными параметрами распределения, например, создание плотно
упакованных структур или коллоидных растворов. Композитные материалы с
требуемыми свойствами, которые могут быть получены путем соответствую-
щей упаковки частиц (метаматериалы), могут проявлять различные интерес-
ные свойства, такие как низкие или отрицательные показатели преломления,
повышенная флуоресценция и локализованный плазмонный резонанс [84, 85].
Однако существуют определенные сложности для диспергирования и созда-
ния упаковки с определенной структурой, прежде всего из-за сильных ван-дер-
ваальсовых взаимодействий между частицами.

Исследование было проведено при строго контролируемом процессе
сборки (при взаимодействии типа «стабилизатор - стабилизатор» между нано-
частицами) в упорядоченном квазидвумерном массиве наночастиц, сформиро-
ванном на твердой подложке [86].
В исследовании сравниваются два различных типа квантовых точек и
жидкого кристалла. Стабилизатор для КТ может быть подобран так, что си-
стема будет реагировать на окружающую упорядоченную среду жидкого кри-
сталла, при этом инициируя диспергирование [87], кластеризацию [88] или са-
мосборку на границе раздела различных фаз 8СВ [89-90].

7.4.12. Ленгмюровские монослои жидкого кристалла

На рис. 7.24 показаны изотерма сжатия монослоя 8СВ (кривая из то-
чек), кривая зависимости поверхностного потенциала от площади (сплошная
кривая) и эффективный дипольный момент молекул в зависимости от пло-
щади (пунктирная кривая), записанные одновременно [91]. Такой же жидкий
кристалл мы использовали для сравнения влияния материала в данном иссле-
довании.

аг ' оз 04 0 5 од о?

А, нм2

Рис. 7.24. Поверхностный потенциал (сплошная кривая),
поверхностное давление (кривая из точек) и эффективный
дипольный ллолленг (пунктирная кривая) в зависиллости от относительной
ллолекулярной площади для ллонослоя 8СВ [91]

Одним из самых мощных методов для анализа морфологии монослоев и
анализа их фазового поведения непосредственно в процессе их формирования
является микроскопия угла Брюстера. Типичные изображения, полученные
этим методом, показаны на рис. 7.25 [92, 93].

В объеме 8СВ образует фазу смектик-А, при этом в упорядоченном слое
оптическая ось направлена нормально к поверхности в диапазоне температур
21,5-33,5 °С. Поэтому неудивительно, что в случае формирования пленок на
поверхности раздела жидкость - газ 8СВ формирует пленку смектика-А, со-
стоящую из многослойной структуры, в которой все слои параллельны поверх-
ности раздела. Предполагается, что эти монослои состоят из монослоя на по-
верхности воды с целым числом бислоев поверх них. При комнатной темпера-
туре формирование трехслойной структуры начинается при значении поверх-
постного давления ~6,5 мН/м. При дальнейшем сжатии тройной слой запол-
няет всю поверхность. В этот момент вместо перехода первого рода в равно-
весную пятислойную пленку структура превращается в гетерогенную с доме-
нами с четырьмя различными значениями толщины (рис. 7.25). Сосущество-
вание в пленке доменов с различной толщиной означает существование крае-
вых дислокаций или, иными словами, избыточной энергии на границах доме-
нов относительно к единице длины границы. Тот факт, что в пленке 8СВ од-
новременно существуют участки с различной толщиной при одних внешних
физических условиях, позволяет нам измерять натяжение на границе межу
кластерами как функцию от разницы между их толщинами при комнатной
температуре [94].

Рис. 7.25. Изображения, полученные методом микроскопии
угла Брюстера для релаксации пленки 8СБ. Яркие области соответствуют
мультислойным участкам, темная часть - тройному слою.

Время между снимками 1 с, белая шкала - 1 мм [94]

Рис. 7.26. Изображение мультислоя 8СВ, полученное
методом микроскопии угла Брюстера

На рис. 7.26 фон - это трехслойная структура. Отражательная способ-
ность слоя увеличивается с увеличением толщины, таким образом, разные от-
тенки на снимке соответствуют различной толщине пленки. Колебания цвета
внутри одного кластера обусловлены спецификой методики (флуктуации
освещения). Черная шкала соответствует размеру 1 мм [94].
В монослоях жидкого кристалла [95], а не в объеме нематика, слабо
гидратированные хаотропные ионы (такие как йодид натрия) стабилизируют
монослой при больших значениях площади, т. е. они обеспечивают более ка-
чественное выравнивание перпендикулярно поверхности, чем для чистой
воды. Поверхность раздела жидкий кристалл - вода рассматривается как
один из идеальных кандидатов для создания недорогих высокочувствитель-
ных химических сенсоров. Недавние исследования показали, что специфич-
ная ионно-индуцированная переориентация на поверхности может распро-
страняться в объем нематической фазы, таким образом создавая оптический
сигнал, отвечающий присутствию определенного вещества. Взаимодействия
между жидким кристаллом и ионами было предложено использовать как ос-
нову для детектирования ионных комплексов ДНК, ртути в питьевой воде
и т. п.

7.4.13. Ленгмюровские мои эслои смесей
поверхностно-активных веществ

Монослои смесей, формируемые из изначально смешанных компонен-
тов или одновременным закапыванием на поверхность субфазы, составляют
важную часть практического применения ленгмюровской технологии. Во мно-
гих случаях такой подход позволяет улучшить параметры стабильности и дру-
гие свойства монослоев. Также зачастую использование смесей позволяет
улучшить параметры упорядочивания в монослое. Однако наиболее важным
аспектом исследования таких структур остается исследование как смешивае-
мости компонентов монослоев, так и их взаимодействия между собой. Мето-
дология, широко используемая для изучения взаимодействий между компо-
нентами, заключается в анализе зависимости средней площади на молекулу
(АД от состава, выраженной как [101-103]:

= 4Д + 42А>,

где Лц Аг - молекулярные площади одного компонента при одном и том же
поверхностном давлении, аХ\,Хг - мольные доли компонентов 1 и 2 в пленках
смесей. То, как средние молекулярные площади зависят от состава смеси,
можно использовать для обоснования возможных взаимодействий в монослое
смесей.

В работе [104] изучено взаимодействие арахиновой кислоты с хитозаном
на границе раздела жидкость - газ. Результат показывает, что чистый хитозан
не образует самоподдерживающуюся пленку на границе воздух - вода. Однако
когда хитозан смешан с арахиновой кислотой, смесь образует стабильный мо-
нослой на границе раздела жидкость - газ, который может быть перенесен на
твердую подложку. Б монослое смеси существует отталкивающее взаимодей-
ствие между хитозаном и арахиновой кислотой, приводящее к образованию
агрегатов. Исследования гистерезиса при сжатии монослоев подтвердили ста-
бильность пленки смеси. Одним из важнейших свойств этой смеси является
то, что монослои демонстрируют высокий уровень стабильности при измене-
нии рН.

В работе [105] был исследован процесс формирования монослоев смеси
квантовых точек состава Сй8е и арахиновой кислоты. Была показана зависи-
мость свойств монослоя (в частности, сжимаемости и модуля сжатия) от соот-
ношения компонентов в смеси. Для описания изменения в характеристиках
монослоев смесей КТ и арахиновой кислоты использовался метод анализа изо-
терм сжатия монослоев, были описаны фазовые переходы в монослоях. Моно-
слой переносили на твердую подложку при значениях поверхностного давле-
ния 10, 20, 25, 30 и 40 мН/м и изучали морфологию с помощью атомно-сило-
вой микроскопии. Было показано, что монослой имеет коллапс двух типов.
Первый тип - коллапс части арахиновой кислоты монослоя. Второй - коллапс
квантовых точек части монослоя. Кроме того, соотношение компонентов поз-
воляет точно изменять расстояние между квантовыми точками в монослое.

В работах [73, 106, 107] была охарактеризована люминесценция пленок
состава КТ / полимер для различных условий переноса пленок: бислои или
совместное нанесение; пропорции КТ - полимер; значения поверхностного
давления при переносе пленок. Результаты показывают, что на эффективность
люминесценции существенно влияют энергии процессов переноса и захвата
заряда. Эффективность этих процессов в существенной мере зависит от рас-
стояния между квантовыми точками и поверхностной плотности энергетиче-
ских ловушек, которая может зависеть от кластеризации КТ или больших по-
верхностных дефектов. Среди нескольких изученных комбинаций условий по-
слойное осаждение дало пленки с большей интенсивностью излучения, то есть
большей яркостью, чем те, которые были получены на основе совместного
осаждения. Одновременный с люминесценцией анализ данных ПЭМ позволил
связать это поведение с меньшим количеством кластеров КТ в двуслойной
пленке.

С помощью межфазных взаимодействий удается получать структуриро-
ванные функциональные наноматериалы, используя только процесс само-
сборки в ленгмюровских пленках [109-111]. Межмолекулярные взаимодей-
ствия между молекулами, находящимися в разных фазовых состояниях, поз-
воляют влиять на характер упорядочивания в пленке. В описанных экспери-
ментах два типа полупроводниковых квантовых точек наносились на под-
ложки и затем исследовались. С помощью АСМ было показано, что удается
формировать структурированные монослои, состоящие из КТ, в которых плот-
ность их упаковки может контролироваться изменением условий экспери-
мента.

В работе [73] также было изучено влияние состава поверхности моно-
слоев на структуру, получающуюся в процессе самосборки ленгмюровского
монослоя КТ. Полимер РМАО и катионное поверхностно- активное вещество
Оешпм 18-2-18 было выбрано в качестве матриц для процесса самосборки мо-
нослоев. Результаты показали, что удается избегать агломерации квантовых
точек как при добавлении полимера РМАО, так и поверхностно-активного ве-
щества 18-2-18. Так как цепи этих соединений и гидрофобные части молекул
стабилизатора квантовых точек (ТОГО) притягиваются, то это приводит к ад-
сорбции квантовых точек на органических матрицах. При этом гидрофильная
группа полимера или поверхностно-активного вещества усиливает адсорбцию
квантовых точек на твердой подложке, не допуская агломерации наночастиц.

7.4.14. Композитный материал на основе квантовых точек
и жидкого кристалла

В работе [88] показан метод использования принципа самосборки кван-
товых точек в составе композитного материала (рис. 7.27). Такие материалы
сочетают уникальные оптические свойства квантовых точек и управляемость
жидкого кристалла. К тому же растворы могут быть использованы для фор-
мирования покрытий заданной геометрии на любой поверхности. Взаимодей-
ствие между упорядоченными молекулами 8СВ позволяет формировать про-
странственную структуру материала с КТ при фазовых переходах. Это при-
водит к формированию сетчатой или столбообразной структуры между
двумя стеклянными пластинами или квантовыми точками. В статье также де-
монстрируется механизм управления локализацией кластеров КТ с использо-
ванием гранул, вблизи которых возникают дефекты. Упорядоченные кла-
стеры наночастиц, создаваемые жидкокристаллическими шаблонами, пред-
ставляют собой новый класс материалов, аналогичных сверхрешеткам из на-
ночастиц.

Жидкий кристалл сочетает уникальные свойства наноразмерных мате-
риалов (например, КТ) и жидкокристаллической фазы, и всё чаще внимание
фокусируется на полупроводниковых квантовых точках благодаря их много-
обещающим применениям в области медицины (использование в качестве
маркеров, специфичных красителей для флуоресцентной микроскопии), фото-
вольтаики (фоточувствительные элементы, лазеры и т. п.). Анизотропные
свойства жидкокристаллической матрицы облегчают сборку квантовых точек
в массивы; с другой стороны, оптические и электронные свойства квантовых
точек, зависящие от размера и формы, используются для управления оптиче-
скими, электрооптическими и выравнивающими свойствами материалов на
основе 8СВ [112-113].

Физические свойства жидкого кристалла [115, 116] значительно изменя-
ются при легировании квантовыми частицами (наночастицами) различной
формы и размера, а также стабилизатором КТ. Такие жидкокристаллические
композиты проявляют индуцированное выравнивание жидкого кристалла, по-
ниженное пороговое напряжение, большую скорость переключения, более вы-
сокий оптический контраст и электрически настраиваемый фоторефрактив-
ный эффект.

В работе [117] было показано усиление интенсивности люминесценции
и сдвиг пика эмиссии для КТ состава 7п8, легированных сегнетоэлектриче-
ским жидкокристаллическим материалом.
34 3% 34 2% 34 1%

40.0%

Рис. 7.27. Схематическое изображение КТ в изотропной (а)
и нематической (б) фазе: в-е - изображения, полученные
флуоресцентной микроскопией для эмиссии ансамблей КТ;
ж—к -- изображения полученные методом поляризационной микроскопии
для жидкого кристалла, переходящего в изотропную фазу (40 °С)
из нематической (34,1 °С) [88]

В ходе экспериментов наблюдалось красное смещение в спектрах люми-
несценции КТ Хп8, добавленных в сегнетоэлектрический жидкокристалличе-
ский материал. Основополагающий механизм этого смещения заключается в
изменении показателя преломления сегнетоэлектрических молекул жидкого
кристалла из-за разной концентрации КТ. Эти наблюдения показывают воз-
можный способ разработки интеллектуальных оптоэлектронных устройств
с настраиваемым цветом излучения. Композитный лазер на основе КТ и 8СВ
обладает оптической стабильностью и гибкостью [118].

Длина волны генерации такого композитного лазера может быть обра-
тимо настроена путем последовательного облучения УФ-лучом и синим лазер-
ным лучом. Из-за высокой стабильности, а также оптической и электрической
возбудимости квантовых точек композитный материал КТ-8СВ имеет боль-
шой потенциал для разработки многоканальных управляемых когерентных ис-
точников света или лазеров с высокой гибкостью, стабильностью и надежно-
стью (например, однофотонные лазеры с возможностями настройки).

По результатам рассмотрения физических, механических и электриче-
ских свойств тонких пленок на основе ленгмюровских монослоев КТ можно
сформулировать основные выводы следующим образом. В большинстве слу-
чаев тонкие пленки (моно- или мультслойные), содержащие квантовые точки
для использования в оптоэлектронных устройствах, можно получить с помо-
щью метода Ленгмюра - Блоджетт. Морфология, расстояние между частицами
и толщина пленок являются наиболее важными факторами, определяющими
их свойства. Кроме этого, свойства пленки можно контролировать, изменяя
стабилизатор, поверхностное давление при переносе пленок, температуру суб-
фазы, состав, фазовые состояния и т. д.

Оптические и электрические свойства полупроводниковых квантовых
точек могут зависеть от электрических свойств и диэлектрических констант
материалов, входящих в состав пленки. Это, в частности, сильно влияет на ско-
рости рекомбинационых процессов, переноса носителей заряда.

Расстояние между частицами может контролироваться с использова-
нием различных типов стабилизаторов, например, таких как арахиновая кис-
лота. Ее добавление приводит к уменьшению числа квантовых точек на еди-
нице площади, что соответствует увеличению расстояния между ними и при-
водит к уменьшению интенсивности взаимодействий между частицами. Также
дополнительное увеличение давления сжатия монослоя позволяет уменьшить
расстояние между КТ и изменить шероховатость пленки.

Избыток стабилизатора в растворе КТ влияет на различные свойства
нанокристаллической поверхности. Для уменьшения этих эффектов применя-
ются различные методы для очистки раствора КТ от избытка стабилизатора, в
частности, популярный метод центрифугирования, являющийся хорошо под-
ходящим для его замены и не позволяющим удалять избыточный стабилиза-
тор. При этом очистка и модификация состава раствора способны оказывать
влияние на химический состав поверхности КТ.

Использование композитного материала типа «квантовые точки / жид-
кий кристалл» позволяет формировать структуры с различной степенью упо-
рядоченности в зависимости от фазового состояния 8СВ или на границе кла-
стеров, находящихся в различных фазах в зависимости от наличия электриче-
ского поля, температуры и т. п.

7.5. Методы компьютерного моделирования
квантовых точек

Одна из основных целей компьютерного моделирования нанообъектов
состоит в построении структуры и визуализации нанообъекта, описании ха-
рактера связи в квантовых точках, расположения атомов, соответствующего
самой низкой потенциальной энергии системы. Особый интерес вызывают
квантовые точки на основе халькогенидов кадмия, в частности, на основе тел-
лурида кадмия, благодаря наличию у них целого ряда уникальных свойств и
возможности их применения в нанофотонике, фотовольтанике, нанобиологии
и наномедицине. Существенно расширить возможности применения кванто-
вых точек можно с помощью их допирования атомами различных типов. В по-
следнее время внимание исследователей привлекли квантовые точки, допиро-
ванные атомами переходных элементов, имеющие магнитные свойства. Важ-
ным шагом на пути понимания фундаментальных характеристик квантовых
точек является установление взаимосвязи особенностей их локальной атомной
структуры и электронного строения. Для этой цели хорошо применять точные
методики, позволяющие получать информацию об атомной и электронной
структурах частиц небольшого размера. На сегодняшний день разработано
большое количество методов моделирования и расчета структуры и свойств
нанообъектов. Их условно можно разделить на три группы: аЬ 1пЦю (перво-
принципные), полуэмпирические методы и эмпирические потенциалы. Все
они отличаются необходимыми исходными данными [3].

Ниже перечислены некоторые основные методы характеризации кван-
товых точек, такие как фотолюминесценция, рентгеновская дифракция, спек-
троскопия рентгеновского поглощения.

Фотолюминесценция

Рис. 7.28. Фотолюминесценция полупроводниковой
нанокристаллов [3]

Механизм люминесценции в твердом теле различается в зависимости от
того, происходит она с участием электронной подсистемы всего кристалла или
же внутри примесного центра. Что касается первого типа - межзонной люми-
несценции, обусловленной электронными переходами между валентной зоной
и зоной проводимости, то она уже хорошо и подробно изучена. Однако с
уменьшением размеров светоизлучающих нанокристаллов роль межзонной
люминесценции заметно снижается, начинает доминировать примесная люми-
несценция, обусловленная электронными переходами между зонами и до-
норно-акцепторными уровнями примесных и поверхностных атомов. Полу-
проводниковые квантовые точки являются уникальной оптической усиливаю-
щей средой, длина волны люминесценции которой зависит от размера кванто-
вой точки. Это дает возможность подстраивать длину волны люминесценции
квантовой точки к положению запрещенной зоны фотонного кристалла. Таким
образом можно организовать лазерный резонатор с трехмерной распределен-
ной обратной связью [3].

Рис. 7.29. Изменение спектра светимости коллоидной
квантовой точки в зависимости от размера [3]

Рентгеновская дифракция

Информация о фазовом составе, а также о среднем размере нанокристал-
лов может быть получена методом рентгеновской дифракции. Для частиц
нанометрового размера рефлексы отражений на дифрактограмме будут уши-
рены. Величина уширения связана со средним размером нанокристаллов (точ-
нее, областей когерентного рассеяния) по формуле Дебая - Шерера [3].

Спектроскопия рентгеновского поглощения

Физико-химические свойства соединений в конденсированном состоя
нии определяются их электронно-энергетическим строением, которое в зна-
чительной степени зависит от локальной структуры исследуемого образца.
В последнее время важным инструментом для исследования тонких деталей
наноразмерной атомной структуры малых квантовых частиц становится
спектроскопия рентгеновского поглощения в ближайшей к краю области
(ХАХЕ8-Х-гау аЬкогрйоп пеаг е<1<ге 81гис1иге) [9]. ХАХЕ8-спектроскопия поз-
воляет с высокой точностью получать информацию об электронном строении
и трехмерной атомной структуре вокруг исследуемого типа атомов в матери-
алах, в том числе и без дальнейшего порядка в расположении атомов. На ос-
нове ХАХЕ8-спектроскопии длины связей могут быть определены с точно-
стью до 0,001 нм, а углы связей - с точностью до нескольких градусов. Од-
нако ХАХЕ8-спектроскопия - непрямой метод исследования. Для выделения
структурной информации требуется проведение расчетов спектров для
структурных моделей, в том числе с использованием суперкомпьютеров и
вычислительных кластеров.
Литература

1. 11йр8://»пе§5.сот/паика/паис1туе-риЫ1касй/куап1оуауа-1ос11ка-с111о-е111о-1акое.11йп1

2. Наночастицы с огромным потенциалом [В Интернете] / авт. Анатолий Васильевич Дву.
реченский // Науки в Сибири. Издание Сибирского отделения РАН, 01.11.2018 г. -
05.06.2020 г. ййрЗЛумйУ.зЪгаз.шЕо/агбскв/вщепсе/папосйазШзу-з-одготпут-роЩпкхаЬт.

3. Полупроводниковые коллоидные квантовые точки [Электронное учебное пособие], /
авт. Н. С. Грибкова, В. И. Лесняк. - Ростов-на-Дону: Южный федеральный универси-
тет; Международный исследовательский центр «Интелектуальные материалы», 2017 г.
Ей1р://зпе§5.сотАур-соп1еп1/ир1оа<18/2-Полупроводниковые-коллоидные-КТ-5: уч. по-
собие_ЮФУ_2017 .рбГ

4. Квантовые точки: полиграфия и другие области применения [В Интернете] / авт. Ольга
Филатова // Печатник.сот - полиграфический портал. - 08.12.2016 г. - 05.06.2020 г.
11йре://рес11а1п1ск.сот/а111с1е8/куап1оу1е-1ос11к1-ро11§гайуа-1-с1гу§1е-оЫа811-рптепеп1уа.

5. Микроэлектроника переходит на квантовые точки [Журнал] / авт. Наталия Капуткина,
Михаил Алтайский // Коммерсантъ - Наука. - М.: АО «Коммерсантъ», 30.11.2015. -
№7. - С. 34-36. С. 34: 11йрУ/8пе§5.сот/\ур-соп1еЩ/ир1оа4з/ПАПКА_07-2015_34.р(1Е
стр. 35:11йр://8пе§5.сотАур-соп1еп1/ир1оа<18/ЙАГ1КА_07-2015_35,р<±Г.

6. Квантовые точки - что это такое [Видео]. Канал администратора общественно-образо-
вательного портала 8ЫЕО5.сот 11йр8://уоиш.Ъе/Хк1Г§ОпН1Хо.

7. Квантовые точки - светодиоды и краски [Видео]. Канал администратора общественно-
образовательного портала 8КЕ(35.сот йЙрзЗ/уоиШ.Ъе/гГГОЕзЕЗУРрЗ.

8. Шикин А. М. Квангово-размерные эффекты в тонких слоях металлов на поверхности
монокристаллов и их анализ / А. М. Шикин, В. К. Адамчук // Физика твердого тела. -
2008. -Том 50. -Вып. 6.-С. 1121-137.

9. Василец В. Н. Иммобилизация квантовых точек селенида кадмия в матрице привитого
жидкокристаллического полимера / В Н. Василец, С. Мерекалов, Г, Н. Савенков,
Р. В. Тальрозе, Г. А. Шандрюк, А. М. Шаталова // Высокомолекулярные соединения.
Серия А. - 2011. - Т. 53. - №. 6. - С. 918-924.

10. Михайлов А. И. Исследование особенностей электронного спектра квантовых точек по-
лупроводника Сс18е / А. И. Михайлов, В. Ф. Кабанов, И. А. Горбачев, Е. Г. Глуховской //
ПисьмавЖТФ.-2016.-Т. 42,-Вып. 15.-С. 51-58.

11. 2кап% У. С1арр Оусгучсху оГ 81аЬШхш§ Гщапйз Гог В1осотрайЪ1е Оиапйпп По! Мапосгуз-
1а1з / У. 21эап§, А. С1арр // Зепзогз. - 201Г - V. 11. - Р. 11036-11055.

12. Утауа^ат Ациеоиз зупЙ1ез1з оГ Си1п2п8 / 2п8 диап(ит с!о1.8 Ъу изш§ <1ыа1 зйЫИхегз:
А 1аг§ебп§ папоргоЬе Гог се11ппа§ш§ / 1. Утауа§ат, (З.-К.. С1теп, Т.-У. Ниап§, Г-Н. Но,
У.-С. Ып§, К.-Г. Ои, 1-У. С1эап§ // МаГепак Ьейегз. - 2016. - V. 173. - Р 242-247,

13. Оагсга-СиПесте? О. Р. 1пЯиепсе оГ Йэе Саррт§ 1_щап<1 оп 1Ье Ваий (Зар апд Е1ес1готс
Ееуе1з <>Г РЬ8 Напорагйс1ез гбгоирИ 8ш(асс АФпйзйс А1тап§етеп1 Пе1егттайоп
П. Е. (Загща-ОиНеггех, Ь. Р. Негпапйех-СазШаз. М. V. СарреПап, Е. Еип§о, Е. Магйпех-
(Зиегга, П. I. (3агс1а-(3ийёгге7 // АС8 Оте§а. - 2018. - V. 3. - Р. 393-405.

14. 21юи А. ЗигЕасе Н§апйз еп§теегт§ о С зеппсопйис1ог циапШт Йо(з Гог сЕютозепзогу апд
Ью1о§1са1 аррНсайопз / 1. 21юи, У. Ели, I. Тап§, ЗУ. Тап§ // Ма1епа1в Тойау. - 2017. -
V. 20.-Р. 360-376.

15. Мапзиг Н. 8. ЭиапШт Йо(з апй папосотрозйез / Н. 8. Мапзиг // \\'|1еу 1п1ег<Изс1р Кеу
К'апотес! КапоЫо1ес1то1. - 2010. - V. 2. - Р. 113-29.

16. 1лп(ап§ргасИр1о М. 81хе-соп1го11ей Сй8е циапШт Йо(8 1о Ьооз! Н§Ы 11агуе8Йп§ сараЬййу
апй з(аЫН1у оГрегоузкйе р1то1оуо11а1с сейз / М. К Ет1ап§ргай1р(о, Л. ТзеуГкоу, В. С. Мооп,
1. К. Кап§ //Хапо8са1е. -2017. - V. 9. -Р. 10075-10083.

17. Горбачев И. А. Получение и флуоресценция многослойных пленок Ленгмюра - Блод-
жетт, содержащих квантовые точки Сс18е / (?Й8 / 2п8 / И. А. Горбачев, С. Н. Штыков.
Е. Г, Глуховской И Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. - Сер. «Физика». - 2015. - Т. 15. -
Вып. 1. - С. 40 45.

18. РУануД Тшип§ ирсопуегзюп (Ьгои§Ь епег§у тщгайоп т соге-зЬе11 папорагйс1ез / Г. \Уап§,
К. IТепу. .1. \\'апц. С). \Уап§, У. Над, Н. 21ш, X. СЬеп, X. Ыи // \а1. Ма1ег. - 2011. - V. 10. -
Р. 968-973.

19. Тип И. У. Б1ес(пса1 зйЪШйез апй саптег йапзрой тесЬашзтз оГ ЯехгЫе ос§атс Ыз1аЫе
йеу1ссз ГаЬпса1ей иййхт§ Сй8е-1пР соге-зЬе! 1 папорагйс1ез / ро1уз(угепе папосотрозйез /
О. У. Уип, XV. 8. 8оп§, Т. XV. Кип, 8. XV. Кип // Арр1. РЬуз. Ьей. - 2012. - V. 101. -
Р. 103305.

20. Е1§аг Ь. Соте / зЬе11 РЬ8е / РЬ8 С)1)з ТЮ2 Ье»егощпсйеп зо1аг се11 / Ь. Ещаг. В. Уапоуег,
К. К. Сарек, К. УахепЬиг§, 2. Хие, В. Зли, М. К. Хахеегиййш, Е. ЫГзЬйх, М. Ога!хе! //
Айу. Рипсй Ма!ег. - 2013. - V. 23. - Р. 2736-2741.

21. СЬеп О. Сотрас! 11щ1:-с|иа1йу Сй8е-Сй8 соге-зЬеП папосгуз1а1з тейЬ паггозу егтззюп
1те ХУ1ЙЙ18 апй зирргеззей Ыткт§ / О. СЬеп, 3. 2Ьао, V. Р. СЬаиЬап, 3. Си!, С. ХХопц,
В. К. Нагпз, Н. \Х'е1, Н.-8. Пап, В. Рикитига, К. К. Зат, М. О. Вахуепй! // Май Ма(ег. -
2013.-V. 12.-Р. 445-451.

22. Л ИХ 11|"11 со1ог рип1у 2п8е / 2п8 соге/зЬеП <|иап1шп йо( Ьазей Ыие 11 §Ы етййп§ йюйез
ууйЬ ап туепей йеугсе з(гис1иге / XV. 31, Р. Зт§, XV. Хи, X. Уиап, У. \Уап§, .1. 2Ьао,
А. К.-У. Зеп // Арр1. РЬуз. ЬеН. - 2013. - V. 103. - Р. 053106.

23. СЬеп 1Г Орйса! ргорегйез о Г Пиогезсеп! хщхац §гарЬепе диапШт йоГз йепуей Ггот тиШ-
\уа11ей сагЬоп папошЬез / XV. СЬеп, Р. 1л, С. ХХ’и, Т. Ойо // Аррк РЬуз. Ьей. - 2014. -
V. 104.-Р. 063109.

24. Данилов В. В. Световое тушение и «темные состояния» в коллоидных растворах полу-
проводниковых квантовых точек Сй8е / 2п8 / В. В. Данилов, А. С. Панфутова, В. Б. Ши-
лов, И. М. Белоусова, Г. М. Ермолаева, А. И. Хребтов // Оптика и спектроскопия. -
2014.-Уо1. 116. -№. 6.-Р. 1017-1022.

25. Бодунов Е. Н. Дробно-экспоненциальная (зйе!сЬ ехропепйа!) кинетика затухания лю-
минесценции квантовых точек Сй8е / 2п8 в коллоидных растворах / Е. Н. Бодунов,
В. В. Данилов, А. С. Панфутова // Оптика и спектроскопия. -2015. -Уо1. 118. -№. 1. -
Р. 103-106.

26. Данилов В. В. Особенности резонансного нелинейного поглощения коллоидных рас-
творов квантовых точек Сй8е / 2п8 / В. В. Данилов, А. С. Панфутова, А. И. Хребтов,
Т. С. Титове // Оптика и спектроскопия. - 2015. - Уо1. 118. -№. 1, - Р. 77-81.

27. Ми^огос! У. А. Ке1айопзЫр Ьейуееп згхе оГ сайтшт зиШйе 11апорагбс1сз апй \уа1ег роо!
й!ате(ег ш геуегзе гтсеПез / У. А. Мй§огой, К. А. Ейтоуа // Киззгап Зоигпа! оГ АррЬей
СЬегтзйу. - 2007. - V. 80.-Р. 1558-1561.

28. РУану У. Е1ес!гоп Ехйасйоп Пупапйсз т Сй8е апй Сй8е /-СЙ8 / 2п8 Онапшт Оо1з Ай-
зогйей \сй11 Ме(Ьу1 Ую1о§еп / У. ХУап§, Н. ХУап§, 2. Ы, 3. 2Ьао, Ь. ХХ'апа. О. СЬеп,
XV. \Уап§, Н.-В. 8ип//3. РЬуз. СЬет. С. - 2014. - V. 118.-Р. 17240-17246.

29. Скеп 8. Бап§тшг топо1ауегз оГ §о1й папорагйс!ез: йот оЬгтс 1о гесй!ут§ сЬаг§е йапз-
!ег / 8. СЬеп // Апа1уйса СЫгтса Ас!а. - 2003. - V. 496. - Р. 29-37.

30. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1: пер. с англ. С. Зи //
2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - С. 456.

31. Тагиев Б Г. Эффект Пула - Френкеля в халькогенидных полупроводниках с различ-
ными кристаллическими структурами / Б. Г. Тагиев, О. Б. Тагиев, А. М. Пашаев // Фи-
зика твердого тела. - 2013. -№ 55. - Вып. 5. - С. 861-865.

32. Чухаева И. В. Характеризация структуры ленгмюровских пленок титаната бария мето-
дом просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии / И. В. Чухаева, П. В. Абакумов, М. А. Пугачевский, А. Ю.Устинов,
Е. А. Коблова, А. П. Кузьменко // Физика и технология наноматериалов и структур:
сборник научных статей 3-й Международной научно-практической конференции. -
2017.-Т. 2.-С. 160-113.

33. Хи Р. Епрас! оГсййегеп! зигГасе Ндапдз оп Гке орйса! ргорегйез о!'рЬз диап!ит до! зоНдз /
Е. Хи, Ь. Р. 6ег1ет, X. Ма, С. К. НаицЫ, М. Р. 1)огу, 8. О. С1оийег // МаГепак. - 2015. -
V. 8.-Р. 1858-870.

34. Уапр Х.-Г Н1Тесв оГ зкаре апд з!гат <Из1пЬийоп <>!' диапШт док оп орйса! йапзкюп т
!ке циапШт до! тГгагед р11о!<>де!сс!огз / Х.-Р. Тапу, Х.-8. СЬеп, XV. Ьи, V. Ри // №позса1с
К.ез ЬеН. - 2008. - V. 3. - Р. 534-539.

35. Скеп .1. Ап о1е!с ас1д-сарред Сд8е диап!ит-до! зепзШхед зо1аг се11 / ]. СЬеп, .1. Ь. 8оп§,
X. XV. 8ип, XV. <2. Вепд, С. X. Лап§, XV. Гец 3. Н. Ниапд, К. 5. Ыи И АррНсд Ркузюз Ье!-
!егз. - 2009. - V. 94. -V 153115.

36. Хут^гпе М. ЗпЯиепсе оГ ЗигГасе Ыдапдз оп (Не Ьиттезсеп! Ргорегйез оГ Садгшит 8е-
1ешде риапГит 1)ок т а Ро1уте!кукпе!касгу1а!е Ма!пх / М. /уащхпе, I. МагЗупоу,
Р. 8аток11уа1оу, К. Моска1оу, А. СЫзГуакоу // Ркузюз Ргосед1а. - 2015. - V. 73. - Р. 150-
155.

31. Ыи 1.-8. ЕпЬапс1п§ р1ю!о1иттезсепсе циепсктд апд рко!ое1ес!пс ргорегйез о! Сд8е
циапГит док дайк Рю1е ассерйп§ Ндапдз / 1.-8. Ыи, Н.-Н. 1_о, С.-Т. СЫеп, Х.-Х. Ып,
С.-XV. Скеп, Х.-Р. Скеп, XV.-Р. 8и, 8.-С. Ыои // 3. Ма!ег. Скет. - 2008. - V. 18. - Р. 675.

38. АамюгекА. Е1ес!гозргаут§ гои!е !о папо!ескпо1о§у: Ап оустеу/ / А. ,1а\у<>1‘ек, А. Т. 8ок-
схук // 3. Е1ес!гоз!а!. - 2008. - V. 66. - Р. 197.

39. Но М. I). Сд8е/2п8 риапгшп Во! ТЫп РНт Еогтайоп ку ап Е1ес!гозргау ВерозШоп Рго-
С?зз Гог Ыдкг-Етййпд Веуще® / М. И. Р1о, К Кип, В. Кпп, 8. М. Ско, Н. Скае И 8та11. -
2014.-V. 10.-Р. 4142-6. док 10.1002/зт11.201400251.

40. Ып 7.-11'. Ект§ а Ьауег-Ьу-Еауег АззетЫу Тескшдие!о РаЬпса!е Ми1йсо1огед-Ы§к!-Етй-
йп§ РНтз о! Сд8е@Сд8 апд СдТе ОиапШт Вок / Х.-ХУ. Ып, XV.-Ы Тзеп§, Н.-Т. Скапд //
Адуапсед Ма!епа1з. - 2006. - V. 18.-Р. 1381-386.

41. ЫХ. СНисозе Вюзепзог ВазедопХ'апосотрозке РНтз оЗ'СдТе С)иап1шп Вок апдСНисозе
Ох1дазе / X. Ы, X. 2кои, 2. 2кеп§, X. Хие, 2. Вац 8. Ыи, 2. Тапу 7/ Еапдтик. - 2009. -
V. 25.-Р. 6580-6586.

42. 8гЫал1ауа 8. Сотрозйе Ьауег-ку-Еауег (ЕВЕ) АззетЫу мд!к 1пог§атс Хапорагйс1ез апд
Хапоуунез / 8. 8пуаз!ауа, X. А. Ко!оу // Асе. Скет. Кез. - 2008. - V. 41. - Р. 1831-1841.

43. СкетотогсНкВ. Г РиапГит Во! 8о1аг Се11 Ракпсайоп Рго!осо1з / В. В. Скетотогд1к,
А. К. МагзкаП, С. Р. Раск, 3. М. Ыпкег, М. С. Веагд // Скет. Ма!ег. - 2017. - V. 29. -
Р. 189-198.

44. Чумаков А. С. ЗЗенгмюровские монослои в электрическом поле / А. С. Чумаков,
И. А. Горбачев, А. В. Ермаков, В. П. Ким, Е. Г. Глуховской // Известия Саратовского
университета. Новая серия. Серия «Физика». - 2013. - Т. 13. - С. 80-83.

АЗ. Блинов Л. М. ЗЗенгмюровские пленки / 31. М. Блинов // Успехи физических наук. -
1988. - Т. 155. - Вып. 3. - С. 443 480.

46. Каи/, 8. Еауег-Ьу-Ьауег С)иап!шп Во! Сопзйиск ЗЗзшд 8е1Г-Аззетк1у МеЙюдз / 8. Каир,
А. СШд1е, 3. М. Соорег // Еапдтшг. - 2010. - V. 26. - Р. 16934-16940.

47. Горин Д. А. Коэффициент переноса пленок Ленгмюра - Блоджетт как индикатор по-
верхности монокристаллического кремния, модифицированной полиионными сло-
ями / Д. А. Горин, К. Е. Панкин, М. В. Ломова, С. Н. Штыков, Б. Н. Климов, Г. И. Ку-
рочкина, М. К. Грачев, А. М. Ященок // Физика и техника полупроводников. - 2007. -
№41. Вып. 6.-С. 706-710.

48. Чухаева И. В. Синтез наночастиц оксида цинка золь-гель- методом для получения ре-
гулярных упорядоченных структур в виде пленок Ленгмюра - Блоджетт / II. В. Чуха-
ева, П. В. Абакумов, А. П. Кузьменко, Н. А. Борщ, Л. С. Агеева // Физика и технология
наноматериалов и структур: сборник научных статей 2-й Международной научно-
практической конференции. - 2015. - Т. 1. - С. 34-36.
49. Чухаева И. В. Особенности формирования и свойства монослоев Ленгмюра - Блоджетт /
И. В. Чухаева, А. П. Кузьменко // Материалы Международной конференции «Физика и
технология наноматериалов и структур». - 2013. - С. 141-143.

50. Иванов Н. С- Новые материалы, полученные методом Ленгмюра - Блоджетт, и их
применение в нанотехнологии и приборостроении / Н. С. Иванов, Е. П. Подольская.
Н. Г. Суходолов // Научное приборостроение. - 2013. - № 23. - Вып. 1,- С. 86-105.

51. Рожкова Е. А. Регулярные мультимолекулярные структуры (пленки Ленгмюра - Блод-
жетт), содержащие ионы железа, меди и алюминия / Е. А. Рожкова: дне. канд. хим.
наук. - СПб: СПбГУ, 2011. - 124 с.

52. Та1Иат И. В. Бапцтшг - В1о<1§ей Й1тз ой то1еси1аг ог§ашс та1епа1з / В. К.. ТаШат,
Т. УататоФ, М. ЗУ Мегзе! //1. РЬуз.: Сопбепз. Майег. - 2008. - V. 20. - Р. 184006.

53. катЪег1 К. Еап§тшг-8с11аейег Верозйюп ой <2иап1шп [)о! МиИИауегз / К. ВатЪей,
К.. К. Сарек, М. I. Вобпагскик, М. V. Коуа1епко, I). V. Ткоигкоий, ЗУ. Негзз, 2. Непз //
Еап§тшг. - 2010. - V. 26. - Р. 7732-7736.

54. Сга\\’/оги К!. р. С<18е апд Сс18е (2п8) циапШт с1о:з ш 21): А Вап§тшг топо1ауег арргоасН /
И. Р. Сгахуйогд. К. М. ЬеЫапс // Соопкпайоп Скепизйу Ксхасхуз. - 2014. - V. 263-264. -
Р. 13-24.

55. 1Гем5 Е- А. Ог§ашс то1еси1ез а8 1оо1з 1о сопйо! Изе §гохуйк, зигйасе зСгисшге ап<1 гедох
аейуку оГсоИокЫ циапйип скйз / Е. А. ЗУеззз//Асе. Скет Кез. -2013. -V. 46. -Р. 2607-
2615.

56. Горбачев И. А. Изучение влияния соотношения компонентов в смешанных монослоях
квантовых точек и арахиновой кислоты на морфологию пленок, полученных на их ос-
нове / И. А. Горбачев, Е. Г. Глуховской // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. - сер. «Химия.
Биология. Экология». - 2018. - Т. 18. - Вып. 3. - С. 229-305.

57. 8кеп У.-А. Мопо1ауег Векауюг апй Бапшпшг - В1о<1§ей Матри1айоп ой Сс18 риапСит
Во1з / У.Л. 8кеп, У.-В. Бее, У.-М. Уап§ //1. РЬуз. Скет. В. - 2006. - V. 110. - Р. 9556-
9564.

58. Миргород Ю. А. Исследование полиморфного перехода жидкость - жидкость в зависи-
мости от концентрации амфифила в воде / Ю. А. Миргород // Журнал физической хи-
мии. - 2015. - Т. 89.-№ 1.-С. 14-19.

59. Мао О. О1е1с АсМ Шзогбегз зйайип согпешп НрМз ш Вап§тшг топо1ауегз / Сг. Мао,
В. УапЗУуск, X. Хзао, М. С- Маск Соггеа, Е. Оипп, С. К. Иаск, К.. Мепбе1зо1т, К. М. ЗУа1-
1егз // Вап§тшг. - 2013. - V. 29. - Р. 4857-4865.

60. Миггау С. В. 8уп(кез1з апс! скагас1епхайоп ой пеаг1у топосИзрегзе СНГ (Е = зийиг. зе1етит,
(еИипит) зеписопдис1ог папосгузГаПйез / С. В. Мштау, В. .1. Мотз, М. О. ВахуепсЦ //]. Ат.
Скет. 8ос. 1993.-V. 115.-Р. 8706-8715.

61. Мштау С. В. 8уп111езIз апс! скагас1епгайоп ой топосИзрегзе папосгузЫз ап<1 с1озе-раскед
папосгуз(а1 аззетЬйез / С. В. Мштау. С. К. Ка§ап, М. О. Вахуепд! // Аппи. Кеу. Магег.
8с1. - 2000. - V. 30. - Р. 545-610.

62. УйЬмаИ 8. Вап§тшг Й1тз з(аЫ11(у ркепотепоп ой §1усего1 с!IаI куI попйо! (ейаеШег а! Иге
а!г-хуа1ег ийегйасе 16г уапайопз зргеасйп§ йте / 8. УМахуай, В. Вакохузку, Г1. КоШе //
Абуапсез ш Вю1о§1са1 Скегтзйу. - 2012. - V. 2. - Р. 233-237.

63. Ьее У.-Ь. Мопо1ауег кекауюг ой зШса рагйс1ез а! айЛуа1ег пйегйасе: а сотрапзоп Ъе(хуееп
сйеппса! апс! рНуз1са! тосййсайопз ой зигйасе / У.-Б. Бее, Х.-С. Ви, \У.-Х. Вт, У.-М. Уап§ //
Л Со11оИ кйегйасе 8сг - 2006. - V. 296. - Р. 233.

64. Рагут 8. 81<1е-скат еййес! оп Еап§тщг апд Вап§тшг - В1од§еН йкп ргореч без ой
ро1у(п-1кукпе!касгу1ат1де)-соа!ед та§пейс папора1Т1с1е / 8. Рагхап, .1. Ма!зш, Е. 8а!о,
Т. МгуазЫга //1 СоИогд ййегйасе 8сг - 2007. - V. 313. - Р. 128-134.

65. ВаАкакпзкпап С. Саррт§-В1§апд Еййес! оп Ше 81аЪНйу ой Сс18е риап!ит Во! Бап§-
тшг Мопо1ауегз. / С. Кадкаклзкпап, М. К. Е. Во, С. М. КпоЫег, М. А. Оагсга-ОапЬау,
Н. Сг. МопЬоициейе // Вапдтшг. - 2011. - V. 27. - Р. 2099-2103.
66. Впжотл’зка А. М. 81аЫ1йу оГз1еапс асМ топо1ауегз оп аг11йс!а1 зеа хса1ег / А. М. Вгхохохс-
зка, М. Н. О. Вийз, Р. Ми§е1е // СоИокВ апд ЗигЕасез А: Ркуз!соскет. Еп§. ЛаресЕх. -
2012.-V. 407. - Р. 38 48.

67. А1е]О Т. Ро1утег/зиг1ас!апГ азз!з!ед неИ-аззетЫу оГпапорагйскз ййо Ьап§тшг- В1ос1цеГ1
йкпз / Т. Л1с|о. М. В. МегсЬап, М. М. Уе1ахдиех, Д. А. Рёгех-Нетапдех И Ма(ег. Скет.
Ркуз. - 2013. - V. 138. - Р. 286-294.

68. Лаптт X. Еапцтшг апд Ьап§тшг - В1од§ей Й1т8 оГ диапШт до!з / X. Лаптт,
,1. Хшщиц, К. М. Оайаз-Азйпа, С. \Уап§, К. М. ЬеЫапс Ц СоПохдз апд ЗигЕасез А: РкузЕ
соскегтса! апд Еп§теепп§ Азрес!з. - 2006. - V. 284. - 285. - Р. 35.42.

69. УУа1гауепз Их Тхуо-дппепзюпа! зирег1а(йсез о Г со11о!да1 диапШт до!з -(охуагдз Ы§й рег-
Гогтапсе рко!оде!ес!огз / XV. \\'а1гауспз // Океп!ЕДтуегзйу. - 2014.

70. ОогЬаскеу I. А. Тке зШду оГ !ке Гогтайоп оГ топо1ауегз о! диапкип до(з а! дУТегеп! 1ет-
регайагев / I. А. Сгогкаскеу, I. У. ОогуасНеха, О. Вгехезтзклс, Е. О. СНикоузкоу // Ргос. оГ
8Р1Е. - 2016. - V. 9917. - 99171Д-1.

71. Яокапззоп Т. Р. А 1охс 1етрега1иге рказе йапзйюп т Лап§тшг-В1од§ей Йкпз / Т. Р. ,1о-
капззоп, О. XV. Ьеаск Н Д Ркуз Скет В - 2008. - V. 6; 112. - Р. 13823-33.

72. ОвгЪаскеу I. А. 81идут§ оГ Оиагйит 1)<>[.з Лап^тшг Мопо1ауегз 81аЫ1ку а! !ке ВЛЕегеп!
Закрказе ТетрегаГиге /1. А. ОогЬаскеу, 8- X 81Пукоу, О. Вгехезтзк!, Е. О. СИпккоузкоу //
ВюХапоЗс!. - 2017. - V. 7. - Р. 686- 691.

~О> .А1е]о Т. Ро1утег / зигЕас!ап( азз!з!ед зеИ-аззетЫу оГ папорагйскз т!о Ьап§тшг -
В1од§ей йкпз / Т. Л1с|о, М. В. Мегскап, М. М. Уе1ахдиех, Д. А. Рёгех-Нетапдех Ц \'1агег.
Скет. Ркуз. - 2013. - V. 138. - Р. 286-294.

74. Лаптт X. Ьап§тшг апд Ьап§тшг - В1од§ей Й1тз о! диапкип до(з / X. Лаптт, Д. XIа<>|ип,
К. М. Оайаз-Аз&га, С. ХХ'апа, К.. М. йеЫапс // Со11о1дз апд ЗигГасез А: Ркузкоскеппса!
апд Еп§теепп§ Азрес(з. - 2006. - V. 284- 285. - Р. 35 42.

75. Жа/гауега ИХ Тхуо-дппепзюпа! зирег1ай1сез оГ соПохда! диапШт до!з -(охуагдз Ы§к рег-
(огтапсе рко!оде!ес(огз / XV. ХУакауепз // Океп!ЕДтуегзйу. - 2014.

76. ОогЬаскеу I. А. Тке зшду оГ 1ке Гогтайоп оГ топо1ауегз оГ диапйпп до!з а! дйЕегеп! !ет-
рега!игез / I, А. ОогЬаскеу, I. У. Оогуаскеуа, О ВгехезтзИс, Е. О. СИикоузкоу // Ргос. оГ
8Р1Е. - 2016. - V. 991.7 991713-1.

77. Аакапмои Т. Р. А 1оху сетрегапи е рказе Ггапзйюп 1п Лап^тшг - В1од§ей йкпз / Т. Р. До-
капззоп, О. XV. Ьеаск // Д Ркуз Скет В. - 2008. - У.6; 112. - Р. 13823-33.

78. Оогкаскеу I. А. 8й1дут§ оГ риапшт Во1з Еап§тшг Мопо1ауегз 81аЪШ1у а1 Ше ВкТегеп!
Зикрказе ТетрегаШг® /1. А. Сгогкаскеу, 8. М. 81йукоу, Сг. Вгехезтзк!, Е. О. СИпккоузкоу И
ВюХапоЗс!.-2017.-V. 7.-Р. 6864591.

79. МаКиказЫ Л. ЗйисГиге апа1уз!з оГ4-ос!у1-4’-суапоЫркепу1 Иди1дсгуз(аШпе Ггее-з(апд1п§
Йкп ку то1еси1аг дупаписз зппи1айоп /14. Ма1зиказк1, М. Кипига, Т. Акакапе, М. УозЫда //
А&уото. - 2007. - V. 3. - до!: 10.2240 / ахоДото0234.

80. &Поа/е С. Е1ес!пс Йе1д ейес!з !п петайс 1!дшд сгуз1а1з доред хуйк сагЬоп папоШЬез /
С.С!Поа]е, Е. Рейезси, С. Мо|ос // Ркузка Е: 1_о\у- мпепыоп»! 8уз!етз апд Мапозйис-
!игез. - 2013. - V. 54. - Р. 242-246.

81. ОиШата! Р. Сопйо! оГ асйуе Ндшд сгуз!а1з хуйк а та§пейс Йе1д / Р. биШата!, Д. 1§пёз-
Ми11о1, Р. 8а§иёз // Ргос. ИаЙ. Асад. 8с1. В 8 А. - 2016. - V. 17; 113. - Р. 5498 502?

82. У1зн'апа!к Р. 8ргеадт§ апд гейасйоп дупаппсв о! а дуе доред зтесйс Ндшд сгуз!а1 доташ
а! Гке а!г - \уа1ег !п!егГасе / Р. ХчзххапаЙ!. К. А. Зигезк, Вкага! Китаг // Зой Майег. -
2012.-V. 8.-Р. 11180-11184.

83. 0Шо(Р. Оп-сЫр 1кеппа1 саккгайоп хсй1х 8СВ Ндшд сгуз!а1 оПсгоШегта! дехчсе / Р. ОШо(,
Р. О. Мопп, ЕН. Р. Ага!а, К.. Оиё§ап, Н. Тапака, Н. РиДйа // Ьак СЫр. - 2007. - V. 7. -
Р. 1600-1602.
84 Оуег§аа§ К. 8ирег1ай1сез оЕРЬЗе апд СйЗе НапосгузЫз / К. Охсгцаац, XV. Еуегз, В. Эе
Ыуз, К. Коо1е, I. МееМ-цк, V. В. Втагу // 1. Ат. Скет. Зое. 2008. - V. 130. - Р. 7833-
7835.

85. Таа А. ТипаЫе р1азтотс 1ай1сез оГ зйуег папосгузЫз / А. Тао, Р. Зтзегтзикзаки!,
Р. Уап§ // №(. Хапо1ес1то1. - 2007. - V, 2. - Р. 435 440.

86. Зкеускепко Е. V. 81гисГига1 Луегзйу т Ыпагу папорагйс1е ирег1а1йсез / Е. V. ЗЬеусЬепко,
В. V. Та1арт, К А. Ко1оу, 8. О’Впеп, С. В. Миггау И Майке. - 2006. - V. 439. - Р. 55-59.

87. РгоАапоу М. Е. Т1:сгто4упат1са11у 81аЫе В1зрегзюпз оГ С)иапШт Во!з т а К’етайс Ыд-
ик! СгузГа! / М. Р. Ргойапоу, Ы. V. Ро§оге1оуа, А. Р. Кгуз1йа1, А. 8. ИутсНепко, У. Ме1у,
V. Р. ЗетупохЬепко, А. I. КпуозНеу, V. А. Кехшкоу, 8. Ы. Уагто1епко, .1. XV. СгоойЬу,
V. V. УазЬсЬепко // Ьап§тий. - 2013. - V. 29. - Р. 9301-9309.

88. КоАаг1еА. Ь. ОиапШт с1<>11|С|и13 сгуз1а1 сотрозйе та1епа1з: ЗеИ-аззетЫу Йпуеп Ьу Ндшй
сгуз!а1 рЬазе Йапзйюп 1етр1айп§ / А. Ь. КойаПс. К. .1. РапЛоШ, 8. ОЬозЬ, 1. 8. ЕНгз! /•
1. МаГег. СЬет. С. - 2013. - V. Г. - Р. 5527- 5532.

89. КоАаПе А. I.. ЗеЙ-аззетЫей папорагйс1е пйсго-зНеПз 1етр1а1ес! Ьу Ндшй сгуз!а1 зогйп§ /
А. Ь. КойагГе, В. Н. Сао, Н. Рапезаг, К. Г. РапйоШ, М. Ь. Ес1\уагс1з, 8. ОЬозЬ, .1. Е. Нет,
Ь. 8. Нйз!//Зой Майег.-2015.-V. 11.-Р. 1701-1707.

90. Зт^к О. ТипаЫе ро1апзей йиогезсепсе <>!' диапЛт Йог йорей петайс Нди1й сгуз1а1з /
О. 8т§Ь, М. К. ИзсЬ, 8. Китаг // Ыди1й Сгуз(а1з. - 2016. - V. 44:3. - Р. 444 452.

91. МосИтзкаА. ЬгЕиепсе <>11Ье то1еси1аг з1гис!иге о? 1Ьегто1гор1с Ндшй сгуз1а1з оп Лей аЫ 1 йу
1о 1опп топо1ауегз а! ййег&се / А. МойНпзка, К. 1п§1о1, Т. Майупзка, К.. ВаЬгохузк!,
.1. ,1ас1хуп, В. Ваитап // Раций Сгуз1а1з. - 2009. - V. 36:2. - Р. 197-208.

92. Таит! Р. Мопо1ауег апо Вге\уз1ег ап§1е писгозсору з1ис1у оЕЬитап зегит а1Ьитт-й1ра1-
тйоу! рЬозрЬаййу! сЬоНпе гшхГигез а1 Ле ай - хуасег т1еНасе / Р. ТойпП, О. Рпе1о,
1. Л. Мтопез, 1. М. ТгШо, Р. Загпието // СоИоМз ЗигЕВ Вют1егЕасез. - 2012. - V. 92. -
Р. 64-73.

93. Агаа-Сагтопа Ь Вйес! оЬзегуайоп Ьу изт§ ВгехузЛг ап§1е пйсгозсору <)Е Ле ЛассГу-
1епе ройтепхайоп т ппхес! Еап§тий Й1т / Ь. Апха-Сагтопа, М. Т. Магйп-Котего,
Д, 1. Отег-Сазагез, Ь. СатаеЬо ИI Со11ок1 НйегЕасе Зсй - 2015. - V. 1; 459. - Р. 53--62.

94. Хои Ь. Ыпе (епзюп апй зЛисЛге оЕ зтесйс Ндтй сгуз!а1 тиЙНауегз а! Ле ай-АУаЛг т(ег-
Еасе / Ь. Хои, I. ХУап§, Р. Вазпе!, Е. К. Мапп // РЬуз Кеу Е 81а1 МопНп Зой Майег РЬуз. -
2007.-V. 76.-Р. 031602.

95. НаПеП А. Е. Х-гау гейесйуйу геуеак юте зйисЛге а! Ндшй сгуз!а1 - адиеоиз тЛгЕасез /
1. Е. На11ей, В. XV. Нау\уагс1. Т. Агпо1й, Р. ВагЙейЬ. К. М. ВлсЬапкопа // Зой Майег. -
2017.-V. 13.-Р. 5535-5542.

96. Зиргап Е. Ь. 1п1егасйоп Ьейуееп Еап§тшг апй Ьап§тий - В 1ой§ей Й1тз оЕ 1\хо саНхагепез
луйЬ адиеоиз соррег апй НЛшт юпз / Р. Ь. 8ир1ап, Т. Н. КтсЬагйзоп, М. Веазу, Р. КеИеЬег,
1 Р. ХУагй, V. МсКее // Еап^тий. - 2010. - V. 26. - Р. 10906-12.

97. РаутаИо Е. А. РЬозрЬоНрМ ййегасйопз 13зт§ Ьап§тий апй Ьап§тий - В1ой§ей РНтз аз
Се11 МетЬгапе Мойе1з / Р. .1. Раутайо, Ь. СазеН, А. Раутайо, В. 8. йоз 8ап1оз, Т. М. ЫоЬге,
М. Е. В. ХатдиеШ, Н. 8. 8Пуа, Р. В. Мйапйа, О. Т4. йе ОНуейа, .1. Р. СЬйозап // Ьап§тшг. -
2007. - V. 23. - Р. 7666-7671.

98. Кип А. ОгарЬепе Ох1йе 8Ьее!з а! 1п1е1Гасе8 /1. Кйп, Ь. 3. Со1е, Р. Кйп, XV. Уиап, К. К. 8Ьи11,
й. Ниап§ //1 оГАтепсап СЬетхса! 8ос1е1у. -2010. - V. 132. - Р. 8180-8186.

99. А§иуе« Ь.-Т. Т. ЗигЕасе Ро1епйа1з т Ьапртшг Мопо1ауегз оГ итййесйопайу ОпепГей
г-Нейса! В1Ыоск Соро1урерййез / Ь.-Т. Т. Х§иуеп, А. Агйапа, О. Геп Вгтке, А. 1. ЗсЬои-
1еп // Еап§тий. - 2010. - V. 26. - Р. 6515-6521.

100. Ра$ско1аИ С. Р. ТЬе ййегасйоп ой ап апйрагазШс рерййе асйуе а§атз1 АЕпсап 81еерт§
81скпезз »ЙЬ се11 тетЬгапе тойе!» / С. Р. РазсЬо1ай, Е. Р. Ьорега, Р. й. Раутайо,
Ь. СазеН, Т. М. ХоЪге, М. Е. В. ХатдиеШ, Т. У1йа1а, С. В'ЗНуа, О. Ы. ОНуейа // Со11о1йз
апй Зигйасез В: Вют1егЕасез. - 2009. - V. 74. - Р. 504-510.
101. (8агс1а В. М. 8е1Г-АззетЫед 8уз1етз оГ НапотаЗепак оп Ьацрпшг - В1од§ей РИтз /
В. М. Оагс1а // Ь'п|уегз1дад де 8а1атапса. - 2013.

102. Мо1еси1аг ЗЫегасйопз. Ед. Ьу Ме§Ьеа А. // Ро1у(есЬтс Ышуегзйу оГВисЬагез!, Котата. -
2012.-382 р.

103. 8о1туеуа О. О. Мопо1ауег Торо§гарЬу оГЦиап1ит 1)о!з а! 01 е 1п(егГасез /О,О. 8о1оууеуа,
I. 8. 2айзеу, 8. V. Хайзеу // №позс!епсе апд Капо(есЬпо1о§у КезеагсЬ. - 2013. - V. 1. -
V. 13-16.

104. Аа?/? У. Мопо1ауег СЬагас(епзйсз оГ СЬйовап АззетЫед т Ьап§тип РИтв Х'Пхес! \\Ы1
АгасЫШс Аск! /3. На(Ь, К. К. №111Д Зауазгее №Ы е! а1, 8игГ. Кеу. Ьей. - 2014. -V. 21. -
Р. 1450049.

105. (ЗогЪаскеу I. А. ТЬе ОерепсИп" оГЬап§тшг топо1ауег8 о/ циаШит до!з апд Гайу аск1 пнх.
(иге ргорегйез Ггот (Ьей сотропепГз гайоп /1. А. ОогЬасЬеу, Е. О. СПикЬоУзкоу // 8ага1оу
Ра11 Меейп§ 2016: РоийЬ 1п1етайопа1 Зутрозшт оп Орйсз апд ВюрЬоЗошсз & 8ЕМ,
8Р1Е. - 2017. - V. 10336. - Р. 6.

106. Магйп-Сагаа В. РЬоЫЫпипезсепсе Эупаписз оГС с18е ОЮ / ро1утег Ьап§тии - В1од§ей
ТЫп РПтв: МогрЬо1о§у Ейёс1з / В. Магйп-Оагс!а, Р. М. К.. Раи1о, 8. М. В. Сояа, М. М. Уе-
1ахдиег//3. РЬуз. СЬет. С.-2013.-V. 117.-Р. 14787-14795.

107. МагНп-СагС1а В. В1оск соро1утег азз181ес1 зеИ-аззетЫу оГ папорагйс1ез ийо Ьапутшг -
В1од§ей Й1тэ: ЕГГес! оГро1утег сопсепйайоп / В. Магйп Оагс!а, М. М. Уе1ахдиех // Ма-
1епа1з СЬепйзйу апд РЬузкз. - 2013. - V. 141. - Р. 324-332.

108. ТРа1аиаЬе 8. ЫЙю§гарЬу оГ 8е1Г-аззетЫед ЗепйсопдисЫг ОиапШт Оой оп Тетр1а1ез
РаЬпса1ед Ггот М1хед Ьап§тий - В1од§ей РИтз / 8. \Уа1апаЬе. Ы. Татига, М. Ма!зи-
то!о //1 О1ео 8с1. - 2012. - V. 61. - Р. 277-283.

109. ЦЫапаЬе 8. М1сго- апд папорайетед соррег зйисГшез изт§ д!гес!ед зе1ГаззетЫу оп 1ет-
р1а!ез ГаЬпса1ед Ггот рЬазе-зерага1ед пихед Ьап§тшг - В1од§ей Й1тз / 8. \\'а1апаЬе,
Н. Ктпиа, Т. 8а1о, Н. 8ЫЬа1а, Р. 8ака-то!о, К.. Ахшт, Н. 8ака1, М. АЬе, М. Магзито1о //
Ьап§тии. - 2008. - V. 24. - Р. 8735.

110. МЫапаЬе 8. 1)|гес1ед зеК-аззетЫу оГ §о1д папорагйс1ез апд §о1д (Ыи Й1тз оп пйсго- апд
папорайетед 1етр1а!ез ГаЬпса1ед Ггот пйхед рЬазезерага1ед Ьап§тий - В1од§ей Й1тз /
8. \\ а1апаЬс, Н. 8ЫЬа1а, Е. 8акато1о, К. Ахипй, Н. 8акац М. АЬе, М. Ма(зито1о // .1. Ма-
1ег. СЬет. - 2009. - V. 19. - Р. 6796.

111. 8аЮ М. [)|гссг зо1-§е1 зуп1Ьез1з оГрайетед хйсота Йип Й1тз изт§ зе1ГаззетЫу т рЬазе-
зерагаГед пйхед Ьап^тшг- В1од§ей Й1тз / М. 8аго, Н. 8ЫЬа1а, Н. 8ака1, М. АЬе, М. Ма!зи-
то!о // Тгапз. Ма1ег. Кез. 8ос. Зрп. - 2008. - V. 33. - Р. 111-114.

112. М1г2ае1 7 ОиапШт до!з аз 11С|к11с1 сгуз(а1 дораЫз / 3. Михае!, М. Кехткох, Т. Не§тапп //
3. Ма1ег. СЬет. - 2012. - V. 22. - Р. 22350-22365.

113. 81ата(о1и О. №порагйс1ез т 11с|и!<3 сгуз1а1з апд ЬдЫд сгузйШпе папорагйс1еа / О. 81ата-
1ош, 3. Михае!, X. Реп§, Т. Не§тапп // Тор Сип- СЬет. - 2012. - V. 318. - Р. 331-93.

114. !'!е^с1оп К. А. Типт§ циапшт-до! Ьазед рЬоЗошс деукез хуЬЬ Ицшд сгуз1а18 / К. А. Р!е-
§доп, 8. [Зескиг, 3. Рбгз1пег, Т. Ме!ег, Н. МайЫаз, М. ЫгЬапзк!, Н.-8. Кйхегоху, В. Кеи(ег,
А. В. Айеск, А. Ьогке, С. Ме!ег // Орйсз Ехргезз. - 2010. - V. 18. - Р. 7946-7954.

115. Ко<1аг1еА. Ь. риапйип Во1/ Ь|дшд Сгуз1а1^апосотро8Йе8 т РЬо1отс Веугсев / А. Ь. Ко-
дайе, Р. Сгзпегоз, 3. Е. Нет, 8. ОЬозЬ, Ь. 8. Нйз1 // РЬо1ошсз. - 2015. - V. 2. - Р. 855-
864.

116. 8иц>11 О. Ет!881УЙу апд е1есйоорйса1 ргорегйез оГ 8еписопдисйп§ диапПип до(з / годз апд
йдшд сгуз1а1 сотрозйез: а геу!е\У / О. 8т§11, М. Р!зсЬ, 8. Китаг // Кер. Рго§. РЬуз. -
2016.-Р. 79056502.

117. Китаг А. ЕпЬапст^ Ле рйойЯиттезсепсе оГ Геггое1ес1пс Нс|и1с1 стузЗа! Ьу дорт§ хуЬЬ
2п8 диапйип до!з / А. Китаг, 3. РгаказЬ, А. В. ВезЬтикЬ, В. НагапаЙ!, Р. 8Нопа, А. М. В1-
гадаг // Аррйед РЬузЫз Ьейегз. - 2012. - V. 100. - Р. 134101.
118. СЬеп/..-./. Ап орйсаИу агаЫе апд ШпаЫе циап!шп до! папосгу8!а1етЬеодед сЬо1е8!епс Нц-
шд сгу8(а1 сотрозйе 1азег Сйе дне / Ь.-.1. СЬеп, .1.-1). Ьт, С.-К. Ьее Ц }. Ма!ег. СЬет. С. -
2014.-V. 2.-Р. 4388-4394.

Дополнительная литература по теме «Квантовые точки»

1. Марков С. А. Органический синтез коллоидных квантовых точек / С. А. Марков // Окно
в микромир. - 2002. - № 4. - С. 18.24.

2. Козлова М. В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математиче-
ских наук. Особенности нелинейного поглощения при резонансном одно- и двухфотон-
ном возбуждении экситонов в коллоидных квантовых точках Сд8е / 2п8 / М. В. Коз.
лова. -М., 2015.

3. Ненашев А. В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математи-
ческих наук. Моделирование электронной структуры квантовых точек / А. В. Нена-
шев. - Новосибирск, 2004.

4. Кравцова А. Н. 1п зШсо исследование атомной и электронной структуры квантовых точек
СдТе, доиированных атомами редкоземельных элементов / А. Н. Кравцова, А. В. Солда-
тов, С- А. Сучкова,// Журнал структурной химии. - 2016. - Т. 57. - № 3. - С. 508-514.

5. Кравцова А. Н. Допированные квантовые точки семейства СдТе / А. Н. Кравцова,
А. В. Солдатов, С. А. Сучкова, К. А. Ломанченко, И. А. Панкин, М. Б. Файн, А. Л. Бу-
гаев // Известия РАН. Серия физическая. -2015. - Т. 79. - № 11. - С. 1612-1611.

6. ЬйрзУЛуАУХУ.зст.сот/.

7. Васильев Р. Б. Методические материалы. Квантовые точки: синтез, свойства, примене-
ние // Р. Б Васильев, Д. Н. Дирин. - М.: ФНМ МГУ, 2007.

8. Солдатов А. В Методические указания по курсу «Спектроскопия рентгеновского по-
глощения». Часть 21 / А. В. Солдатов. - Ростов-на-Дону, 2011.

9. Квантовые точки (ОиапПип до! Ы-Г)) - новая технология производства дисплеев [В Ин-
тернете] / авт. Виталий Шундрин // МедхаРиге.ги - статьи о компьютерах, мультиме-
дийной технике. - 01.05.2015 г. -05.06.2020 г. -Ь!!рз://тед1ариге.ги/та!сЬа8!/куап!оууе-
!осЬк1-диап1ит-до!-1ед-поуауа-!ехпо1о§1уа-рго1хуод8!уа-д18р1ееу/.
Глава 8

СПИНТРОНИКА - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ,
МАТЕРИАЛЫ, УСТРОЙСТВА

8.1, Квантово-механические явления
как физические основы
квантовой микроэлектроники

Современные ученые, исследователи и инженеры должны как минимум
хотя бы ориентироваться в квантовых технологиях, даже если основной обла-
стью их исследований является что-то совершенно далекое от квантовой меха-
ники. Тем более это касается студентов и молодых ученых, специализирую-
щихся в области электроники и ее многочисленных практических приложений.

Как известно, поведение подвижных носителей заряда (электронов и ды-
рок) в низкоразмерных структурах определяют три группы фундаментальных
явлений: квантовое ограничение, баллистический транспорт и квантовая ин-
терференция, а также туннелирование. Все эти эффекты по своему происхож-
дению представляют собой типичные квантово-механические явления.

Квантовое ограничение возникает, когда свободное движение электро-
нов в одном из направлений оказывается ограниченным потенциальными ба-
рьерами, образующими наноструктуру, в которой эти электроны находятся.
Оно изменяет спектр разрешенных энергетических состояний и влияет на пе-
ренос носителей заряда через наноструктуры. Транспорт носителей заряда мо-
жет, в принципе, осуществляться как параллельно, так и перпендикулярно по-
тенциальным барьерам. В случае движения носителей вдоль потенциальных
барьеров доминирующими эффектами оказываются баллистический транс-
порт и квантовая интерференция. Прохождение же носителей заряда через по-
тенциальные барьеры происходит исключительно посредством их туннелиро-
вания, что и обеспечивает перенос носителей заряда из одной области нано-
электронного прибора в другую. В учебном пособии белорусских ученых
«Наноэлектроника» (Борисенко В. Е., Воробьева А. И., Уткина Е. А. Наноэлек-
троника. -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. -223 с. 1$ВМ 978-5-94774-
914-4) наиболее понятно для студентов и начинающих ученых рассмотрена
физическая природа и основные закономерности проявления перечисленных
фундаментальных явлений.

8.1,1. Квантовое ограничение

Свободный электрон, движущийся в трехмерной системе (ЗВ), имеет ки-
нетическую энергию, величина которой, в соответствии с пространственными
компонентами его импульса рх, рп р,, составляет
или, в волновом представлении,

Е = -^(к; + к;+к;),
2т ' '

где « - эффективная масса электрона (в твердых телах она обычно меньше,
чем масса покоя электрона яго);

й - приведенная постоянная Планка й = й 2л;

кх, ку, к: - пространственные компоненты волнового вектора. Плотность
электронных состояний при этом является непрерывной параболической
функцией энергии:

т ^2т*Е

В низкоразмерной структуре свободное движение электрона ограничено
по крайней мере в одном направлении, а именно - в направлении (или направ-
лениях), в котором геометрический размер данной структуры сравним с дли-
ной волны, соответствующей этому электрону, то есть с длиной волны де
Бройля3: к = й / т*г, где скорость движения электрона V может быть принята
равной скорости, соответствующей энергии электрона на уровне Ферми. Для
справки: длина волны де Бройля в металлах находится в пределах 0,1-1,0 нм,
а в полупроводниках может достигать 100 нм.

В направлении, пусть это будет направление вдоль оси х, ограничиваю-
щем свободное движение электрона в низкоразмерной структуре, удерживаю-
щие его силы могут быть представлены бесконечно глубокой прямоугольной
потенциальной ямой, то есть квантовым колодцем с бесконечно высокими
краями, как это показано на рис. 8.1.

Бесконечно высокий потенциальный барьер предотвращает нахождение
электрона за границами области 0 < х < а. Таким образом, волновая функция,
соответствующая электрону, должна обращаться в нуль на границах потенци-
альной ямы, то есть при х = 0 и х = а. Лишь ограниченный набор волновых
функций отвечает такому условию. Это стоячие волны с длиной волны к, опре-
деляемой соотношением

= 2а/«(где л = 1,2, ...).

Соответствующие разрешенные значения волнового вектора дискретны
и имеют величину

кп = 2л / к„=пп1 а.

3 Л. Де Бройль в своей статье: ОеВго^Не Ь. Опйез е! диатйа. С. К. Аса<1. 8ст (Рапа) 177. - 507-510
(1923) впервые указал на возможность проявления электроном волновых свойств. В 1929 г. он был
удостоен Нобелевской премии по физике $а открытие волновой природы электрона.
Рис. 8.1. Потенциальная яма и волновые
функции электронов в ней

Как следствие, энергии разрешенных состояний электрона в яме оказы-
ваются тоже дискретными. Спектр этих состояний в яме с бесконечной высо-
той стенок (потенциальных барьеров, ограничивающих яму) и шириной а
имеет вид

Й2/с2 й2л2/?2 Л2и2

2т* 2т а2 8т* а2

Целое число п является квантовым числом, обозначающим квантовое со-
стояние. Таким образом, электрон, помещенный в ограниченную область про-
странства, может занимать только дискретные энергетические уровни. Самое
низкое состояние имеет энергию

*2 2
/ _ Й Л
~ * 2

1т а

которая всегда больше нуля. Ненулевая минимальная энергия отличает кван-
тово-механическую систему от классической механической системы, для ко-
торой энергия частицы, находящейся на дне потенциальной ямы, тождест-
венно равна нулю. Кроме того, разрешенные значения энергии для электрона
2
оказываются квантованными пропорционально п .

Для того чтобы удовлетворять принципу неопределенности ДрДх > Й / 2
(в нашем случае Лх = а), электрон должен иметь неопределенность своего им-
пульса Л/? > й / 2а. Это соответствует минимальному изменению энергии
ЛЕ = (А/?)2 / 2т* = Й2 / 8/;/ а2, которое с точностью до множителя л2 / 4 соответ-
ствует приведенному выше выражению для Е\. Таким образом, и принцип не-
определенности приводит к выводу о ненулевом значении минимальной энер-
гии электрона, замкнутого в потенциальной яме.

Следует иметь в виду, что величина энергетического зазора между раз-
решенными состояниями электрона в квантовой яме зависит от потенци-
ального рельефа стенок ямы. Так, для параболической квантовой ямы, потен-
циальная энергия в которой

У(х')=Ах- /2,

где коэффициент А, по аналогии с классическим гармоническим осциллято-
ром, имеет смысл коэффициента упругости, отражающего действие линейной

возвращающей силы Р =-------= -Ах. В этом случае решение стационарного

дх

уравнения Шрёдингера дает эквидистантно расположенные разрешенные
энергетические уровни

Е„ =(п - л = 1,2, ...,

где со = у/А/ т* - круговая частота колебаний.

Задание определенного потенциального рельефа стенок ямы позволяет
получать как требуемое для приборной реализации значение минимальной
энергии Е\, так и необходимые зазоры между разрешенными энергетическими
состояниями электронов (дырок) в яме.

Поведение электронов (дырок) в замкнутом пространстве, возникающие
как следствие их квантово-волновой природы и приводящее к конечному
(ненулевому) минимальному значению их энергии и дискретности разрешен-
ных энергетических состояний в низкоразмерной структуре, называют кван-
товым ограничением1'. В твердых телах квантовое ограничение может быть
реализовано в трех пространственных направлениях. Количество направлений
в твердотельной структуре, в которых эффект квантового ограничения отсут-
ствует, используется в качестве критерия для классификации элементарных
низкоразмерных структур по трем группам. Это квантовые пленки, квантовые
шнуры и квантовые точки. Схематически они показаны на рис. 8.2.

Квантовые пленки (диа/иит /Итя) представляют собой двумерные
(2Э) структуры, в которых квантовое ограничение действует только в одном
направлении, а именно по толщине пленки (направление г на рис. 8.2). Носи-
тели заряда в таких структурах свободно двигаются в плоскости ху. Их общая
энергия складывается из дискретных значений, определяемых эффектом
квантового ограничения в направлении г в соответствии с толщиной пленки
и монотонно изменяющихся кинетических компонентов в направлениях
х иу:

кУп2 П2к2 к2к2

2т* 12 2т 2т*

л = 1,2,...

Первый член в правой части выражения записан для случая изотропной
эффективной массы электронов и бесконечно большого ограничивающего по-

4 Впервые рассмотрено в работе: Эфрос А. Л. Межзонное поглощение света в полупроводниковом
шаре. ФТП 16 (7). - 1209-1214 (1982),
тенциалъного барьера. Для барьера с конечной высотой Цо разрешенные
уровни энергии находятся из трансцендентного уравнения

Е„ = 2 п ~ аГСсГ8 /— - 1 •

квантовый
шнур
(10)

квантовая
точка

(ОО)

Рис. 8.2. Элементарные низкоразллерные структуры,
их энергетические диаграммы Е(к) и плотности состояния п(Е)
в сравнении с трехмерной структурой
В ^-пространстве энергетическая диаграмма квантовой пленки представ-
ляет собой семейство параболических зон, которые, перекрываясь, образуют
подзоны. Это минимальная энергия, которую электрон может занимать в и-й
подзоне, не осуществляя движения в плоскости пленки.

Волновой вектор электрона имеет компоненты лишь в плоскости ху, и
плотность электронных состояний в квантовой пленке в зависимости от энер-
гии имеет ступенчатый вид, который заменяет типичную параболическую за-
висимость для свободных электронов в трехмерных структурах:

п^Е) = —7-^Е-Е,)1 = \,2,...
'ДЙ I,

где 9(Е - Е.) - ступенчатая функция. При этом общая концентрация электронов
в квантовой пленке из полупроводникового материала в равновесных усло-
виях есть

где кв - постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура;

Ер - энергия уровня Ферми для электронов;

Ес — энергия дна зоны проводимости полупроводника.

Электроны в квантовых пленках обычно называют двумерным элек-
тронным газом (Ьео-сИтеп8юпа1 е1ес(гоп §а8, 2ВЕС).

Квантовые шнуры (циап1ит тгев)5 - это одномерные (Ю) структуры.
По сравнению с квантовыми пленками квантовые шнуры малы еще в одном
направлении настолько, чтобы в нем существовал эффект квантового ограни-
чения. Носители заряда могут свободно двигаться в квантовом шнуре только
в одном направлении - вдоль оси шнура. Таким образом, кинетическая состав-
ляющая только вдоль одного направления и квантованные значения энергии в
двух других направлениях вносят вклад в общую энергию носителя заряда:

2 2 2 2 2 2

„ Тгп~п~ Л п т
Е =----—I------* ,

2т 2т 1~

-I----п,т = 1,2,...

2т

Для каждой пары дискретных уровней в направлениях квантового огра-
ничения плотность электронных состояний в квантовом шнуре зависит от
энергии по закону Е >

що(Е) = {2^-^Е-Еч = 1,2...

5 В русскоязычной научной и учебной литературе оригинальный англоязычный термин циапШт
тгеа иногда переводится также как «квантовые нити», «квантовые провода» и даже «квантовые
проволоки», хотя наиболее точным, по нашему мнению, и благозвучным является его перевод
именно как «квантовые шнуры».
Концентрация электронов в шнуре описывается выражением

(2т*квТ / л)'/2 -г-, ( ЕР - Ес - Ец]

«о “ ГП 2^ ’

м к квТ )

где Р^\ц - интеграл Ферми с индексом -1/2.

Квантовые точки (диап1ит с1о1ч) - это нульмерные (ОО) структуры,
в которых движение носителей заряда ограничено во всех трех направлениях.
Энергетические состояния при этом оказываются квантованными во всех трех
направлениях. Для квантовых точек в форме куба со стороной а

ГгИ _ 31г

^\,сиЬе ~ * 2 — о • 2 '

2т а ът а

Плотность состояний в кубических квантовых точках представляет со-
бой серию острых пиков, описываемых ^-функциями:

«оп (Е) = — % 8(Е - Е,) /, ],к =1, 2,...

‘х‘)Е 1./Л:

где Д.уд- разрешенные значения энергии, определяемые квантовым ограниче-
нием соответственно в направлениях х, у, г. С учетом этого концентрация элек-
тронов в такой квантовой точке есть

«о =

1 + ехр

Ес + Ецрк
квТ

Если же квантовая точка представляет собой сферу диаметром а, самое
низкое разрешенное энергетическое состояние для электронов в ней есть

^-‘\,аркеге

/г1 2

2т а2

Очевидно, что состояние с минимальной энергией в сферической кван-
товой точке выше, чем в кубической при одном и том же характерном разме-
ре а. Это вполне объяснимо, так как сфера имеет меньший объем (л / 6«3 < а3)
и условия квантового ограничения в ней более «жесткие».

Минимальная энергия Етт, необходимая для создания электронно-ды-
рочных пар в квантовой точке, включает по крайней мере три составляющие.
Первая составляющая - это ширина запрещенной зоны материала из ко-
торого изготовлена данная квантовая точка. Другая важная составляющая
представляет собой минимальную энергию определяемую условиями
квантового ограничения для электронов и дырок в квантовой точке:

г- _ р»1ваг
^соп/ С‘соп(

1 -^соп] _ 2 * *

2а уте тк
где те и тк - эффективные массы электронов и дырок соответственно. Третья
составляющая определяется кулоновским взаимодействием электронов и ды-
рок. Для сферической квантовой точки, изготовленной из материала с диэлек-
трической проницаемостью 8,

г -

&Сои1 ~ “ •

271880^

В итоге

р = р + р =р 1

^тт ^§,Ъи1к ^соп/ ' ^Сои1 ^г,Ьи1к 2 * ' *

2а \те тк) 2т1ггоа

Данное выражение можно использовать для оценки зависимости длины
волны люминесценции квантовых точек от их размера. В качестве дополни-
тельного члена в него иногда включают так называемую ридберговскую про-
странственную корреляционную энергию для объемного полупроводника, ве-
личина которой составляет •0,284/Д, где

( Л-1

ЕК=г Л + Л /2(880й)2.

' ™е т1, )

Благодаря сходству энергетических характеристик квантовых точек с
характеристиками атомов их иногда называют искусственными атомами.
Квантовые точки образуются из счетного количества атомов. Поэтому отно-
сительно проявления эффекта квантового ограничения основными свойствами
квантовых точек обладают такие структурные образования, как атомные кла-
стеры и нанокристаллиты.

Наглядным примером проявления квантового ограничения в низкораз-
мерных структурах является фотолюминесценция квантовых точек из полу-
проводниковых материалов. По мере увеличения размера квантовых точек
уменьшается ширина разрешенных оптических переходов, поэтому пик люми-
несценции смещается из коротковолновой фиолетовой в длинноволновую
красную область спектра.

Рассмотренные элементарные низкоразмерные структуры в определен-
ном смысле являются идеализированными объектами. Очевидно, что низко-
размерные структуры, представляющие практический интерес, должны распо-
лагаться на какой-либо подложке и иметь контакт с другими структурами и
функциональными элементами. Болес того, приборные применения требуют
комбинации нескольких элементарных структур. Но, несмотря на появление в
сложных комбинированных структурах новых квантово-механических эффек-
тов, определяющую роль в них продолжает играть квантовое ограничение.

Для изготовления низкоразмерных структур используют два принципи-
альных подхода, которые можно охарактеризовать как «геометрический» и
«электронный». Геометрический подход предполагает использование техно-
логий, обеспечивающих формирование объектов с нанометровыми разме-
рами. Для этого используются специальные нанотехнологические приемы, ко-
торые будут рассмотрены в части 2 данного учебника. Электронный подход
основан на возможности управления размерами областей с определенным ти-
пом и концентрацией носителей заряда в полупроводниках посредством элек-
трического поля. При этом используются как традиционные структуры ме-
талл / диэлектрик / полупроводник и металл / полупроводник, так и полупро-
водниковые гетероструктуры. Способы создания в полупроводниках областей
с квантовым ограничением за счет внутреннего встроенного электрического
поля и путем приложения внешнего электрического смещения рассмотрены
далее.

8.1.2. Баллистический транспорт носителей заряда

Особенности транспорта носителей заряда в твердотельных структурах
во многом определяются процессами их рассеяния при движении из одной об-
ласти структуры в другую. Электрон, сталкивающийся с другим электроном
или испытывающий рассеяние на колебаниях решетки, на дефектах либо на
границе раздела, неизбежно изменяет свое энергетическое состояние. Среднее
расстояние, которое электрон проходит между двумя ближайшими актами
рассеяния, называют средней длиной свободного пробега (теап /гее равг).

В макроскопических системах средняя длина свободного пробега элек-
тронов всегда намного меньше размера этих систем. Для них справедливы сле-
дующие допущения: 1) процессы рассеяния носителей заряда локальны, то
есть происходят в определенных точках пространства; 2) рассеяние непре-
рывно во времени; 3) и рассеяние, и поля, инициирующие движение носителей
заряда, малы настолько, что оба эти фактора вызывают независимые отклоне-
ния в равновесии всей системы; 4) масштаб времени для наблюдения за систе-
мой выбран таким образом, что регистрируются только события, которые яв-
ляются медленными по отношению к среднему времени между двумя ближай-
шими актами рассеяния. Такие допущения позволяют использовать кинетиче-
ское уравнение Больцмана для описания транспорта носителей заряда в мак-
роскопических системах.

В наноструктурах условия для транспорта носителей заряда суще-
ственно отличаются от таковых в макросистемах. В структурах с размером ме-
нее длины свободного пробега носителей заряда их перенос происходит без
рассеяния. Такой перенос называют баллистическим транспортом (ЪаПМе
{гапзротТ). При этом допущения, позволяющие описывать транспорт носите-
лей заряда с использованием кинетического уравнения Больцмана, теряют
свою силу. Основные эффекты, относящиеся к баллистическому транспорту,
зависят от соотношения между размерами структуры, в которой рассматрива-
ется перенос носителей заряда, и характерными длинами свободного пробега.
Ключевыми являются длины свободного пробега, характеризующие упругое
и неупругое рассеяние носителей заряда.
Средняя длина свободного пробега при упругом рассеянии (е1азПс теап
/гее ра(Н) - это среднее расстояние, которое проходит носитель заряда между
двумя ближайшими актами упругого рассеяния. Оно определяется скоростью
Ферми х’р = (2Ер! м‘/'\ где Ер - энергия Ферми, и временем рассеяния
тЛ. = Об/ / Ур, где /Э - коэффициент диффузии носителей заряда и с1 - размер-
ность структуры) как 1е = Урук, когда электронная система вырождена при низ-
кой температуре.

Средняя длина свободного пробега при неупругом рассеянии (те1азбс
теап /гее рагк) - это расстояние, на протяжении которого электронная волна
изменяет свою фазу вследствие рассеяния. Численно это = г^тФ, где тФ -
время релаксации фазы (или энергии). Имеется другой параметр, характеризу-
ющий неупругое рассеяние носителей заряда. Длине фаговой когерентности
(рказе сокегепсе 1еп§1к) / = (ОтФ)1/2 - это расстояние, на протяжении которого
электронная волна сохраняет свою фазу, или, как еще говорят, подвижный но-
ситель сохраняет свою фазовую память. Следует иметь в виду, что средняя
длина свободного пробега при неупругом рассеянии и длина фазовой коге-
рентности представляют собой различные характеристики. Длина фазовой ко-
герентности меньше, чем средняя длина свободного пробега при неупругом
рассеянии. Оба приведенных характеристических параметра важны при ана-
лизе условий фазовой интерференции электронных волн.

В твердых телах средняя длина свободного пробега при неупругом рас-
сеянии больше, чем при упругом. Транспорт носителей заряда в структурах с
размером между этими двумя характеристиками происходит квазибаллисти-
чески, то есть со слабым рассеянием.

Одной из важных размерных характеристик для наноструктур является
длина волны Ферми (Регтл ууауе1еп§бт) 7.р = 2л / кр (где кр- волновой вектор,
соответствующий энергии Ферми). При температуре абсолютного нуля элек-
троны находятся в состояниях, определяемых соотношением к\ < кр, что эк-
вивалентно электронным волнам с длиной волны X > кр.

Сравнивая размер наноструктуры со средней длиной свободного про-
бега электронов и длиной волны Ферми, характеризующих материал, из кото-
рого данная структура изготовлена, можно оценить основные особенности
движения носителей заряда в этой наноструктуре. В металлах средняя длина
свободного пробега электронов даже при низких температурах обычно не пре-
вышает 10 нм. Эта величина сравнима с размерами типичных наноструктур
или меньше них. Вследствие этого баллистический транспорт в металлических
наноструктурах реализуется с трудом. Более того, длина волны Ферми в них
тоже очень мала - 0,1-0,2 нм. В результате квантование энергетических уров-
ней в металлах не является существенным фактором, за исключением очень
низких температур, когда расстояние между двумя соседними энергетиче-
скими уровнями становится сравнимым с тепловой энергией {квТ). Поэтому
наиболее существенное разделение энергетических уровней в квантовых точ-
ках из металлов связано с кулоновским взаимодействием.
Транспорт носителей заряда в полупроводниках характеризуется сред-
ней длиной свободного пробега электронов до нескольких микрометров. Не-
которые важные параметры для 81 и ОаАз при низких температурах в качестве
примера приведены в табл. 8.1. Следует иметь в виду, что приведенные пара-
метры даны для носителей с энергией вблизи уровня Ферми, и существует
определенный диапазон их изменения. Для горячих носителей характеристики
существенно иные.

Таблица 81

Параметры, характеризующие транспорт электронов
в 81 и СаАз при низких температурах (~4 К)

Параметр, единица измерения 81 СаАз
Скорость Ферми, 10 см/с 0,97 2,76
Длина волны Ферми, нм 39 39
Время рассеяния, 10'12 с 1,1 3,8
Время релаксации фазы, 10'12 с 5,7 18
Коэффициент диффузии, 103 см2/с 0,52 1,45
Средняя длина свободного пробега при упругом рассеянии, нм 107 1050
Средняя длина свободного пробега при неупругом рассеянии, нм 500 5000
Длина фазовой когерентности, нм 540 1620
Эффективная масса, 0,19 0,067
Время релаксации спина 14-60 мс* 5-80 нс

* в легированном фосфором.

При комнатной температуре средняя длина свободного пробега электро-
нов при неупругом рассеянии достигает 50-100 нм в 81 и около 120 нм в СаАз.
Очевидно, что баллистический транспорт легко реализуется в наноструктурах
из полупроводников. Более того, длина волн Ферми в полупроводниках дости-
гает 30-50 нм. Когда размер структур становится сравнимым с этими величи-
нами, квантование энергии, связанное с эффектом квантового ограничения,
становится существенным фактором, определяющим электронные свойства и
транспорт носителей заряда в них.

Идеальный баллистический транспорт носителей заряда в нанострук-
турах характеризуется универсальной баллистической проводимостью
(итуегза! ЪаШзИс соп^ис(апсе), которая не зависит от материала и определя-
ется лишь фундаментальными константами. Наиболее простым прибором
для иллюстрации этого является проводник с двумя контактами. Такой про-
водник схематически показан на рис. 8.3, где сужение между двумя резерву-
арами с электронами действует как проводящий квантовый шнур. Предпола-
гается, что в этом канале нет никаких неоднородностей, приводящих к рассе-
янию носителей заряда. Кроме того, полагается, что связь этого совершен-
ного проводящего канала с резервуарами для электронов осуществляется по-
средствам безотражательных проводников, что предполагает неизбежное по-
падание в резервуар всех электронов, вышедших из канала.

Рис. 8.3. Два резервуара с электронами,
соединенные совершенным проводящим каналом

Полагаем, что вся структура находится при температуре абсолютного
нуля, и резервуары заполнены электронами до уровней, характеризуемых
электрохимическими потенциалами Ц1 и Ц2, причем Ц1 > Ц2- Если электрон-
ные состояния между Ц1 и Ц2 полностью заняты, между резервуарами проте-
кает ток

I = (ц! - ц2)еу(^ /

где е - заряд электрона;

V - составляющая скорости электронов на поверхности Ферми вдоль оси
канала;

с1п / с1\\. - плотность электронных состояний в канале с учетом вырождения
по спину.

В квантовом шнуре с1п / с1\х = 1 / яйу. Подставляя (Ц1 - цг) = е(7\~ ^2), где
И1 и К2 - электрические потенциалы, вызывающие разность электрохимиче-
ских потенциалов в резервуарах, проводимость квантового шнура получаем в
виде

(; = //(И1-К) = е2/лЙ = 2е2//г.

Это проводимость идеального одномерного проводника, функциониру-
ющего в баллистическом режиме. Она определяется только фундаменталь-
ными константами - зарядом электрона и постоянной Планка. Величину е2 / к =
= 38,740 мк/см называют квантовой единицей проводимости (диап1ыт
сопйисктсе ыпИ), или квантом проводимости. Соответствующее сопротивле-
ние к / е2 = 25 812,807 Ом - квант сопротивления.

Приведенные рассуждения могут быть обобщены на случай, когда про-
водящий канал имеет более одного энергетического состояния ниже уровня
Ферми. Для канала с ^разрешенными состояниями, или, что то же самое, с #-
передающими модами, получаем

О = М2е2//?).

Таким образом, проводимость канала с переменным числом передаю-
щих мод должна квантоваться в единицах 2е2 / /г. Это наблюдается в структу-
рах типа квантовый точечный контакт (циагйит рот( соп(ас(~), которые
представляют собой узкие двумерные каналы, соединяющие широкие резер-
вуары с электронами. Пример такой структуры и соответствующая зависи-
мость, характеризующая его проводимость, показаны на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Квантовый точечный контакт, сформированный в скрытом слое
двумерного электоонного газа поверхностным электродом:
схематическое изображение квантового контакта (а)
и изменение его проводимости (б)

Короткое сужение в захороненном двумерном электронном газе (2ВЕО)
контролируется находящимися на поверхности затворами в форме встречно
направленных острых штырей. На затворы подается отрицательное смещение,
чтобы вытеснить двумерный электронный газ из-под них и образовать узкий
проводящий канал. Внешнее напряжение К, задает ширину канала. При уве-
личении отрицательного смещения ширина канала постепенно уменьшается
до полного исчезновения. При увеличении же ширины канала количество раз-
решенных состояний (ниже уровня Ферми) увеличивается. На кривой прово-
димости появляются ступеньки, соответствующие увеличивающемуся коли-
честву этих состояний № Следует помнить, что в случае, когда канал прово-
димости не является идеальным, и процессы рассеяния носителей заряда сни-
жают общий ток, необходимо вводить вероятность переноса носителей заряда,
которая для таких условий будет меньше единицы.

Как только движение электрона становится когерентным (в том смысле,
что электрон проходит через всю структуру без рассеяния), его волновая функ-
ция сохраняет определенную фазу. При этом возникают разнообразные интер-
ференционные эффекты, которые наряду с другими особенностями транс-
порта носителей заряда в наноструктурах вдоль потенциальных барьеров рас-
сматриваются в одном из последующих разделов данного учебника.

8.1.3. Туннелирование носителей заряда

Термин туннелирование (1иппеИп§) означает перенос частицы через об-
ласть, ограниченную потенциальным барьером, высота которого больше пол-
ной энергии данной частицы. Это невозможно с точки зрения классической
механики, однако допустимо для квантовых частиц, для которых, как из-
вестно, характерен корпускулярно-волновой дуализм. Волновые свойства
квантовых частиц приводят и к другому, аномальному с точки зрения класси-
ческой механики, явлению - надбарьерному отражению. Основные законо-
мерности этих явлений рассмотрены ниже.

Взаимодействие квантовых частиц с различными потенциальными барь-
ерами иллюстрирует рис. 8.5.

ступенчатый
потенциальный барьер
ВЫСОТОЙ Ц)

Рис. 8.5. Взаимодействие квантовой частицы с полной энергией Е
со ступенчатым барьером конечной высоты Но,
с бесконечно высоким потенциальным барьером
и с поямоугольным барьером высотой Со и шириной а

ступенчатый
потенциальный барьер
бесконечной высоты

прямоугольный
потенциальный барьер
высотой С'о

Согласно классической механике, частица с энергией Е < 1Е, движуща-
яся слева направо, то есть приближающаяся к потенциальному барьеру, отра-
зится от него и начнет двигаться в обратном направлении. Если же энергия
частицы Е > Со, то классическая частица продолжает двигаться в прежнем
направлении. В квантовой механике картина иная.
На языке квантовой механики движение частицы в одномерном потен-
циальном поле 17(х) в твердом теле описывается уравнением Шрёдингера
вида:

/г2 б/2у(л-)

~ , э + У(х) = Еу(х).

2т их~

где т - эффективная масса частицы, у(<)- ее волновая функция.

Если энергия квантовой частицы больше высоты ступенчатого барьера
(Е > 11о), то в области перед потенциальным барьером, где 11(х) = 0, решение
уравнения Шрёдингера для частицы с импульсом к} = (1 / Й)д/2»? Е имеет вид
суперпозиции двух волн:

= А' ехрр^х) + В ехр(-|Л|Х),

где А', В - постоянные; 1 - мнимая единица. Волновую функцию обычно нор-
мируют таким образом, что А' = 1.

Первый член соответствует падающей на барьер волне, движущейся
вдоль оси л слева направо. Второй член описывает отраженную волну, движу-
щуюся вдоль оси х в противоположном направлении.

При больших положительных значениях координаты, когда х —> ®, вол-
новая функция описывает частицу, проходящую над потенциальным барье-
ром, и имеет асимптотический вид:

\|< = А ехр(1&2х),

где к2 = (1 / Й)д/2т‘(Е -1/0).

Плотность потока в падающей волне пропорциональна к\, в отражен-
ной- а в прошедшей - А'2|л|~. Тогда коэффициент прохождения ча-
стицы Т(Е) через границу потенциального барьера, определяемый как отноше-
ние плотности потока в прошедшей волне к плотности потока в падающей
волне, равен:

Коэффициент прохождения квантовой частицей потенциального барь-
ера еще называют коэффициентом туннельной прозрачности барьера.

Коэффициент отражения частицы от потенциального барьера, определя-
емый отношением плотности отраженного потока к плотности падающего по-
тока, равен:

К(Е) = \в\2=1-^-\А\2.

Очевидно, что К(Е) = 1 - Т(Е).
Постоянные А и В, определенные из условия непрерывности волновой
функции и ее первой производной прих = Ло, равны:

л_ в_кг~к2

к\ "I" ^2 ^1 "I" ^2

Коэффициенты отражения и прохождения равны:

х 2

, Т(Е)= 4к^

к}+к2) + к2)~

Из выражений следует, что при Е = О'о (Ь = 0) коэффициент отражения
В обращается в единицу, а коэффициент прохождения - в нуль. С ростом энер-
гии частицы, когда Е —> со, коэффициент отражения стремится к нулю, так как
В ~ (Цо / 4Е)Е 2 при Е » ц0.

В случае когда квантовая частица движется над прямоугольным потен-
циальным барьером высотой Цо и шириной а = х2 - лц решение уравнения
Шрёдингера для каждой из трех областей имеет вид:

\|/1 = схр(1^х) + Сехр('-|/1|Т), при х<хг,

у2 = /)ехр(1^2х) + Еехр(-1к2х), при Х[ < х < х2,

у, = С ехр(1Л:1х), при х > х2,

где волновые вектора к\ и к2 определены выше, &С. к). Е,С-постоянные.

В выражениях члены ехрС^х) и Сехр(—|/с|Х) описывают, соответственно,
падающую и отраженную волны, а Сехрр^х) - прошедшую волну. Постоян-
ные С, В, Р, О определяются из условий непрерывности волновой функции и ее
первой производной в точках х = Х1 и х = х2.

Коэффициент прохождения частицы в данном случае определяется как
Т(Е) = |С?|“, что приводит к результату в виде:

4 г-2/-2

Т(Е') =_________ 12____________.

(к2 -А|)2[8т(аА:2)]2 + 4к2к2

Максимум коэффициента прохождения, то есть Т(Е) = 1, имеет место для
частиц с определенной энергией дискретного типа:

Е = Цо + Я , п2, где п = 0, 1, 2, 3 .

2т а~

При других значениях энергии наблюдается частичное отражение пада-
ющих на барьер частиц. Таким образом, из квантовой теории следует, что даже
в случае когда энергия падающей на потенциальный барьер частицы больше
высоты этого барьера, коэффициент ее отражения может быть отличен от
нуля. Этим квантовая частица отличается от классической, для которой ника-
кого отражения в подобной ситуации быть не может.
Рассмотрим теперь другой практически важный случай, когда квантовая
частица взаимодействует с прямоугольным потенциальным барьером шири-
ной а, высота которого больше се энергии (Е <[}й). Классическая частица в
этом случае не может пройти через такой барьер. Она будет отражаться в так
называемых классических точках поворота Точка поворота (1игпт§ рот() -
это точка с координатой % на границе потенциального барьера, в которой энер-
гия частицы Е равна потенциальной энергии барьера 1/(х). Для прямоуголь-
ного барьера точки поворота совпадают с координатами его границ - на
рис. 8.6 это Х|Хз. Достигнув точки поворота, частица меняет направление сво-
его движения и начинает двигаться в обратном направлении.

Для квантовой частицы решение уравнения Шрёдингера в каждой из
трех областей (перед, внутри и за барьером) имеет вид:

у, = ехр(7<|Х) + Д ех р(| Арх), при л < х>,

\|/2 = Л ехр(-^х) + ехр(Сг), при х, < х < х2,

\|/3 = Аъ ехрН/рх), при х > х2,

где волновой вектор к\ определяется выражением, приведенным выше,
= —^2гп(и0 -Е), А2, Аз, В\, В2 - постоянные.

Члены ехр(|й|Х) и В1 схр(-1Й|Х) описывают падающую и отраженную
волны, а - волну, прошедшую через барьер. Существование про-

шедшей через барьер волны, описывающей квантовую частицу с энергией,
меньшей высоты барьера, называют туннельным эффектом. Для его характе-
ристики используют коэффициент туннельной прозрачности барьера, под ко-
торым понимают модуль отношения плотности потока частиц, прошедших че-
рез барьер, к плотности потока падающих частиц. Для рассматриваемого слу-
чая этот коэффициент равен

№2 + е)2Г8ЬК2)]2+4^2'

При обычно выполняемом условии, что а^2 »1? для коэффициента тун-
нельной прозрачности получено упрощенное выражение:

Т(Е)= То ехр| - — Ди’М - Е) |, где То = 16Е(1/0 - Е) / Щ.

I й )

Прозрачность потенциального барьера произвольной формы может
быть оценена с помощью выражения:

2 - I---------------

Т(Е) = ехр |д)2»г*[1/(.г)-Т,]Лс ,

где Х1, Х2 - точки поворота, определяемые из условия равенства кинетической
энергии квантовой частицы потенциальной энергии барьера, с которым она
взаимодействует, то есть Е = и(х1) = Щх2). Вычисление соответствующего
коэффициента отражения производится с использованием соотношения К(Е) =
= 1 - Т(Е).

Одним из практически важных случаев является взаимодействие кван-
товых частиц с потенциальным барьером в виде 6-функции. Такие барьеры ха-
рактеризуют произведением а 1Л. Для них

I НЕ

Коэффициент прохождения 6-образного барьера с ростом энергии ча-
стицы увеличивается квазилинейно в области относительно низких энергий,
а потом выходит на константу, равную единице, в области высоких энергий.
Рис. 8.6 качественно иллюстрирует изменение коэффициента прохождения ба-
рьера прямоугольной формы и барьера, описываемого 5-функцией.

Рис. 8.6. Коэффициент прохождения электронами различных
потенциальных барьероз в функции приведенной энергии Е",
которая для пряллоугольного барьера рассчитывается как Е / Ко,
а для 6-образного барьера как Е / Оо', где Оо* = тсФШ’/Ф
то-масса покоя электрона

Процесс туннелирования электронов в твердотельных структурах харак-
теризуется временами порядка 10 15 - 10 15 с. Теоретически показано6, что
время туннелирования электронов с энергией Е через прямоугольный потен-
циальный барьер высотой Г/с определяется как т = й / [Е(Цо - Е)]12. Из этого
соотношения видно, что время туннелирования зависит только от энергии тун-
нелирующей частицы и высоты барьера. Его минимальное значение, равное
Й / Е, достигается при Е = 0,51}$. Очевидно также, что время туннелирования
не зависит ни от массы частицы, ни от ширины потенциального барьера. По-

6 Наг(тап Т. Е. ТиппеНп§ оГ а и'аус раскеГ. .1. Аррк РЬуз. 33(12). - 3427 (1962).
следнее означает, что, туннелируя через «толстые» барьеры, квантовые ча-
стицы могли бы достигать сверхсветовых значений скорости движения. Дан-
ное следствие называют «парадоксом Хартмана», и пока оно не получило все-
стороннего понимания.

Туннелирование электронов является достаточно общим явлением для
твердотельных структур. В низкоразмерных структурах это явление приобре-
тает специфические особенности, отличающие его от эффектов в объемных
системах. Одна из таких особенностей связана с дискретной природой перено-
симого электронами заряда и обнаруживает себя в явлении, которое получило
название «одноэлектронное туннелирование». Другая особенность определя-
ется дискретностью энергетических состояний носителей заряда в полупро-
водниковых наноструктурах с квантовыми колодцами, которая возникает из-
за квантового ограничения. Туннельный перенос носителей заряда через по-
тенциальный барьер с определенного уровня в эмиттирующей области на
энергетически эквивалентный ему уровень в квантовом колодце происходит с
сохранением энергии и импульса электрона. Такое совпадение уровней приво-
дит к возрастанию туннельного тока, известному как эффект резонансного
туннелирования. Более того, в наноструктурах, содержащих магнитные и не-
магнитные материалы, определенная спиновая поляризация туннелирующих
электронов приводит к дополнительным эффектам. Все эти явления находят
широкое применение в наноэлектронных приборах. Их рассмотрение дано в
последующих разделах данного учебника.

8.1.4. Спиновые эффекты

В последующих главах мы рассмотрим физические механизмы работы
различных устройств одного из новых направлений электроники - спинтро
ники, а здесь кратко рассмотрим основные физические эффекты, лежащие в
основе этих устройств.

Спин, будучи одной из фундаментальных характеристик электрона,
приводит к появлению новых особенностей транспорта носителей заряда в
наноструктурах. Спиновые эффекты возникают, когда в материале появля-
ется спиновый дисбаланс заселенности уровня Ферми. Такой дисбаланс
обычно присутствует в ферромагнитных материалах, у которых плотности
вакантных состояний для электронов с различными спинами практически
идентичны, однако эти состояния существенно различаются по энергии, как
схематически показано на рис. 8.7 (здесь и далее под различными спинами
электрона понимаются различные проекции его спина на ось квантования).
Энергетический сдвиг приводит к заполнению разрешенных зон электронами
с одним определенным спином и к появлению у материала собственного маг-
нитного момента (намагниченности). Заселенность энергетических зон элек-
тронами с разным спином определяет как спиновую поляризацию инжекти-
руемых из такого материала электронов, так и особенности транспорта носи-
телей заряда через него.
Рис. 8.7. Плотности состояний электронов с различнылли спинами
в немагнитном и ферромагнитном материале
и обмен электронами между ними

Собственную спиновую поляризацию электронов в материале (Р) опре-
деляют как отношение разности в концентрациях электронов с различными
спинами (и, и п.) к их общей концентрации:

р = Я;

«I + "А

Электрический ток в твердотельных структурах, составленных из мате-
риалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляризации
носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носи-
тели движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином, могут
занять в коллекторе только вакантные места с такой же ориентацией спина.
Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем электроде,
по мере движения изменяет (из-за рассеяния) как свой импульс, так и свой
спин. Для практических применений важно знать, как долго электрон «пом-
нит» свою спиновую ориентацию. В качестве характеристики «спиновой па-
мяти» используют среднее расстояние, проходимое электроном до изменения
своего спина. Его называют длиной спиновой релаксации (зрт ге!ахайоп
1еп&к), 1г. В твердых телах ее величина превышает 100 нм и определяется
спин-независимым средним свободным пробегом электронов, в качестве ко-
торого целесообразно рассматривать среднюю длину свободного пробега при
неупругом рассеянии /„„ поскольку при изменении направления спина рассе-
янного электрона баланс по импульсу в системе взаимодействующих частиц
не сохраняется. Тогда Ц = ((дац)18, где х’р - скорость Ферми, тц - время ре-
лаксации спина. Длина спиновой релаксации определяется главным образом
процессами спин-орбитального и обменного рассеяния. При идентичном со-
ставе материала в кристаллах она больше, чем в аморфной фазе.

Наиболее яркое проявление спиновых эффектов резонно ожидать в мате-
риалах с наибольшей спиновой поляризацией электронов. Это стимулирует по-
иск материалов со 100%-й спиновой поляризацией. На практике же пока исполь-
зуются материалы с частичной спиновой поляризацией. Это металлы и их
сплавы, оксиды, магнитные полупроводники. Их примеры даны в табл. 8.2 и 8.3.

Таблица 8.2

Максимальная спиновая поляризация
электронов проводимости в различных материалах
при комнатной температуре и их температура Кюри

Материал Со Ре № ЫйоРего* СоРе СоРеВ М1Мп8Ъ
Поляризация, % 42 46 46 45 47 51 58
Температура Кюри, К 1388 1043 627 -770 1243 1100 730

Материал №Ре,О4 СоРезСй СгОз МпАк МпВ1 Мп8Ъ
Поляризация, % 22 77 90 44-50 77 98
Температура Кюри, К 858 796 386 318 630 587

* Сплав М18оР?2о называют пермаллой.

Таблица 8 3

Примеры сплавов Хейслера и их температуры Кюри

Материал \|2\1пЛ1 ТЛзМпба РЛзМпбе СозМКЭа СозМпСга
Температура Кюри, К 350 340 320 670 690

Анализируя приведенные в таблицах данные по спиновой поляризации,
следует иметь в виду, что этот параметр чувствителен к технологии получения
материала, к его структуре и наличию в нем примесей.

Среди ферромагнетиков наиболее высокой спиновой поляризацией но-
сителей заряда при комнатной температуре обладают сплавы Хейслера
(Неи81ег аПоуз). Они образуются металлами, атомы которых в чистом состоя
нии имеют лишь частичное магнитное упорядочение, а в сплаве спины всех
его атомов оказываются ориентированными в одном направлении, что обеспе-
чивает до 100 % спиновой поляризации электронов на уровне Ферми. Пара-
метры решеток таких сплавов варьируются в достаточно широких пределах
без изменения структуры, что облегчает их интеграцию с полупроводнико-
выми материалами.

Наряду с типичными ферромагнетиками значительные перспективы
практического использования имеют полупроводники, легированные высо-
кими концентрациями (до нескольких атомных процентов) магнитных приме-
сей. Их называют разбавленными магнитными полупроводниками (<1е1и(ес1
та^пеНс 8ет1сопс1ис1ог8, ВМ8). Исходными материалами являются полупро-
водниковые соединения АП1ВУ, А"ВУ1 кремний, германий, а в качестве магнит-
ной примеси чаще всего используют марганец. В таких материалах удается
получить спиновую поляризацию носителей заряда вплоть до 80 %, хотя тем-
пература Кюри для большинства исследованных разбавленных магнитных по-
лупроводников - порядка 100 К.
Своей уникальностью физические свойства разбавленных магнитных
полупроводников обязаны взаимодействию подвижных носителей заряда с
магнитными моментами частично заполненных электронных оболочек атомов
магнитной примеси. В настоящее время нет универсальной теории, объясняю-
щей природу ферромагнетизма в различных разбавленных магнитных полу-
проводниках. Рассматривают несколько возможных механизмов. В частности,
предполагается7, что локализованные электроны входят в состав частично за-
полненных </- или /юболочек магнитных атомов, а связь между ними осу-
ществляется подвижными электронами проводимости. Вклад спина электро-
нов проводимости в полный момент ферромагнитного кристалла мал по срав-
нению с вкладом электронов магнитной примеси, однако именно свободные
электроны делают возможным магнитное упорядочение и определяют его тип.
Будучи спин-поляризованными, при движении по кристаллу электроны пере-
носят взаимодействие между спинами локализованных электронов.

Для описания магнетизма легированных элементарных полупроводни-
ков была развита теория перколяций, в которой рассматриваются устойчивые
ферромагнитные области кристаллов, в которых упорядочены спины ионов
примеси и локализованных носителей заряда. Эти области - магнитные поля-
роны - при понижении температуры расширяются, перекрываются друг с дру-
гом и в конечном итоге достигают размеров образца. В наноструктурах, оче-
видно, это происходит при более высоких температурах, чем в макроскопиче-
ских образцах. Именно поэтому в наноструктурах магнитных полупроводни-
ков ожидаются более высокие температуры Кюри, чем в объемных образцах.

Отметим, что для приборных применений идеальный разбавленный маг-
нитный полупроводник должен иметь не только высокую спиновую поляриза-
цию носителей заряда, но и температуру Кюри выше комнатной, а также до-
пускать создание областей с п- и />-типом проводимости.

В кремнии п типа проводимости спиновая поляризация электронов при
комнатной температуре не выше 5 %. Тем не менее, длина спиновой релакса-
ции 230 нм для электронов и 310 нм для дырок делает этот традиционный в
твердотельной электронике полупроводник вполне пригодным для создания
на его основе электронных приборов на спиновых эффектах.

Ферромагнитные свойства отмечены в низкоразмерных структурах из
оксидов ряда металлов (2п0, 8пОг, ЕьОз, ЛЬО,, ТЮ?). Основной причиной
ферромагнетизма в них является нестехиометрия по кислороду, особенно в их
приповерхностных областях толщиной 7-30 нм.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спином
контролируются намагниченностью этих материалов. Если намагниченность из-
меняется на противоположную, то преобладающая ориентация спинов также
меняется на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электро-
нов в материал с отличной от нуля намагниченностью, а следовательно, и со

7 Кис1егтап М. А., КМе! С. 1п<Игес( ехсЬап§е соирНп§ оГ пис1еаг та^пейс тотеп!з Ьу сопйисйоп е1ес-
1гоп8. РЬуз. Кеу. 96(1). - 99-102 (1954).
спиновой поляризацией, контролируемой внешним магнитным полем, этот ма-
териал может вести себя как проводник или как изолятор - в зависимости от
направления намагниченности и ориентации спинов инжектированных электро-
нов. При одинаковом направлении спинов инжектированных электронов и элек-
тронов материала обеспечивается наивысшая проводимость. Противоположное
направление спинов препятствует прохождению электронов через материал.

Два основных эффекта, а именно - гигантское магнитосопротивление
(ушт та§пе(оге8181апсё) и туннельное магнитосопротивление (ШппеИп§
та§пе1оге8181апсе~) - являются следствием особенностей транспорта носителей
заряда, контролируемого спином электронов в наноразмсрных структурах.
Эти эффекты составляют основу нового направления в науке и технике, кото-
рое получило название спинтроника (урткотсв). Целью спинтроники явля-
ется создание элементов электронной обработки информации с использова-
нием в качестве носителей информации как заряда электрона, так и его спина.
Возможность контролировать и управлять спиновыми состояниями в твердых
телах представляет также значительный интерес для практической реализации
идей квантовых вычислений (уиапттсотрикШоп), которые обещают рево-
люционный прогресс в развитии информационных систем. Детальное рас-
смотрение упомянутых спиновых эффектов и примеры спинтронных прибо-
ров даны в последующих главах антологии.

8.2. Графеновая спинтроника - теоретические основы
и экспериментальные исследования

Выделение в чистом виде графена вызвало лавину исследований спин-
зависимых физических свойств этого материала и устройств спинтро-
ники на основе графена. В работе [1] представлен фундаментальный обзор
экспериментального и теоретического состояния техники, касающегося
инжекции и переноса спина, магнитных моментов, индуцированных де-
фектами, спин-орбитального взаимодействия и спиновой релаксации
в графене. Будущие исследования в области спинтроники графена потре-
буют рассмотрения развития таких приложений, как спиновые транзи-
сторы и спиновые логические устройства, а также экзотических физиче-
ских свойств, включая топологические состояния и явления, вызываемые
эффектом близости, в графене и других двумерных материалах.

Спинтроника как одно из направлений квантовой электроники базируется
на использовании степени свободы спина электронов для создания новых форм
хранения информации и новых логических и вычислительных устройств [1].
В последнее время проявилось много публикаций, посвященных устройствам
спиновой логики [2, 3], способным обеспечить высокоскоростную обработку
данных при низком энергопотреблении, а также спиновым транзисторам для
вычислительных устройств реконфигурируемой логики [4]. Основной задачей
здесь является разработка структуры канала переноса спина с большим време-
нем жизни спина и распространением спина на большие расстояния. Графен,
точнее - одиночный атомный слой графитового углерода, в этом смысле явля-
ется очень многообещающим материалом для спиновых каналов благодаря до-
стижению эффекта спин-переноса при комнатной температуре с большой вели-
чиной длины спин-диффузии в несколько нанометров [5-10]. Более того, гра-
фен обладает множеством интересных физических свойств, которые также де-
лают его очень привлекательным для задач спинтроники, включая настраивае-
мую затвором концентрацию носителей заряда и высокую величину электрон-
ной подвижности [11, 12, 13].

За последнее десятилетие было получено много значительных достиже-
ний в области спинтроники графена, включая эффективную инжекцию спина
в графен, индуцированный дефектами магнетизм в графене, достигнуто более
полное теоретическое понимание механизмов внутреннего и внешнего спин-
орбитального взаимодействия, спиновой релаксации в графене. Этот раздел
посвящен обзору последних основных достижений в этот новой области раз-
вития микроэлектроники. Рассмотрим текущее состояние дел по исследова-
ниям механизмов стимуляции эффективной инжекции спин-поляризованных
носителей в графен, особенности магнитных моментов в графене, индуциро-
ванные адатомами и вакансионными дефектами. Напомним, что адатом, или
адсорбированный атом, - это атом, который находится на поверхности кри-
сталла. Один атом, кластер из атомов, молекул или кластеров молекул также
можно обозначить таким термином, как «адсорбированные частицы». Здесь
же попытаемся описать особенности как внутреннего, так и внешнего спин-
орбитального взаимодействия в графене с теоретической точки зрения, а также
рассмотрим результаты последних исследований, посвященных времени
жизни спина и механизмам спиновой релаксации в графене. Завершает раздел
анализ ближайших перспектив графеновой спинтроники.

В основу этого раздела положена фундаментальная обзорная ра-
бота [1], совместно подготовленная ведущими экспертами, научными со-
трудниками таких мировых исследовательских центров, как: Международ-
ный центр квантовых материалов, Школа физики, Пекинский университет,
инновационный центр квантовой материи, Китай, Исследовательский
центр 1ВМ Альмаден, Сан-Хосе, Калифорния США, Департамент физики,
Университет штата Огайо, округ Колумбия, штат Огайо, США, Факуль-
тет физики и астрономии, Калифорнийский университет, Риверсайд, Кали-
форния, США. Институт теоретической физики, Регенсбургский универси-
тет, В-93040 Регенсбург, Германия и др.

8.2.1. Физические механизмы электрической инжекции
и переноса спина в графене

Для проведения электрической инжекции спина в такие материалы спи-
новых каналов, как графен, ранее использовались два разных типа измерений,
известные как «нелокальные» и «локальные». Для нелокального измерения
(рис. 8.8, а) между электродами Е1 и Е2 включается источник тока, где Е2 слу-
жит спин-инжектором из-за спин-зависимой плотности состояний в ферромаг-
нитном (ФМ) металле на уровне Ферми [14,15] В процессе спиновой инжекции
спины в графене под Е2 могут диффундировать в обоих направлениях - как в
направлении Е1 (как спиновый ток с зарядовым током), так и в направлении ЕЗ
(как спиновый ток без зарядового тока). Спин далее обнаруживается путем из-
мерения напряжения на ЕЗ и Е4, где ЕЗ (ФМ) - это спин-детектор. Это измере-
ние обычно называется «нелокальным», поскольку датчики напряжения лежат
вне контура зарядового тока. Такая геометрия позволяет по напряжению обна-
руживать спиновую плотность в ЕЗ, возникающую из «чистого» спинового тока
диффузии спин-поляризованных электронов. Измеренное напряжение (Унь) бу-
дет положительным или отрицательным, в зависимости от того, параллельны
или антипараллельны друг другу конфигурации намагничивания Е2 и ЕЗ. Раз-
ница между этими двумя напряжениями - это так называемый нелокальный
спиновый сигнал, который обычно преобразуется в единицы сопротивления с
использованием простого выражения: ДКмь = (Ум р - УмЛр) / 1пу.

Здесь 1пу - величина тока инжекции.

Нелокальное сопротивление (Кмд ,= Ум / И у) не является омическим со-
противлением в обычном смысле; это четырехполюсное сопротивление, кото-
рое может иметь положительные или отрицательные значения, в зависимости
от полярности спиновой плотности в графене. Электроды Е1 и Е4, в идеале
немагнитные, но иногда исследователи используют ферромагнитные матери-
алы для упрощения процесса изготовления экспериментальных устройств.

При локальном измерении непосредственно измеряется стандартное
двухконтактное сопротивление на двух ФМ-элсктродах (например, Е2 и ЕЗ),
как показано на рис. 8.8, е.

Спин-поляризованные электроны инжектируются с одного электрода,
переносятся через графен и обнаруживаются вторым электродом. Разница в
сопротивлении (ДК) между «параллельным» и «антипараллельным» выравни-
ванием намагниченности двух электродов является локальным магнитосопро-
тивлением (МС), которое, собственно, и является сигналом переноса спина.

Стоит отметить, что изменения сопротивления в локальной и нелокаль-
ной геометрии возникают из-за накопления спинов и фундаментально тесно
связаны (ДК = 2ДК\Ь) [16], но нелокальная геометрия имеет преимущество
от более высокого соотношения сигнал / шум из-за отсутствия чистого потока
зарядов между инжектором и детектором.

Нелокальный перенос электрического спина в графене при комнатной
температуре был впервые продемонстрирован в 2007 г. группой Ван Виза [5]
(рис. 8.8, б). Чтобы произвести параллельное и антипараллельное выравнива-
ние намагниченности Е2 и ЕЗ, магнитное поле в плоскости прикладывается
вдоль длинных осей ФМ-электродов. Когда же магнитное поле переходит с
отрицательного значения на положительное, один электрод, ЕЗ, сначала пере-
ключает направление намагничивания, что приводит к переключению нело-
кального сопротивления (Км = У« / 1пц), когда выравнивание намагниченно-
сти изменяется с параллельного на антипараллелъное. Затем электрод Е2 пе-
реключает направление намагничивания, и состояние меняется обратно на па-
раллельное состояние. Разница в Км между «параллельным» и «антипарал-
лельным» состояниями называется нелокальным МС (то есть АКм ) и является
результатом диффузии спина от Е2 к ЕЗ. Наблюдаемые иногда незначитель-
ные скачки в нелокальной петле МС обычно бывают вызваны переключением
(коммутацией) ФМ-электродов Е1 и Е4. Ключевым аспектом этого первона-
чального экспериментального исследования являлось наблюдение эффекта
прецессии спина Ханле в нелокальной геометрии (как это будет описано в сле-
дующем разделе), что обеспечило очевидное доказательство факта инжекции
и эффекта переноса спина в графене. Хотя другие эффекты, например, тот же
локальный эффект Холла [17], также могут вызывать изменения напряжения
из-за эффектов перемагничивания, только спин-поляризованные носители в
графене могут генерировать сигнал прецессии спина.

На рис. 8.8, а, Ь представлены эпюры для случаев нелокальной (а) и ло-
кальной (Ь) геометрии измерения спинового транспорта. Синими символами
здесь обозначены спин-поляризованные носители.

На рис. 8.8, с, <1 представлены типичные нелокальные (с) и локальные (с!)
кривые магнитосопротивления (МС), измеренные на графене с барьерами
А12ОЗ. Стрелками указаны направления намагничивания всех четырех ферро-
магнитных электродов. Зеленые и красные кривые здесь соответствуют раз-
вертке магнитного поля (соответственно «вверх» и «вниз»).

Схематическое изображение геометрии устройства показано на верхнем
рис. 8.8, е. Здесь представлены результаты измерений в зависимости от
величины магнитного поля Н. Большое нелокальное магнитосопротивление
(^л'ь) измерено на графеновых спиновых клапанах с туннельными контактами
при напряжении на затворе V” = О В. Черно-красные линии здесь обозначают
данные, измеренные при движении вверх / вниз по магнитному полю. На
рис. 8.8, (' мы видим схематическое представление результатов измерения
устройства. Здесь показано достаточно большое локальное магнитосопротив-
ление, измеренное на эпитаксиальном графене, выращенном на 81С с исполь-
зованием туннельных контактов с высоким сопротивлением [5, 10].

На рис. 8.9 представлены схематические обозначения адатома водо-
рода (а), вакансий (Ь) и фрагмента нанополоски графена (с), обычно использу-
емых при формулировках теоретических описаний. Красный и синий цвет
здесь обозначают противоположные спиновые поляризации. На рис. 8.9, <1 по-
казаны в графическом виде магнитные моменты, обусловленные легирова-
нием водородом, обнаруженные измерениями спинового переноса при 15 К.
Здесь измерения прибора выполнялись после 8-секундного легирования водо-
родом. Черная линия - экспериментальный результат, а красная линия - ап-
проксимированная кривая, основанная на модели спинового рассеяния из-за
локальных магнитных моментов. Черные стрелки показывают спин, рассеян-
ный локальными магнитными моментами (зеленая стрелка). Серые стрелки
показывают движение спин-поляризованных электронов проводимости.
е Г

Рис. 8.8. Эпюро! спиновой инжекции и транспорта
носителей заряда в спиновых клапанах грасрена

-1,000 -500 0 500 1.000

Магнит ное поле(Ое)

= МА (%)
Нанополоска типа
зигзаг

Рис. 8.9. Магнитный момент в графене, обусловленный
использованием легких адатомов и вакансионных дефектов

На рис. 8.9, с представлены магнитные моменты, возникающие из-за ва-
кансионных дефектов, обнаруженных СКВИД-микроскопией, шкалы погреш-
ностей указывают на точность определения количества спинов на одну вакан-
сию. Магнитный момент, обусловленный вакансиями, здесь понимается как
функция параллельного поля Н. Сплошные линии - это аппроксимированные
кривые, основанные на функции Бриллюэна с .1 = 1/2. Рисунки взяты из мате-
риалов [48, 50].

Спиновая поляризация инжектированных носителей, точнее - эффек-
тивность спиновой инжекции составляет примерно 10 %.

Последующие исследования [18-24] также показали относительно низ-
кую эффективность спин-инжекции, что могло быть связано с проблемой
несоответствия проводимости [25], возникающей из-за высокой проводимо-
сти ферромагнитного металла и более низкой проводимости графена, или из-
за других возможных эффектов, связанных с контактом (например, межфаз-
ное рассеяние с переориентацией спинов, неоднородная дефазировка). Более
высокое значение эффективности спиновой инжекции было достигнуто в
2010 году за счет использования атомарно гладких тонких пленок МцО с ТЮз-
затравкой в качестве туннельных барьеров для устранения вышеотмеченной
проблемы несоответствия проводимости [26, 27]. Полученное нелокальное
магнитосопротивление (МС) тогда составило 130 Ом (рис. 8.8, е), что соответ-
ствует эффективности спиновой инжекции ~ 30 % [6].
На момент выхода книги есть уже достаточно много сообщений об осо-
бенностях механизмов инжекции и переноса спина в графене в нелокальной
геометрии [6, 8, 9, 18-21, 28-36]. В зависимости от характера интерфейса
между графеном и ФМ-электродами мы можем подразделить их на три
класса.

Первый класс использует контакты с точечными отверстиями (аперту-
рами, пинхолами), в которых ФМ-материалы непосредственно контактируют
с графеном через крошечные отверстия в изолирующем барьере, таком как
напыленная пленка АйОз [24].

Второй класс использует прозрачные контакты, в которых ФМ-элек-
троды либо непосредственно контактируют с графеном [23], или же через слой
немагнитного металла, такого как медь [28].

Третий класс имеет туннельные контакты, в которых между графеном и
ФМ-элсктродами имеется тонкий изолирующий барьер. Сюда относятся барь-
еры М”О с затравкой из Т1О2 [6, 9], барьеры М^О без затравки [6, 36], гекса-
гональный нитрид бора (Ь-ВМ) [37], фторированный графен [35] и АЬОз, вы-
ращенный путем осаждения атомных слоев [29]. В случае с барьерами с точеч-
ными отверстиями нелокальное магнитосопротивление (МС) составляет около
10 Ом, что соответствует эффективности инжекции спина в 2-18 %, Хотя от-
носительно высокая эффективность инжекции спина была также достигнута в
нескольких устройствах с контактами с точечными отверстиями, однако пока
здесь воспроизводимость является низкой, что может быть связано с произ-
вольной (недостаточно корректно описанной) природой точечных отверстий.
Б случае же с прозрачными контактами нелокальное магнитосопротивление
составляет порядка нескольких сотен миллиом при эффективности инжекции
спина ~1 %.

С туннельными барьерами наибольшее достигнутое нелокальное МС со-
ставляет 130 Ом [6], а максимальная эффективность спиновой инжекции пре-
вышает 60 % [35].

Интерфейс (сопряжение) между областями графена и ФМ-электродами
также играет важную роль в локальных измерениях МС. После первого сооб-
щения [38] о локальном магнитосопротивлении на графене в 2006 г. были про-
ведены многочисленные исследования особенностей границы сопряжения
между графеном и ФМ-электродами, в результате проведения которых было
сообщено о сильной корреляции между хорошими туннельными контактами
и наблюдением локального МС-сигнала.

Вообще говоря, наблюдать перенос спина в локальной геометрии всегда
гораздо сложнее из-за наличия зарядового тока между инжектором спина (Е2)
и детектором спина (ЕЗ), который дает большой не зависящий от спина фоно-
вый сигнал. Например, в исследовании 2007 года, проведенном группой Ван
Виза, чистые нелокальные спиновые сигналы наблюдаются на нескольких об-
разцах, но локальные измерения, выполненные на тех же образцах, показы-
вают локальное МС только на одном из образцов, и при этом сигнал значи-
тельно более шумный (рис. 8.8, <1). Сравнительно недавно на эпитаксиальном
графене на 81С было обнаружено большое локальное магнитосопротивление
~1 МОм (рис. 8.8, ().

Впоследствии были исследованы особенности механизмов инжекции и
переноса спина в графене большой площади и графене с высокой подвижно-
стью носителей. Например, был достигнут перенос спина в графене большой
площади, полученном методом химического осаждения из газовой фазы, что
является ключевым шагом на пути к спинтронике графена в масштабе пла-
стин [31].

Рис. 8.10. Варианты топологии зонной структуры грасрена
со спин-орбитальной связью в поперечном электрическом поле

На рис. 8.10 в предельно упрощенном виде представлены различные
варианты топологии данной структуры графена со спин-орбитальной связью
в поперечном электрическом поле. Как мы видим, соприкасающиеся конусы
Дирака присутствуют только тогда, когда спин-орбитальная связь игнориру-
ется (первые конусы слева). Пока она присутствует, орбитальное вырожде-
ние в точке Дирака снимается, и появляется спин-орбитальная щель (вторые
конусы слева). Во внешнем электрическом поле, перпендикулярном гра-
фену, за счет затвора или подложки, эффект Рашбы снимает оставшееся вы-
рождение спина полос (третьи, четвертые и пятые конусы слева). Если внут-
ренняя связь и связь Рашбы равны, при определенном значении электриче-
ского поля, две полосы (выделено красным) формируют соприкасающиеся
конусы Дирака снова (четвертые конусы слева). Если же связь Рашбы доми-
нирует (пятые конусы слева), то спин-орбитальная щель закрывается. Здесь
красный и синий цвета обозначают противоположные спиновые поляриза-
ции.

В последние годы усилия исследователей были сосредоточены в основ-
ном на механизмах переноса спина в графене с высокой подвижностью носи-
телей заряда с использованием взвешенного графена [34,40] и графена на под-
ложке Ь-ВМ [7]. Эти устройства ранее уже демонстрировали увеличение
длины спиновой диффузии на несколько микрометров, хотя качество всё еще
было ниже, чем у устройств, использующих перенос заряда. По мере прогрес-
сирования технологии наблюдаются гораздо лучшие свойства графена, такие
как увеличение длины спиновой релаксации и времени жизни спина [41, 42].
В дополнение к локальным и нелокальным измерениям спинового переноса
в графене, для инжекции и обнаружения спина другими исследователями ис-
пользовались и другие методы, включая спиновую накачку [43, 44], трехкон-
тактный метод на эффекте Ханле [45] и метод нелинейного обнаружения
спина с помощью золотых электродов [46].

8.2.2. Магнитные моменты от дефектов и адатоме:.

Возможность сделать графен магнитным вызывает большой интерес как
с фундаментальной (научной), так и с практической (технической) точек зре-
ния. С научной точки зрения, поскольку графен не состоит из б- или Г-электро-
нов, ормирование магнитного момента будет нетривиальным. С технической
(технологической) точки зрения, создание магнитного графена может в прин-
ципе привести к появлению при высоких значениях температуры Кюри так
называемого «разбавленного» магнетизма (разбавленных магнитных полупро-
водников) и удовлетворить потребностям постоянно увеличивающейся плот-
ности хранения магнитной информации за счет создания, в конечном итоге,
тонких двумерных (2 В) магнитных материалов.

Как известно, чистый графен сильно диамагнитен. Вопрос о наведении
магнитного порядка или, в качестве первого шага, просто магнитных момен-
тов имеет жизненно важное значение. Исследователи активно ищут пути со-
здания перестраиваемого (регулируемого) магнетизма, который можно было
бы изменять с помощью легирования или функционализации. На сегодняшний
день было проведено множество теоретических и экспериментальных иссле-
дований магнитных моментов в графене, возникающих в результате наличия
вакансионных дефектов [47-50], легких адатомов [47, 50-53], таких как Н и Р,
тяжелых адатомов [54, 55], таких как 36-, 46- и 56-элементы, связей с ФМ-
подложками и молекулярного легирования [56, 57]. Также прогнозируется в
ближайшее время появление магнитных моментов «на краях» графена [58],
как показано на рис. 8.11, с. Более того, если найдется подтверждение недав-
него сообщения [51] о факте создания ферромагнетизма при комнатной тем-
пературе в гидрогенизированном эпитаксиальном графене на 81С, это станет
важным шагом на пути к практическому применению графена в магнитных
запоминающих устройствах. В цитируемом здесь фундаментальном обзоре [1]
авторы сосредоточились только на магнитных моментах, индуцируемых лег-
кими адатомами (Н и Р) или дефектами в графене.

Теоретически существование локализованных магнитных моментов за-
частую объясняется следствием теоремы Либа, выведенной для полузаполнен-
ной однозонной модели Хаббарда [59]. Эта теорема утверждает, что в двудоль-
ной решетке основное состояние имеет магнитный момент цВ I Мд - Хв |, где
Ха и Ив - количество узлов подрешетки. Эффективное удаление узла путем
добавления адатома или создания вакансии теоретически должно бы привести
к появлению магнитного момента в л-полосе, по крайней мере в том случае,
если дефект не сильно связывает л- и о-полосы.
Гидрогенизированный графен является своего рода эталоном графено-
вого магнетизма. Как давно известно, водород обратимо хемосорбируется на
графене, образуя прочную ковалентную связь [60]. Этим эффективно удаля-
ется одна рг-орбиталь (сдвигается состояние связи вниз на несколько элек-
трон-вольт) из 71-полосы, создавая, таким образом, дисбаланс подрешеток. При
этом единственный адатом водорода индуцирует квазилокализованное (резо-
нансное) состояние с магнитным моментом 1 М.Б. (магнетон Бора) в соответ-
ствии с теоремой Либа (см. рис. 8.10, а).

Впервые существование индуцированных водородом магнитных мо-
ментов было предсказано теоретически в работе [47]. Предварительные рас-
четы также показывают, что магнитное состояние в гидрогенизированном
графене вполне может быть управляемо в процессе легирования графена [61].
В случае плотного водородного покрытия одностороннего полугидрогенизи-
рованного графена основным состоянием оказывается несоизмеримая спино-
вая спираль [62].

Еще один интересный для исследователей материал - легкий адатом
фтор. Он во многом похож на водород: связывается поверх атома углерода [63]
и превращает графен в широкозонный изолятор [64] с сильными экситонными
эффектами [65] при высокой степени покрытия фтором; фтор может обратимо
хемосорбироваться на графене [66]. Основное состояние одностороннего по-
луфторированного графена предсказывается как так называемое 120-градус-
ное антиферромагнитное состояние Нееля [62]. Но вопрос о том, индуцирует
ли изолированный фтор локальный магнитный момент, всё еще открыт. С од-
ной стороны, несколько отдельных экспериментов продемонстрировали, что
фторирование действительно индуцирует локальные магнитные моменты [48,
53]. С другой стороны, на текущий момент имеющиеся результаты теории
функционала плотности пока неубедительны [67, 68], в основном из-за так
называемой ошибки самовоздействия в обменно-корреляционных функциона-
лах, которая имеет тенденцию делокализовать электронные состояния [69, 70].

Одиночная вакансия в графене создает локальную спин-поляризован-
ную электронную плотность, удаляя из зон четыре электрона (рис. 8.11, Ь). Три
из этих электронов образуют локальные состояния оборванных связей $р2 о,
которые расщепляются из-за кристаллического поля и искажения Яна - Тел-
лера. Одно состояние, глубоко в море Ферми, занято вдвойне. Одно, близкое
к уровню Ферми, занято одиночно, что дает магнитный момент 1 М.Б. Остав-
шийся электрон находится в л-квазилокализованном состоянии, создавая уз-
кое резонансное состояние [71]. По теореме Либа, л-состояние дает магнит-
ный момент 1 М.Б. Связь Хунда между однократно заполненными с- и л-со-
стояниями дает общий момент 2 М.Б. Предполагается, что это значение будет
уменьшено примерно до 1,7 М.Б. из-за поляризации странствующей л по-
лосы, за счет резонансной и кондо-подобной связи между локализованным
спином и спинами коллективизированной полосы [72]. Этот сценарий согла-
суется с расчетами теории функционала плотности [47, 71], а также с экспе-
риментом [48].
Важным шагом к цели управления магнетизмом была демонстрация
отключения коллективной л-части состояний моментов вакансий путем
сдвига уровня Ферми, оставляя нетронутыми парамагнитные о-магнитные
моменты. Но прямого свидетельства наличия л-магнетизма в виде расщеп-
ленного по спину острого пика в спектре сканирующей туннельной микро-
скопии среди рассматриваемых нами работ всё еще нет, хотя в ряде работ и
наблюдался глубокий резонансный пик, который теоретически является
предвестником создания магнитного момента [72]. Наконец, вопрос о том,
предсказывается ли методом ОРТ (функционала электронной плотности)
магнитный момент при изолированных вакансиях в графене, всё еще оста-
ется предметом споров [73].

В сводной таблице 8.4 представлены основные технические характери-
стики наноразмерных материалов в части спин-орбитальных связей для точек
К и Т классической зоны Бриллюэна [1]. Для основных исследуемых материа-
лов (графен обычный, двухслойный, односторонний полугидрогенизирован-
ный графен, силицен, германен) здесь представлены эскизы их типовых струк-
тур. Спектры в точках К и Г зоны Бриллюэна также приведены для каждого
типа материалов. Здесь же приведены численные значения спин-орбитальных
промежутков Дк в точке К и Др в точке Г зоны Бриллюэна. Также здесь пока-
заны соответствующие зонные структуры этих материалов: еР - энергия
Ферми; - запрещенная зона.

На структурных диаграммах используются следующие цветовые коды:
серый - С; красный - Н; оранжевый - 81; темно-зеленый - Ое; синий - В. ро-
зовый - >1; фиолетовый - Мо / XV; желтый - 8 / 8е. Если показаны два значения,
то верхнее соответствует зоне проводимости (Дск), а нижнее - валентной зоне.
Следует отметить, что приведенные здесь численные значения были рассчи-
таны на основе так называемых «первых принципов» [153]. Отметим также,
что здесь для нанотрубки типа «кресло» используется значение собственной
спин-орбитальной щели Д1 [1].

8.2.3. Экспериментальные методы обнаружения
магнитных моментос. в графене

Сегодня можно сказать, что существует четыре основных метода обна-
ружения магнитных моментов в графене, которые более подробно обсужда-
ются ниже. Так, на рис. 8.11 в графическом виде представлено пояснение ос-
новных моментов, имеющих непосредственное отношение к используемым
исследователями методикам проведения экспериментальных исследований
спиновой релаксации в материале графен.

Так, на рис. 8.11, а показана схема измерения по методу Ханле путем
приложения магнитного поля вне плоскости (В±, синяя стрелка). Черные
стрелки здесь указывают направление намагничивания ферромагнитных элек-
тродов, а красные стрелки указывают на прецессию ориентации спина из-за
наличия магнитного поля.
Таблица 8.4

Сводная таблица характеристик спин-орбитальяой связи
в наноразмерных материалах

Материал

Графен

Двуслойный
графен

Структура

Спектр в точке К 4,

Нанотрубка
типа *кресло» (4,4)

Спектр в точке Г дг

Односторонний

20 Мо5е,; е< = 2.4 еУ (геГ. 96)

20 \У5(; е, = 3.1 еУ (гсГ. 96)

20 \У5с,; е, = 2.7 сУ (геГ. 96)

21 теУ (ге(. 95)

186 теУ(геГ. 95)

27 теУ(геГ.95)

433 теУ (геГ. 95)

38 теУ (геГ.95)

463 теУ(геГ. 95)

33.7 теУ

195 теУ

12.6 теУ

0.8 цеУ (геГ. 104)

На рис. 8.11, Ь представлены типичные кривые Хайле в графеновых спи-
новых клапанах с туннельными контактами. Здесь красные (черные) кружки -
это данные для параллельного (антипараллельного) расположения централь-
ных электродов, а красные и черные линии - соответственно аппроксимирую-
щие кривые, построенные на основе уравнения. Расчетное время жизни спина
здесь составляет 771 пс, а постоянная диффузии - 0,020 м2 с1.

Рис. 8.11. Экспериментальною исследования
спиновой релаксации в грасрене

На следующих рис. 8.11, с, (1 представлено время жизни спина (квад-
раты) и коэффициенты диффузии (кружки) как функция напряжения затвора
при 4 К для однослойного графена (с) и двухслойного графена (ф. Шкалы по-
грешностей здесь представляют собой доверительный интервал 99 %.
На рис. 8.11, е представлены кривые Ханле, измеренные на подвешен-
ных графеновых спиновых клапанах. Здесь черные кривые - эксперименталь-
ные результаты, а красная линия - это расчетные значения. В правом верхнем
углу рисунка показана растровая электронная микрофотография такого типич-
ного подвешенного графенового устройства.

На рис. 8.11 показано Г, время жизни спина как функция плотностей но-
сителей заряда для одного и того же графенового спинового клапана, измерен-
ное при 10 К с настраиваемой подвижностью: 4200 см2 В1 с *, 12 000 см2 В 1
с"' и 4050 см2 Ь 1 с1. Здесь погрешности представляют собой доверительный
интервал 99 %. В верхней части рисунка представлен эскиз структуры графе-
нового спин-клапана с наночастицами с ковалентно связанными органиче-
скими лигандами [9, 40, 107].

Эллиотта - Яфета

Дьяконова - Переля

Рис. 8.Т2. Основные теоретические механизмы
спиновой релаксации в графене

Резонансное рассеяние локальными
ма1 питиыми моментами

На рис. 8.12 в схематичной форме представлено три возможных меха-
низма спиновой релаксации для графена: Эллиотта - Яфета, Дьяконова - Пе-
реля и резонансного рассеяния локальными магнитными моментами. Синие
точки здесь обозначают электроны / дырки, а желтыми стрелками указана ори-
ентация их спинов. Красные точки обозначают центры рассеяния. И, наконец,
серые конусы с круговыми стрелками здесь представляют прецессию спина.

Рассмотрим очень кратко суть этих методов измерений.

Первый метод - это измерение намагниченности с помощью устройства
СКВ ИД (8О1ЛВ - сверхпроводящий квантовый интерферометр). Отличитель-
ной особенностью СКВИДа является использование высокочувствительной за-
висимости сверхтока в джозефсоновских переходах от величины магнитного
поля. Одним из примеров достаточно высокой эффективности этого метода из-
мерения является известный факт обнаружения парамагнетизма со спином 1/2
в графене с адатомами фтора и вакансионными дефектами [48]. В этих экспери-
ментах фторирование графена проводилось путем воздействия на образец гра-
фена составом ХеРз при температуре 200 °С, при этом вакансионные дефекты
вводились путем облучения графена протонами и ионами углерода. Все экспе-
риментальные результаты (магнитные моменты как функция магнитного поля)
были аппроксимированы функцией Бриллюэна:

(1)
где 2-^\хвН/квТ-,

§ - ^-фактор;

.7- квантовое число углового момента;

17 - количество спинов;

Н— магнитное поле;

Т - температура;

кв - постоянная Больцмана.

При использовании экспериментальных результатов с различными зна-
чениями У целым рядом независимых исследователей было обнаружено, что
только 7=1/2 обеспечивает правдоподобное соответствие теории и экспери-
мента. Измеренный магнитный момент составил 0,1-0,4 М.Б. на вакансию
(рис. 8.11, е) и 1 М.Б. на-1000 адатомов фтора, что предполагает компенсацию
моментов за счет кластеризации фтора. Однако, как известно из [48], вплоть
до температуры Т= 1,8 К ожидаемое магнитное упорядочение обнаружено так
и не было.

Второй метод обнаружения магнитных моментов в графене - это из-
мерение спинового переноса. МакКрири и др. [50] разработали этот метод для
обнаружения факта образования магнитного момента в графене, легирован-
ном водородом. Здесь легирование водородом было достигнуто путем воздей-
ствия на образцы графеновых спиновых клапанов атомарным водородом при
температуре 15 К в сверхвысоковакуумной камере и выполнением измерений
спинового переноса в той же реакционной камере (/и зйи).

Большинство экспертов обращают внимание на тот факт, что после воз-
действия водородом кривые нелокального МС демонстрируют «провал» с цен-
тром в нулевом магнитном поле, что косвенно указывает на факт формирова-
ния в графене магнитного момента (рис. 8 11,6). Основным механизмом здесь
является рассеяние спинов за счет обменной связи с локальными магнитными
моментами. Наблюдаемое «обострение» кривой Ханле после воздействия во-
дорода, по мнению большинства экспертов, также свидетельствует об образо-
вании магнитных моментов [74]. Аналогичное поведение наблюдалось и в от-
ношении вакансионных дефектов, внесенных при распылении пучком ионов
аргона [50].

Третий метод обнаружения магнитных моментов в графене - это клас-
сичесая магнитно-силовая микроскопия или традиционная сканирующая тун-
нельная микроскопия [49, 72]. Одним из примеров применения этого метода
является идентификация отсутствующих атомов как источника углеродного
магнетизма [72]. Одиночные вакансии в этот многослойный графен вносились
путем облучения низкоэнергетическими ионами аргона с последующим высо-
котемпературным отжигом. Из спектров дифференциальной проводимости
(77 / йУ), измеренных на вакансии, резкий резонанс наблюдался при энергии
Ферми. Как известно, этот резонанс является «предвестником» создания маг-
нитного момента и полностью согласуется с теоретическими исследованиями.

Четвертый метод пока не столь широко используется исследовате-
лями графена. Он основан на температурной зависимости длины фазовой ко-
герентности, как, например, обнаружение локальных магнитных моментов во
фторированном графене [53]. В этом исследовании длина фазовой когерент-
ности измерялась как функция температуры и концентрации носителей. Как
длина фазовой когерентности, так и время фазового рассеяния показали насы-
щение при низких температурах (от 1 до 10 К) при различных исследованных
концентрациях носителей. Результаты соответствовали эффекту рассеяния
с переворотом спина из-за локальных магнитных моментов, и авторами [53]
было заявлено, что магнитные моменты в принципе могут быть также созданы
и разбавленным фторированием.

8 2 4 Особенности спин-орбитальной связи
з материале графен

Спин-орбитальная связь является одним из важнейших видов спинового
взаимодействия [1, 75]. С одной стороны, как известно, она губительна для
спиновой когерентности, поскольку обычно отвечает за спиновую релакса-
цию. Но с другой стороны - спин-орбитальная связь может также приводить
ко многим весьма интересным для физиков явлениям, таким как спиновый эф-
фект Холла [76], топологический квантовый спиновый эффект Холла [77],
квантовый аномальный эффект Холла [78], спин-зависимое туннелирование
Клейна [79], слабая антилокализация [80] и даже сильная модификация плаз-
монного спектра [81]. Как и в случае с большинством свойств графена, она
нацелена на настройку и управление спин-орбитальной связью посредством
стробирования и функционализации.

Как известно даже современным студентам-физикам, углерод - это лег-
кий элемент с относительно слабой спин-орбитальной связью. Спин-орбиталь-
нос расщепление 2р-орбиталей иона углерода составляет 7,86 мэВ [82]. Спин-
орбитальная связь в графене сильно зависит от зон (полос), а также от внешних
эффектов, таких как адатомы, стробирование и подложки. Без спин-орбиталь-
ной связи спектр на уровне Ферми образует конусы Дирака. Но как только по-
является спин-орбитальная связь, эти конусы разделяются, сохраняя при этом
свое спиновое вырождение. В присутствии внешнего электрического поля, по-
перечного графену, вырождение спина снимается эффектом Рашбы [83], со-
здавая различные интересные для исследователей топологии зонной струк-
туры, часть из которых показана выше на рис. 8.12. В таблице 8.4 в целях срав-
нения было приведено обобщенное представление о зонных структурах в точ-
ках К и Г для графеновых структур, а также для других различных малораз-
мерных материалов.

Как показано в [84-86], в точке Г рассчитанная величина спин-орби-
тального расщепления зоны о составляет 8,8 мэВ. Эта связь напрямую про-
истекает из углеродной спин-орбитальной связи. В точке К, где находится
уровень Ферми, спин-орбитальное расщепление точки Дирака намного
меньше, в диапазоне всего лишь 24-50 мкэВ (табл. 8.4). Это расщепление
зоны происходит в результате гибридизации р2-орбиталей, которые образуют
классический конус Дирака, а также б-орбиталей и более высоких углерод-
ных орбиталей [84].

Следует отметить, что энергетический спектр дираковских электронов
в графене при наличии спин-орбитальной связи впервые был представлен
МакКлюром и Яфетом в работе [87]. Давно известный Гамильтониан Мак-
Клюра - Яфета в современных обозначениях имеет достаточно простой вид:

Я = (2)

Здесь - параметр спин-орбитальной связи; к равен 1 для К и -1 -
для К'; о2 - это псевдоспиновая матрица Паули (точнее, пространство подре-
шеток А и Б); 82 - (действительная) спиновая матрица Паули. Эта собствен-
ная спин-орбитальная связь открывает «брешь» в спектре Дирака величиной
А§ос = А2Х1. При наличии собственной спин-орбитальной связи электронные
состояния остаются дважды вырожденными (рис. 8.13) благодаря комбина-
ции симметрии обращения времени и пространственной инверсии [75].

Рмс. 8.13 Пример применения спиновой логики спиновых клапанов графена

На рис. 8.13, а представлен в качестве примера схематический чертеж
магнитологического затвора на основе графена, состоящего из листа графена,
контактирующего с пятью ферромагнитными электродами. Два электрода
(А и В) определяют входные состояния, другие два электрода (В и С) управ-
ляют работой затвора, а один электрод (М) используется для считывания; Уск!
управляет током установившегося режима, а 1М (I) - это отклик тока неуста-
новившегося режима, который дает выходной сигнал; здесь приняты следую-
щие обозначения См - конденсатор; I \м - ток записи для управления направ-
лением намагничивания каждого ферромагнитного электрода; 1г (1) - это ток,
используемый для возмущения намагниченности электрода М. Еще один при-
мер применения [133] представлен на рис. 8.13, Ь - это «всеспиновая логика»,
предложенная Бехин-Эйном и др. в работе [133]. Метки 1, 2, 3, 4 и 5 обозна-
чают, соответственно, немагнитный слой, изоляционный слой, туннельный
слой, канал / межсоединение и контакт СМИ, клемма заземления.

Основываясь на вышеупомянутом гамильтониане, Кейн и Меле в работе
[77] теоретически предсказали возможность возникновения квантового спино-
вого эффекта Холла в графене; можно сказать, что тем самым они предложили
«систему-предшественника» топологических изоляторов. К сожалению, до-
вольно небольшое значение величины связи сильно затрудняет ее прямое экс-
периментальное наблюдение. Рифленый графен должен иметь большее значе-
ние величины спин-орбитальной связи из-за гибридизации р2-орбиталей с рх-
и ру-орбиталями из о-зоны [88]. Хотя надо отметить, что относительно боль-
шие значения спин-орбитальной связи могут быть обнаружены в нанотрубках
[88, 89] (табл. 8.5), все-таки в рифленом графене эффект значительно слабее
из-за перемежающихся скруглений. Даже в экстремальном случае с минириф-
лением (атомы А смещены вверх, В - вниз по отношению к плоскости гра-
фена) спин-орбитальная щель всё еще составляет всего 100 мкэВ при 8%-м
смещении относительно постоянной решетки [84]. Но это только приблизи-
тельное значение, вычисленное для перенормировки спин-орбитальной щели
из-за вызванного изгибами движения в нулевой точке [90, 91]. Такие числен-
ные значения являются предельными значениями современных (на момент
выхода книги) экспериментальных возможностей по определению численных
значений верхнего предельного значения по возможной ширине запрещенной
зоны в точке Дирака [92].

Из других двумерных 20-материалов силицен и германен более пер-
спективны в проявлении спин-орбитальных эффектов из-за гораздо более вы-
соких значений их спин-орбитальной связи [93]. Используемый здесь изоли-
рующий материал Ь-ВХ имеет довольно слабую спин-орбитальную связь
(табл. 8.5), тогда как семейство полупроводниковых материалов Мо8? имеет
спин-орбитальное расщепление электронов проводимости при К, достигаю-
щее десятков миллиэлектронвольт [94-96].

Отдельного внимания заслуживает рассмотрение эффекта Рашбы в
графене. Как известно, если пространственная инверсионная симметрия гра-
фена нарушается подложкой, внешним электрическим полем или адатомами,
то возникает эффект Рашбы [83], проявляющийся в спиновом расщеплении
двух вырожденных энергетических зон чистого графена (рис. 8.13). Надо от-
метить, что эффект Рашбы, вызванный внешним полем, по всем теоретиче-
ским расчетам довольно слабый, 5 мкэВ для поля в I В-им 1 [84]. Соответству-
ющий гамильтониан имеет вид

(3)

где /.« - связь Рашбы.

В отличие от двумерных (20) электронных газов в обычных полупро-
водниковых материалах, в которых связь Рашбы находится в линейной связи
с величиной импульса, в графене связь Рашбы практически не зависит от им-
пульса. Причина в том, что связь Рашбы пропорциональна скорости, которая
всегда постоянна для безмассовых дираковских электронов в графене. По-
этому связь Рашбы в графене образуется в результате тг-о гибридизации [97];
д-орбитали здесь почти не играют роли [98]. Если же симметрия инверсии
спина нарушена локально, скажем, из-за адатомов, то связь Рашбы (но также
и внутренняя связь) становится уже пространственно-зависимой: = /-и (х,у).

Если говорить об особенностях двухслойного и трехслойного графена,
а также графита, то следует отметить тот факт, что здесь межслоевая связь су-
щественно не влияет на спин-орбитальное взаимодействие (табл. 8.5), которое
исходит, главным образом, из основной зоны атомов. Известные из исследо-
ваний [99, 100] результаты двухслойного и трехслойного графена, а также гра-
фита показывают, что эффекты спин-орбитальной связи здесь возникают по-
чти исключительно из-за внутрислойного спин-орбитального взаимодействия
(связи) Хь Этот вывод косвенно подтверждается также исследованиями мно-
гополосной сильной связи трехслойного графена [101].

В таблице 8.5 представлены спин-зависимые свойства графена, металлов
и полупроводников, полученные посредством измерений спин-вентильных
структур.

Следует обратить внимание, что для измерения времени жизни спина в
полупроводниках многими исследователями использовались методы, суще-
ственно отличные от методов измерения спин-клапана. Здесь время жизни
спина в беспримесном (чистом) 81 и Ое было получено с использованием клас-
сического метода баллистической инжекции горячих электронов. Так, напри-
мер, время жизни спина в чистом 81 составляет около 10 нс при комнатной
температуре и ~1 мкс при низкой температуре [156], а время жизни спина в
чистом Ое составляет от 100 до 400 нс в диапазоне температур 30-60 К [157].
В то же время в результате использования оптических методов накачки - зон-
дирования было установлено, что время жизни спина в слаболегированном п-
ОаАз составляет ~ 100 нс при 5 К [158].

Особо следует рассмотреть некоторые специфические свойства лег-
ких адатомов. Как известно, чтобы наблюдать спин-орбитальные эффекты в
графене, необходимо каким-то способом усилить спин-орбитальную связь, не
нарушая при этом большую часть структуры классического конуса Дирака.
Очевидное решение - добавить легкие адатомы, которые даже в довольно ма-
лом процентном содержании, образно говоря, могут значительно обогатить
спин-орбитальную физику графена. Адатомы, такие как водород, теоретиче-
ски могут вызывать просто гигантское спин-орбитальное взаимодействие
(связь) дираковских электронов путем локального образования кр3-связей
[102]. Такое связывание (соединение) автоматически переводит о-состояния в
л-зону. Поскольку о-состояния имеют спин-орбитальную связь примерно в
10 мэВ, как в атоме углерода, то это - теоретически предельное значение, ко-
торое мы можем ожидать для такого усиления. Хотя следует отметить, что бо-
лее тяжелые адатомы могут создавать еще более сильную спин-орбитальную
связь [55, 103], исходящую от их собственных орбиталей, но уже в основном
за счет более радикального изменения их локальной электронной структуры.

Таблица 8.5

Основные спин-зявисимые свойства графена,
металлов и полупроводников

Спиновый канал Время жизни спина Длина спиновой диффузии Спиновые сигналы
Металлы Си (ссылки 15,131) А1 (ссылка 108) А§ (ссылка 132) Полупроводники Высоколегированный 81 (ссылки 129, 154) ОаАз (ссылка 155) Высоколегированный Ое (ссылка 130) Графен 6,8-10,42 -42 пс при 4.2 К ~11 пс при 300 К -100 пс при 4.2 К -45 пс при 300 К -20 пс при 5 К -10 пс при 300 К -10 нс при 8 К -1,3 нс при 300 К 24 нс при 10 К 4 нс при 70 К -1 нс при 4 К -300 пс при 100 К 0,5-2 нс при 300 К 1-6 нс при 4 К - 1 мкм при 4.2 К - 0,4 мкм при 300 К - 0,6 мкм при 4,2 К - 0,4 мкм при 300 К - 1 мкм при 5 К - 0,3 мкм при 300 К - 2 мкм при 8 К - 0,5 мкм при 300 К 6 мкм при 50 К -0,6 мкм при 4 К 3-12 мкм при 300 К (-100 мкм соотв. из данных по локальному МС) - 1 мО при 4,2 К -0,5мН при 300 К -12 мО при 4,2 К -0,5 мО при 300 К - 9 мО при 5 К -2 мО при 300 К - 30 мО при 8 К - 1 мО при 300 К -30 мН при 50 К 1 О при 4 К —0,02 0,1 О при 200 К 130 О. при 300 К (1 МО для локального МС при 1,4 К)

Как и в рассмотренном выше случае с магнитным моментом, водород
также является своего рода эталонным адатомом для спин-орбитальной связи.
Как известно, его 8-орбитали образуют ковалентную связь с р-орбиталями уг-
лерода, локально искажая решетку в сторону тетраэдрических 8р3-связей, что
приводит к локально индуцируемой спин-орбитальной связи. В дополнение к
изначальным членам и членам Рашбы здесь появляется новый член «спин-ор-
битального перескока», обусловленный асимметрией псевдоспиновой инвер-
сии [104]. Как было показано в [104], усиление спин-орбитальных связей (всех
трех типов) действительно очень высокое, порядка 1 мэВ, что примерно на два
порядка больше, чем в чистом графене. В частости, именно такое усиление
засвидетельствовал эксперимент [76] по спин-эффекту Холла в гидрогенизи-
рованном графене. В таблице 8.1 показаны спин-орбитальные расщепления
для одностороннего полугидрогенизированного графена.

8.2.5. Особенности механизма спиновой
релаксации в графене

Как утверждает большинство экспертов, основная научная проблема
графеновой спинтроники на момент выхода этой книги - это большие расхож-
дения между теоретическими и экспериментальными значениями длительно-
сти времени жизни спина в графене. Так, если современная теория предсказы-
вает время жизни спина ~ 1 мкс для чистого графена, то экспериментальные,
замеренные на момент выхода этой книги значения находятся в диапазоне от
десятков пикосекунд до нескольких наносекунд [5-9, 24, 34, 36, 40-42, 45,
105-107]. Даже в наилучшем случае это расхождение составляет не менее двух
порядков величины. По мнению ряда экспертов, это предполагает, что источ-
ник спиновой релаксации все-таки имеет внешнее происхождение (например,
неучтенные примеси, дефекты или статистический разброс), и здесь основная
задача исследователей состоит в том, чтобы определить этот реально действу-
ющий физический механизм.

Как было показано выше, современные экспериментальные исследова-
ния механизмов спиновой релаксации обычно основаны на методах измерения
прецессии спина Ханле на спиновых клапанах графена в нелокальной геомет-
рии. Это выполняется путем применения внеплоскостного магнитного поля
(перпендикулярно графену), которое вызывает прецессию спинов в графене по
мере их диффузии от инжектора спина (Е2) к детектору спина (ЕЗ).

Типичные кривые прецессии спина Ханле получены путем измерения
нелокального сопротивления как функции внеплоскостного магнитного поля
В± для графенового спинового клапана с туннельными контактами. Верхняя
ветвь (красная кривая) соответствует состоянию параллельной намагниченно-
сти Е2 и ЕЗ, а нижняя ветвь (черные кривые) - состоянию антипараллельной
намагниченности. Очевидно, что наблюдаемое уменьшение нелокального со-
противления с увеличением величины В± является результатом прецессии
спина, которая уменьшает спиновую поляризацию, достигающую детектор-
ного электрода.

Для случая высокоомных контактов (то есть, контактное сопротивление
Кс намного больше спинового сопротивления графена р/., / И’, где р, А, и Не-
соответственно удельное сопротивление, длина спиновой диффузии и ширина
графена) нелокальная кривая Ханле задается известным соотношением [1, 14,
108].

^ьсо +

1~ —ехр

;0 ^4тсОг

Ь2
4Ог

со8(сод)ехр-----шг.

(4)

Здесь знак + (-) означает параллельное (антипараллельное) состояние
намагниченности; Ь - расстояние от инжектора (Е2) до детектора (ЕЗ); О -
константа диффузии; т5 - время жизни спина; оц. = Й, где н7? - магнетон
Бора: Й - приведенная постоянная Планка.

Можно сказать, что множители, содержащие В, представляют диффу-
зию спин-поляризованных электронов; множитель, содержащий он, представ-
ляет прецессию спина; множитель, содержащий т.„ представляет релаксацию
спина, а интегрирование выполняется по распределению времени пролета для
спинов (диффундирование из инжектора Е2 в детектор ЕЗ). Используя это
уравнение, авторы [1] аппроксимируют параллельные и антипараллельные
кривые Ханле (сплошные линии), предполагая, что § = 2. Полученные пара-
метры аппроксимации равны В = 2,0 * 10 - 2 м2 с 1 и т.? = 771 нс, что соответ-
ствует = э/ (От,) = 3,9 мкм.

Однако на практике при анализе кривых Ханле следует соблюдать опре-
деленную осторожность. Ведь в случае более низких численных значений ве-
личин контактных сопротивлений уравнение (4) уже недействительно, и здесь
необходимо использовать уже некий более сложный математический аппарат
анализа, который должен учитывать индуцированную контактом спиновую
релаксацию из-за эффектов времени ухода [24, 109]. Хотя ранее этот анализ
традиционно требовал применения численного метода решения системы ли-
нейных уравнений, недавно было получено первое аналитическое решение в
замкнутой форме.

Также следует проявлять осторожность в том случае, когда ^-фактор мо-
жет отклоняться от 2. Известно, что наличие парамагнитных моментов создает
эффективное обменное поле и приводит к более быстрой прецессии спина и
увеличению эффективного ^-фактора. В этом случае становится трудно разли-
чить более быструю прецессию спина из-за наложения влияния магнитных мо-
ментов и более продолжительного времени жизни спина в графене, поэтому
требуется проводить некий альтернативный анализ кривой Ханле, о чем более
детально говорится в работах [50, 74, 111].

Экспериментально время жизни спина, составляющие всего несколько
наносекунд, было обнаружено для графеновых спиновых клапанов на 8Юг с
туннельными контактами [6, 8, 9]. С другой стороны, спиновые клапаны из
графена на ЗЮз с точечными контактами с аналогичным контактным сопро-
тивлением демонстрируют гораздо меньшее время жизни спина (обычно
около 200 нс). Следовательно, в дополнение к эффекту времени ухода [24,
109], важную роль в измерениях по методу Ханле могут играть и многие дру-
гие типы эффектов спиновой релаксации (как уже известные, так и еще неиз-
вестные), индуцированной именно контактами. Например, ферромагнитные
контакты также могут вызывать спиновую релаксацию с помощью ряда физи-
ческих механизмов, в том числе через эффекты неоднородных магнитных кра-
евых полей и межфазное спиновое рассеяние между ферромагнетиком и гра-
феном.

Таким образом, для исследования физических механизмов спиновой ре-
лаксации в графене крайне важно выявить и минимизировать различные ин-
дуцируемые контактами эффекты спиновой релаксации, например, сделав рас-
стояние между ферромагнитными электродами намного большим, чем длина
спиновой релаксации в основном объеёме графена, и существенно улучшив
качество самих этих контактов.

Как уже было отмечено выше, в последнее время было проведено мно-
жество теоретических исследований [112-115], но особенности физического
механизма спиновой релаксации в графене пока остаются неясными. Как мы
видим, в попытке объяснения экспериментальных тенденций в графене раз-
личными группами исследователей широко применялись в основном только
два механизма спиновой релаксации: механизмы Эллиотта - Яфета [116, 117]
(ЭЯ) и Дьяконова - Переля [118] (ДП). Оба они имеют свои «корни» в спин-
тронике металлов и полупроводников [1, 75, 119]. Хотя оба эти механизма ба-
зируются на спин-орбитальной связи и рассеянии импульса, но их действие в
отношении последнего имеет противоположный эффект.

Механизм ЭЯ объясняет релаксацию спина переворотом спина при рас-
сеянии. При наличии спин-орбитальной связи блоховские состояния представ-
ляют собой смесь состояний по принципу Паули: «спин-вверх» и «спин-вниз».
Если предположить, что электрон со спином «вверх» имеет малую примесную
амплитуду спинора Паули со спином «вниз», тогда даже номинально сохраня-
ющая спин-примесь или рассеяние фононов могут вызывать переворот спина.
При этом надо учитывать, что обычно до переворота своего спина электрон
претерпевает до миллиона случаев рассеяния. Скорость спиновой релаксации
примерно равна

1/т, кЪ2 (5)

где тр - время релаксации импульса;

Ь - амплитуда флуктуаций для спинов примеси.

Здесь обычно параметр Ь определяется как внутренняя спин-орбиталь-
ная связь, деленная на энергию Ферми (ел), Ь ~ X/ / Если взять репрезента-
тивные значения для «графеновых чешуек», используемых в экспериментах,
10 мкэВ, 100 мэВ и ~ 10 фс, то время спиновой релаксации составит
Ь ~ 1 мкс. Но это более чем на два порядка больше, чем даже самые большие
значения, наблюдаемые экспериментально в настоящее время.

Механизм ДП основан на так называемой «концепции двигательного
сужения»: чем больше электрон рассеивается, тем меньше релаксирует его
спин (тем более узкой будет линия резонанса в эксперименте со спиновым
резонансом), как показано на рис. 8.5. В отличие от механизма ЭЯ, здесь
спины прецессируют между событиями рассеяния. В отсутствие симметрии
пространственной инверсии спин-орбитальная связь проявляется как спин-
орбитальное поле (типа Рашбы). Спин электрона прецессирует вдоль этого
поля. Когда электрон рассеивается, ориентация (и/или значение) эффектив-
ного магнитного поля изменяется. Можно сказать, что спин электрона пре-
цессирует в произвольно флуктуирующем спин-орбитальном поле, причем
время корреляции флуктуаций определяется временем релаксации импульса.
Тогда скорость спиновой релаксации определяется уже несколько другим вы-
ражением:

1/т5® \к\,

где - величина поля Рашбы, которая представляет собой частоту спиновой
прецессии. Обычно /-л ~1 мкэВ и тр ~ 10 фс, что в итоге дает время релаксации
т, 1 мкс, такой же величины, как и при использовании механизма ЭЯ.

Относительно недавно в качестве высокоэффективного процесса спино-
вой релаксации в баллистическом переносе был предложен еще один меха-
низм, основанный на спин-псевдоспиновой запутанности [120].

Исходя из общих соображений, спиновая релаксация чистого графена
в принципе должна ограничиваться только внутренней спин-орбитальной
связью и фононами. Здесь особенно эффективны изгибные моды, которые
обеспечивают значительное усиление спин-орбитальной связи за счет эф-
фекта л-о -перемешивания. Этот физический эффект, по сути, механизм ЭЯ
теоретически может привести к получению времени спиновой релаксации
при комнатной температуре в диапазоне от микросекунд до десятков наносе-
кунд, в зависимости от того, как именно будет ограничена амплитуда изгиб-
ных мод, при этом надо должным образом учитывать существенное увеличе-
ние температурной зависимости и анизотропии [91, 115]. Однако такие пре-
дельные значения для чистого графена на момент выхода этой книги экспе-
риментально еще не реализованы.

Здесь следует отметить и целый ряд проведенных в последние годы экс-
периментальных исследований в области изучения особенностей физических
механизмов ЭЯ и ДП. Как известно, для однослойного графена, когда концен-
трация носителей заряда настраивается с помощью обратного стробирования,
наблюдается увеличение численных значений т, с увеличением константы
диффузии!) (атр), что согласуется с механизмом спиновой релаксации ЭЯ [9,
24, 105]. В то же время для двухслойного графена многочисленными исследо-
вателями было обнаружено, что величина т, уменьшается с увеличением чис-
ленно значения Л (или тр), что свидетельствует о преобладающем механизме
спин-релаксации ДП [8, 9]. Но, с другой стороны, ведь имеются также много-
численные сообщения о механизмах спиновой релаксации ЭЯ в многослойном
графене [121] и механизме спиновой релаксации ДП в однослойном графене
[36]. Надо сказать, что на момент выхода нашей книги роль механизмов спи-
новой релаксации ЭЯ и ДП все-таки остается открытым вопросом [122, 123].
Понятно, что четкое различение этих физических механизмов в графене может
оказаться достаточно трудной задачей, потому что из-за стохастичности полей
Рашбы можно наблюдать поведение, свойственное как для механизма ЭЯ, так
и для механизма ДП.

Сравнительно недавние экспериментальные исследования механизмов
спиновой релаксации в высококачественном графене, таком как графен на Ь-ВИ
[7], эпитаксиальный графен [111] или подвешенный графен [34, 40], показали
численные значения длительности времени жизни спина аналогичное тому же,
что и в отслоенном графене на $1Ог- Это факт однозначно указывает на то, что
подвижность не является единственным ограничивающим фактором для опре-
деления величины времени жизни спина. В этом направлении такие авторитет-
ные исследователи, как Хэн и другие, длительное время исследовали время
жизни спинов в однослойных спиновых клапанах графена с регулируемой по-
движностью носителей заряда, используя в качестве «резервуаров заряда»
тесно связанные с органическими лигандами различные наночастицы [107].
При фиксированной концентрации носителей заряда ими было обнаружено, что
время жизни спина относительно мало изменяется при изменении подвижности
в диапазоне 2700-12 000 см2 В 4 с '. Эти результаты также подтверждают, что
рассеяние заряженных примесей действительно не является основной причиной
спиновой релаксации в графене. Более того, недавнее экспериментальное ис-
следование [13] продемонстрировало ничтожно слабый эффект сверхтонкой
связи даже в изотопном С-графене, который, как известно, имеет высокую плот-
ность ядер пых моментов [124]. Но пока у исследователей нет ответа на вопрос,
что же все-таки является основным «физическим источником» спиновой релак-
сации.

Последние эксперименты по направлениям «универсальные флуктуации
проводимости» и «слабая локализация номинально чистого графена на 8 Юг»
показали, что существенный вклад в скорость дефазировки действительно вно-
сится рассеянием с переворотом спина на магнитных моментах [125]. Это по-
служило поводом для появления альтернативного предположения о физиче-
ском механизме спиновой релаксации в графене [126], которое, по-видимому,
количественно объясняет имеющиеся экспериментальные данные. Этот физи-
ческий механизм основан на существовании магнитных моментов (от вакансий
или адатомов), которые в этом случае действуют как резонансные «рассеива-
тели». Такие магнитные рассеиватели создают соответствующее поле обмена с
переворотом спина. При резонансных энергиях рассеивающий электрон прово-
дит значительное время на примеси, позволяя спину электрона прецессировать
(рис. 8.5). Когда же электрон «улетает», то спин с равной вероятностью может
быть найден как в направлении «вверх», так и в направлении «вниз», поэтому
время переворота спина практически будет равно времени релаксации спина.
Этот процесс происходит именно при резонансной энергии. Усреднение по ре-
зонансным энергиям (из-за тепловых флуктуаций, распределения резонансных
энергий различных дефектов или наличия электронно-дырочных луж) теорети-
чески может дать величину времени спиновой релаксации в 100 не [126] всего
лишь для магнитных моментов 1 ррт (частей на миллион).

Понимание реального механизма образования эффекта спиновой релак-
сации в графене до сих пор остается важной задачей. Эксперименты по зави-
симости длительности времени жизни спина от величины физического рассто-
яния между инжектором и детектором могли бы помочь выяснить роль кон-
тактов.

Исследование анизотропии спиновой релаксации длительности времени
жизни спина в плоскости (т§//) и длительности времени жизни вне плоскости
(т8-ь) могло бы внести существенный вклад в идентификацию соответствующих
спин-орбитальных механизмов [42] ($$// = 2тд. для механизма ДП; &// /та ~ 0 для
механизма ЭЯ от фононного рассеяния, сильной зависимости для механизма
ЭЯ от примесного рассеяния не выявлено). Влияние адатомов водорода также
требует дальнейшего более детального изучения, поскольку их влияние, как по-
лагают эксперты, сильно зависит от используемых различных методов синтеза:
низкотемпературный атомарный водород создает магнитные моменты [50], во-
дородная плазма приводит к увеличению времени жизни спинов [127], тогда
как облучение водородным силсесквиоксаном всегда генерирует достаточно
сильную спин-орбитальную связь [76]. Выявление существенных деталей фи-
зического механизма спиновой релаксации позволит исследователям опреде-
лить конкретные направления дальнейших действий, направленных на увели-
чение длительности времени жизни спина до теоретического предела, что будет
иметь исключительно важные последствия как для фундаментальной науки, так
и для технологических приложений.

8.2.6. Оснс ные г дзможные приложения графена
как базов >го материала спинтроники

Можно сегодня уверенно утверждать, что недавние экспериментальные
исследования уже выявили значительные преимущества графена как перспек-
тивного «рабочего материала» для спинтроники по сравнению с металлами и
полупроводниками. В таблице 8.2 были приведены основные спин-зависимые
свойства (время жизни спина, длина спиновой диффузии и спиновый сигнал)
для графена, Си, А& А1 и легированных полупроводников, включая 81, ОаАз
и Ое, полученные с помощью измерений нелокального и локального спино-
вого переноса [6, 8-10,15,108,128-132]. Физические характеристики при ком-
натной температуре, в том числе большая длина спиновой диффузии, сильный
спиновой сигнал и относительно длительное время жизни спина (которое мо-
жет быть еще более увеличено), действительно делают графен одним из наибо-
лее подходящих кандидатов в качестве «строительного материала» спиновых
каналов в различных приложениях спиновой логики.

Исследователями разных научных школ и в разное время были предло-
жены различные технические решения для устройств спинтроники на основе
графена, предназначенных, прежде всего, для логических приложений. В ос-
новном это касается таких решений, как графеновая спиновая логика Дери и
Шам [2, 3] и полностью спиновая (а11-8рт) логика Бехин - Эйна и его коллег
[133]. «Строительным блоком» подобной графеновой спиновой логики явля-
ется магнитологический вентиль, состоящий из листа графена, непосред-
ственно контактирующего с пятью ферромагнитными электродами [3]. Два
электрода (А и И) здесь определяют входные состояния, другие два электрода
(В и С) управляют работой затвора, а один электрод (М) используется для
считывания выходной информации (результата). Логическая операция вы-
полняется путем инжекции / извлечения спина в графене на входных элек-
тродах (А, В, С, В) с последующим смешением и диффузионным движением
спиновых токов на контрольный электрод выхода (М). Состояние намагни-
ченности электродов здесь может контролироваться на основе крутящего мо-
мента с переносом спина в металлических ферромагнитных электродах.

В работе [133] показано схематическое изображение так называемой
полностью спиновой логики (аИ-ярт 1офс). Здесь вся обрабатываемая инфор-
мация хранится в бистабильных магнитных состояниях. Соответствующие
входы и выходы элемента сообщаются друг с другом посредством спиновых
токов через спиновый транспортный канал, в роли которого и выступает мате-
риал графен. Конечное состояние записывается в выходной «магнит» посред-
ством переключения крутящего момента переноса спина от чистого спинового
диффузионного тока. Хотя это пока и не было достаточно убедительно проде-
монстрировано экспериментально, недавно был документально подтвержден
факт организации переключения спинового крутящего момента с помощью
магнитного поля [134]. Оба подхода современной спиновой логики основаны
на использовании токов чистой спиновой диффузии (т. е. нелокальных) и пе-
ред ними (подходами) стоят достаточно сложные технические задачи, включая
разработку более надежных и однородных туннельных барьеров для спиновой
инжекции, интеграцию полуметаллических ферромагнетиков и перпендику-
лярных ферромагнетиков, увеличение длины спиновой диффузии, обнаруже-
ние спина на основе тока [135] и спин-усиление в ограниченной геометрии
(размер устройства « Х?) [136], а также целый ряд других сложных проблем.

Помимо этих уже реально существующих областей практических при-
ложений, есть возможность исследовать и новые физические свойства, вводя
в графен дополнительные обменные поля и спин-орбитальные взаимодей-
ствия (связи). Например, в работах [55, 77, 78, 103, 137, 138] были предло-
жены новые топологические фазы в графене, включая топологический кван-
товый спиновый эффект Холла и квантовый аномальный эффект Холла.
В качестве вращателей спина для управления спиновой поляризацией в гра-
фене в ряде работ предлагаются регулируемые затвором обменные поля от
соседних (смежных) ферромагнитных изоляторов [139-141]. Точно так же в
других работах для управления спинами в графене предлагается использовать
усиленное спин-орбитальное взаимодействие за счет легирования адатомами
и / или за счет роста верхнего слоя. Как было показано выше, внедренные ада-
томы водорода создают магнитные моменты и возникающие в связи с этим
обменные поля [50], а также усиление спин-орбитальной связи [104], и, как
следствие, наблюдается появление спинового эффекта Холла [76]. Это пер-
спективное направление опирается на уже достигнутые успехи в выращива-
нии на графене ферромагнитного изолятора ЕиО [74, 142], реального канди-
дата в семейство топологических изоляторов В1?8ез [143] и дихалькогенида
переходного металла М082 [144].

Здесь необходимо отметить, что, помимо графена, различными интерес-
ными свойствами, которые могут быть полезны для устройств спинтроники,
обладают появляющиеся новые 20-материалы [145], подробным результатам
исследования которых мы далее посвятим отдельный раздел. Отметим также,
что германен с водородным окончанием [146, 147] и однослойные дихалько-
гениды переходных металлов, такие как М082 [148 ,149], являются полупро-
водниками с прямой запрещенной зоной и более сильной спин-орбитальной
связью, чем у графена. Это должно обеспечивать оптическую связь со спино-
вой степенью свободы, а также сильные спиновые эффекты Холла [150].

Между тем, как предсказывают отдельные эксперты, станнанан (то есть
2Г) олово) и 8р2-германен также смогут генерировать при повышенных темпе-
ратурах топологический квантовый спиновый эффект Холла [93, 151]. Более
того, совершенно новые возможности по управлению спинами могут открыть
многослойные гетероструктуры, объединяющие этиновые появляющиеся ма-
териалы с уже относительно глубоко исследованным графеном, используя
преимущества большой длины спиновой диффузии в графене и новых физи-
ческих свойств появляющихся материалов. Такое направление развитие собы-
тий в области спинтроники можно будет использовать для разработки совер-
шенно новых концепций вычислительных устройств и систем.

В заключение этого раздела следует отметить, что за последние не-
сколько лет в графеновой спинтронике был достигнут действительно суще-
ственный прогресс. Заглядывая вперед, эксперты видят еще больше возмож-
ностей. Понимание работы физических механизмов спиновой релаксации в
графене всё еще остается главным открытым вопросом. Для перспективных
устройств спинтроники на основе графена очень важен прогресс в направле-
нии увеличения длительности времени жизни спина и длины спиновой диф-
фузии. Более того, надо с сожалением признать, что на момент выхода книги
практически не исследована истинная природа магнитных взаимодействий в
графене. Разработка разнообразных графеновых гибридных структур и аль-
тернативных 2Г)-материалов должна явиться реальным источником появления
на рынке новых устройств и систем за счет улучшенных спин-орбитальных и
обменных взаимодействий.

8.2.7. Технологические и конструктивные особенности
биологических сенсоров на основе оксида графена

В работе [Ьйр8://уапдех.ги/ра1еп18/<1ос/1Ш26977()1С1_20190819] представ-
лено несколько вариантов создания устройств с биочувствительным элементом
на основе восстановленного оксида графена. Стандартный способ изготовления
биологического сенсора на основе оксида графена включает формирование на
подложке пленки графенсодержашего материала, паттернирование полученной
пленки с образованием проводящего канала и модификацию поверхности
пленки химическими соединениями. При этом формирование пленки оксида
графена проводят способом капельного нанесения жидкой среды, паттерниро-
вание пленки проводят путем контролируемого неполного восстановления
пленки оксида графена. Проводящую область формируют в виде заданного то-
пологического рисунка, затем полученную заготовку покрывают ламинирую-
щей полимерной пленкой, за исключением областей электрического контакта и
отверстия, которое находится над проводящей областью и выполняет функцию
«окна» для экспонирования сенсора. Модификацию открытой поверхности
пленки проводят путем иммобилизации аптамеров на функциональных кисло-
родсодержащих группах. Этот высокочувствительный биосенсор обладает воз-
можностью многократных измерений и интеграции в персональные устройства
мониторинга состояния здоровья человека.

Рис. 3.14. Схематичная конструкция биологического сенсора:

11 - полимерная подложка; 12 - контактная область электродов:

13 - область восстановленного оксида графена, с остаточными
функциональными группами СООН: 14-область восстановленного
оксида графена с иммобилизированными аптамерами:

15-защитная полимерная пленка;

16 - «окно» для экспонирования в защитной пленке

Данные типы сенсоров относятся к объектам биотехнологии, а именно к
созданию устройств с биочувствительным элементом на основе восстановлен-
ного оксида графена, конкретно - к созданию на его основе биологического
сенсора на гибкой подложке, который может быть использован в диагности-
ческой медицине для детектирования биомолекул различного типа.

Известны различные способы создания биологических сенсоров на ос-
нове оксида графена / восстановленного оксида графена (ОГ / ВОГ), которые
включают в себя формирование пленки ОГ / ВОГ путем нанесения из водной
или органической суспензии капельным, струйным, аэрозольным, центрифу-
жным методом, методом Ленгмюр - Блоджетт или иным на поверхности ди-
электрической подложки (стеклянной, кварцевой или полимерной), с дальней-
шим ковалентным связыванием с ОГ / ВОГ химических соединений, облада-
ющих биологической чувствительностью.

Так, например, в патенте ЕР 2848929 А1 [1] описан биологический сен-
сор на основе графенового полевого транзистора, являющийся чувствитель-
ным к биомолекулам - переносчикам запахов. Принцип работы устройства за-
ключается в том, что лигандо-связывающий белок при связывании за счет сво-
его электрического заряда влияет на такие характеристики устройства, как по-
левой эффект, или импеданс. Надо отметить, что существенным недостатком
данного сенсора является относительная сложность конструкции графенового
полевого транзистора, а также невозможность использования гибких подло-
жек, что с учетом ориентации на носимые устройства персонализированного
мониторинга здоровья представляется существенным ограничением в практи-
ческом применении.

В патенте КП 2527699 С1 описан способ создания биологического сен-
сора, который включает в себя стадии нанесения металлической пленки, про-
межуточного связующего слоя и биоспецифического слоя. При этом достига-
ется высокая чувствительность биосенсора в сочетании с высокой биоспеци-
фичностью, появляется возможность детектирования крупных биологических
объектов. Этот биологический сенсор работает на эффекте поверхностного
плазмонного резонанса, где в качестве основы сенсора выступают тонкие
пленки графена, оксида графена или углеродных нанотрубок. Конструкция
данного сенсора включает подложку, на поверхность которой нанесена тонкая
металлическая пленка, на которую, в свою очередь, нанесен слой графена, ок-
сида графена или углеродных нанотрубок, использующийся в качестве связы-
вающего или промежуточного для нанесения биоспецифического слоя. Дан-
ный слой также выполняет функцию адсорбата биоспецифических молекул и
веществ защищает металлическую пленку от внешних воздействий и не поз-
воляет использовать в процессе биодетектирования реагенты, которые могли
бы повредить поверхность металла, а также использовать такие плазмонные
материалы, как серебро.

В качестве биоспецефического слоя могут выступать молекулы авидина,
стрептавидина, дегликозилированного авидина, пары рецептор - лиганд, ан-
тиген - антитело, фермент - субстрат. Связывающим партнером анализируе-
мого вещества может являться антитело, а также протеины, липиды, ДНК,
РНК, вирусы, клетки, бактерии или токсины и химические модификации при-
веденных веществ.

К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость в ис-
пользовании только твердых подложек и в подключении к системе формиро-
вания электромагнитных волн (обычно световых, т. е. к фотоизлучателю и фо-
топриемнику), что ограничивает интегрируемость данной конструкции сен-
сора в носимые устройства персонализированного мониторинга состояния
здоровья.

В публикации заявки И8 2017/0059507 А1 [3] описан чувствительный к
формальдегиду электрохимический сенсор на основе графена с иммобилизо-
ванной на его поверхности формальдегиддегидрогеназы. Кроме того, кон-
струкция сенсора предполагает наличие флюидной системы, с помощью кото-
рой происходит подача формальдегидсодержащего раствора к чувствительной
области, находящейся между рабочим и противоэлектродом. Конструкция
данного сенсора предполагает использование твердотельной подложки,
а также традиционных методов формирования паттернов контактов и чувстви-
тельных областей, таких как фотолитография Эти особенности конструкции
определяют относительную дороговизну и сложность приборного оснащения
производства подобных сенсоров и ограниченные возможности по использо-
ванию сенсоров такой конструкции в носимых устройствах мониторинга.

В публикации заявки XV 0 2011004136 А1 [4] описан биосенсор на ос-
нове графена, включающий в себя паттернированную графеновую область,
два электрических контакта, расположенных в контакте с паттернированной
графеновой областью и предназначенных для определения проводимости
графеновой области. В конструкции сенсора также предусмотрен как мини-
мум один линкер, требующийся для связи с биологической молекулой. В ка-
честве линкера используются анилин, диазониевый ион или диазониевая
соль. Однако конструкция сенсора, описанная в данном техническом реше-
нии, опять же предполагает использование твердых кристаллических подло-
жек (в частности, карбида кремния), что ограничивает возможности интегра-
ции сенсора в персонализированные носимые устройства мониторинга состо-
яния здоровья.

Особенностями способов создания биосенсоров в описанных выше ра-
ботах [1—4] является использование графена в качестве слоя проводящего ма-
териала, к которому в дальнейшем идет привязка биочувствительного слоя.
В большинстве известных из литературы устройств используются различные
линкеры, которые позволяют формировать поверх графенового слоя слой био-
чувствительного компонента. При этом формирование биочувствительного
слоя предполагает связывание биочувствительного агента через какой-либо
линкер.

Важнейшей технической задачей при создании любого биосенсора явля-
ется повышение селективности и чувствительности рабочей области биосен-
сора за счет способа его получения, включающего формирование канала про-
водимости из восстановленного оксида графена и последующей ковалентной
иммобилизации биочувствительного вещества - аптамера на поверхности вос-
становленного оксида графена без применения промежуточного звена - лин-
керов. При этом надо понимать, что сенсор является устройством резистив-
ного типа (большинство создано на основе полевого транзистора), что позво-
ляет формировать сенсор на гибкой подложке.

Актуальной задачей является создание высокочувствительного биосен-
сора на основе восстановленного оксида графена и на гибкой подложке, име-
ющего возможность многократных измерений и интеграции в персональные
устройства мониторинга состояния здоровья человека.

Для формирования пленки оксида графена на гибкой подложке могут
быть использованы такие методы нанесения жидких сред, как капельное нане-
сение, центрифужное нанесение, окунание, метод Лэнгмюр - Блоджетт и дру-
гие. С помощью указанных методов обычно формируется пленка толщиной
30-1000 нм.
В качестве материала для гибкой подложки используют полимеры с тем-
пературой плавления не менее 240 °С, выдерживающие соответствующий тем-
пературный режим обработки - сушку при температуре более 110 °С с помо-
щью сушильного шкафа, электроплитки или подобного устройства, с целью
удаления растворителя, например, полиэтилентерефталат или полиэтилен-
нафталат.

Для обеспечения ковалентной иммобилизации биологически чувстви-
тельного вещества (аптамера) необходимо, чтобы в области восстановленного
оксида графена оставались карбоксильные функциональные группы, которые
позволяют сформировать ковалентную связь между восстановленным окси-
дом графена и аминомодифицированным аптамером, т. е. требуется провести
неполное восстановление ОГ.

Для неполного восстановления оксида графена с остаточными функци-
ональными группами требуется использовать метод восстановления, который
позволяет контролировать параметры восстановления с высокой точностью.
Наиболее подходящим методом в этом случае является использование ла-
зерно-индуцированного восстановления оксида графена. При этом достига-
ется локализация областей восстановления ОГ с высокой точностью воспро-
изведения параметров. Для локального восстановления оксида графена могут
быть использованы различные лазеры, как импульсные, так и непрерывного
действия.

Для обеспечения лучших параметров чувствительности и селективности
предпочтительно использовать ковалентную иммобилизацию аптамеров на
восстановленный оксид графена. Для ковалентной иммобилизации аптамеров
на функциональных группах - СООН применяется связка 1-Этил-3-(3-димети-
ламинопропил) карбодиимид (ЕЭС) и -гидроксисукцинимид (МН8), при
этом иммобилизация происходит в несколько стадий. Для создания коммерче-
ски приемлемого биосенсора целесообразно использовать одностадийный
процесс иммобилизации аптамеров на восстановленный оксид графена с по-
мощью раствора ЕЭС в дистиллированной воде с добавлением этанола.

В [Ь1ф8://уапдех.ги/ра1еп1$/бос/1Ш2697701С1_2019081с)] для электриче-
ской изоляции области экспонирования используется изоляционный слой в
виде нанесенной полимерной пленки полиэтилентерефталата толщиной до
60 мкм, а ограничения области экспонирования и исключения возможности
замыкания подводящих электродов в изоляции формируется круглое окно с
подобранным размером и диаметром, соответствующим ширине полос в топо-
логическом рисунке П-образной формы.

Для обеспечения качественного электрического контакта и простой ин-
теграции в устройствах персонального мониторинга состояния здоровья или в
других электронных устройствах геометрия подводящих электродов и под-
ложки должна было выполнена таким образом, чтобы обеспечивать электри-
ческий контакт со стандартными разъемами для гибких шлейфов типа
ОМКСЖ ХЕ2.Е
22

Кис. 8.15, Модель апталлеро. связанного с восстановленным
оксидом графена:

21 - восстановленный оксид графена:

22 - карбоксильная группа; 23 - аптамер

На рис. 8.15 представлен отклик сенсора на белки тромбин, который яв-
ляется таргетным белком, и альбумин, который является референсным белком.
Позициями 21 и 22 здесь обозначены моменты экспонирования структуры де-
ионизованной водой и раствором, содержащим белок соответственно.

Рассмотрим более подробно технологический процесс изготовления
биосенсера согласно техническому решению [Ьйр8://уап<1ех.ги/ра1еп18/<1ос/
К112697701С1_20190819].

Первоначально определялась зависимость толщины пленки оксида гра-
фена на полимерной подложке от числа итераций нанесения. Полимерная под-
ложка полиэтилентерефталата (ПЭТ) размером 40 * 40 мм, толщиной порядка
150 мкм подвергалась предварительной очистке с помощью 2-пропанола. Для
нанесения использовалась водная суспензия оксида графена с концентрацией
1,5 мг/мл. Суспензия объемом 200 мкл наносилась на подложку итерационно
методом капельного нанесения (ск'ор-сахйгщ), после чего производился нагрев
подложки до температуры ПО °С. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) вы-
явила формирование пленок оксида графена с регулированной толщиной по-
рядка до 1000 нм (при 15 итерациях послойного нанесения).

Далее сформированная пленка была локально восстановлена с помощью
лазерного излучения (445 нм, микросекундные импульсы) с формированием
П-образной проводящей области с шириной дорожки 1,5 мм и длиной 8 мм.
При этом происходит неполное восстановление ОГ, так как в этом случае в
материале остаются функциональные группы, требующиеся для обеспечения
ковалентного связывания биочувствительного агента (аптамера) с восстанов-
ленным оксидом графена. Площадь области восстановленного оксида графена
составляет 27 мм2, тогда как площадь невосстановленной области оксида гра-
фена составляет 38 мм2, исходя из общей площади подложки 65 мм2, так как
подложка покрыта равномерной пленкой ОГ.

Измерения сопротивления и исследования свойств полученных обла-
стей восстановленного оксида графена показали, что степень восстановления
пленки оксида графена, при которой в материале еще присутствуют функцио-
нальные карбоксильные группы, однако проводимость уже достаточна для из-
мерения неспециализированными приборами, достигается при флюенсе ла-
зера порядка 15 Дж/см2.

После формирования П-образной проводящей области подложка покры-
валась ламинирующей пленкой толщиной около 60 мкм с отверстием диамет-
ром 2 мм. Отверстие сформировано таким образом, чтобы оно находилось над
перемычкой П-образной области над центром перемычки и выполняло функ-
цию «окна», которое ограничивает чувствительную область сенсорной струк-
туры и служит для исключения возможности замыкания проводящих областей
экспонируемым раствором.

На следующем этапе проводилась резка сенсоров на отдельные струк-
туры и подгон размеров контактной области для установки в коннекторы типа
ОМКОК ХН2.1. Как правило, требуется отрезать порядка 0,1-0,2 мм с каждой
стороны сенсора для точной беззазорной установки в коннектор.

Далее производилась процедура ковалентной иммобилизации аптамеров
на поверхности. Процедура иммобилизации аптамера включает в себя подго-
товку наносимого раствора, содержащего активатор ЕБС (1 -этил-3-(3-димети-
ламинопропил) карбодиимид, буферный раствор на основе МЕЗ (2-(Ы-морфо-
лино) этансульфоновой кислоты. Реакцию проводили в буферном растворе
0,1 моль/л МЕЗ, рН = 6,0, с добавлением 50 % этанола при комнатной темпе-
ратуре в атмосфере инертного газа. Конечная концентрация аптамера при ре-
акции конъюгации составляла 5 • 10 5 моль/л. Далее в окно для экспонирова-
ния наносится указанный раствор объемом 2 мкл и выдерживается 24 часа во
влажной атмосфере.

Затем проводятся измерения на отклик на таргетный (тромбин) и рефе-
ренсный (альбумин) биологические агенты (рис. 8.15).

Созданный согласно техническому решению [Ьйр8://уап<1ех.ги/ра1еп18/
йос/КП2697701С1_20190819] биологический сенсор имеет гибкую подложку
из термостойкого полиэтилентерефталата толщиной 150 мкм, на которую
нанесен слой оксида графена толщиной порядка 1000 нм, с областью ло-
кально восстановленного до проводящего состояния оксида графена (ВОГ).
Область ВОГ представлена в виде топологического рисунка (паттерна), име-
ющего П-образную форму, не менее чем с двумя контактными областями для
подключения коннекторов типа ОМК.ОЯ ХВ21 или им подобного. Слой ок-
сида графена, в том числе паттернированная область, покрыт ламинирующей
пленкой толщиной 60 мкм по всей площади сенсора, за исключением элек-
трических контактов и специального окна, открывающего область иммоби-
лизации чувствительного вещества - аптамера, предназначенного для экспо-
нирования молекул биологических агентов.
Биосенсор (рис. 8.14) работает следующим образом: сенсор с помощью
контактов 12, сформированных на гибкой подложке 11, подключается к изме-
рительному прибору, после чего производятся необходимые калибровки изме-
рительной системы. Далее в область окна для экспонирования 16, вырезанного
в защитной полимерной пленке 15, производится экспонирование раствора,
в котором предположительно содержатся белки - маркеры детектируемого за-
болевания. За счет наличия в области 14 ковалентно иммобилизованных через
функциональную группу 22 аптамеров 23 происходит перераспределение за-
ряда на восстановленном оксиде графена 21, что выражается в изменении со-
противления всей токопроводящей области 12, 13 и 14. В итоге изменение со-
противления будет иметь вид, представленный на фигуре 3, где приведены
графики изменения сопротивления биосенсора при экспонировании таргет-
ным белком - тромбином и референсным белком - альбумином.

Предложенная в [Ьйр8://уап<1ех.ги/ра1еп18/ск>с/1Ш2697701С1_20190819'|
конструкция устройства обеспечивает ковалентную иммобилизацию аптамера
при сохранении чувствительности по сравнению с прототипом, что обеспечи-
вает решение поставленной технической задачи. Кроме того, создается чув-
ствительная структура на гибкой основе, что расширяет возможности приме-
нения биосенсора.

8.3. Ферромагнитная элементная база спинтроники

8.3.1 Спиновый г.ентиль

Под спинтроникой в широком смысле понимается область науки и тех-
ники, изучающая магнитные явления в твердых телах, обусловленные нали-
чием собственного и орбитального магнитных моментов электронов, и созда-
ние устройств обработки информации на их основе.

Здесь используются такие понятия, как доменные структуры, спиновые
волны, спин-поляризованный ток и т. д.

В более узком смысле под спинтроникой понимают область науки и тех-
ники, изучающую эффекты взаимодействия собственных магнитных момен-
тов электронов в твердом теле с электрическими и магнитными полями и со-
здание устройств обработки информации на их основе.

Сегодня практически во всех устройствах спинтроники используются
ферромагнитные элементы. Структура первого из них, который получил
название «спиновый клапан», или «спиновый вентиль» (8рт \-а1 се), показана
на рис. 8.16, а. Фактически это магниторезистивная ячейка, построенная на ос-
нове явления, известного как «гигантское магнетосопротивление». Иногда это
устройство называют спиновым диодом.

Спиновый вентиль состоит из двух обычных электродов (Эл1 и Эл2),
слоя материала «свободного» ферромагнетика (СФМ), очень тонкого слоя
нормального, неферромагнитного металла (ИМ) и слоя «фиксированного»
ферромагнетика (ФФМ). Магниторезистивную ячейку на основе явления
«туннельного магнетосопротивления», изображенную на рис. 8.16, б, назы-
вают «магнитным туннельным переходом» (ТП) (Ма§пейс Типпе! ЛтсНоп -
МТУ). Здесь ТП - это сверхтонкий слой диэлектрика, сквозь который происхо-
дит туннелирование электронов.

«Спиновый клзпан»

Рис. 8.16. Структура спинового клапана Га) и магнитного
туннельного перехода (б). Белылли стрелками показано направление
постоянной намагниченности «фиксированного» ферромагнетика

•'Магнитный
туннельный переход»
б)

Эффект гигантского магнитного сопротивления (ОМК) был открыт в
1938 г. Эффект проявляется в структуре, представляющей собой два слоя из
ферромагнитного материала (например, Со), разделенных тонкой прослойкой
из неферромагнитного проводника (например, меди) (рис. 8.17). Электриче-
ский ток пропускается через слой проводника в плоскости структуры. При
этом сопротивление структуры зависит от взаимного направления намагничи-
вания ферромагнитных слоев в плоскости. При параллельной ориентации
намагниченностей слоев сопротивление мало, а при встречной ориентации
намагниченностей оно возрастает. Величина относительного изменения со-
противления может достигать десяти процентов, что значительно превышает
величину обычного магнетосопротивления и оправдывает использование тер-
мина «гигантский». Эффект возникает из-за зависимости эффективности рас-
сеяния электронов от направления спина.

Основной особенностью таких спинтронных устройств является зависи-
мость проходного электрического сопротивления устройства, или электриче-
ского тока, который протекает сквозь него (при постоянном приложенном
напряжении), от индукции внешнего магнитного поля.

В спиновом вентиле управление электрическим током, протекающим
сквозь такое устройство, осуществляется с помощью внешнего магнитного
поля, изменяя ориентацию спинов в «свободном» ферромагнитном слое. Не-
которые авторы называют описанные выше спиновый вентиль и магнитный
туннельный переход также спиновыми диодами. Это связано с тем, что эти
устройства, как и диод, имеют два вывода и пропускают электрический ток
лишь тогда, когда намагниченности соответствующих ферромагнетиков «со-
направлены».

Апй Реггота§пе1:

Геггота§пеГ—

Апй Еегготаепе!:

Ни

Геггота§пе1—*

СопдисСог

ДК/К -5%-10%
ваСигабоп Г1еШ
10-30 Ое

Реггота^пес—

ТиппеНп§ Вагпег

ДК/В 20%-50%
заСигабоп Пек!

10 30 Ое

Ееггота^пе^*—

Реггота§пеС—

ЗиЬзСгаГе

5иЬ51га(:е

Рис. 8.17. Схематическое изображение структур:
а - с гигантским магнетсопротивлением;
б - с туннельным магнетосопротизлением

На основе спинового вентиля или магнитного туннельного перехода
можно реализовать спинтронную гальваническую развязку двух электриче-
ских схем (рис. 8.18, а). Когда через входную шину протекает входной ток (/вх)
того или иного направления, то создаваемое им магнитное поле перемагничи-
вает «свободный» ферромагнетик в соответствующем направлении. На вы-
ходе мы наблюдаем протекание выходного тока 7ВЫХ. Входная и выходная элек-
трические цепи при этом гальванически развязаны.

1т

сд у^П

---19
и.

фр

Рис. 8.18. Структура спинтронной гальванической развязки (а)
и схема оптрона (б)

Можно сказать, что работа такого спинтронного устройства полностью
аналогична работе оптоэлектронной гальванической развязки, схема которой
для сравнения показана на рис. 8.18, б. Здесь входной ток /вх течет через све-
тодиод (СД), который оптически связан с фоторезистором (ФР). От того, из-
лучает ли светодиод, зависит величина выходного тока /Вых. Однако принци-
пиальное отличие здесь заключается в том, что спинтронный аналог при нано-
размерах магниторезистивной ячейки работает несравненно быстрее: частота
его переключений составляет нескольких десятков гигагерц.

8.3.2. Вихревый спиновый диод

В работе [ЬНр8://уапдех.гшра1еп18/<1ос/1Ш2731531С1_20200903] представ-
лено описание вихревого спинового диода, работающего за счет эффекта пере-
носа спина и туннельного / гигантского магнетосопротивления и представляю-
щего из себя магнитную многослойную гетероструктуру, отличающуюся вих-
ревым распределением намагниченности в свободном слое. Построенный на
его основе приемник / детектор способен эффективно принимать передаваемую
микроволновым передатчиком и собранную фоновую микроволновую энергию
от беспроводных систем связи (ХУ1-Р1, ОЯМ, ЬТЕ и прочее), которая может ис-
пользоваться для питания устройств малой мощности, а также детектировать
радиосигналы микроволнового частотного диапазона.

Существующий уровень технологий позволяет использовать множество
внешних источников для выработки энергии. К таким источникам относятся,
например, вибрации, тепло или электромагнитные волны. В последнее время
привлекательным источником стали фоновые радиочастотные сигналы от бес-
проводных систем связи или сигналы, передаваемые специальными передат-
чиками (энергетическими роутерами), которые могут использоваться для за-
рядки устройств малой мощности. Вместе с тем существующие электромаг-
нитные устройства для сбора микроволновой энергии обладают большими га-
баритами, а полупроводниковые устройства не позволяют получить требуе-
мый уровень конверсии во всем диапазоне мощностей. Возможным решением
данной проблемы является использование приемников, включающих в себя
спиновый диод, который работает за счет эффектов переноса спина и туннель-
ного магнетосопротивления.

Предлагаемый [169] вихревой спиновый диод представляет собой маг-
нитный туннельный переход, в котором два ферромагнитных слоя разделены
туннельной прослойкой. Первый ферромагнитный слой выполняет функцию
поляризатора, а второй ферромагнитный слой является свободным и содержит
магнитный вихрь. Подробнее туннельный переход описан, например, в па-
тентном документе П8 7598555В1. где выпрямление переменного сигнала осу-
ществляется за счет спинового диодного эффекта. Данный эффект был изве-
стен ранее [см.: А. А. Ти1аригкаг е1 а1. 8рт-1огдие <Пос1е еПес!т та^пейс 1иппе1
)ипсйоп8 // ^йие 438. 7066. - 339 (2005)] и заключается в возбуждении пере-
менным током осцилляций намагниченности за счет эффекта переноса спина,
что, в свою очередь, приводит к осцилляциям сопротивления за счет эффектов
гигантского или туннельного магнетосопротивления, в результате чего в вы-
ходном напряжении спинового диода появляется постоянная компонента, т. е.
происходит частичное выпрямление входного переменного сигнала.
Отличительной особенностью описанного в [ 169] конструктивно-техни-
ческого решения является наличие вихревого распределения намагниченности
в свободном ферромагнитном слое спинового диода. Данное распределение
намагниченности представляет собой намагниченность, лежащую в плоскости
и закрученную по часовой стрелке или против часовой стрелки везде, кроме
центра (ядра) магнитного вихря, в котором намагниченность выходит из плос-
кости вверх или вниз. При этом существуют геометрические размеры свобод-
ного слоя, при которых вихревое распределение намагниченности является
равновесным и образуется самопроизвольно [см.: К. Ь. Ме(1оу, К. У. ОизИепко.
81аЫ1йу о('та§пеНс хоПех т кой та§пебс папо-81ге<1 С1гси1аг суНпйег // ,1ошпа1
о Г та^пебзт апс! та§пейс тайепак 242. - 1015-1017 (2002)].

Еще одним примером использования спиновых диодов является патент-
ный документ ЕГ8 8860159 (В2) (опубликован 14.10.2014). Устройство подан-
ному документу работает в нерезонансном (широкополосном) режиме, что
приводит к меньшей чувствительности. Устройство [169] работает в резонанс-
ном (узкополосном) режиме, за счет уникальных особенностей динамки маг-
нитного вихря в свободном слое. Также в отличие от широко известных одно-
родных спиновых диодов, в которых свободный слой намагничен однородно
или квазиоднородно, конструкция [ 169] позволяет работать на меньших часто-
тах (от сотен МГц до единиц ГГц) за счет использования особенностей резо-
нансного возбуждения магнитного вихря.

При этом спиновый диод может работать как без тока смещения в ре-
жиме приема энергии, выпрямляя переменный микроволновой сигнал от спе-
циального передатчика иди же фоновый микроволновой сигнал от беспровод-
ных систем связи, так и с током смещения, который значительно повышает
чувствительность, в режиме детектора сигнала на выделенной частоте.

Практическим применением результатов изобретения является возмож-
ность создания на его основе имеющего резонанс эффективности выпрямле-
ния в области частот от сотен МГц до единиц ГГц и способного эффективно
выпрямлять внешний сигнал в широком диапазоне мощностей (от нВт до Вт)
вихревого спинового диода. Этот вихревой спиновый диод работает за счет
эффекта переноса спина и туннельного / гигантского магнетосопротивления и
представляет собой магнитную туннельную гетероструктуру, включающую:
1) первый ферромагнитный слой, намагниченность которого фиксируется с
помощью антиферромагнитного слоя или синтетического антиферромагне-
тика; 2) туннельную диэлектрическую или немагнитную металлическую про-
слойку; 3) второй ферромагнитный слой, намагниченность которого является
свободной. При этом выпрямляющий элемент отличается тем, что второй фер-
ромагнитный (свободный) слой содержит вихревое распределение намагни-
ченности.

Отличительная черта данного приёмника / детектора заключается в по-
вышенной чувствительности на малых мощностях входного переменного сиг-
нала (вплоть до нВт), а также в практически нулевом пороге возбуждения.
В результате становится возможным сбор энергии из фонового радиочастот-
ного спектра или от слабого передатчика для питания устройств с малым по-
треблением энергии (датчиков, микроконтроллеров, устройств памяти и т. д.),
а также детектирование сверхслабых радиочастотных сигналов. Другой отли-
чительной чертой является частотный диапазон эффективного выпрямления
от сотен МГц до единиц ГГц, а также отсутствие необходимости во внешнем
магнитном поле для работы предлагаемого вихревого спинового диода.

Конструктивно вихревой спиновый диод выполнен в виде многослой-
ного наностолбика с характерными толщинами слоев в доли - единицы нано-
метров и с характерными диаметрами в десятки - сотни нанометров. Вихревой
спиновый диод включает в себя два ферромагнитных слоя, разделенных не-
магнитной прослойкой (туннельной диэлектрической или металлической).
Кроме того, он может включать также дополнительные побочные слои (напри-
мер, слои, необходимые для подведения тока и интеграции с другими элемен-
тами, или побочные технологические слои). Первый ферромагнитный слой
имеет фиксированную намагниченность, что достигается за счет использова-
ния антиферромагнитного слоя или синтетического ферромагнетика. Первый
ферромагнитный слой выполняет функцию поляризатора тока. При этом
направление его намагниченности может быть задано как в плоскости, так и
под углом, имея при этом и перпендикулярную плоскости пленки компоненту.
Выбор конкретного направления зависит от использования вихревого спино-
вого диода в качестве детектора или приёмника. Случай намагниченности пер-
вого слоя в плоскости соответствует наибольшей эффективности выпрямле-
ния сигналов без тока смещения, т. е. выгоден для приема передаваемой или
фоновой радиочастотной энергии. При этом наличие перпендикулярной ком-
поненты позволяет увеличивать чувствительность в режиме работы с током
смещения, что выгодно для детектирования, но не может быть использовано
для приема энергии. Второй ферромагнитный слой (свободный) изготовлен из
магнитомягкого материала (с нулевой или близкой к нулю анизотропией) и
имеет вихревое распределение намагниченности, которое является равновес-
ным и образуется самопроизвольно для характерных размеров. Между первым
и вторым ферромагнитными слоями находится немагнитная прослойка, кото-
рая может быть туннельной диэлектрической или металлической и которая
обеспечивает туннельное / гигантское магнетосопротивление. При этом вме-
сто использования первого ферромагнитного слоя (поляризатора), направлен-
ного под углом, можно использовать первый ферромагнитный слой (поляри-
затор), направленный в плоскости, вместе с дополнительным третьим ферро-
магнитным слоем, намагниченным перпендикулярно, находящимся с другой
стороны от свободного слоя и разделенным со вторым слоем немагнитной
прослойкой - туннельной (типа М§0) или металлической (типа Си). В данном
варианте структура диода будет выглядеть следующим образом: первый фер-
ромагнитный слой - немагнитная прослойка - второй ферромагнитный слой -
немагнитная прослойка - третий ферромагнитный слой.

Устройство работает следующим образом. При попадании переменного
тока на вихревой спиновый диод электроны проходят через первый ферромаг-
нитный слой и поляризуются по спину, затем проходят через туннельную про-
слойку и переносят момент движения во второй ферромагнитный слой со сво-
бодной намагниченностью, создавая, таким образом, вращающий момент, дей-
ствующий на намагниченность второго слоя. В этом слое возникают осцилля-
ции намагниченности на частоте подаваемого сигнала, амплитуда которых ре-
зонансно возрастает при приближении частоты входного сигнала к собственной
частоте колебаний магнитного вихря. Такие осцилляции намагниченности вы-
зывают соответствующие осцилляции электрического сопротивления, создаю-
щие, таким образом, постоянную токовую компоненту, величина которой зави-
сит от частоты внешнего сигнала (эффект выпрямления). Такая компонента мо-
жет использоваться для питания маломощных устройств. При этом возможен
режим, когда на вихревой спиновый диод также подается постоянный ток, по-
нижающий диссипации в системе, в результате чего отклик намагниченности,
а значит, и выпрямление, значительно увеличивается. В данном режиме вихре-
вой спиновый диод может работать как высокочувствительный детектор.

Толщины слоев и диаметр вихревого спинового диода подбираются та-
ким образом, чтобы обеспечить нужную рабочую частоту из возможного диа-
пазона и максимальную чувствительность вихревого слоя к микроволновому
сигналу.

8.3.3. Спинтронный транзистор

На текущий момент известно много вариантов спинтронных транзисто-
ров. Одним из первых был спин-вентильный транзистор - спинтронный
аналог полупроводникового транзистора с металлической базой. Его струк-
тура (а) и соответствующая энергетическая диаграмма (б) показаны на
рис. 8.19. База этого транзистора представляет собой спиновый клапан (вен-
тиль), наноструктура которого более подробно изображена в круглой выноске.

Рис. 0.19. Структура спин-вентильного транзистора (а!
и соответствующая энергетическая диаграмма (б)

В структурах используются два типа ферромагнетика - «свободный»
и «фиксированный». «Свободный» ферромагнетик из сплава М1Ре имеет коэр-
цитивную силу приблизительно 400 А/м, а «фиксированный» (из кобальта) -
приблизительно 1600 А/м. «Неферромагнитная» прослойка и оптический кон-
такт с коллектором обычно выполнены из золота, а контакт с эмиттером
(Эм-р) - из платины. На границе раздела между базой и полупроводниками
образуются барьеры Шоттки. Величина барьера Р(-$1 приблизительно на
0,1 эВ выше величины барьера Аи-$1. На энергетической диаграмме справа эти
потенциалы Шоттки обозначены через срШ1 и сршз- Вдоль горизонтали отло-
жена потенциальная энергия электронов, вдоль вертикали вниз - координата
на перпендикуляре к плоскости слоев. Штриховыми вертикальными линиями
обозначены уровни Ферми Еф в эмиттере, базе и коллекторе, а через 6'эг, и
[/бк - обозначены перепады напряжения между базой и эмиттером и, соответ-
ственно, между базой и коллектором.

Конструкцию транзистора проектируют таким образом, чтобы ток 1б из
эмиттера в базу протекал так, чтобы электроны входили в базу перпендику-
лярно слоям спинового вентиля. Тогда из-за наличия барьера Шоттки в базу
могут пройти только «горячие» электроны. В многослойной базе большинство
этих электронов ориентируются спинами вдоль направления намагниченности
«свободного» ферромагнитного слоя. Дальше они проходят сквозь очень тон-
кий немагнитный слой золота и попадают в «фиксированный» ферромагнит-
ный слой кобальта. Если ориентация большинства спинов параллельна намаг-
ниченности этого слоя, то они проходят сквозь него, а если антипараллельна,
то не проходят и образуют ток базы (Тб). После возможных редких рассеяний
в базе электроны теряют часть своей кинетической энергии, но потом наби-
рают ее, ускоряясь благодаря приложенному напряжению между базой и кол-
лектором. Многим из них этой энергии достаточно, чтобы пройти сквозь ба-
рьер Шоттки на контакте Аи-81. Поэтому ток коллектора (/к) существенно за-
висит от взаимной ориентации намагниченности «свободного» и «фиксиро-
ванного» ферромагнетика. А этой ориентацией можно управлять (изменять) с
помощью внешнего магнитного поля.

На рис. 8.20 показана типичная зависимость коллекторного тока (/к) от
величины напряженности внешнего магнитного поля Н. Когда эта напряжен-
ность превышает коэрцитивную силу пленки кобальта, направления намагни-
ченности обоих ферромагнитных слоев совпадают, и тогда сквозь спин-вен-
тильный транзистор протекает максимальный ток (точка 1). Если Н умень-
шать, то немного уменьшается и ток коллектора. Но когда //уменьшится до О,
ток начнет возрастать в противоположном (обратном) направлении и достиг-
нет величины коэрцитивной силы «свободного» ферромагнетика (точка 2), то-
гда слой №Ре перемагничивается в противоположном направлении, вслед-
ствие чего выходной коллекторный ток резко уменьшается

Если и дальше увеличивать значение Н в противоположном направле-
нии, то при достижении значения коэрцитивной силы слоя кобальта (точка 3)
начинается процесс перемагничивания этого слоя также в направлении маг-
нитного поля, вследствие чего направления намагниченности обоих ферромаг-
нитных слоев опять совпадают, и коллекторный ток резко возрастает. При
больших значениях Н коллекторный ток снова достигает наибольшего значе-
ния (точка 4). Если же напряженность магнитного поля уменьшать (пунктир-
ная линия), то всё повторяется зеркально (симметрично) (точки 5, 6, 1).

Рис. 8.20. Зависимость коллекторного тока спин-вентильного
транзистора от напряженности внешнего ллагнитнсго поля

В этом спин-вентильном транзисторе величина коллекторного тока
значительно меньше, чем величина тока эмиттера и базы, так что усиление
тока (или мощности) не наблюдается. Тем не менее, чувствительность к изме-
нениям магнитного поля вблизи точек 2, 3, 5 и 6 довольно велика. Величина
тока изменяется почти втрое в диапазоне в несколько эрстед с очень быстрой
(пикосекундной) реакцией. Такой транзистор, как видим, имеет еще и соб-
ственную внутреннюю «память», которая не зависит от выключения питания,
но «реагирует» на изменения магнитного поля в зависимости от состояния,
в котором он находится.

8,3.4. Туннельный спин-зентильнь/й транзистор

Одним из вариантов описанного транзистора с металлической базой яв-
ляется туннельный спин-вентильный транзистор, структура которого, соот-
ветствующая энергетическая диаграмма и схема подключения эскизно пока-
заны на рис. 8.21. На пластину полупроводника, в данном случае СаАз, являю-
щуюся коллектором транзистора, нанесена тонкая (порядка 10 нм) пленка «сво-
бодного» ферромагнетика (СФМ), который является металлической базой,
сверхтонкая (порядка 1 нм) пленка изолятора, в данном случае ИЛОз, являюща-
яся туннельным барьером, и более толстая (порядка 30 нм) пленка «фиксиро-
ванного» ферромагнетика (ФФМ), который является эмиттером транзистора.

Между «свободным» ферромагнетиком (СФМ) и полупроводником об-
разуется барьер Шоттки. Источники напряжения между эмиттером и базой
Оэб и между базой и коллектором С'бк вызывают смещение уровней Ферми в
эмиттере СЕфэ) и в коллекторе (Л’фк) относительно уровня Ферми в базе (Л’фб).
Спин-зависимое туннелирование электронов сквозь пленку изолятора обеспе-
чивает зависимость токов от взаимной ориентации направлений намагничива-
ния «свободного» и «фиксированного» ферромагнетика, а следовательно,
и чувствительность транзистора к внешнему магнитному полю. Баллистиче-
ский характер прохождения электронов проводимости сквозь тонкую базу (ее
толщина меньше длины свободного пробега электронов между рассеяниями)
обеспечивает высокое быстродействие - до нескольких терагерц. Характер за-
висимости коллекторного тока 7к от напряженности внешнего магнитного
поля подобен зависимости, приведенной ранее и показанной на рис. 8.21.

Рис. 8.21. Эскизная схема и энергетическая диаграмма
туннельного спин-вентильного транзистора

8.3.5. Спин-транзистор с полупроводниковой базой

Пример спин-транзистора с полупроводниковой базой показан на
рис. 8.22. Здесь на окисленную сверху основу из кремния (5/- осн.) обычно
нанесен слой кремния (р-81), который сверху тоже окислен (Л'Оз). В окисле
вытравлено «окно», через которое нанесена очень тонкая (порядка 2 нм)
пленка нитрида кремния (З^ТУй). Выше нанесен слой «свободного» ферромаг-
нетика (СФМ), являющийся коллектором транзистора, и слой металлизации
(АГ) для формирования внешнего вывода (К). Одновременно формируется и
внешний вывод базы (Б). С противоположной (нижней) стороны основы (57 -
осн.) также вытравлено сквозное «окно» в 57 (осн.) и в (57СБ), и нанесена очень
тонкая пленка нитрида кремния (57’,АД.

Дальше наносится слой «фиксированного» ферромагнетика (ФФМ), яв-
ляющегося эмиттером транзистора. Внешние выводы от эмиттера (Э) и от кол-
лектора (К) обычно выполнены из алюминия. Пленки нитрида кремния (57',А’|)
выполняют функции туннельных переходов база - коллектор и база - эмиттер.
Они улучшают эмиссию спин-поляризованных электронов из ФФМ в базу и
их «вытягивание» электрическим полем из базы в коллектор

Типовая схема применения такого транзистора «с общим эмиттером»
показана на рис. 8.23. Стрелками на выводах эмиттера и коллектора условно
показано, в каком из них ферромагнетик является фиксированным (|), а в ка-
ком - свободным ("[ |). Выходная характеристика такого транзистора тоже за-
висит от внешнего магнитного поля. Как и предыдущие варианты транзистора,
он имеет внутреннюю энергонезависимую память.

Рис. Н.22. Структура спин-транзистора с полупроводниковой базой

Рис. 6.23. Схема включения спин-транзистора
с полупроводниковой базой в варианте «с общим эмиттером»

8.3.6. Спиновый полевой транзистор

Еще в 1990 г. был описан один из первых вариантов спинового полевого
транзистора с использованием релятивистского эффекта. Структура такого
транзистора показана на рис. 8.24.

Она похожа на структуру МДП-транзистора, но здесь исток и сток сфор-
мулированы из ферромагнитных материалов, намагниченных в одинаковом
направлении. Они соединены между собой тонким каналом инверсной прово-
димости, через который проходят инжектированные из ферромагнетика элек-
троны, у большинства из которых спин ориентирован параллельно намагни-
ченности ферромагнетика. Как и в МДП-транзисторе, здесь величина тока
сквозь канал зависит от напряжения на затворе. Если один из ферромагнетиков
сделать «свободным», то электрическим током стока можно управлять также
и с помощью внешнего магнитного поля. На кривой зависимости тока от
напряженности магнитного поля наблюдается гистерезис. И у этого транзи-
стора, как было описано выше, появляется внутренняя магнитная память.

Канал Диэлектрик

Рис 8.24. Структура спинового полевого транзистора

Однако здесь исследователям открылась еще одна интересная возмож-
ность. Если электрическое сопротивление канала достаточно велико, то между
истоком и стоком можно приложить значительное напряжение, которое будет
ускорять электроны, движущиеся вдоль канала. Когда они достигают скорости
V > 10' м/с, становится ощутимым релятивистский эффект. Ведь в собственной
системе отсчета электрона приложенное к затвору напряжение создает не
только электрическое поле с напряженностью Е, но и (в соответствии с тео-
рией относительности) перпендикулярное к нему магнитное поле Н, пропор-
циональное векторному произведению [у.*Е]. Это магнитное поле, направ-
ленное перпендикулярно к плоскости изображения, действует на электроны и
может поворачивать их спины. Если направление намагниченности ферромаг-
нетиков лежит в плоскости изображения, то магнитный момент электронов
поворачивается тоже в этой плоскости, как показано на рис. 8.25 справа
(кружочек с точкой в центре показывает ориентацию вектора напряженности
магнитного поля Н). В случае когда электроны долетают до стока со спинами,
повернутыми на 180°, они не проходят сквозь ферромагнетик стока, и ток
сквозь транзистор резко уменьшается. В промежуточных случаях ток стока яв-
ляется периодической функцией напряжения на затворе.

8 3.7. Спинтроннь/й СВЧ-генератор

В патенте КЕГ2690217С1 описана конструкция спинтронного генератора
СВЧ-радиосигналов, отличающегося повышенной мощностью и стабильно-
стью выходного сигнала и предназначенного для использования в качестве пе-
рестраиваемого генератора в синтезаторах частот.

Наиболее известные конструкции спин-трансферных генераторов [2]
обычно состоят из трех слоев: ферромагнитного слоя с фиксированной намаг-
ниченностью, промежуточного немагнитного слоя и ферромагнитного слоя со
свободной намагниченностью. Протекающий через это устройство постоян-
ный ток высокой плотности за счет эффекта спинового переноса момента по-
ляризуется по спину и приводит к прецессии намагниченности ферромагнит-
ного слоя со свободной намагниченностью. Прецессия намагниченности за
счет эффекта гигантского магнетосопротивления приводит к осцилляциям со-
противления трехслойной структуры в СВЧ-диапазоне.

О1Л

Рис. Р.25. Структурная схема СВЧ-генератора

Рис. 8.26. Эскиз конструкции СВч-генератора

Однако большинство таких технических решений имеют один общий
недостаток - низкую мощность колебаний, обусловленную низким перемен-
ным сопротивлением используемого в конструкции спин-трансфсрного гене-
ратора. Типовая мощность таких СВЧ-генераторов составляет порядка не-
скольких нановатт.
Известны также другие конструкции спин-волновых устройств [171]
с повышенной выходной мощностью. Однако и эти технические решения
имеют ряд недостатков, существенно ограничивающих возможности их прак-
тического применения.

Рис. 8.27. Вольт-амперная характеристика источника тока (с)
и выходная характеристика спин-трансферного генератора (б)

Первый недостаток этих устройств заключается в низкой мощности ко-
лебаний. И здесь максимальная мощность может достигать всего нескольких
микроватт.

Второй недостаток заключается в низкой стабильности выходных коле-
баний, обусловленной неравномерной плотностью тока, протекающего через
спин-трансферный генератор в процессе его работы.

В предложенной [170] конструкции СВЧ-генератора эти недостатки
устранены за счет введения дополнительных элементов усилителя мощности,
моста, двух делителей частоты, фазового детектора, фильтра низких частот,
источника тока, опорного кварцевого генератора. При этом спин-трансферный
генератор через последовательно соединенные усилитель мощности, мост и
первый делитель частоты подключен к фазовому детектору, а к фазовому де-
тектору через второй делитель частоты подключен опорный кварцевый гене-
ратор. При этом выход фазового детектора через последовательно подключен-
ные фильтр низких частот и источник тока подключен к спин-трансферному
генератору.

На рис. 8.25 показана структура СВЧ-генератора, который включен в
цепь фазовой автоподстройки с усилителем мощности 2, состоящей из мо-
ста 3, первого делителя частоты 4, фазового детектора 5, фильтра низких ча-
стот 6, источника тока 7, опорного кварцевого генератора 8 и второго делителя
частоты 9. Первый делитель частоты 4 и второй делитель частоты 9 - это мик-
росхемы с заданными оператором коэффициентами деления [171]. Опорный
кварцевый генератор 8 должен быть термокомпенсирован или термостатиро-
ван, его частота может быть выбрана порядка 10 МГц [172]. Выход опорного
кварцевого генератора 8 через второй делитель частоты 9 подключен к фазо-
вому детектору 5, который представляет собой комбинацию умножающих и
смешивающих диодов, реализованных в виде одной микросхемы [171]. Выход
фазового детектора 5 подключен к фильтру низких частот 6, который является
фильтром нижних частот. Выход фильтра 6 подключен к источнику тока 7.
Источник тока 7 подключен к спин-трансферному генератору 1, который через
усилитель мощности 2, мост 3 и первый делитель частоты 4 подключен к фа-
зовому детектору 5.

Усилитель мощности 2 представляет собой трехкаскадную схему усиле-
ния с высоким входным сопротивлением, выполненную по технологии
КМОП. Мост 3 содержит два выхода, первый подключен к входу фазового де-
тектора 5, второй служит для подключения полезной нагрузки.

В свою очередь, как показано на рис 2, спин-трансферный генератор 1,
представляющий собой многослойную структуру типа «наностолб» с диамет-
ром 50-200 нм [5], состоит из последовательно закрепленных друг на друге
первого электрода 11, адгезионного слоя 12, антиферромагнитного слоя 13,
первого ферромагнитного слоя 14, изолирующего слоя 15, второго ферромаг-
нитного слоя 16, промежуточного слоя 17, свободного слоя 18, второго элек-
трода 19. К первому электроду 11 подключается выход источника тока 7, вто-
рой электрод 20 подключается ко входу усилителя мощности 2. Первый элек-
трод 11 и второй электрод 20 выполнены из проводящего материала, напри-
мер, меди. Адгезионный слой 12 имеет толщину 1-5 нм и может быть выпол-
нен, например из тантала. Антиферромагнитный слой 13 может быть изготов-
лен из сплава платины с марганцем (Р1Мп) или иридия с марганцем (1гМп). Его
толщина составляет 10-30 нм. Первый ферромагнитный слой 14 и второй фер-
ромагнитный слой 16 имеют толщину 10-20 нм. Первый ферромагнитный
слой 14 может быть выполнен из сплава кобальта с железом (СоРе), второй
ферромагнитный слой 16 - из сплава кобальт - железо - бор (СоРеВ). Изоли-
рующий слой 15 имеет толщину 1-5 нм и должен быть выполнен из немагнит-
ного материала, например рутения (Кн). Промежуточный слой 17 выполнен из
оксида магния (М§О), его толщина составляет 1-5 нм. Свободный слой 18 вы-
полнен из ферромагнитного материала, например сплава кобальт - железо -
бор, его толщина составляет от 3 до 15 нм.
Рассмотрим более подробно работу выполненного СВЧ-генератора. Ис-
точник тока 7, при этом на вход спин-трансферного генератора 1 поступает
постоянный ток. Таким образом, задается рабочая точка спин-трансферного
генератора 1. В спин-трансферном генераторе 1 за счет эффекта гигантского
магнетосопротивления и эффекта спинового переноса тока генерируются
СВЧ-колебания, обладающие низкой стабильностью. Эти колебания попадают
на вход усилителя мощности 2, где происходит усиление их мощности. Далее
колебания попадают на вход моста 3, где сигнал делится на две равные части.
Первая является полезным выходным сигналом, а вторая попадает на вход
первого делителя частоты 4, где через заданный оператором коэффициент де-
ления приводится к частоте сравнения, равной частоте колебаний опорного
кварцевого генератора 8, деленной на значение коэффициента деления во вто-
ром делителе частоты 9. В фазовом детекторе 5 происходит сравнение теку-
щих фаз двух колебаний на частоте сравнения колебаний опорного кварцевого
генератора 8 и колебаний спин-трансферного генератора 1. На выходе фазо-
вого детектора 5 создается постоянное напряжение, пропорциональное разно-
сти фаз опорного кварцевого генератора 8 и спин-трансферного генератора 1.
Зависимость выходного напряжения от разности фаз определена типом детек-
торной характеристики фазового детектора 5. Подключенный к фазовому де-
тектору 5 фильтр низких частот 6 блокирует все высокочастотные составляю-
щие напряжения.

Источник тока 7 по заданной характеристике (рис. 8.27, а) преобразует
входное напряжение в выходной ток, который может быть больше или меньше
тока в рабочей точке. Новое значение тока попадает на вход спин-трансферного
генератора 1 и меняет его частоту (рис. 8.27, б). Таким образом, происходит
подстройка частоты спин-трансферного генератора 1 к частоте опорного квар-
цевого генератора 8, что и обеспечивает увеличение стабильности выходного
колебания.

Введение в структуру СВЧ-генератора цепи фазовой автоподстройки с
усилителем позволяет перераспределить энергию выходных колебаний спин-
трансферного генератора и увеличить ее значение на любой выбранной ча-
стоте.

8.3.8. Спинтронное реле

Опишем еще одно спинтронное устройство, показанное на рис. 8.28, ко-
торое его создатели называют также спин-транзистором. Оно состоит из маг-
нитного туннельного перехода (МТП) 1 и расположенной непосредственно
над ним входной шины 2. Первый МТП (1) включается последовательно с вы-
несенной выходной шиной 4 и внешним источником напряжения 5.

Зависимость выходного тока (/вых 1) от входного (/вх) показана на
рис. 8.29.

Устройство работает следующим образом: пусть в исходном состоянии
«свободный» и «фиксированный» ферромагнетики МТП намагничены в оди-
лаковом направлении, электрическое сопротивление МТП мало и выходной
ток /вых 1 значительный (точка 1 на характеристике). Если увеличивать вход-
ной ток, то возрастает и создаваемое им магнитное поле. Когда оно достигает
значения коэрцитивной силы «свободного» ферромагнетика (точка 2), то по-
следний перемагничивается в противоположное направление, электрическое
сопротивление МТП резко возрастает, и выходной ток уменьшается. В даль-
нейшем это состояние (точка 3) запоминается. Лишь в том случае если во
входную шину подать ток противоположного направления и увеличивать его,
то при достижении критического значения (точка 4) «свободный» ферромаг-
нетик перемагничивается в противоположное направление, электрическое со-
противление МТП уменьшается, и выходной ток резко возрастает. Это состо-
яние (точка 5) тоже запоминается

Рис 3.28. Структура спинтронного реле:

1 - первый ллагчитный туннельный переход (МТП);

2 - входная шина' 3 - внешний источник тока; 4 - выходная шина:

5 - внешний источник напряжения; 6 - второй МТП

Рис. 8.29. Статическая выходная характеристика
спинтронного реле
Поскольку такое поведение больше похоже на поведение электромеха-
нических реле, далее описанное устройство мы будем называть не спин-тран-
зистором, а спинтронным реле.

Благодаря внешнему источнику напряжения 5 выходной ток (/вых 1) мо-
жет быть больше, чем входной ток (/вх)- Вынесенная выходная шина 4 может
быть входной шиной следующего МТП (6), который может быть по своим раз-
мерам крупнее и, следовательно, может пропускать ток еще больший. На вы-
ходе этого «второго каскада» можно получить электрический ток в сотни раз
больше «управляющего» входного тока (/вх)-

Работа спинтронного реле в динамическом режиме показана на
рис. 8.30. Главным параметром здесь является время переключения которое
характеризует скорость срабатывания реле. В зависимости от величины сопро-
тивления и значений паразитных емкостей соединений это время может со-
ставлять от десятков пикосекунд до десятков наносекунд.

Рис. 6 30. Работа спинтронного роле в динамике -
зависимость выходного электрического тока реле от времени

Если над входной шиной 2 (рис. 8.30) разместить еще одну независимую
входную шину, то можно реализовать логические функции &, V и прочие.
А если на выходе последовательно включить две выходные шины 4, то можно
разветвлять логические цепи. Соответствующие логические схемы мы описы-
вать не будем, поскольку, скорее всего, они не являются оптимальными спин-
тронными схемами. Ведь схемотехника спинтроники продолжает активно раз-
виваться.

8.3.9. Спинтронные светодиоды

Спинтронные светодиоды на основе/з-л-перехода в АЮаАз отличаются
тем, что их излучение циркулярно поляризовано. Это связано с тем, что в об-
ласть гетероперехода, где происходит рекомбинация, в отличие от обычных
светодиодов инжектируются спин-поляризованные электроны проводимости
или спин-поляризованные «дырки». В АЮаАз (в ОаАв и в других полупровод-
никах этой группы) разрешены оптические переходы при рекомбинации элек-
тронов, имеющих спин +1/2, лишь с дырками со спином —1/2, или наоборот -
электронов, имеющих спин -1/2, лишь с дырками со спином +1/2. Поэтому
фотоны, которые при этом излучаются, имеют спин ±1, т. е. являются право-
или лево-поляризованными. Это - чисто квантовый эффект. Динамика враще-
ния электрического вектора в такой циркулярно поляризованной световой
волне показана на рис. 8.31.

При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же
самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно
поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым чис-
лом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших техноло-
гий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризо-
ванного света используется для «оптического намагничивания» ансамблей
атомов или для их «оптической накачки» - создания инверсной заселенности
возбужденных состояний атомов.

Рис. 8.31 Динамика вращения электрического вектора
в циркулярно поляризованной электромагнитной волне

Излучение спинтронных светодиодов можно модулировать с очень вы-
сокой частотой с помощью как электрических, так и магнитных воздействий.
Преимуществом такого света как переносчика информации является то, что
информацию здесь можно кодировать не только амплитудой, частотой или фа-
зой, но и направлением циркулярной поляризации.

8.3.10. Спинтронные аккумуляторы

Структура прототипа спинового аккумулятора показана на рис. 8.32. На
подложке из арсенида галлия р+ (р-СаЛх) последовательно нанесены слои
СаАв.'Ве (20 нм), наночастицы ферромагнитного полупроводника МпА$ диа-
метром около 3 нм, распределенные в матрице арсенида галлия толщиной
10 нм, туннельный барьер из арсенида алюминия (А/Аз), тонкая пленка арсе-
нида галлия (СаАв, 1 нм) и ферромагнитный слой МпАз толщиной 20 нм.
Сверху сформированы контакты из золота к подложке и к слою МпАз.

Если наночастицы МпАз с помощью внешнего магнитного поля пере-
магнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности
магнитожесткого слоя МпАз (ферромагнетик с фиксированной намагниченно-
стью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризо-
ванных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение.
Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наноча-
стицам МпАз «потекут» электроны, спины которых ориентированы в направ-
лении намагниченности «фиксированного» ферромагнетика. Эти электроны,
накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных на-
ночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с
ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.

МПА5 (20 нм)

.СаАз (1 нм)

*А1Аз (бартер)

МпАз (наночаст.

0 3 нм)
'СаАз (матрица.
10 нм)

'СаДз.Ве (20 нм)

Изолятор

Рис. В.32. Структура прототипа спинового аккумулятора

Протекание тока в замкнутой внешней цепи поддерживается за счет
энергии неравновесного намагничивания наночастиц. Когда все ферромагнит-
ные наночастицы перемагничиваются в направлении намагниченности «фик-
сированного» ферромагнетика, ток прекращается. Для восстановления работы
аккумулятора ферромагнитные наночастицы надо снова перемагнитить в про-
тивоположном направлении. Таким образом, спин-аккумулятор запасает энер-
гию не в химической форме, как обычные аккумуляторы, а в виде энергии
намагниченности ферромагнитных наночастиц. С помощью внешнего магнит-
ного поля спиновый аккумулятор можно заряжать бесконтактно. Такие акку-
муляторы могут стать эффективным источником напряжения питания для
спинтронных схем и для микроустройств, вживляемых в организм человека
или животных.

8.3.10.1. Материалы аля спиновых аккумулятороь

Как отмечено выше, количественную связь между спиновым током и
микроскопическими параметрами ферромагнетика, индуцирующего этот ток,
определяют два основных параметра - константа магнитной анизотропии К
(пропорциональна полю анизотропии (На) и безразмерный параметр затухания
Гильберта а. Основной методикой определения этих величин является техника
электронного спинового резонанса (ЭПР).

Как показано выше, принцип работы магниторезонансного «спинового
аккумулятора», когда прецессия намагниченности возбуждает спиновый ток,
является обратным эффекту переключения намагниченности ферромагнетика
при пропускании через него спинового тока. Для регистрации спинового тока
в такой структуре используется обратный спиновый эффект Холла, при кото-
ром происходит преобразование спинового тока в перпендикулярный ему
обычный электрический ток. Следует отметить, что спиновый ток можно ре-
гистрировать также и косвенным способом по затуханию прецессии вектора
намагниченности М, т. е. по параметру а. Поскольку релаксация, определяю-
щаяся параметром а, приводит к «уширению» линии ферромагнитного резо-
нанса, то возбуждение спинового тока в таком «спиновом аккумуляторе» на
основе двухслойной гетероструктры создает еще один релаксационный канал,
приводящий к дополнительному «уширению» линии ферромагнитного резо-
нанса. Поэтому техника ЭПР позволяет не только проводить селекцию ферро-
магнетиков (по параметрам К и а) на пригодность для «спиновых аккумуля-
торов», но также дает дополнительный инструмент для регистрации спино-
вого тока.

Известным основным недостатком магниторезонансного метода генера-
ции спинового тока является необходимость возбуждения в «спиновом акку-
муляторе» механизма ферромагнитного резонанса, что весьма значительно
увеличивает стоимость такого элемента, поскольку требует наличия дорого-
стоящего ЭПР-спектрометра, включающего высокостабильный однородный
магнит. Поэтому исследователи сосредоточили усилия на создании такой кон-
струкции «спинового аккумулятора», которая бы позволяла обходиться без ис-
пользования внешнего подмагничивающего поля (Но). Известно, что в некото-
рых ферромагнетиках ферромагнитный резонанс может возбуждаться даже в
«нулевом» внешнем магнитном поле (Но = 0). Эта известная разновидность
ферромагнитного резонанса называется «естественным ферромагнитным ре-
зонансом». Этот эффект возникает благодаря тому, что эффективное поле (Н),
в котором происходит прецессия вектора намагниченности (М), определяется
не только полем (Но), но также и «обменным полем» (Нод) и «полем анизотро-
пии» (На). В частности, одним из таких материалов, в которых возбуждается
естественный ферромагнитный резонанс при (Но = 0), является редкая «эпси-
лон-фаза» оксида железа РегОз (рис. 8.33). Частоту сверхвысокочастотного
поля, соответствующую резонансному поглощению, здесь можно изменять в
достаточно широких пределах путем введения в образец эпсилон-РезОз раз-
личных примесей (алюминий А1, галлий Оа, индий 1п) (рис. 8.33). Следует от-
метить, что в чистом виде его удалось выделить сравнительно недавно. Соб-
ственно говоря, о наличии включений эпсилон-РезОз в массивных образцах
альфа-, бета- и гамма-оксидов железа РезОз было уже известно давно, вот
только технологических методов выделения эпсилон-фазы не было. Поэтому
о магнитных свойствах этой фазы пока известно немного, хотя уже многими
исследователями проведены статические измерения намагниченности, полу-
чены мессбауэровские спектры, достаточно подробно изучена нейтронная ди-
фракция, по определению численные значения ключевых параметров Киа.

Рис. 8.33. Спектры естественного ферромагнитного резонанса
в нанопроволоках эпсилон-ГезОз (см. микрофотографию на врезке)
с различной концентрацией примеси алюминия

Еще одним необходимым требованием пригодности ферромагнетика
для использования в качестве материала «спинового аккумулятора», не требу-
ющего использования внешнего подмагничивающего поля (Но), является вы-
сокая коэрцитивная сила (Нс) ферромагнетика, потому что именно величина
(Нс) определяет длительность времени, в течение которого сохраняется соб-
ственное внутреннее поле ферромагнетика, позволяющее обходится без под’
магничивающего поля (Но). Полученные экспериментальные данные пока-
зали, что эпсилон-фаза оксида железа РезОз обладает высоким значением ко-
эрцитивной силы, превышающим 2,3 Тесла. Вышеописанные два фактора
(наличие естественно ферромагнитного резонанса и сверхвысокая коэрцитив-
ность) дают шанс этому материалу стать одним из фаворитов в гонке за при-
менение в конструкциях коммерческих магниторезонансных «спиновых акку-
муляторов» [171].

8.4. Спин-поляризованный электрический ток

8,4.1, Механизм формирования
спин-поляризоганного электрического тока

Одновременно с осознанием важности явления спин-зависимого пере-
носа электронов в среде исследователей сформировалось понятие «спин-поля-
ризованного» электрического тока. Это электрический ток, при котором одно-
временно с переносом электрического заряда переносится и спин. Такой ток
характеризуют «степенью спин-поляризации»^ или просто «степенью поляри-
зации»

р-!г_1.юо,

4 + Ч

где - составляющая электрического тока, которую переносят электроны со
спином, ориентированным «вверх» (в направлении имеющегося магнит-
ного поля);

А - составляющая тока, которую переносят электроны со спином, ориен-
тированным «вниз» (против магнитного поля);

/ = г с + ц - суммарный электрический ток.

Степень спин-поляризации может быть положительной (когда > /\)
или отрицательной (когда < /,). Когда электрический ток полностью перено-
сится лишь электронами со спином, ориентированным вдоль магнитного поля,
тогда степень его поляризации = 100 %. Когда же электрический ток перено-
сится лишь электронами со спином, ориентированным против магнитного
поля, тогда степень его поляризации = -100 %. В ферромагнитных металлах
типа железа, кобальта, никеля степень спин-поляризации всегда положительна
и составляет при комнатной температуре 10-50 %.

Напомним, что более 100 лет электроника имела дело лишь с неполяри-
зованными электрическими токами, для которых Р = 0.

8,4.2. Спин-ток, или «спиновый транспорт»

В последнее время в научно-технической литературе наряду с понятием
спин-тока часто используют название «спиновый транспорт», или «спин-
транспорт» (зрт ЦащроП). Здесь мы приведем определение, аналогичное
определению электрического тока как электрического заряда, который пере-
носится через поперечное сечение проводника в единицу времени:

АС

Аг

Понятие спин-тока определим здесь как суммарный спин, который пе-
реносится через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Д5

Здесь Д.У - суммарный спин, который переносится через поперечное се-
чение проводника за время Ал

Поскольку спин является безразмерной квантово-механической величи-
ной, то спин-ток, по определению, должен измеряться в единицах 1/с. Но эта
единица отличается от такой единицы, как Герц, хотя размерность их о дина-
кова. Следует отметить, что название для единицы спин-тока еще не установ-
лено и используется только в работах отдельных исследователей.

Для практических применений устройств спинтроники важно то, что од-
новременно со спином переносится и магнитный момент. Поэтому более важ-
ным для практики является понятие магнитного спин-тока, который опреде-
ляется как магнитный момент, переносимый через поперечное сечение про-
водника за единицу времени:

Ш
=----.

А?

Здесь АЛ/- магнитный момент, переносимый через поперечное сечение
проводника за время АЛ Поскольку единицей магнитного момента в системе
СИ является Дж/Тл, то единицей магнитного спин-тока является Дж/(Тл • с)
или Вт/Тл.

Соотношение между магнитным спин-током Д® и спин-током выте-
кает из того, что магнитный момент, переносимый электроном проводимости,
равен магнетону Бора = 9,274096 • 10 24 Дж/Т, а спин, переносимый элек-
2

троном проводимости, равен у, Поэтому

А5 1 ,
- = ^:2=2^’

откуда:

Ча- — 2Мвг5-

8.4.3. Соотношение между спин-поляризованным
электрическим током и магнитным спин-током

В литературе можно найти различные выражения, характеризующие со-
отношение между спин-поляризованным электрическим током / со степенью
поляризации Р и соответствующим ему магнитным спин-током В общем
случае при описании работы базового элемента исходят из того факта, что че-
рез поперечное сечение проводника каждую секунду проходят

Д
щ = —
е

электронов со спином, ориентированным вдоль магнитного поля (е -
электрический заряд электрона). Поскольку все электроны имеют отрицатель-
ный электрический заряд, то они движутся в направлении, противоположном
направлению тока. Поскольку каждый из них переносит магнитный момент ц,
то, следовательно, электрическому току соответствует магнитный спин-ток

'«•5Т=-«?Вб=--Нб-

е
Аналогично, электрическому току ь соответствует магнитный спин-ток

'м$;='ЧМб=--Цб,
е

так как каждый электрон этого тока переносит магнитный момент р в направ-
лении, противоположном направлению тока. Суммарный магнитный спин-
ток, соответствующий спин-поляризованному току / = ц + равен

'М8 ~ ‘м51 ~ ~ -Б-

2е

Из формулы вытекает, что + С = //V100%. Таким образом, получаем
следующие соотношения между спин-поляризованным электрическим то-
ком / со степенью поляризации Р и соответствующим ему магнитным спин-
током:

-Ц‘БР

Ш е-100%

Если подставить известные значения е и ц, то получаем

1,7254-104/М5 =-/Р/100%.

где электрический ток задают в амперах, а магнитный спин-ток - в единицах
Вт/Тл.

Полностью поляризованному электрическому току величиной в 1 А со-
ответствует магнитный спин-ток.

Ы100% С0 1П-5 0/Т н /т

=------------л----«-5,8-10 Вт/Тл «-58 мкВт/Тл.

1,7254-Ю4-100%

8.4.4. Спин-поляризоьаннь/й электрический ток и спин-ток

Тот факт, что при протекании спин-поляризованного электрического
тока одновременно происходит и перенос спинов, а следовательно, и намагни-
ченности, означает возможность перемагничивания ферромагнитного слоя
при пропускании спин-поляризованного электрического тока. Эксперимен-
тальная структура, демонстрирующая такую возможность, показана на
рис. 8.34 и состоит из нанесенного на подложку «свободного» ферромагнит-
ного слоя (СФМ), на левом и на правом концах которого нанесены участки
«фиксированного» ферромагнитного слоя

Слева этот слой (ФФ1) постоянно намагничен вертикально вниз,
а справа (ФФ2) - вертикально вверх (направления намагниченности показаны
белыми стрелками). Соответственно, намагничиваются и расположенные под
ними области «свободного» слоя. Между «свободным» и магнитожестким
«фиксированным» слоем нанесен промежуточный слой (ПС). Все слои явля-
ются электропроводящими.
Рис. 8.34. Схема перемагничивания «свободного»
ферромагнитного слоя посредством пропускания
спин-поляризованного электрического тока

Над участками «фиксированного» слоя сформированы электроды (Эл1
и Эл2). Если со стороны электрода Эл2 пропускать электрический ток /
справа налево (рис. 8.34, а), то электроны в «свободном» слое движутся слева
направо. Поскольку большинство из них, выходя из ФФ1, имеют спин,
направленный вниз, то они переносят и направленный вниз магнитный мо-
мент, в результате чего область «свободного» слоя между ФФ1 и ФФ2 намаг-
ничивается вниз. Физически это выглядит как движение «направо» междо-
менной стенки ДС. Если же пропускать электрический ток / со стороны элек-
трода Эл1 «слева направо» (рис. 8.34, б), то электроны через «свободный»
слой движутся справа налево. Поскольку большинство из них имеет спин,
направленный вверх, то они переносят и направленный вверх магнитный мо-
мент, в результате чего область «свободного» слоя между ФФ1 и ФФ2 пере-
магничивается также вверх. Физически это выглядит как движение междо-
менной стенки (ДС) влево.

Такой способ записи информации в магнитную ячейку памяти на ан-
глийском языке называют 5р1П-1огс|ае-1гап5('ег - 8ТТ. В работе [1] авторы назы-
вают его с пин-транс портным перемагничиванием (СТП). Оно позволяет на
порядок уменьшить величину тока записи в магниторезистивную оператив-
ную память и значительно уменьшить площадь магниторезистивных ячеек.

Здесь следует отметить один важный для понимания физический мо-
мент. Спин-поляризованный электрический ток переносит одновременно и
электрический заряд, и спин. Авторы [1] задаются вопросом: возможен ли «чи-
стый» спин-ток, который переносит спин, но не переносит электрический за-
ряд? Один из теоретически возможных вариантов получения такого тока по-
казан на рис. 8.35.

Здесь представлено изображение ферромагнитной структуры в плане.
Светло-серым цветом показаны участки «свободного» ферромагнетика. Тем-
ные квадратики - это участки «фиксированного» ферромагнетика, нанесенные
поверх «свободного». Между этими ферромагнитными слоями созданы тун-
нельные переходы из сверхтонкого диэлектрика. Направления постоянной
намагниченности участков «фиксированного» ферромагнетика показаны бе-
лыми стрелками.
Рис. 8.35. Схема для пропускания сквозь участок ЕЕ
«чистого» спин-тока 1_з:

А Б, С, О - магнитные туннельные переходы

Если на магнитные туннельные переходы подать электрическое напря-
жение, то через них потечет электрический ток: - от участка С к участку В
и Ч - от участка А к участку В, так как для этих токов туннельные переходы
«открыты». А вот для тока от участка А к участку И туннельный переход
закрыт (из-за противоположной намагниченности участка Л). Аналогично за-
крыт для тока туннельный переход к участку Б от участка С. Поскольку все
элементы схемы идентичны, то эти токи одинаковы по величине, но противо-
положно направлены (() = | | = | ;\ | = /)• Поэтому на участке ЕР сум-

марный электрический ток равен нулю (р + = 0). А вот спин-токи сонаправ-
й

лены. Току согласно соответствует магнитный спин-ток =-----цБ, и току

- магнитный спин-ток 1М^ =-----цБ. Суммарный спин-ток (если считать

направление вправо положительным)

'М8 = (мЯТ “ Чк! = Р-Б-
е

Следовательно, сквозь участок ЕР будет протекать «чистый» спин-ток,
переносящий спин и магнитный момент от Е к Р, но не переносящий электри-
ческий заряд.

Однако, поскольку на участке ЕР электрический ток равен нулю, то от
туннельного перехода А электрический ток течет в туннельный переход Л.
Электроны движутся в противоположном направлении. Из туннельного пере-
хода Л в участок АЛ проходят электроны, спины которых в основном направ-
лены вверх, а через туннельный переход А из этого участка выходят элек-
троны, спины которых в основном направлены вниз. В результате в окрестно-
сти точки Е концентрация электронов со спином вверх возрастает, а концен-
трация электронов со спином вниз уменьшается. Аналогичные, но противопо-
ложные процессы происходят и на участке СВ. В результате в окрестности
точки Р концентрация электронов со спином вверх уменьшается, а концентра-
ция электронов со спином вниз возрастает. Это приводит к тому, что от
точки Е (область с большей концентрацией) к точке Р (область с меньшей кон-
центрацией) происходит диффузия электронов со спином вверх, а в противо-
положном направлении диффундируют электроны со спином вниз. Отсюда
вытекает важный вывод [169]: «чистый» спин-ток возникает тогда, когда в
ферромагнитном проводнике появляется перепад или градиент концентрации
спин-ориентированных электронов.

Этот вывод справедлив и для неферромагнитных проводников, что по-
казывает следующий опыт (рис. 8.36) [169]. На поверхности медной шины
(Си) сформированы ферромагнитные элементы (ФМ1 и ФМ2), а на них нане-
сены золотые электроды (Аи). Отметим, что этот опыт лучше всего удается
лишь тогда, когда все три металлических слоя (медь, пермаллой и золото)
наносят последовательно в одном и том же высоком вакууме. Лишь при этих
условиях технологически удается обеспечить высокое качество контактов. Ко-
гда эти слои наносят в разных вакуумных циклах, эксперимент удается плохо,
так как в контактах появляются окислы и посторонние примеси, которые зна-
чительно ухудшают условия инжекции спин-поляризованных электронов.
С помощью источника напряжения ({/[) через ферромагнитный элемент ФМ1
пропускают электрический ток. Электроны движутся навстречу току, поэтому
из ферромагнитного элемента ФМ1 в медную шину переходят электроны со
спинами, ориентированными в направлении его намагниченности. Под по-
верхностью элемента в медной шине возникает повышенная концентрация
спин-поляризованных электронов.

Рис. й.36. Схема наблюдения диффузионного спин-тока
в немагнитном проводнике

На рисунке: Си - медная шина; Аи - золотые электроды; ФМ1 и ФМ2 -
ферромагнитные элементы; цг- измеритель напряжения; рЛ - измеритель тока.

Белыми прерывистыми стрелками показаны направления их диффузии -
в обе стороны от места инжекции. Это и есть «чистый» спин-ток. «Чистый»
потому, что электрический ток при этом не возникает, так как такое же коли-
чество неполяризованных электронов (с произвольной ориентацией спинов)
диффундируют навстречу. Ферромагнитный элемент ФМ2 выполняет здесь
функцию детектора спин-тока. При наличии спин-тока между его золотым
электродом и медной шиной возникает небольшая разность потенциалов (СА),
требуемая для того, чтобы автоматически компенсировать электрический за-
ряд электронов, переносимых спин-током. При малых значениях разность по-
тенциалов СА пропорциональна электрическому току, протекающему сквозь
«инжектор». Разность потенциалов СА существенно различается в случаях, ко-
гда направления намагниченности ФМ1 и ФМ2 совпадают и когда они проти-
воположны. Это и позволяет определить, какой именно спин (вверх или вниз)
переносится спин-током. При уменьшении расстояния между ФМ1 и ФМ2
спин-ток возрастает, при увеличении - быстро уменьшается. В опытах япон-
ских ученых при расстоянии 270 нм спин-ток оказался достаточным даже для
того, чтобы перемагнитить детектор (ФМ2), когда толщина ферромагнетиков
была уменьшена до 4 нм.

Разность в концентрации спин-ориентированных электронов по анало-
гии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать спин-движущей
силой (СДС). Как и ЭДС, СДС может стационарно поддерживаться лишь за
счет работы некой «сторонней силы». В примере на рис. 8.35 СДС поддержи-
вается за счет внешнего источника напряжения и протекания электрического
тока через туннельные контакты А, В, С, И. В примере на рис. 8.36 СДС под-
держивается тоже за счет внешнего источника напряжения (€Л).

В работе [1] приведен еще один интересный пример возникновения СДС
(рис. 8.37). Если взять намагниченную ферромагнитную палочку и нагреть
один ее конец, то диффузия электронов из нагретого конца будет активнее,
чем диффузия с холодного конца. В обычном проводнике это приводит к воз-
никновению термо-ЭДС. Но ведь в ферромагнитном проводнике спины элек-
тронов ориентированы преимущественно в направлении намагниченности.
Поэтому во время диффузии электронами переносится не только электриче-
ский заряд, но и спин.

Рис. 8.37. Возникновение спин-движущей силы в ферромагнитном
проводнике при нагревании одного из его концов

В результате возле холодного конца концентрация электронов со спи-
нами, ориентированными в направлении намагниченности, повышается. Бла-
годаря этому возникает термо-СДС. В стационарных условиях она поддержи-
вается за счет энергии источника тепла и устанавливается на таком уровне,
чтобы спин-ток, вызванный термо-СДС, в точности соответствовал диффузи-
онному потоку электронов от нагретого конца к холодному.
8 4.5. Особенности прохождения спин-поляризованного тока
сквозь контакт ферромагнетика с немагнитным проводником

Теперь пришло время рассмотреть детальнее, что происходит на кон-
такте ферромагнетика с нормальным (неферромагнитным) проводником
(рис. 8.38).

ФМ нп

Рис. 6.38. Слеза - схема инжекции спин поляризованного тока
из ферромагнетика (ФМ) в немагнитный проводник (НП);
справа - зависимость намагниченности от координаты

Когда к контакту не приложено внешнее электрическое напряжение,
происходит обычная тепловая диффузия электронов. Из-за того что концен-
трация электронов проводимости в нормальном проводнике (НП) обычно
выше, чем в ферромагнетике (ФМ), в последнем сначала диффундирует
больше электронов, чем в обратном направлении. Поэтому прилегающая к
контакту зона ферромагнетика заряжается отрицательно до тех пор, пока по-
токи электронов в обе стороны не уравняются. Тогда наступает динамическое
равновесие. Спины «избыточных» электронов, которые пришли из нормаль-
ного проводника в ферромагнетик, ориентируются здесь в направлении намаг-
ниченности ФМ. Благодаря этому намагниченность прилегающей к контакту
зоны ФМ несколько возрастает. В прилегающей к контакту зоне нормального
проводника из-за наличия магнитного поля от ФМ оказывается несколько
большей, чем концентрация электронов с ориентацией спинов, как в ФМ. По-
этому указанная зона немного намагничивается. Зависимость намагниченно-
сти (Л7) от координаты в зоне контакта показана на рис. 8.38 справа пунктир-
ной линией. Такой же характер имеет и зависимость от координаты (сплошная
линия) разности концентраций электронов со спинами, ориентированными
вверх и вниз (Л/ф = л) - л|).

Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение (Ц) та-
кое, что электрический ток течет из НП в ФМ, электроны из ФМ со спинами,
ориентированными преимущественно вверх, инжектируются в НП. Плотность
потока инжекции (—у, поскольку он противоположен направлению тока) пока-
зана на рис. 8.38 слева черной стрелкой. Он приводит к тому, что концентрация
электронов с ориентированными вверх спинами в зоне НП, прилегающей к кон-
такту, резко возрастает. Это явление называют аккумуляцией, или накоплением
спинов. Под действием электрического поля эти электроны дрейфуют направо,
из-за чего в нормальном проводнике течет уже спин-поляризованный ток. Это
и называют инжекцией спин-поляризованного тока. В ходе своего теплового
движения и дрейфа электроны с ориентированными вверх спинами рассеива-
ются на фононах и на дефектах кристалла и в результате рассеяний изменяют
ориентацию своего спина. Этот процесс называют спиновой релаксацией. Он
характеризуется средним временем релаксации спинов и длиной диффузии
спин-поляризованных электронов /.< - расстоянием, на котором концентрация
указанных электронов уменьшается в е ~ 2,73 раза. Среднее время релаксации
спинов при комнатных температурах составляет порядка 1-100 нс.

На рис. 8.38 показан случай «прямой», или «фронтальной», инжекции
спин-поляризованного тока. А на рис. 8.36 мы рассматривали случай «боко-
вой» инжекции, когда электрический ток течет параллельно плоскости кон-
такта ФМ - НП. В этом случае инжектированные спин-поляризованные элек-
троны практически не принимают участия в переносе электрического заряда
вдоль проводника, так как в нем для этого более чем достаточно «своих», не
спин-поляризованных, носителей заряда. В этом случае и наблюдается «чи-
стый» спин-ток, который тоже уменьшается практически до нуля на расстоя
ниях порядка 2-3 /< от источника спин-поляризованных электронов.

8 .4.6. Особенности прохождения спин-поляризозанного тока
сквозь контакт ферромагнетика с полупроводником

Используя результаты работы [169], рассмотрим, что происходит на кон-
такте ферромагнетика с полупроводником. Поскольку концентрация носите-
лей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном ме-
талле, то из последнего в полупроводник диффундирует намного больше элек-
тронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на кон-
такте сформируется значительный потенциальный барьер - «барьер Шоттки»
(рис. 8.39, а). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту,
имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны
проводимости),

Рис. 8.39. Зонные диаграммы контактов ферромагнетик (ФМ) - полупроводник (П):
а -- при отсутствии напряжения: б - при наличии напряжения:
г - зонная диаграмма структуры ФМ - Т - П (Т - туннельный переход)
На рисунке: Ев — верхний край валентной зоны; Еп — нижний край зоны
проводимости; Е® - уровень Ферми.

Когда к контакту приложено небольшое напряжение II (+ к полупровод-
нику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет
до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барь-
ера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий
барьер (рис. 8.39, б).

Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник
с энергией, намного превышающей тепловую. Такие «горячие» электроны
очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов.
Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромаг-
нитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной.

Более эффективным в этом плане оказалась структура «ферромагнитный
металл - туннельный переход - полупроводник» (рис. 8.39, в). Искривление
зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно.
Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напря-
жениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентирован-
ные электроны входят в полупроводник не такими «горячими», как в случае
барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше.
Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой
между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие тун-
нельные переходы (из нитрида кремния).

Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-
транзистора, структура которого показана на рис. 8.40, было впервые установ-
лено, что инжектированные в высокочистый кремний спин поляризованные
электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффун-
дировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстоя-
ния - до 350 мкм.

Рис. г 40 Структура, схема подключения эксперименталоного
спин-транзистора на кремнии и соответствующая
энергетическая диаграмма

В описанном эксперименте на пластину высокочистого кремния (.57 пл.)
толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (АНСи) толщиной
10 нм, сверхтонкий туннельный слойЛ/гОз, слой ферромагнетика (СоРе) тол-
щиной 10 нм и металлизация из алюминия (АГ). Эта структура выполняла
роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния
(81 пл.) были нанесены слои ферромагнетика (А'7Л'е) и меди (Си), оба толщи-
ной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния и-типа (п-81) и омический
контакт из индия (1п).

Когда на эмиттер подавалось напряжение О'э, из ферромагнетика (СоРе)
в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (АГОз) и тонкий слой метал-
лизации (АПСи) инжектировались электроны проводимости со спинами, ори-
ентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под дей-
ствием напряжения С/1, приложенного к коллекторному слою ферромагне-
тика (МРё), эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их
спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная
их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было
определить, изменяя направление намагниченности «свободного» ферромаг-
нетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния л-типа
(п-8Г) использовался для дополнительного усиления и более точного измере-
ния сигналов [Ниапр В., Мопмпа В. А, Арре1Ьаит I. РЬуНса! Ке\-1е\у Ьейегк. -
2007.-V. 99.- 177209].

8.5. Ферромагнитные полупроводники

Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризован-
ного тока в полупроводник, всё же создает повышенное электрическое сопро-
тивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому исследова-
тели обратили особое внимание на возможную альтернативу - на использова-
ние в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а по-
лупроводниковых ферромагнетиков - так называемых ферромагнитных полу-
проводников (ФП). Еще в 70-х годах XX века изучались такие ФП, как халько-
гениды европия и шпинели типа СсГСггВел [Нагаев Э. Л. Физика магнитных
полупроводников. - М.: Наука, 1979. -431 с.]. Однако они обнаруживали фер-
ромагнитные свойства лишь при низких температурах.

В последние два десятилетия XX в. интенсивно изучались так называе-
мые «разбавленные магнитные полупроводники» (РМП, англ. сНкйес!
та<ще11с зеписопсккДогз, Г)М8). Это классические полупроводники типа АзВв
11А3В5, сильно, до максимально возможной растворимости, легированные ато-
мами переходных («магнитных») металлов, чаще всего марганца (Мп - по-
скольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие
электронов из частично заполненных с!- и/-оболочек магнитных ионов с зон-
ными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет
свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но
и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практиче-
ских применений.
Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже
комнатной (например, у 05.%ТК = 110-250 К - в зависимости от

технологии изготовления; у ТК = 80 К). И только у широко-

зонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной
(у 6й1-хЛ/лхЛГ, например, ТК = 400 К). У СаИ, легированного гадолинием
(магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки ста-
новятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния прихо-
дится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, ис-
пользуя дополнительные легирующие элементы (2п, Сс1 и др.), можно суще-
ственно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников
(например, на основе 1п8Ъ-Мп: Хп, С<1 удается получить непрерывный ряд
РМП с ТК = 320-400 К).

В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более
широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при
температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупро-
водников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими
«магнитными» атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от
применения дополнительных легирующих элементов.

На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупровод-
ником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров
(рис. 8.41, а, б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы про-
водимости, то возникает /р-и-переход, прохождение электрического тока
сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 8.41, в, г). На
рис. 8.41. кроме валентных зон (Ев1 и Евг) и зон проводимости (Еш и Епз),
условно показаны также зоны с1- и /-электронов (Ещ), которые обычно также
присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их по-
ложения относительно уровня Ферми (Еф) они могут быть частично или пол-
ностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропровод-
ность по таким зонам ограничена, так как/- и (/-электроны имеют малую по-
движность (большую эффективную массу).

Инжекция в полупроводник спин поляризованного тока из ферромаг-
нитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромаг-
нитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного
выше - вплоть до 100 %.

В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также фер-
ромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав кото-
рых входят магнитные структуры с пониженной размерностью - наночастицы,
ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, пред-
ставляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нано-
композитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры
Кюри соответствующего «чистого» полупроводника. Кроме того, появляются
возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего
магнитного поля.
Рис. 8.41. Зонные диаграммы контакта ферромагнитный
полупроводник (ФП) - полупроводник (П) для случаев, когда:
а - оба имеют п-тип проводимости: б - оба имеют р-тип проводимости:
в, г - ФП и П имеют разные типы проводимости

8.6. Энергонезависимая магнитная память -
состояние, проблемы и перспективы

На рис. 8.42 представлены упрощенные эскизы конструкций основных
наиболее известных модификаций МКАМ.

Рис. 8.42. Варианты конструкции МКАМ

Так, память, основанная на переносе спинового момента (8ТТ)
(рис. 8.42, а), управляется всего двумя контактами, отличается высокой ско-
ростью записи / считывания по сравнению с традиционными видами памяти
и плотностью, но есть ограничения задержками записи 5-10 нс. Активно раз-
вивается основными участниками полупроводниковой промышленности
и в производстве. Контроль напряжения магнитной анизотропии (УСМА)
(рис. 8.42, б) рассматривается как будущее 8ТТ, поскольку сочетает в себе
низкую энергию и наносекундные задержки записи. Помять на основе спин-
орбитального крутящего момента (8ОТ) (рис. 8.42, в) имеет три контакта, ра-
ботает в режимах с задержками менее нс с высокой производительностью.
Концепция беговой памяти Касеггаск (рис. 8 ,42, г) основывается на быстром
перемещении доменной стенки под током 8ОТ для запоминания высокой
плотности или спиновой логики.

Поскольку перпендикулярно намагниченная магниторезистивная па-
мять на основе эффекта переноса спинового момента (РегрепсНси1агйу та§-
пейг - 8ТТ - МКАМ) обеспечивает низкое энергопотребление, быстрое пере-
ключение, небольшой размер ячеек, высокую надежность и масштабируе-
мость [202, 203], ведущие производители микроэлектронных изделий запу-
стили целый ряд соответствующих программ разработки и внедрения в произ-
водство технологий и конструкций 8ТТ - МКАМ [215-218 ]. В частности, ком-
пания 1п1е1 успешно интегрировала встраиваемую МКАМ в свою 22-нм
КМОП-технологию с трехмерной структурой транзистора типа «рыбий хвост»
(РтРЕТСМО8) на 300-миллиметровых пластинах [219]. Крупнейшие полу-
проводниковые компании 8атлип§ и Еуегзрт / О1оЬа1 Роипбпез также объ-
явили о серийном выпуске встраиваемой МКАМ емкостью 1 ГБ на своих
28 нм [220] и 22 нм технологиях [221] соответственно. Микросхемы 8ТТ -
МКАМ уже давно поступили в продажу в качестве замены еР1азЬ во встроен-
ной кэш-памяти, с перспективой применения в качестве замены 8КАМ ЕЗ /
Е442, а также замены классической динамической памяти с произвольной вы-
боркой (ЭРАМ).

В сводной таблице 8.6 сравниваются значения основных технических
параметров микросхем (энергия записи / считывания, время записи / считыва-
ния) для различных технологий изготовлений памяти, включая 1)КАМ, раз-
личные типы энергозависимой памяти 8КАМ, а также перпендикулярной
8ТТ - МКАМ (р8ТТ - МКАМ) и 8ОТ - МКАМ. Необходимо обратить внима-
ние, что диаметр используемых МТИ-столбиков (35 нм) в технологиях изго-
товления МКАМ значительно больше, чем у КМОП-технологии.

Основная задача разработчиков - сделать память МКАМ конкуренто-
способной с ЭКАМ, для чего, прежде всего, требуется найти решение по уве-
личению быстродействия и провести масштабирование. Исследователями
было предложено несколько решений для создания структуры МП с очень уз-
ким шагом, прежде всего, за счет применения модифицированного состава для
травления [223]. Ряд других исследователей использовали нетрадиционные
стратегии, такие как нанесение МТ) на столбики с уже предварительно сфор-
мированной структурой [224].
Таблице 8.6

Сравнение технических параметров энергозависимой памяти
и перпендикулярных 8ТТ - МКАМ и 8ОТ - МКАМ

для техноло! ни КМОП (7 ям и 5 нм)

Параметр ОКАМ 11511 НР-8КАМ 5 нм [152] НП-8КАМ 5 нм [152] НП-8КАМ 7 нм [152] р8ТТ35нм\УЕК 1е9/1е6 |47] 8ОТ 35 нм [47]
Технол. узел Юх 5 нм 5 нм 7 нм 5 нм 5 нм
Энергия записи / бит (фДж) 89 19 76 70 <500/375 75
Энергия счи- тывания / бит (фДж) 58 17 55 50 60/52 15
Время записи (нс) 10 > 1 2,75 2.5 < 10/7,5 1,2
Время чтения (нс) 10 > 1 2,5 2,2 3,5/3,5 1
Размер ячейки (мкм2) 0,0026 0,034 0,0267 0,0422 0,014/0,009 0,0282

Кроме того, ученые пытались найти оптимальные технические реше-
ния задачи снижения энергопотребления магниторезистивной памяти на ос-
нове эффекта переноса спинового момента 8ТТ - МКАМ (за счет уменьше-
ния величины тока переноса спинового момента 8ТТ ниже уровня 2 МА см2)
и скорости ее работы (за счет увеличения гигантского туннельного магнито-
сопротивления ТМК) при сохранении длительного времени хранения инфор-
мации. В работе [225] было продемонстрировано, что оптимизированная
многоуровневая структура на основе двух туннельных барьеров с противопо-
ложными поляризационными слоями повышает эффективность анизотропии,
запоминания и 8ТТ. В работе [226] был описан один из новых подходов к
улучшению масштабируемости до меньшего топологического размера - пу-
тем внедрения анизотропии перпендикулярной формы (Р8А - 8ТТ - МКАМ)
за счет значительного увеличения толщины накопительного слоя (это вызы-
вает анизотропию перпендикулярной формы, которая усиливает межфазную
анизотропию). Было показано, что при этом могут быть достигнуты высокие
численные значения коэффициентов термостойкости (вплоть до диаметров
менее 10 нм).

Еще один тип микросхем памяти - магниторезистивные запоминающие
устройства на основе спин-орбитального вращательного момента 8ОТ (8ОТ -
МКАМ) [196, 227] - хотя и позволяют обеспечивать высокую скорость и по-
вышенную стойкость, но требуют при этом использования более высоких чис-
ленных значений токов записи статического магнитного поля в некоторых
конфигурациях [228] и имеют большую площадь. Чтобы уменьшить значение
тока записи и размер базового транзистора, для этих устройств необходимо
разработать специальные материалы для преобразования заряд-спин с низким
удельным сопротивлением и высокой эффективностью 8ОТ. В работах [227,
228] были продемонстрированы такие конструкции 8ОТ - МВЛМ, созданные
в масштабе целой пластины и основанные на КМОП-совместимых технологи-
ческих процессах, а также конфигурации базовых ячеек, вообще не требую-
щие применения внешнего магнитного поля. В таких конфигурациях может
использоваться любое антиферромагнитное межсоединение тяжелого ме-
талла, которое обеспечивает обменное смещение в плоскости за счет спино-
вого эффекта Холла [229, 230], комбинация 8ТТ с 8ОТ [231, 232] или намаг-
ниченный в плоскости магнитного поля так называемый твердый магнитный
шаблон [227] для достижения эффекта переключения 8ОТ, свободного от вли-
яния магнитного поля.

10” '

Рис. 8.43. Базовая ячейка памяти $ОТ:

а - поперечное сечение трансмиссионной электронной
микроскопии (ТЕМ) ячейки памяти 5ОТ, свободной от влияния поля,
где ток записи подается от ВЕ1 к ВЕ2 и считывается с ТЕ на ВЕ2:
б - вероятность переключения в зависимости от подаваемого напряжения
для 50 нм ячейки памяти ЗОТ - МЕАМ: - ток записи: 1г - ток считывания
Чтобы уменьшить величину рассеиваемой мощности из-за влияния оми-
ческой проводимости межсоединений, было исследовано в качестве нового
механизма записи МКАМ [233, 234] управление магнетизмом с помощью
электрического поля (МКАМ с управляемым напряжением). Таким устрой-
ствам требуется ток только во время выполнения операции чтения (для за-
рядки / разрядки МТТ), что приводит к очень низкой энергии переключения
ячеек в процессе выполнения для операции записи. Однако практическое ис-
пользование МКАМ с управляемым напряжением пока ограничено рядом фак-
торов. Во-первых, приложение «умеренных» напряжений (около 1 В) не мо-
жет обеспечить достаточного изменения магнитной анизотропии, индуциро-
ванной напряжением (УСМА), чтобы вызвать действительно полное переклю-
чение намагниченности, обеспечивая при этом магнитную термическую ста-
бильность устройства. Во-вторых, «временное окно» импульса записи в этих
устройствах сравнительно небольшое и сильно зависит от геометрических раз-
меров ячеек, что в итоге приводит к проблемам с низкой надежностью. По-
добно технологиям на основе БОТ, МКАМ с управляемым напряжением также
требует приложения поля «в плоскости». Хотя ради справедливости отметим,
что уже опубликован ряд технических решений этих проблем - это, например,
гибридные комбинации УСМА - БТТ в двухполюсных устройствах и комби-
нации УСМА - БОТ в трехполюсных устройствах МТ.1, которые могут обес-
печить реальное увеличение скорости записи, более низкие пороговые значе-
ния тока, а также селективное переключение БОТ нескольких МТ.1, совместно
использующих одну общую линию записи [235].

На рис. 8.43, а представлен еще один тип перспективных устройств па-
мяти: регистры сдвига, называемые беговой, или трековой памятью (гасе(гаск)
[236]. В этих устройствах информация хранится в виде «треков» поляризован-
ных спиновых текстур (то есть доменных стенок или скирмионов) [237], кото-
рые могут перемещаться по этим трекам электрическим током, достигая высо-
кой плотности хранения без механического движения. В этой области исследо-
ваний основной технической задачей является поиск механизмов управления
когерентным движением спиновых текстур по дорожке «без закрепления»,
с высокой скоростью и низким током.

8.7. Спинтронные магнитные датчики -
состояние, проблемы и перспективы

В последние 10 лет спинтронные датчики магнитного поля, основанные
на эффекте гигантского туннельного магнитосопротивления (ТМЯ), активно
вытесняют технологии предыдущего поколения, основанные на гигантском
магнитосопротивлении (ОМК), анизотропном магнитосопротивлении (АМН)
и традиционном эффекте Холла, за счет обладания более высоким соотноше-
нием сигнал / шум (8РЖ), более высокой термической стабильности, совме-
стимости с традиционной КМОП-технологией, пониженной стоимости и не-
больших размеров элементов (< 1мм2; сс.) [238, 243]. Эти спинтронные дат-
чики находят широкое применение в таких областях, как автомобильный сек-
тор (например, датчики угла, скорости, положения), Индустрия 4.0 (например,
датчики тока и мощности, линейные и угловые энкодеры и сканеры) и бытовая
электроника (к примеру, трехмерные (ЗИ) магнитометры и цифровые ком-
пасы). Новые маломощные, надежные спинтронные устройства на кремнии
или гибких подложках [238, 240] также нашли применение в развивающемся
Интернете вещей (1оТ) и биомедицине.

Типовая структура ТМК-датчика состоит из нескольких последователь-
ных слоев (буфер / АР / ЗАР / М§0 /РЬ /крышка) [239,240], каждый из которых
имеет свое функциональное назначение. В частности, антиферромагнитный
(АР) слой связан с закрепленным в синтетическом антиферромагнетике (ЗАР)
слоем посредством обменного смещения. Свободный слой (РЬ) на М§0 - это
чувствительный слой, который реагирующий на внешнее магнитное поле, ко-
торое может варьироваться от нескольких мТл до сотен мТл. Эти датчики
обычно имеют значения ТМК до 200 %, произведение сопротивления на пло-
щадь (КА) от нескольких сотен Ом мкм2 до нескольких кОм мкм2, температур-
ные коэффициенты от 500 ррт °С 1 до нескольких тысяч ррт °С рабочие
частоты от нуля (пост, тока) до сотен МГц и чувствительность до нескольких
сотен пТл по пост, току [242]. Гибридные архитектуры (например, силовые
магнитопроводы) могут достигать чувствительности около 10-20 пТл на ча-
стоте 10 Гц и ниже 1 пТл в условиях белого шума [243]. Для практических
приложений датчик МТ.1 должен быть интегрирован в классическую схему мо-
ста Уитстона, чтобы обеспечить нулевой выходной сигнал в отсутствие внеш-
него возбуждения.

Рис. 8.44. Магнитные датчики:
а - многоканальная сканирующая головка на основе
ллагниторезистивного датчика для неразрушающего контроля дефектов
в металлических деталях: 1 -многоканальный МР датчик, установленный
на держателе печатной платы, включая линию тока возбуждения:

2 - испытательный металлический макет: 3 - дискретные ИС
для усиления МР-сигнала и запуска цепи возбуждающего тока:
б-матрица МП-датчиков (10 МП-датчиксв последовательно),
используемая в качестве МР-датчика в одном из каналов многоканальной
сканирующей головки для обнаружения поверхностных дефектов
На рис. 8.44 показан типовой пример таких датчиков, изготовленных на
основе эффекта гигантского туннельного магнитосопротивления ТМК, кото-
рые могут обнаруживать различные дефекты на металлических поверхностях
(неразрушающий контроль - ЯВТ). В автомобильной промышленности маг-
нитные датчики используются в антиблокировочных тормозных системах
(АВ8), рулевом управлении, электронных блоках управления двигателем и
устройствах стабилизации автомобиля (Е8Р). Хотя устройства, основанные на
эффектах Холла, всё еще доминируют на рынке на момент издания этой книги,
магниторезистивные датчики на основе ОМК, а в последнее время и ТМК, ста-
новятся всё более популярными из-за их более высокой точности и чувстви-
тельности, которые требуются для современных систем помощи водителю и
систем беспилотного вождения. Важно, что для таких крупномасштабных про-
мышленных приложений датчики на основе ТМК могут быть относительно
легко интегрированы в базовые КМОП-технологии (как в МКАМ). В совре-
менной промышленной информационной среде (Индустрия 4.0) спинтронные
датчики используются как в узкоспециализированных измерительных систе-
мах малого объема (сканеры), так и в стандартных промышленных приложе-
ниях среднего объема (линейные или угловые энкодеры и датчики электриче-
ского тока), поскольку они обеспечивают высокое разрешение и надежность в
неблагоприятных внешних условиях работы по сравнению с конкурирую-
щими оптическими датчиками или датчиками на основе эффекта Холла. Что
касается способов корпусирования, то фактически установившимся стандар-
том для приложений большого объема является интеграция магниторезистив-
ных датчиков с формированием сигнала и электроникой более высокого
уровня в дискретные корпуса на печатных платах (РСВ). Для относительно
небольших объемов эти датчики могут быть интегрированы в одноплатные си-
стемы совместно со специализированными интегральными схемами (А81С).

Отдельно следует сказать о биомедицинских применениях этого класса
приборов. Магниторезистивные датчики (в основном на основе (ЗМК) могут
также использоваться для распознавания белков или ДНК в перспективных
биомедицинских приложениях, таких как платформы спинтронных биочипов,
где биоаналиты маркируются магнитными наночастицами [238-240]. Другой
тип биочипа на основе магниторезистентности (МК) - это интегрированный
цитометр, в котором меченые клетки / бактерии обнаруживаются непосред-
ственно в процессе движения, когда они проходят по микрофлюидным кана-
лам, с помощью встроенных МК-датчиков [238-240].

В завершение этого подраздела следует кратко рассмотреть основные
перспективы исследований в этом направлении.

Очевидно, что по-прежнему актуальной в ближайшее время будет яв-
ляться задача оптимизации материалов для улучшения значений гигантского
туннельного магнитосопротивления (ТМК), и прежде всего - соотношения
сигнал / шум (8МК) устройств магнитных датчиков. В частности, оптимизация
технологических методов выращивания материалов необходима для достиже-
ния лучшего согласования решеток между различными активными слоями с
использованием стандартных подложек с соответствующими буферными сло-
ями. Необходимо продолжить работы по созданию не экспериментальных,
а уже промышленных методов осаждения (напыления) материалов.

Перпендикулярные намагниченные материалы можно использовать для
расширения динамических диапазонов магнитных датчиков [244], а также для
интегрированных ЗИ-магнитометров. Появившиеся в последнее время новые
вихревые датчики [245], основанные на так называемых «топологически за-
щищенных магнитных состояниях», могут обеспечить более широкий линей-
ный диапазон по сравнению с предыдущим поколением датчиков, основанных
на однодоменных состояниях. Здесь необходимы дальнейшие исследования
механизмов влияния магнитных свойств (например, легкой осевой дисперсии
и флуктуации намагниченности) на шум 1/Г, где Г представляет частоту [246,
247], поскольку существующие сегодня значения шума 1/Гограничивают чув-
ствительность датчиков.

На развивающемся автомобильном рынке потребуются разработки, ко-
торые сделают автомобили экологичнее, безопаснее и интеллектуальней.
Здесь спинтронные датчики смогут найти применение в электронных систе-
мах управления двигателями внутреннего сгорания. Однако пока есть про-
блема с их точностью и надежностью - их точность должна быть гарантиро-
вана на протяжении всего срока службы транспортного средства в сложных
условиях эксплуатации. В долгосрочной перспективе полная электрификация
всех современных транспортных средств существенно увеличит спрос на маг-
нитные датчики во всех автомобильных приложениях. Для управления транс-
миссией или силовым агрегатом (двигатель в сборе с коробкой передач) ги-
бридных или полностью электрифицированных транспортных средств также
потребуется обеспечить более высокую точность датчика, что является слож-
ной задачей из-за различных магнитных помех, исходящих от электродвига-
теля и его периферии. Несмотря на свою высокую чувствительность и малые
размеры, спинтронные датчики пока не вполне конкурентоспособны по срав-
нению с классическими шунтирующими датчиками электрического тока в та-
ких приложениях. Например, сложные задачи для датчиков ТМК с разомкну-
тым контуром (то есть без обратной связи) будут заключаться в достижении
точности ниже 0,1° во всем 360° диапазоне для угловых датчиков и 0,05 % от
полной шкалы - для датчиков электрического тока.

8.8. Спинтронные радиочастотные
и микроволновые устройства

8.8.1. Конфигурации и принципы работы спинтронных
радиочастотных устр зйств для систем беспроводной связи

Как известно, помимо функций считывания, хранения и обработки ин-
формации, современные информационные и коммуникационные системы
требуют обеспечивать высокие скорости передачи данных. Обычные си-
стемы беспроводной связи сегодня работают в диапазоне ГГц, где основными
областями их применения являются Интернет вещей 1оТ (с полосами в диа-
пазоне 0,3-5,5 ГГц) и мобильные сети общего пользования (20 - 40, с ис-
пользованием полос в диапазоне 0,7-3 ГГц). Для сетей пятого поколения (50)
и выше, как мы показали в первой главе в работе [Ве1оиз А., 8а1ас1икИа V.
Нщ11-8рее<1 0|11а1 8уз1ет Оезщп. Ай, 8с1епсеапс1 Ехрепепсе // 8рпп§е гХаШге
8иН/ег1ап<1 АО 2020.18ВМ 978-3-030-25408-7], требуются очень высокие ча-
стоты (порядка сотен ГГц до ТГц). При этом все остальные стандартные ком-
поненты для беспроводной связи (антенны, усилители, фильтры, линии за-
держки, смесители, модуляторы, демодуляторы и синтезаторы частот)
должны быть соответствующим образом адаптированы к новым полосам ча-
стот и новым коммуникационным сетевым протоколам. Кроме того, необхо-
димо разработать новые энергоэффективные, компактные и недорогие радио-
частотные компоненты, чтобы соответствовать всем требованиям современ-
ного Интернета вещей.

В конструкциях радиочастотных (ВР) спинтронных устройств обычно
применяются два основных типа конструктивных элементов: наностолбики
МП, использующие передачу спинового момента от спин-поляризованного
тока заряда [194, 195, 249, 250] (рис. 8.45), и двухмерные двухслойные струк-
туры 2Д (рис. 8.45, б, в), использующие взаимопревращение зарядовых и спи-
новых токов [251-253] или распространение магнитных возбуждений (спино-
вых волн или магнонов).

Магнитный туннельный переход

Рис. 8.45. Радиочастотные и микроволновые устройства

б Спин-холл свсьм конфигурация

На рис. 8.45, а-в представлены основные конфигурации спинтронных
РЧ-устройств. Здесь на рис. 8.45, а показаны наностолбики магнитных тун-
нельных переходов МП, также называемые «спин-трансферными наноосцил-
ляторами» (8ТМО). Зарядный ток Л поляризуется по спину поляризатором Ро1
и передает спиновый момент (8ТТ) на намагниченность свободного слоя ЬГ.
Ту - спиновый ток. В случае постоянного тока 1нс компенсация демпфирую-
щего момента (Ай) с помощью 8ТТ приведет к установившимся колебаниям
намагниченности, частота которых определяется моментом прецессии (Рг).
Магнитосопротивление преобразует колебания в сигнал напряжения.
На рис. 8.45, б представлена двухмерная двухслойная структура спин-
холла «ферромагнетик / тяжелый металл» (РМ / НМ), также называемая «спин-
холловский наноосциллятор» (81ШО). Зарядный ток Л внутри НМ приводит
к направленному вверх спиновому току, который может передавать спиновый
момент (8ТТ) на намагниченность РМ-слоя и создавать стационарные колеба-
ния намагниченности, как на рис. 8.45, а, которые могут быть обнаружены че-
рез анизотропное магнитосопротивление.

На рис 8.45, в показана типичная конфигурация устройства для 8НРЮ,
где контакт для сужения (сопЫпсОоп) или матрицы сужений обеспечивается
при помощи копланарного волновода. В пределах каждой матрицы колебания
различных участков суженного канала (зеленые стрелки) могут взаимно син-
хронизироваться.

Этими устройствами могут быть реализованы различные КР-функции
(рис. 8.46), которые основаны на результатах использования эффектов колеба-
тельной прецессии магнитных моментов вследствие спиновых моментов и яв-
лений магнитосопротивления. Прежде всего, это относится к реализации двух
основных функций: преобразование пост, тока в КР для генерации КР-сигнала
(рис. 8.46, а) и преобразование КР в пост, ток для обнаружения радиосигнала
(рис. 8.46, б). Применяя дополнительные изменяющиеся во времени управля-
ющие сигналы /(/) (рис. 8.46, а), можно также модулировать (рис. 8.46, в) и ка-
чать (рис. 8.46) частоту генератора на коротких временных шкалах [254-257].

На рис 8.46, а, б представлена иллюстрация двух основных КР-функций
спинтронных устройств. Показанное в а) преобразование постоянного тока !р>с
в сигнал напряжения КРРг/’ можно использовать для генерации радиочастот-
ных или СВЧ-сигналов, частота которых настраивается через 1ос, как показано
на графике справа рис. 8.46, а, при помощи спектральной плотности мощности
( Р8Э) Уг/ для четырех различных значений 1дс- Дополнительный изменяю-
щийся во времени управляющий сигнал /(?) может использоваться для моду-
ляции частоты выходного сигнала, как объяснено в в) и г).

На рис. 8.46, б представлено преобразование входного КР сигнала 1г/в
сигнал напряжения постоянного тока Уж, которое может использоваться для
частотно-избирательного обнаружения радиочастотного сигнала. Преобразо-
вание происходит из-за эффекта выпрямления, который приводит к постоян-
ной составляющей напряжения, когда частота внешнего сигнала /у равна ча-
стоте устройства /о 8ТРЮ или 8 НМ), как показано на графике справа.

Рис. 8.46, в поясняет механизм цифровой модуляции выходной частоты
8ТРЮ или 8РПЧО (нижняя часть рисунка), когда управляющий сигнал /(/)
(верхняя часть рисунка) изменяется между двумя уровнями дискретных сиг-
налов. Это можно использовать для реализации протоколов частотной моду-
ляции [254] или фазовой модуляции [255] в схемах беспроводной связи.

Рис. 8.46, г описывает тот случай, когда управляющий сигнал /(/) ли-
нейно увеличивается (пилообразный сигнал периода Т, верхняя часть ри-
сунка), частота устройства 8ТЧО или 8НЯО непрерывно увеличивается (или
уменьшается), где каждый момент времени будет соответствовать заданной
частоте (нижняя часть рисунка). Это может быть использовано для разработки
сверхбыстрых анализаторов спектра [25], как показано на рис. 8.46, г.

На рис. 8.46, д показан именно тот случай, когда частотно-качающийся
сигнал от § смешивается с сигналом неизвестных частотных компонентов, ко-
торые могут изменяться во времени. При прохождении смешанного сигнала
через согласованный фильтр будет генерироваться пик в тот момент времени,
когда частота устройства 8ТКО / 8ПИО равна частоте сигнала. При использо-
вании 8ТРЮ вихревого типа быстрое обнаружение частоты было продемон-
стрировано для времени развертки 1 мкс [257] с перспективой достижения
сверхбыстрых временных масштабов (1-10 нс).

Наномасштабные линейные размеры МТЕнаностолбиков в сочетании с
эффективным механизмом автоматической настройки частоты делают преоб-
разование постоянного тока в КБ весьма перспективным для реализации в ши-
рокополосных линиях радиосвязи систем типа «передатчик (Тх) - приемник
(Кх)» [249]. Как следует из ранее опубликованных работ для МП-наностолби-
ков (типовые диаметры 50-500 нм), можно относительно легко получить раз-
личные дополнительные частотные диапазоны, регулируя соответствующим
образом конфигурацию устройства: 0,1-1 ГГц с использованием вихревых
МТ.1 [70] и 1-20 ГГц с использованием квазиоднородно намагниченных МП
[249,254,258]. Из литературы нам известно, что, используя эти конфигурации,
были разработаны и исследованы контуры фазовой автоподстройки частоты
[250] (ФАПЧ) на уровне системы, с использованием гибридной технологии
СМО8 / РСВ, демонстрирующей возможность синтеза частот при пониженном
фазовом шуме (-90 дБ/мВт; рис. 8.47, в). Надо полагать, что в перспективных
работах будут использоваться уже более усовершенствованные разработки и
концепции для дальнейшего уменьшения уровня фазового шума и реализации
эффективных протоколов модуляции путем сдвига частоты со скоростями пе-
редачи данных, уже близкими к полосе частот ФАПЧ (1-10 МГц).

Для достижения скоростей передачи данных выше 100 Мбит/с на спин-
тронных устройствах можно применять уже известный целый ряд компактных
решений для протоколов амплитудной [258], частотной [254] и фазовой моду-
ляции [255] (А8К, Р8К, Р8К соответственно), которые могут быть использо-
ваны для передачи данных в коммутационных сетях для 1-10 м диапазона.
Здесь важно отметить тот факт, что для А8К, Р8К модуляция может быть до-
стигнута без использования внешних смесителей из-за наличия нелинейной
связи между амплитудой и частотой работы устройств (см. рис. 8,47, в). Если
нынешний уровень зрелости технологии соответствует уровню ТВЕ 3, то пере-
ход на следующий уровень ТКЕ 4 можно обеспечить путем достижения: (1)
полной интеграции с КМОП-технологией для создания, например, модулей
КхТх, модулей связи Р8К и быстрого анализа спектра (рис. 8.47, г, д) и (2) -
конкурентоспособных рабочих характеристик за счет повышения стабильности
сигнала (фазового шума), выходной мощности и достижения многочастотной
работы. Основной стратегией для достижения этих целей является создание ин-
тегрированных сетей из взаимно синхронизируемых устройств [259-260].
Преобразование ЭС-КТ ди генерации свгнаюв

ОСИО-ЙЯ млумдо *(у «дн« д«П«ЯМ)а

б Преобразование КЬ-ПС для обнаружения сигнала

Настройка частоты /ос

Рсвцллсу

Аафапсу'МбНт)

Модуляция частоты

Частота

Частотна1 разверти д Быстрый анализ спектра

Рааиаиа частота составляющга

Частота

сИАдмгинс

Рис. 8.46. Реализация основных функций для систем беспроводной связи
Рассмотренные выше принципы генерации радиочастотных сигналов и
сети подобных взаимно синхронизированных устройств МТ.1 могут быть ис-
пользованы для организации нейроморфных вычислений [208].

В основе нейроморфных вычислений лежат принципы работы нейронов
человеческого мозга, образующих сеть связанных между собой осцилляторов,
которые могут самосинхронизироваться по частоте или фазе. Первоначальные
эксперименты продемонстрировали, что сеть генераторов сигналов МТ} мо-
жет использоваться для выполнения операций распознавания и классифика-
ции [208]. Но исследователям еще многое предстоит узнать о физике работы
сетей взаимно синхронизированных осциллирующих наноустройств МТ}.

Механизм преобразования сигналов радиочастоты в постоянный ток в
наностолбиках МТ} можно также использовать для обнаружения (детектиро-
вания) сигнала (рис. 8.47, б). Спинтронные детекторы с уровнями выходного
напряжения постоянного тока в диапазоне от единиц мкВ до десятков мВ были
продемонстрированы для уровней входной мощности до 60 дБмВт [261], что
в принципе делает их конкурентоспособными с диодами Шоттки, которые
имеют ограниченную чувствительность при низких уровнях входной мощно-
сти. Кроме того, спинтронные КР-детекторы компактны, частотно избира-
тельны и могут работать в двух режимах: пассивном (без смещения постоян-
ного тока и, следовательно, с нулевым потреблением энергии в выключенном
состоянии) и активном (под смещением постоянного тока, приводящим к
уровням постоянного напряжения, которые в 10-100 раз выше, чем в пассив-
ном режиме). Эти свойства создают ряд новых сфер применения. Например,
спинтронные широкополосные микроволновые детекторы можно в принципе
использовать в качестве энергоаккумулирующих устройств для питания нано-
устройств, как было показано в [262]. В качестве альтернативы предлагается
частотная фильтрация на основе спинтронных микроволновых детекторов для
сверхмаломощных и компактных демодуляторов, которые могут быть исполь-
зованы в многочастотных протоколах в беспроводных сенсорных сетях [263,
264]. Чтобы продвинуть технологию выше уровня ТКЪ 3, основные усилия
разработчиков должны быть сосредоточены на интеграции с традиционной
технологией КМОП, повышении эффективности преобразования для аккуму-
лирования энергии, улучшении соотношения сигнал / шум (БЫВ.) для демоду-
ляции сигнала.

Заслуживают особого внимания также структуры на основе планар-
ного спинового зффекта Холла.

Приведенные на рис. 8.47 конструкции, как правило, основаны на кон-
фигурации наностолбиков МТ} (рис. 8.47, а), тогда как преобразование заряда
в спиновый ток за счет спин-орбитальных взаимодействий в двухслойных 2В-
системах ферромагнетик / тяжелый металл (РМ / НМ) (рис. 8.47, б) дает воз-
можность введения дополнительных функций, таких как локализованная гене-
рация спиновых волн. Это физическое свойство потенциально может быть ис-
пользовано для разработки практических конструкций различных фильтров и
линий задержки. В работе [252] была продемонстрирована возможность гене-
рации сигнала в диапазоне ГГц с четко определенными установившимися ко-
лебаниями с использованием отдельных наноструктур ЕМ / НМ. По сравне-
нию с ранее известными устройствами на основе наностолбиков эта конфигу-
рация имеет ряд преимуществ, заключающихся в более простом технологиче-
ском процессе производства и возможности синхронизации большого количе-
ства генераторов. Например, для генерации микроволнового сигнала с «узкой»
шириной линии (60 кГц) и увеличенной выходной мощностью (масштабиро-
вание ширины линии, как / / Л' и мощность, как А'2 до /V з. 25; где Н - коли-
чество синхронизированных осцилляторов) [253], использовалась матрица:
до 8 х 8 синхронизированных наносужений (ЗНКОпапо-сопзЮсНопаггау) (см.
рис. 8.47, в).

Задача ближайшего будущего - объединить в единую конструкцию двух-
слойные устройства ЕМ / НМ с МТ.1, чтобы обеспечить более эффективное пре-
образование динамики намагничивания в «большие» электрические сигналы.
Это свойство найдет широкое применение в новых схемах для генераторов мик-
роволновых сигналов и нейроморфных вычислений, а также в электрически
управляемых излучателях спиновых волн для магноники, где спиновые волны
будут использоваться для маломощной передачи информации. Замена ферро-
магнитного материала изолирующими ферримагнетиками или антиферромаг-
нетиками может позволить поднять до террагерцового диапазона соответству-
ющие частоты на излучение и детектирование вследствие существующей силь-
ной обменной связи между подрешетками в этих системах [85].

8.8.2. Магнонные технологии для обработки
ради-, частотных сигналов

Ферромагнитные изоляционные материалы, такие как железо-иттрие-
вый гранат (УЮ) [266], который имеет самое низкое демпфирование среди из-
вестных материалов, могут быть использованы при разработке различных ра-
диочастотных компонентов на основе магнонов. Магноны - это элементарные
коллективные возбуждения магнитных моментов в магнитных материалах, ко-
торые можно рассматривать как квазичастицы [190, 191]. Надо сказать, что
магноника предлагает новые функции для радиочастотных приложений, кото-
рые в настоящее время нереализуемы в «обычных» электронных устройствах
или устройствах на основе поверхностных акустических волн (8А\У), включая
реконфигурируемость, масштабируемость до субразмеров менее 100 нм, ши-
рокий диапазон рабочих частот от 1 ГГц до сотен ТГц и нелинейность харак-
теристик. Эти свойства имеют непосредственное отношение к отрасли ИКТ.

С точки зрения перспективных приложений следует выделить предло-
женные в [190, 267, 268] концепции радиочастотных устройств, включая ре-
конфигурируемые фильтры (например, на основе магнонных кристаллов), ли-
нии задержки, фазосдвигающие устройства, частотные разделители, У-цирку-
ляторы и изоляторы, фазовые и амплитудные мультиплексоры, анализаторы
спектра, ограничители мощности, усилители отношения сигнал / шум и ревер-
соры волнового фронта. Ради справедливости надо отметить, что большинство
из этих концепций пока были представлены только на уровне фундаменталь-
ных исследований, что соответствует уровням зрелости технологий ТШ_ 2-3.

Одна из основных проблем при разработке перспективных магнонных
технологий - это относительно низкая пока эффективность токопреобразова-
телей радиочастотных электрических сигналов в спиновые волны и обратно,
в результате чего вносимые преобразователем потери для устройств микрон-
ного размера пока еще не соответствуют отраслевым промышленным стан-
дартам.

8.8.3. Спинтронные устройства для реализации
логических и небулевых функций

Как известно, для переключения наномагнита требуется энергия по-
рядка 0,1 аДж, что на два-три порядка меньше, чем энергия/бит, необходимая
для традиционных вычислений с использованием обычных КМОП-микро-
схем. Поэтому существует большой интерес исследователей к использова-
нию магнитных степеней свободы для создания энергонезависимых логиче-
ских схем со сверхмалым энергопотреблением [269]. В таблице суммируются
результаты анализа различных исследуемых подходов в этом направлении.
Тем не менее, спинтронная логика и логические вычисления на ее основе все
еще находятся на исследовательском уровне, и в литературе было представ-
лено лишь несколько примеров технических решений, превысивших уровень
Т[<1_ 3. Большинство этих исследований были сосредоточены на реализации
спиновых степеней свободы при построении аналогов обычных полупровод-
никовых устройств [270]. Такие устройства в основном построены на разбав-
ленных магнитных полупроводниках (<Нкйета§пебс8ет1сопс1ис1ог8) с темпе-
ратурой Кюри ниже комнатной, что пока существенно ограничивает их прак-
тическое применение.

Попробуем дать краткий анализ современного состояния и перспектив
развития спинтронных устройств для булевой логики, основываясь на фун-
даментальном обзоре [181]. Основные методы построения таких устройств
представлены в графическом виде.

На момент выхода книги существуют уже десятки различных «спинтро-
нных концепций» для цифровой булевой логики, основанных на спиновых то-
ках [271, 272], наномагнетиках (рис. 8.47, а) [273-275], магнитоэлектрической
спин-орбитальной логике (МЕЗО) (рис. 8.47, б) [276], магнитной логике с
управлением обменным взаимодействием (рис. 8.47, в) [275], доменных стен-
ках [277-279], скирмионах [280] и спиновых волнах (рис. 8.47, г) [281-284].

Например, спиновые токи могут заменять зарядные токи в логических пе-
реключателях и вентилях [271, 272], поскольку здесь информация может быть
закодирована в поляризации спинового тока. Понятно, что теоретически отде-
ление спиновых токов от зарядовых токов в принципе может привести к значи-
тельному снижению общей величины рассеяния энергии. Исследованные мате-
риалы со слабым спин-орбитальным взаимодействием, такие как графен, обес-
печивают достаточно длительное время жизни спина при комнатной темпера-
туре, чтобы сделать эти устройства вполне пригодными для практического ис-
пользования [285], хотя достоверная экспериментальная демонстрация функци-
онирования такой логики на момент выхода книги пока отсутствует.

Рис. 8.47. Основные методы построения спинтронных
логических устройств для булевой алгебры
Основные принципы организации таких устройств показаны на рис. 8.47.
Здесь на рис. а и б показана двоичная логика, основанная на переключении
наноразмерных магнитных структур.

Конкретно на рис. 8.47, а показаны сканирующие электронные микро-
фотографии базовой ячейки на основе магнитных квантовых точек с исполь-
зованием диполярной связи между наномагнитами. Наномагниты связаны
либо ферромагнитно (вертикально), либо антиферромагнитно (горизон-
тально). Большинство из трех горизонтальных входных наномагнитов опреде-
ляет направление выходного магнита в центре устройства.

На рис. 8.47, б показан пример построения конструкций магнитоэлек-
трической спин-орбитальной логики (МЕ8О), объединяющей магнитоэлек
трический конденсатор для переключения наномагнита (преобразование за-
ряда в спин) с преобразованием спина в заряд за счет спинового эффекта
Холла. Устройства такого типа могут быть соединены каскадом с помощью
межсоединения на основе заряда для образования цепей, как показано на верх-
ней части рисунка а. Здесь 1с (трШ) и 1с (оШ) - токи заряда, соответственно,
для входа и выхода каждого блока. 1зирр1у - это ток, подаваемый на источник
питания (то есть выделенная энергия). Пороговая функция переключения
наномагнита может использоваться для вычислений.

В левой нижней части рис. 8.47, б представлен рабочий механизм пре-
образования спина в заряд: материал с сильным спин-орбитальным взаимодей-
ствием (БОС) используется для генерации зарядового тока (1с) путем инжек-
ции спинов (Л) из ферромагнетика (РМ) через слой инжекции спина (81Б).
В правой нижней части рис. 8.47, б представлен принцип работы физического
механизма для магнитоэлектрического (МЭ) материала. Зарядный ток 1с за-
пускает переключатель намагничивания в слое ферромагнетика РМ. НЕВ и
Нес - это обменное смещение и обменная связь между магнитоэлектрическим
материалом и ферромагнетиком соответственно, как функция напряжения (V),
ат- намагниченность ферромагнетика.

На рис. 8.47, в представлена фотография экспериментального трехвхо-
дового мажоритарного вентиля, построенного на основе использования прин-
ципа линейной спин-волновой суперпозиции. Интерференция спиновых волн
с фазами 0 или л (логические 0 или 1) приводит к спиновой волне с фазой,
соответствующей большинству входов.

На рис. 8.47, г показаны сканирующие электронные микрофотографии
магнонного направленного ответвителя, наложенные на цветные карты, кото-
рые представляют интенсивность спиновой волны, измеренную методом
бриллюэновского рассеяния света. В зависимости от частоты спиновая волна
направляется на разные выходы. Различные направленные ответвители могут
быть объединены в логические схемы, например, магнонные полусумматоры.

Принципы организации нейроморфных вычислений с использованием
нелинейных наноосцилляторов, основанных на эффекте переноса спинового
момента, поясняет рис. 8.47, д. Верхняя часть рисунка здесь показывает ис-
пользуемую схему экспериментальной установки, включая наноосциллятор.
Постоянный ток (Ля) и быстро меняющаяся форма волны, которая кодирует
вход (Ут), вводятся в спин-трансферный нано-осциллятор. На нижней части
этого рисунка показана осциллограмма излучаемого Уоне (нижняя панель) и
его огибающая V, которые могут эффективно использоваться для задач рас-
познавания изображений.

На рис. 8.47, е представлена структура конструкции схемы резервуарных
вычислений (гезегуойсотрнбп^) с использованием сети магнитных скирмионов
в качестве нелинейного магниторезистивного элемента. В обоих представлен-
ных случаях моделируется только часть материала (у * х, 250 х 500 нм). На
верхней части рисунка представлен общий вид магнитной конфигурации. Си-
ние и красные капли соответствуют скирмионам, на нижней части - текущий
профиль.

Таблица 8.7

Основные принципы организации магнитной логики

Ссылка (-и) Состояние ввода/ вывода Механизм вычислений Сохранение состояния Межсоеди- нение
Наномагнитная логика 93,94 Ориентация намагни- ченности Диполярные взаимодей- ствия Ориентация намагничен- ности Магнитное
Магнонная логика 101-104 Амплитуда и / или фаза спиновой волны Интерферен- ционные, волноводные, нелинейные спин-волно- вые взаимо- действия Энергозави- симое, при отсут- ствии связи с наномагни- том Спиновая волна, элек- трическая, гибридная
Спиновые полевые транзисторы 91 Ориентация намагни- ченности Прецессия спина Ориентация намагничен- ности Спиновый ток,электри- ческий, гибридный
Полупроводнико- вая логика на основе спинов 92 Ориентация намагни- ченности Накопление спинов Ориентация намагничен- ности Электриче- ское
МЕ8О-логика 96 Ориентация намагни- ченности Магнитоэлек- трическое и спин-орби- тальное взаи- модействия Ориентация намагничен- ности Электриче- ское
Магнитная логика с управле- нием на основе обменного взаимодействия 95 Ориентация намагни- ченности Обменное вза- имодействие Ориентация намагничен- ности Магнитное, электри- ческое, гибридное
Окончание таблицы 8.7

Ссылка (-и) Состояние ввода/ вывода Механизм вычислений Сохранение состояния Межсоеди- нение
Логика на основе доменных стенок 97-99 Ориентация намагни- ченности Движение и взаимодей- ствие домен- ных стенок Ориентация намагничен- ности Магнитное
Логика на основе скирмионов 100 Хираль- ность скирмиона Взаимодей- ствие со скир- мионами Хиральность скирмиона Магнитное, электри- ческое, гибридное

Другие известные концепции основаны на принципах кодирования ин-
формации в состоянии намагниченности наномагнита, с обеспечением при
этом максимального приближения к техническим параметрам классических
(серийных) устройств энергонезависимой логики [273, 275]. Здесь вычисления
могут быть выполнены с использованием спиновых токов [272] или же дипо-
лярной [273, 275] или обменной [275] связи между наномагнетиками. Не-
смотря на то что экспериментально была продемонстрирована достаточно
надежная работа подобных устройств при комнатной температуре, а также по-
лучены вполне приемлемые численные значения величины произведения
«энергии на задержку», уровень технологической проработки этих подходов
всё еще не соответствует требованиям практического применения.

Следует обратить особое внимание на концепцию наномагнитной ло-
гики, основанную на магнитоэлектрическом управлении наномагнетиком в со-
четании со схемой считывания с использованием обратного спин-орбиталь-
ного эффекта (рис. 8.47, б) [276]. Теоретически эта концепция может обеспе-
чить сверхнизкую мощность устройств спинтроники, если только магнито-
электрическая связь и обратный спиновый эффект Холла здесь будут доста-
точно велики. Однако надо отметить, что экспериментальная демонстрация та-
кого устройства до сих пор отсутствует.

Еще одна интересная концепция - логика доменных стенок - это похо-
жая концепция, которая заменяет отдельные наномагнетики доменами в про-
тяженных ферромагнитных каналах [278], аналогично известной концепции
магнитной памяти типа «беговая дорожка» (та^пеНсгасейасктетогусопсер!)
[236, 286]. Здесь основной технологической проблемой является организация
процесса быстрого распространения доменных стенок в магнитных каналах
нанометрового размера при малой мощности.

Упомянутая выше магноника предлагает несколько другой подход к ор-
ганизации устройств спинтронной логики, поскольку использует амплитуду
или фазу спиновых волн для кодирования информации [190]. Поскольку спи-
новые волны могут иметь длину волны вплоть до нанометрового диапазона и
значения частоты от ГГц до ТГц, это делает их весьма перспективными для
использования в технологиях быстрой наноразмерной логики. В частности,
интерференция спиновых волн может быть использована для вычислений по-
средством построения мажоритарных вентилей [281]. Экспериментально про-
демонстрирован прототип такого мажоритарного вентиля на спиновых волнах
(рис. 8.47, в), экспериментальная конструкция которого была представлена в
работах [284, 287]. Хотя спиновые волны, как известно, обладают малой мощ-
ностью, однако отсутствие энергоэффективных преобразователей спиновых
волн в электрический ток и наоборот пока ограничивает практическую реали-
зацию таких концепций. С другой стороны, обработка всех магнонных данных
с использованием направленных ответвителей требует использования мень-
шего количества преобразователей, но опирается на нелинейные магнонные
эффекты. Экспериментальная конструкция такого устройства была представ-
лена в работах [282, 288]. Хотя ранее и были предложены конструкции инте-
гральных магнонных схем [288], достоверные экспериментальные подтвер-
ждения, как и физико-математические их описания, на схемотехническом
уровне всё еще отсутствуют.

Еще одной перспективной для исследований концепцией является трех-
контактное устройство, предложенное Супрейо Датта и Бисваджит Дас [271]
и получившее название «спинового полевого транзистора» (спин-РЕТ) [289].
Спиновые полевые транзисторы состоят из двух ферромагнитных контактов,
которые действуют как поляризатор и анализатор (или спин-поляризованные
исток и сток) и разделены полупроводниковым каналом с затвором. Из-за
ненулевого спин-орбитального взаимодействия спиновая поляризация на
стоке управляется напряжением, приложенным к затвору. В результате элек-
троны со своим спином, выравненным по намагниченности стока, имеют бо-
лее высокую вероятность покинуть канал, чем электроны со спином, вырав-
ненным в противоположном направлении, таким образом, реализуя функцио-
нальность включения / выключения [271, 289].

Теоретически предполагалось, что это устройство будет работать быст-
рее и эффективнее, чем обычные полевые транзисторы, с дополнительными
преимуществами, такими как энергонезависимость и более низкие потери
мощности. Однако, хотя исследователями было протестировано большое ко-
личество комбинаций различных материалов [285,290], эта концепция пока не
показала эффективной работы при комнатной температуре. Ключевым огра-
ничением здесь является то, что спиновое расщепление электрохимического
потенциала в полупроводнике из-за инжектированных спиновых токов до-
вольно мало, и поэтому уровни логического сигнала на ферромагнитном вы-
ходном контакте значительно ниже уровней (примерно от 50 до 100 мВ), не-
обходимых для построения надежных электронных схем [289]. Однако замет-
ный прорыв был достигнут в области разработки полупроводникового спино-
вого полевого транзистора с двумя квантовыми точечными контактами в ка-
честве спиновых инжекторов и детекторов (при низкой температуре) [291].

Помимо применений для решения задач булевой логики, спинтроника
также может использоваться для исследования новых путей построения нетра-
диционных (небулевых) вычислительных устройств и систем. Интеграция в
рамках единой системы аналогово-подобных маломощных вычислительных и
запоминающих устройств (энергонезависимая память или память с адаптиро-
ванным хранением) может быть использована для выполнения нейроморфных
вычислений с использованием спиновых волн [292], спин-трансферных осцил-
ляторов (рис. 8.47, д) [208] и мемристоров на основе МТ.1 [209]. В качестве
примера здесь можно привести уже упомянутые выше схемы резервуарных
вычислений, например - систему машинного обучения, основанную на боль-
ших нелинейных динамических системах (рис. 8.47, е), и системы искусствен-
ного интеллекта. Если говорить предельно упрощенными терминами, в такой
системе входные сигналы подаются в некую динамическую систему (резер-
вуар), а создаваемая структура управления оптимизируется для получения
суммирующего выходного сигнала без необходимости организации процесса
обучения этого самого «резервуара» [293]. Надо отметить, что подобные пред-
ложения по «резервуарным вычислениям» на основе спинтроники скорее от-
носятся к области скирмионных сетей [294] или спин-трансферных осцилля-
торов [208].

В завершение этого раздела следует сказать и об основных технических
проблемах, которые требуют решения в ближайшей перспективе.

8.9. Спиновый транзистор для оптически
управляемых спинорых логических элементоп

В патенте РФ № 170009 на полезную модель группа исследователей из
Санкт-Петербургского университета ИТМО предложила конструкцию спино-
вого транзистора, которая может быть использована для создания оптически
управляемых спиновых логических элементов и устройств.

Наиболее близким аналогом заявленного авторами устройства является
спиновый транзистор Датта-Даса [патент США № 5654566, МПКН01Е29/66,
дата приоритета 21.04.1995, опубликовано 05.08.1997] с базой, представляю-
щей собой тонкий полупроводниковый слой нецентросимметричного матери-
ала, заключенный между двумя ферромагнитными обкладками, представляю-
щими собой эмиттер и коллектор. Ферромагнитные обкладки необходимы для
генерации и приема спин-поляризованного электрического тока. Коэффици-
ент прохождения спин-поляризованного тока через базу определяется, в част-
ности, силой спин-орбитального взаимодействия. Путем изменения спин-ор-
битального взаимодействия можно управлять прохождением спин-поляризо-
ванного тока через устройство.

Сила спин-орбитального взаимодействия изменяется приложением по-
стоянного электрического поля, перпендикулярного плоскости активной
структуры. Для этих целей к двумерному электронному газу подводится элек-
трический контакт (затвор), управление спин-поляризованным током проис-
ходит посредством изменения электрического напряжения на затворе. Недо-
статком этого технического решения является ограничение по скорости вклю-
чения и выключения затворного напряжения: время включения и выключения
ограничено единицами наносекунд.

В патенте № 17009 решается задача увеличения эффективности управ-
ления спиновым током.

Предлагаемый авторами спиновый транзистор содержит эмиттер и кол-
лектор, которые выполнены из ферромагнитного материала, базу в виде тон-
кого слоя полупроводника нецентросимметричного класса и источник управ-
ляющего поля, выполненный в виде источника электромагнитного излучения
с плотностью мощности от 14-10 Вт/см2 и длиной волны излучения от 1 до
100 микрон. В качестве ферромагнитного материала используется железно-ит-
триевый гранат, а база выполнена из дихалкогенида переходного металла
МО82.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рис. 8.48 и 8.49.
На рис. 8.48 представлено схематическое изображение спинового транзистора;

на рис. 8.49 представлена зависимость кондактанса системы от интен-
сивности облучения.

Устройство состоит из ферромагнитной пластины с функцией эмит-
тера 1 и идентичной ей ферромагнитной пластины с функцией коллектора 2,
с контактами, к которым прикладывается напряжение питания. Эмиттер 1 и
коллектор 2 соединены посредством тонкого полупроводникового слоя с
функцией базы 3, над ними расположен управляющий элемент 4, выполнен-
ный в виде источника электромагнитного поля.

Работает спиновый транзистор следующим образом. При подаче напря-
жения питания в эмиттере 1 возникает спин-поляризованный ток электронов.
Далее электроны инжектируются в тонкий полупроводниковый слой 3. В дву-
мерном полупроводнике вектор спина электронов начинает вращаться отно-
сительно оси, сонаправленной с направлением движения электрона. Скорость
вращения вектора спина пропорциональна величине спин-орбитального взаи-
модействия. Как известно, спин-орбитальное взаимодействие определяется
двумя классическими механизмами: механизмом Рашбы и механизмом Дрес-
сельхауза. В основе обоих механизмов лежит возникновение эффективного
магнитного поля при движении электрона, которое и взаимодействует со спи-
ном электрона. Взаимодействие Дрессельхауза присутствует в объемных и
низкоразмерных полупроводниковых кристаллах, в которых отсутствует
центр инверсии (нецентросимметричных кристаллах). Взаимодействие Рашбы
присутствует только в низкоразмерных полупроводниковых структурах, в ко-
торых толщина структуры хотя бы в одном направлении сравнима с длиной
волны де Бройля электрона в материале. Сила спин-орбитального взаимодей-
ствия Рашбы и Дрессельхауза определяется константами аир соответственно.

При достижении электроном коллектора 3 он частично отражается от
него, а частично проходит, формируя интегральный ток в цепи. Коэффициент
пропускания электрона на границе базы 3 и коллектора 2 зависит от угла
между направлением намагниченности в коллекторе 2 (таким же, как в эмит-
тере 1) и направлением спина электрона: если эти два направления совпадают,
то пропускание максимально и через схему течет ток, если же намагничен-
ность и спин противонаправлены, то пропускание минимально, и ток через си-
стему не течет. В общем случае направление спина электрона на границе с
коллектором 2 определяется временем пролета электронов от эмиттера 1 до
коллектора 2 и скоростью вращения вектора спина.

Рис. Ь.48. Эскиз конструкции спинового транзистора
(патент РФ № 170009)

Таким образом, током через систему можно управлять, изменяя скорость
вращения вектора спина и величину спин-орбитального взаимодействия. Из-
менение величины спин-орбитального взаимодействия обеспечивается по-
средством управляющего элемента 4, представляющего собой источник силь-
ного электромагнитного поля, например, лазера. Возможность изменения кон-
стант спин-орбитального взаимодействия внешним электромагнитным полем
была показана в [РЬуз. Кеу. Ьей. 99. 047401. - 2007]. Изменение скорости вра-
щения проекции спина под действием электромагнитного поля достигается
вследствие эффекта «одевания» электронов полем, при котором происходит
перенормировка констант спин-орбитального взаимодействия. Согласно про-
веденным оценкам, константы спин-орбитального взаимодействия перенор-
мируются таким образом, что константы спин-орбитального взаимодействия
убывают с интенсивностью управляющего поля.

Таким образом, изменяя интенсивность управляющего электромагнит-
ного поля, можно «включать» или «выключать» спин-поляризованный ток че-
рез систему. Отличием предлагаемой схемы от вышеуказанного прототипа яв-
ляется использование в качестве управляющего элемента не затвора, создаю-
щего постоянное электрическое поле, а источника электромагнитного поля,
что позволяет существенно увеличить скорости включения и выключения
транзистора. В частности, время, за которое происходит перенормировка зна-
чений спин-орбитального взаимодействия и которое определяет время пере-
ключения транзистора, составляет 10 спектральных периодов «одевающего»
поля, и, следовательно, ограничено сверху значением 1 пикосекунда.

Моделирование изменения кондактанса системы, результаты которого
представлены на рис. 8.49, проводилось авторами для случая его выполнения
на базе эмиттера 1 и коллектора 2, выполненных из железно-иттриевого гра-
ната, соединенных базой 3, выполненной из тонкого слоя нецентросимметрич-
ного полупроводника с длиной Ь = 2,3 мкм. В качестве управляющего эле-
мента использовался источник электромагнитного поля с длиной волны
300 мкм.

Рис 8.49. Результаты численного моделирования
кондактанса системы

На рис. 8.49 представлены результаты численного моделирования
кондактанса системы в зависимости от интенсивности электромагнитного
поля. При моделировании константа спин-орбитального взаимодействия
Дрсссельхауза р была авторами выбрана равной 20 000 м/с, что соответствует
среднему значению этой величины в полупроводниках (ЗаАз, 1п8Ь, а также в
двумерных материалах М08т, А'/Зет. Моделирование проводилось при разных
значениях константы р, а именно при а = Р / 4, а = р /2,а = Зр/4, что соответ-
ствует разным конструктивным реализациям базы 3. При высоком кондак-
тансе системы устройство находится в состоянии «включено», то есть при по-
даче напряжения по устройству течет ток. При равенстве кондактанса нулю
устройство находится в состоянии «выключено», то есть ток по системе не
идет при подаче напряжения.

Важной характеристикой для практического устройства является мини-
мальное значение интенсивности управляющего электромагнитного поля, пе-
реводящего устройство из состояния «включено» в состояние «выключено»,
называемое далее интенсивностью переключения. На рис. 8.49 видно, что оп-
тимальными с точки зрения минимизации интенсивности переключения явля-
ются полупроводниковые каналы, в которых а = Р / 4. Такие соотношения до-
стигаются в двумерных полупроводниковых материалах М08з, а также в по-
лупроводниковых растворах ХпОаАз. При соотношении а = Р / 4 интенсивность
переключения составляет 3 Вт/см2, что вполне достижимо в современных ис-
точниках электромагнитного излучения, таких как лазеры, и значительно ниже
порога термического разрушения полупроводниковых слоев.

Длина волны электромагнитного поля должна удовлетворять условию
сильной связи, заключающемуся в том, что за время пролета электрона от ис-
тока до стока он должен испытать несколько осцилляций поля. Математически
это условие может быть записано как Л < ст, где Л - длина волны электромаг-
нитного поля, ат- время пролета электрона между истоком и стоком. Таким
образом, для микронных размеров канала длина волны ограничена сверху ве-
личиной примерно 3 мм. При этом энергия фотона на спектральной частоте
поля должна быть меньше, чем энергии межзонных и межподзонных перехо-
дов в базе. Для случая тонких полупроводниковых материалов А' Б5 это огра-
ничение приводит к минимальной длине волны порядка 30 мкм. Для двумер-
ных каналов на основе дихалкогенидов переходных металлов, в которых от-
сутствуют межподзонные переходы, максимальная частота должна быть
меньше запрещенной зоны, что соответствует длине волны 2 мкм.

Таким образом, в предложенной конструкции решается задача увеличе-
ния эффективности управления спиновым током транзистора.

8.10. Спинспый транзистор для спиновых (квантовых)
запоминающих устройст

В патенте РФ № 2387047 детально рассмотрено техническое решение
спинового транзистора, который может быть использован в качестве элемента
ячеек спиновой (квантовой) памяти и логических информационных систем,
а также источника спин-поляризованного излучения (лазером) в миллиметро-
вом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.

В качестве одного из прототипов изобретения авторы использовали ра-
нее известное техническое решение - это многослойная структура, содержа-
щая слой ферромагнитного металла, слой чистого кремния, затем снова слой
ферромагнитного металла и слой кремния с примесями (Арре1Ьаит I. К.. Ниап%
В., Мотта Б. В ЯаШге. - V. 447 - Р. 295. - 2007). К разным слоям этой струк-
туры прикладывают специально подобранное напряжение, управляющее то-
ком электронов. Поток электронов на входе неполяризован, но после прохож-
дения ферромагнитного слоя он приобретает поляризацию, то есть становится
спиновым током. Попадая в слой из чистого кремния, электроны проходят зна-
чительную дистанцию, затем попадают во второй слой ферромагнетика и вы-
ходят наружу. Экспериментально было доказано, что спин-электронный ток
проходит дистанцию в 350 мкм, что является вполне приемлемым макроско-
пическим размером. Степень спиновой ориентации на выходе этого устрой-
ства достигает 31 %.

Однако рабочие температуры этого известного устройства ограничива-
ются 180 К, что значительно ниже комнатной температуры.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является
спинтронное устройство, в основу работы которого положен контакт ферро-
магнетик / Ста Аз (патент США 7244997, МКИ НОШ 29/82, 2007). Это устрой-
ство по принципу работы представляет собой спин-волновой транзистор, све-
тогенерирующие параметры которого в силу большой разницы удельных элек-
тросопротивлений ферромагнетика и ОаАз, достигаюшей величины 6-8 по-
рядков, определяются процессами рекомбинации спин-поляризованных носи-
телей тока на квантовых ямах коллектора - монокристаллического п-ОаАз. Из-
вестное устройство допускает получение на своей основе спинового транзи-
стора путем создания диэлектрической базы между ферромагнетиком (Си, Со,
М!Ре) и полупроводником ОаАз, выполненной из оксида металла АЬОз, и ис-
пользования регулирующего напряжения база - коллектор.

Однако и это устройство не будет работоспособно при комнатной тем-
пературе в силу того, что большая разность удельных электросопротивлений
в граничном слое эмиттер - база является причиной известного эффекта спин-
флипа и деполяризации спинового тока.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать спиновый
транзистор, характеризующийся достаточно высокими параметрами спин-по-
ляризованного тока при комнатной температуре.

Поставленная задача решена в предлагаемом автором спиновом транзи-
сторе, содержащем эмиттер спинов, выполненный из ферромагнетика, базу,
выполненную из оксидного соединения, и детектор, выполненный из моно-
кристаллического широкозонного полупроводника, в котором эмиттер спинов
выполнен из тонкопленочного композита состава (ЕиО)Ре при соотношении
ЕпО : Ре = (4-6): 1.

Фактически предлагаемое устройство является полевым транзистором,
работа которого основана на создании гетеро- (или многослойной) структуры,
содержащей эмиттер или спиновый инжектор (ферромагнитный полупровод-
ник) и спиновый приёмник (немагнитный полупроводник), в котором эмиттер
(спиновый инжектор) выполнен из ферромагнитного полупроводника - тон-
копленочного композита состава (ЕиО)Ре при определенном соотношении
ЕиО и Ре, а детектор (спиновый приемник) выполнен из широкозонного не-
магнитного полупроводника (ширина запрещенной зоны Е§ > 1,5 эВ), облада-
ющего повышенным значением гиромагнитного отношения (^-фактора) для
электронов проводимости (§ > 50), например, 1п8Ь, ОаАз, ОаИ. База предлага-
емого транзистора выполнена из слоя оксида кремния 81О2 нанометровой тол-
щины (10-30 нм).

В настоящее время основой конструкций систем памяти (ячеек накопи-
телей) микроэлектронных информационных систем являются полевые транзи-
сторы на основе контакта М / П, где М - немагнитный металл, П - полупро-
водник, в основном кремний п- или р-типа. Работа классического полевого
транзистора основана только на зарядовом токопереносе носителей по при-
месным уровням полупроводника и никак не зависит от их спиновой ориента-
ции. Использование в качестве эмиттера полевого спинового транзистора фер-
ромагнитного полупроводника - композита ЕиО : Ре заданного состава позво-
ляет существенно понизить высоту барьера на границе ФП / П в силу достига-
емой близости удельных электросопротивлений эмиттера и детектора (раз-
ница в 1-2 порядка величины), что, в свою очередь, обеспечивает практически
беззатратное по энергии туннелирование носителей заряда и спина из ФП в П.
При этом выбор в качестве детектора - приемника спинов - широкозонного
немагнитного полупроводника, подобного ОаАз, обладающего существенно
повышенной величиной ^-фактора для носителей заряда в нем, является необ-
ходимым условием для обеспечения значительного по энергии зеемановского
расщепления примесных электронных уровней в его запрещенной зоне, опре-
деляемой соотношением: Е = цб§ Н (здесь цб - магнетон Бора, Н - внешнее
магнитное поле). Это обеспечивает локализацию спин-ориентированных элек-
тронов на этих зеемановских уровнях и возможность их инверсной заселенно-
сти с выделением соответствующей энергии перехода.

Рис. 8 50. Эскиз структуры спинового транзистора

На рис. 8.50 изображена принципиальная схема предлагаемого устрой-
ства. Спиновый транзистор выполнен многослойным на основе гетерострук-
туры ферромагнитный полупроводник / немагнитный полупроводник. Первый
слой выполнен из монокристаллической пластины, например, п-СгаАз (детек-
тор), обе поверхности которой для деоксидирования обработаны стандартным
методом, применяемым в промышленной микроэлектронике, например, СВЧ-
плазменной обработкой. На внутреннюю поверхность пластины нанесен слой
(10- 30 нм) диоксида кремния, который является базой транзистора. На него
напылен слой (от 300 до 1000 нм) композита состава (ЕиО)Ре при соотноше-
нии ЕиО : Ре = (4 -г 6) . 1, который является эмиттером (спиновым инжекто-
ром). Электрические контакты, прикрепленные к внешней поверхности моно-
кристаллической пластины и к внешней поверхности композита, были выпол-
нены из золота.
Измеряли вольтамперную характеристику (ВАХ) транзистора при ком-
натной температуре как в ненамагниченном состоянии эмиттера, так и в со-
стоянии его намагничивания.

На рис. 8.51 приведена кривая намагничивания предлагаемой гетеро-
структуры, свидетельствующая о том, что насыщение ферромагнитного мо-
мента эмиттера наступает во внешнем магнитном поле величиной Н ~ 0,5 Тл.

На рис. 8.52 приведена ВАХ спинового транзистора. В отсутствие
внешнего магнитного поля при ненамагниченном эмиттере эта характери-
стика типична для полевого транзистора. В случае намагничивания эмиттера
до Н = 0,2 Тл ток в коллекторе появляется уже при нулевом смещении на
базе, и по величине он уступает току коллектора при Н = 0. Иными словами,
он определяется той спиновой составляющей туннельного тока, которая сов-
падает с направлением намагниченности эмиттера - спинового инжектора.
С подачей на базу напряжения смещения величина спинового тока также
уменьшается

Если рассматривать ток через коллектор в ненамагниченном состоянии
эмиттера как только 100%-й зарядовый токоперснос (7о), то оценить степень
спинового токопереноса (Р) из намагниченного эмиттера (,1ц) можно из соот-
ношения;

Р — Л> — н '

Что, по данным рис. 8.53, определяется величиной Р ~ 70 %, т. е. весьма
значительной и определяемой ЕиО-составляющей композита, поскольку фер-
ромагнитный полупроводник ЕпО, температура Кюри которого Тк = 69 К, об-
ладает в состоянии магнитного насыщения при Т = 4,2 К 100%-й степенью
спиновой поляризации носителей заряда в своей структуре (Борухович А. С.
Физика материалов и структур сверхпроводящей и полупроводниковой спи-
новой электроники. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004).

Рис. 8.53. Внешний вид созданной интегральной схеллы
на основе заявляеллого спинового транзистора
М(оти)

Н(О«)

Рис 3.51. Кривые намагничивания ФП / П контакта
вдоль плоскости контракта (легкое направление, рага)
и перпендикулярно (трудное направление, регр)
при комнатной температуре

Рис. 8.52. Вольтамперная характеристика созданного
комнатнотемпературного спинового транзистора
На рис. 8.53 изображен внешний вид интегральной схемы на основе
предлагаемого спинового транзистора, созданной с использованием стандарт-
ных промышленных технологий.

Таким образом, использование в качестве эмиттера полевого транзи-
стора ферромагнитного полупроводникового композита (ЕиО)Ре в контакте с
широкозонным немагнитным полупроводником ОаАз (1п8Ь, ОаН) позволяет
создать комнатнотемпературный спиновый транзистор, рабочие характери-
стики которого управляются внешним магнитным полем. При этом степень
спиновой поляризации носителей тока в нем достигает весьма значительной
величины. Рассмотренное выше устройство, кроме использования его в каче-
стве ячеек памяти запоминающих устройств, также может быть использовано
для создания на его основе:

1) логических устройств спиновой информатики с использованием
методов литографии при подготовке рабочей поверхности детек-
тора;

2) двухуровнего твердотельного лазера миллиметрового и субмилли-
метрового диапазона, частота излучения которого регулируется маг-
нитным полем;

3) спинового оптоэлектронного устройства, поскольку эмиттер - ком-
позит (ЕиО)Ре - обладает при комнатной температуре шириной за-
прещенной щели Е8= 0,72 эВ, а детектор - например, кристалл ОаАз,
светодиодные характеристики которого в данном случае определя-
ются механизмом спиновых переходов между зеемановскими уров-
нями.

8.11. Основные материалы спинтроники

Реальный прогресс в достижении конечных целей спинтроники (созда-
ние высокоэффективных логических и вычислительных устройств) потребует
создания функциональных материалов, обладающих высокой спиновой поля-
ризацией, спиновой фильтрацией, имеющих большую спин-орбитальную
связь, высокую (перпендикулярную) магнитную анизотропию и низкое маг-
нитное затухание [296, 297]. Более того, успешная практическая реализация
новых подходов к эффективному управлению магнитным состоянием устрой-
ства без магнитных полей [296-300] основывается на выращивании и опреде-
лении рабочих характеристик материалов с атомной точностью, а также на со-
здании новых сложных многослойных структур, сочетающих металлические,
полупроводниковые, диэлектрические, магнитные (ферро-, ферри- и антифер-
ромагнетики) и немагнитные материалы.

На рис. 8.54 представлены основные типы известных из литературы ма-
териалов, используемых для построения спинтронных устройств.

Так, на рис. 8.54, а показана связь между магнитосопротивлением (МК)
и произведением омического сопротивления на удельную площадь (КА) для
различных типов материалов. Целевые требования к устройствам памяти и
хранения нового поколения также указаны на этом рисунке: 2 ТЬй/пГ2 для счи-
тывающих головок жесткого диска (НОВ), 1 и 10 Гбит для магнитной памяти
с произвольным доступом (МКАМ).

Рис. 8.54. Оснозные материалы, используемые в спинтронике

В качестве демонстрации степени готовности технической и производ-
ственной базы современной промышленности на рис 8.54, Ь показан общий
вид производственной линейки Экспертно-консультационного центра Варт
одного из крупнейших научно-исследовательских центров спинтроники. Здесь
представлено более 30 единиц оборудования для выращивания исследования
материалов Эта линия создана под эгидой 1п8Й1и1,1еап Гаптоиг (Университет
Лотарингии, Франция). Рисунок адаптирован с разрешения: а) сс.|23РМ1В;
Ь) 1п8Й1и1.1еап Гагооиг.

Если более подробно говорить о современном состоянии этого направ-
ления (материалы спинтроники), то необходимо вспомнить, что спинтрон-
ные датчики и память МКАМ также основаны на использовании спино-
вых эффектов в материалах. Стандартными материалами для МТЗ являются
ферромагнитные переходные металлы (РМ), их сплавы и изолятор МцО
(рис. 8.54, а). Однако получение больших численных значений величин маг-
нитосопротивления и эффектов надежного переключения при уменьшении
толщины М^О-барьера является достаточно сложной технологической зада-
чей. Самое большое гигантское туннельное магнитосопротивление ТМК при
комнатной температуре (604 %) пока было зарегистрировано для перехода
СоРеВ / М<:0 / СоРеВ еще в 2008 году [301]. Кроме того, следует отметить,
что амплитуда ТМЯ в перпендикулярных МТ.1 пока еще недостаточно вы-
сока для практических приложений в МКАМ и требует усиления на этапе
считывания информации из ячеек памяти. Поэтому в ряде случаев промыш-
ленные предприятия стремятся заменить МцО, даже вернувшись в ряде слу-
чаев к использованию «устаревших» (ЗМК для некоторых приложений (дат-
чики, КГ).

Например, гетероструктуры Ван-дер-Ваальса на основе 20-материалов
имеют атомно-тонкие границы раздела и потенциально могут заменить МцО.
В ряде работ было спрогнозировано, что многослойный графен может дей-
ствовать как спиновый фильтр с низким сопротивлением [302]. Гексагональ-
ный нитрид бора (ЬВЫ) также продемонстрировал свой высокий потенциал в
структурах Со / ЬВХ / Ре, обеспечивая величину ТМК более 50 % [302]. Другой
подход к увеличению ТМК включает использование полуметаллических фер-
ромагнетиков, например, сплавов Гейслера, перовскитов, рутилов, ферритов и
разбавленных магнитных полупроводников. Например, сплавы Гейслера про-
демонстрировали 100%-ю спиновую поляризацию при комнатной темпера-
туре [303]. Их температура кристаллизации недавно была снижена с > 400 °С
до < 235 °С [304], что, в принципе, уже позволяет использовать их в промыш-
ленных устройствах спинтроники, так как при этом предотвращается эффект
межфазного перемешивания во время процесса их изготовления.

Чтобы повысить эффективность работы 8ТТ - МКАМ и снизить вели-
чину потребления энергии, теоретически можно ввести перпендикулярную
магнитную анизотропию (РМА). Графен может еще больше усилить РМА в
ферромагнетиках, таких как Со [305]. Альтернативный подход к организации
процесса записи информации в ячейку памяти заключается в использовании
спинового эффекта Холла, или обратного спин-гальванического эффекта,
в материалах с большим спин-орбитальным взаимодействием. В частности,
преобразование заряда в спин в топологических изоляторах (Т1) в ряде иссле-
дований использовалось для переключения 8ОТ в двойных слоях ЕМ / Т1
[306]. Для устройств с РМА требуемая симметрия 8ОТ может быть обеспечена
путем использования материалов с низкой кристаллической симметрией,
например, двуслойных структур «дихалькогениды переходных металлов
(ТМПС)/РМ» [307].

Гетероструктуры, сочетающие магнитные эффекты, такие как взаимо-
действие Дзялошинского - Мориа (ВМ1) с магнитными 2Г)-материалами, про-
демонстрировали удивительно большое магнитосопротивление, хотя и при
низкой температуре [308, 309]. В частности, в гетероструктурах Ван-дер-Ва-
альса со спин-фильтрами [310] была достигнута пока рекордная амплитуда
ГМК (19 000 %). С точки зрения спиновых вычислений сегодня графен может
передавать информацию о спине уже на десятки микрометров для спиновых
межсоединений или перепрограммируемой магнитологики [296]. Объедине-
ние же ТМОС с графеном теоретически может быть использовано для созда-
ния перспективных спиновых фильтров и переключателей, работающих при
комнатной температуре [311-313]. Аналогичные эффекты экспериментально
наблюдались также в графене из магнитного Еи8 и железо-иттриевого граната
(ХЮ) [314].
Здесь также стоит отметить, что даже и кристаллические материалы в
спинтронике, такие как гранаты, также могут быть интегрированы с промыш-
ленной кремниевой КМОП-технологией с помощью процессов эпитаксии, или
непосредственного вертикального соединения пластин, для создания устройств
фотоники типа КМОП [315] и эффективной обработки высокочастотных сигна-
лов [316].

Если же говорить о наиболее перспективных задачах, которые требуется
решить в этом направлении, необходимо выделить ряд ключевых моментов.
Прежде всего - для организации промышленного производства спинтронных
датчиков и памяти необходимы улучшения чувствительности и соотношения
сигнал / шум 8МК. Конкретной ближайшей практической целью здесь явля-
ется промышленное изготовление 10 Гбитной МКАМ [303]. Но полученные
сегодня многослойные МТ!-структуры сложны в изготовлении и имеют пока
относительно большую толщину (около 20 нм), что существенно затрудняет
использование стандартного процесса ионно-лучевого травления и фактиче-
ски устанавливает нижний предел для линейного шага базовой ячейки памяти.
Для организации процесса действительно энергоэффективной записи 8ОТ
необходимо совершенствовать процесс взаимного преобразования спин-заря-
дов, поскольку для записи 8ТТ необходимы пониженные токи переключения
и больший ТМК.

Важнейшей практической задачей также является разработка интер-
фейсных буферных материалов, например, между новыми РМ и изоляторами,
между Т1 и РМ, а также между используемыми сегодня различными 2О-мате-
риалами. Об этих различных 2П-материалах мы поговорим более детально
в разделе 8.12.

Чтобы перейти к более высоким уровням зрелости технологии ТВ1,
необходимо получить воспроизводимые характеристики высококачественных
наноструктурированных материалов на больших поверхностях. Поскольку
«обычные» спинтронные материалы, такие как Со и Си, уже давно и широко
используются в микроэлектронике, это значительно упрощает их системную
интеграцию. Напротив, внедрение сплавов Гейслера, Т1 или 21Э-материалов в
спинтронные технологии потребует разработки совершенно новых крупно-
масштабных производственных процессов для переноса или прямого выращи-
вания этих материалов на 300 мм-пластинах. Однако и здесь исследователями
уже разработаны отдельные специальные технологические инструменты для
выращивания сложных спинтронных гетероструктур.

И, наконец, нельзя забывать, что для эффективного тестирования таких
структур и определения их многочисленных технологических характеристик
должны быть разработаны соответствующие инструменты и оборудование для
сбора и оперативной отработки конкретной информации, связанной со спин-
тронными устройствами, необходимыми для организации крупносерийного
производства и эффективной системы контроля качества. В первую очередь к
ним относятся методы экспресс-оценки качества туннельных барьеров и
надежности изготавливаемого спинтронного устройства. Именно на решение
вышеуказанных проблем и должны быть направлены усилия ученых и про-
мышленников.

8.12. Особенности моделироЕ>С1ния
спинтронных устройств

Фундаментальные модели спинтроники предназначены для детального
описания процессов взаимодействия между структурными, магнитными и элек-
тронными транспортными свойствами, чтобы в конечном итоге уметь точно рас-
считать производительность и энергоэффективность проектируемого спинтрон-
ного устройства. На технологическом уровне в производственном процессе эти
модели затем поддерживают конструктивно-технологическую оптимизацию
устройств в соответствии с промышленными спецификациями и предоставляют
базовые инструменты для разработчиков новых спинтронных устройств.

Как схематично показано на рис. 8.55, разработка спинтронных
устройств - это комплексная проблема. Здесь присутствуют только основные
этапы, которые необходимо пройти от базового понимания физических меха-
низмов спинтронных явлений до проектирования функционирующего устрой-
ства или системы. Слева здесь находятся инструменты, характерные для спин-
тронных разработок (механизмы, материалы и устройства). Эти инструменты
предназначены, с одной стороны, для лучшего понимания физики устройства
и, таким образом, для управления процессом оптимизации устройства, а с дру-
гой стороны - они обеспечивают необходимые входные данные для более вы-
соких уровней маршрута проектирования (стандартная ячейка, 1Р-блок и си-
стема). Инструменты, используемые на более высоких уровнях проектирова-
ния, являются стандартными в маршруте проектирования микроэлектронных
компонентов. Здесь приняты следующие обозначения: УГАС - .1о1п1 Тез1
АсНоп Огоир (отраслевой стандарт проверки конструкции и тестирования пе-
чатных плат после изготовления); ВМЕМ - привязка к памяти шины (сигнал,
выдаваемый устройствами для доступа к памяти); СРГ - центральный процес-
сор; И3(,) - запрос прерывания; НР - высокая мощность; Ь / 8 - загрузка / со-
хранение (инструкции памяти); 12С - межинтегральная схема (синхронная,
с несколькими ведущими, с несколькими ведомыми устройствами, с коммута-
цией пакетов, несимметричная, последовательная шина связи); ЕАКТ - уни-
версальный асинхронный приемопередатчик (компьютерное аппаратное
устройство для асинхронной последовательной связи); СРК - регистры об-
щего назначения; 8Р1 - последовательный периферийный интерфейс; РМ11 -
блок управления питанием; МП - медианезависимый интерфейс.

Следует констатировать тот факт, что сегодня не существует единой
универсальной модели, способной описать все основные физические про-
цессы во всех пространственных и временных масштабах. Вместо этого на
практике используется набор различных частных теорий и моделей, действу-
ющих на разных уровнях.
Физика устройства

Механизм/материал

Прибор

Стандартная ячейка

1Р-6ПОК

Система

Г?еу1з1егН1е - регистровый файл

81еер / з(апйЬу - откл. / резерв

РепрГ1ега1тлл5Г1ЬопеЬ118 (МПтаз(ег) - периферийная вильчатая шина, МП ведущий

8уз(еп™зГ1ЬопеЬ11е (СРОтазгег) - системная вильчатая шина, центральный процессор, главный

Ролегтос1е - режим мощности

ТУаке-ир / з1еер - вклюиение / отключение

С1сскдег ега(ог - синхро! е! (ератор

ЭеЬид - отладка

Резе'сСопто! - управление сбросом

Рис Я 55. Подходы к моделированию, используемые в спинтронике
Начиная с атомного масштаба, квантово-механические неэмпирические
(аЬ-тШо) модели, использующие функциональную теорию плотности ФТП
[272], оказались достаточно успешными, например, в определении внутренних
магнитных свойств материалов, ключевых для реализации спинтронных функ-
ций. Вместе с необходимым формализмом описания неравновесных функций
Грина они способны с приемлемой для практики точностью прогнозировать
транспортные свойства сложных спинтронных структур. Однако эти расчеты
остаются идеализированными и пока лишены многих необходимых важных
функций, существенно влияющих на конкретные практические спинтронные
приложения, включая учет дефектности, конечную температуру и реалистич-
ную динамику процессов намагничивания.

Наиболее широко исследователями используются так называемые «дис-
кретные» классические спиновые модели [317]. Эти модели достаточно по-
дробно описывают тепловые спиновые волны и могут учитывать эффекты
«локального беспорядка». Они широко используются для изучения динамиче-
ских магнитных свойств в различных системах. В сочетании с ранее исполь-
зовавшимися классическими моделями спинового переноса они вполне под-
ходят для расчета численных значений спиновых токов и анализа эффектов
накопления спинов на границах раздела в нанометровом масштабе, а также
оценок динамического отклика магнитного материала, в частности, времени
переключения в 8ТТ - МКАМ [193].

Объекты микрометрового размера можно изучать с помощью различных
модификаций моделей микромагнетизма [319], а также мезоскопической тео-
рии, которая также оказалась полезной для решения задач спинтроники, по-
скольку может оценивать экспериментальные данные количественно. Эта мо-
дель основана на уравнении Ландау - Лифшица - Гильберта для расчета про-
цессов динамики намагниченности и позволяет включать в расчет такие физи-
ческие явления, как перенос спинового момента и спин-орбитальный момент,
или момент Рашбы. Эти дополнительные опции содержат иногда неизвестные
параметры, которые могут быть измерены экспериментально или рассчитыва-
ются с помощью неэмпирических моделей аЬ-тйю. Более адекватное описа-
ние физических механизмов температурных эффектов можно получить из
уравнения Ландау - Лифшица - Блоха [320].

Как отмечено в предыдущих разделах, проектирование гибридных
КМОП-магнитных логических схем требует интеграции магнитных устройств
в стандартные КМОП-процессы, для чего были разработаны соответствующие
компактные физико-математические модели магнитных устройств [321, 322].
Здесь физическая динамика устройства может быть описана электрической эк-
вивалентной схемой с параметрами и рабочими характеристиками, которые
тесно интегрированы с соответствующим электрическим имитатором. Широ-
кое распространение получили, например, подобные «компактные» модели
МТ.1. Некоторые из них вычисляют динамику намагничивания [323], обеспе-
чивая высокую точность, в том числе и при описании аналоговых функций.
Другие рассматривают МТ.1 как бистабильные состояния намагниченности
и вычисляют численные значения времени переключения, запускаемого им-
пульсами тока [324]. Этот гораздо более «быстрый» подход позволяет уже се-
годня моделировать и более крупные функциональные устройства, такие как
матрицы ЗУ.

Однако, несмотря на очевидный прогресс в области моделирования
спинтронных устройств, остается достаточно много нерешенных проблем. Во-
первых, поскольку ни одна модель пока не может полностью описать все уже
известные физические эффекты, требуется создать некое иерархическое мно-
гомасштабное описание [323]. При таком подходе так называемые атомисти-
ческие локальные физические параметры (анизотропия, обмен, взаимодей-
ствия Дзялошинского - Мория) описываются и анализируются с помощью
«неэмпирических» теорий. Например, атомистические модели описывают
температурную зависимость макроскопических параметров, которые служат
входными данными для более крупномасштабного «микромагнитного моде-
лирования». Эта условная атомистическая / микромагнитная граница раздела
должна быть тщательно исследована, включая надлежащую характеризацию
эффектов физического размера ячейки. Наконец, надо учитывать и тот факт,
что микромагнитное моделирование также используется для проверки точно-
сти (погрешности) подобных компактных моделей.

Вторая проблема - это необходимость улучшения (актуализация) теку-
щих моделей. В частности, уже используемые на практике неэмпирические
модели должны перейти к моделированию более крупного масштаба с тыся
чами атомов и к инновационным методикам, выходящим за рамки приближе-
ния локальной плотности, с учетом, в том числе, неупорядоченных магнитных
состояний при конечных температурах. Что касается дискретных атомистиче-
ских спиновых моделей, основная проблема здесь заключается во введении
описаний квантовых эффектов и корреляций в классические описания. Разви-
тие «мезоскопических» подходов, таких как микромагнетизм, должно вклю-
чать в себя связь с другими моделями физических явлений, прямо или кос-
венно воздействующих на намагниченность. Например, для решения ряда за-
дач сегодня требуется модель, связывающая перенос как заряда, так и спина
самосогласованно с динамикой намагниченности [324, 325]. Как известно,
спиновые токи в устройствах спинтроники в большинстве случаев неодно-
родны [326, 327] и, следовательно, оказывают неоднородное влияние на дина-
мику намагниченности. Наконец, очень важна интеграция компактных и эф-
фективных моделей электрических схем спинтронных устройств в уже приме-
няемые стандартные комплекты для проектирования КМОП-интегрированной
электроники с использованием уже опробированных на практике библиотек
для технологических процессов (РЭК).

Еще одна задача на ближайшую перспективу - разработка модели для
описания новых явлений, которые наблюдались экспериментально. Б работе
[181] выделено пять ключевых примеров таких явлений. Во-первых, это сверх-
быстрое полностью оптическое переключение [328], при котором процессы
динамического намагничивания запускаются сверхбыстрым лазерным воз-
буждением; это включает сложные взаимодействия различных подсистем
(электронов, фононов, магнонов) с лазерным импульсом. Во-вторых, терагер-
цовая спинтроника [212], где взаимодействие электрического импульса ТГц
диапазона с магнитной средой эффективно возбуждает динамику намагничен-
ности, и, как говорят эксперты, физический механизм пока «остается далеким
от понимания». В-третьих, спиновая калоритроника [205], которая требует мо-
делей для адекватного описания взаимодействия между теплом, зарядом и
спиновыми токами. В-четвертых, учет эффектов переключения электриче-
ского поля [329], которое требует построения новых моделей, способных рас-
считать сложное динамическое влияние электрических полей на ферромагне-
тики. Наконец, антиферромагнитная спинтроника [330], которая требует со-
здания адекватной крупномасштабной модели для моделирования нано-
устройств и сегодня находится только на ранней стадии разработки.

Эксперты здесь видят единственное стратегическое решение про-
блемы - работать над стандартизацией подходов к моделированию. Напри-
мер, компактные модели могут сочетаться с так называемой «картой модели»,
в которой будут указаны многочисленные технологические параметры и их
типичные (экспериментальные) значения. Следующим шагом будет развитие
таких «карт» вместе с развитием технологий, желательно, с использованием
инструментов автоматической характеризации и алгоритмов автоматического
подбора. Ожидается, что этот процесс, аналогично известному процессу, реа-
лизованному Коалицией компактных моделей для КМОП-электроники, повы-
сит взаимосвязь между различными разработчиками и увеличит эффектив-
ность обратной связи между промышленным моделированием и проектирова-
нием устройств.

8.13. Перспективы развития и проблемы
спинтронных устройств

Большинство описанных выше спинтронных концепций и устройств на
их основе являются своего рода фундаментальными «строительными бло-
ками» классических вычислительных и управляющих систем, которые экви-
валентны традиционным электронным компонентам или логическим элемен-
там. Ведь для практических вычислительных приложений такие фундамен-
тальные «строительные блоки» должны соответствовать целому ряду важ-
ных технических критериев, включая возможность каскадирования, разветв-
ления по выходу (нагрузочная способность), восстановление логического
уровня, устойчивость к шумам и помехам, а также иметь электрическую раз-
вязку цепей ввода - вывода. Пока лишь немногие технические решения спин-
троники в совокупности удовлетворяют всем этим критериям [276] и могут
реально использоваться для разработки более сложных логических устройств
и систем. Надо признать, что в настоящее время не существует даже обще-
признанной концепции «спинтронного компьютера», объединяющего (инте-
грирующего) спинтронные логические устройства с памятью, в котором для
связи между этими блоками использовались бы исключительно магнитные
сигналы, без необходимости промежуточного их преобразования в электри-
ческие сигналы.

Потенциальным промежуточным решением этой проблемы может стать
гибридная микроэлектронная система (гетеросистема), включающая в себя
взаимосвязанные спинтронные подсистемы (устройства), интегрированные с
КМОП-технологией и микросхемами, в которых происходит необходимое
электрическое и логическое преобразование сигналов Общая производитель-
ность такой системы, с точки зрения энергопотребления и вычислительной
способности, будет зависеть как от конкретных используемых механизмов
преобразования, так и от количества таких взаимных преобразований, необхо-
димых для выполнения процесса вычислений. При этом в спинтронных под-
системах могут использоваться самые различные физические явления и меха-
низмы, включая магнитосопротивление, эффект переноса спинового враща-
тельного момента (8ТТ) или эффект спин-орбитального вращательного мо-
мента (8ОТ), спиновый эффект Холла и индуктивное преобразование. Однако
их эффективность преобразования энергии в наноразмерных полупроводнико-
вых устройствах пока довольно низка, что значительно снижает и теоретиче-
скую вычислительную производительность. Более того, энергия, сегодня по-
требляемая в таких КМОП-интерфейсах, пока превосходит ожидаемую эконо-
мию энергии от использования магнитной подсистемы, а иногда даже увели-
чивая общее потребление энергии такой гибридной системой. Хотя подход
МЕ8О, в котором электрические поля связаны с намагничиванием через де-
формацию или другие механизмы, обещает потенциальное решение с гораздо
более высокой энергоэффективностью и приемлемым выходным сигналом
[269, 276, 295].

Выводы

Как показано выше, очевидно, что спинтроника может сыграть важную
роль в ближайшем будущем микроэлектронной промышленности, особенно
в таких направлениях, как магниторезистивная память МКАМ в различных ее
модификациях, магниторезистивные датчики, радиочастотная спинтроника
и спинтронная логика.

Устройства магниторезистивной памяти с произвольным доступом
(МКАМ) обладают большим потенциалом для замены традиционных техно-
логий памяти, а именно, для тех приложений, где ключевым моментом явля-
ется сочетание энергонезависимости, быстродействия и надежности. Магни-
торезистивная память на основе эффекта переноса спинового момента (8ТТ -
МКАМ) - это масштабируемая технология высокой плотности, которая хо-
рошо подходит для высокопроизводительных вычислительных приложений.
Б тех случаях, где 8ТТ - МКАМ может не подходить для более быстрых при-
ложений, может использоваться магниторезистивная память на основе спин-
орбитального вращательного момента (БОТ - КАМ). Управление намагничен-
ностью с помощью электрического поля, возможно, в сочетании со взаимным
преобразованием типа «спин - заряд», а также с использованием оптического
переключения намагниченности могли бы существенно расширить диапазон
применения спинтронных ЗУ далеко за пределы КМОП-технологий.

Магниторезистивные датчики всё чаще используются в промышленных
приложениях, где требуются высокий уровень выходного сигнала и высокое
отношение сигнал / шум (8КК), хорошая термостабильность, совместимость с
КМОП-технологическим базисом, низкая стоимость и небольшие размеры
площадки (<1 мм2). С переходом на электромобили, всё более широким ис-
пользованием возобновляемых источников энергии и дальнейшим развитием
концепций Индустрия 4.0 и Интернет вещей потребность в более «умных» и
совершенных магнитных датчиках будет расти.

КБ-спинтроника уже реально достигла зрелости с точки зрения степени
наработки используемых материалов, нанопроизводства и управления дина-
мическими режимами. По прогнозам экспертов, КМОП-интегрированные об-
разцы будут представлены на коммерческом рынке уже в ближайшие три -
пять лет.

Спинтронная логика перспективна для использования в устройствах
сверхмаломощной электроники из-за низкой внутренней энергии, необходи-
мой для управления наномагнетиками и магнитными возбуждениями, такими
как магноны в наномасштабе. Хотя, как показано выше, исследователями
было предложено большое количество различных логических концепций, но
в настоящее время очень немногие из них могут использоваться для создания
сложных устройств. Гибридные системы, сочетающие на одной технологи-
ческой платформе спинтронику и КМОП, необходимы для проверки этих
концепций уже на системном иерархическом уровне и для их сравнения с
традиционными подходами на базе КМОП-технологий.

Как и в случае индустриализации устройств на основе ОМК, ТМК и 8ТТ,
прогресс достигается за счет разработки новых материалов, функциональных
гетероструктур и новых архитектур электронных устройств. Создание пока от-
сутствующих инструментов моделирования, которые устранили бы разрыв
между атомистическим, аппаратным и системным уровнями, может значи-
тельно ускорить процесс перевода фундаментальных исследований в промыш-
ленные микроэлектронные технологии.

Литература

1. Нан №е1, Каюаксти Ко1апс1 К.,ОтИга МагНп, РаЫап }агоз1а\’. Огарйепе врийгошез КЕ-
У1Е\У АКПСЬЕ | РОСП8 РИВЕ18НЕО ОКЫМК: 6 ОСТОВЕК 2014 | ОО1: 10.1038 /
Ш1АКО.2014.214.

2. Оегу Н.. Оа1а1 Р., Сумчпзк! Ь., 8кат /.. ./. 8рт Ьазе<11о§1ст веппсоп&мйоге Гог гесопй§и-
гаЫе 1аг§е чса1е сйсийв. \а1иге 447. - 573-576. (2007).
3. Вегу Н. е! а!. Капозртйопхсз Ьазед оп та§пе1о1о§1с цаГсз. ШЕЕ Тгапз. Е1ес1гоп 1)еч. 59. -
259-262 (2012).

4 ВаПа 8.. Ваз В. Е1есйошс апа1о§ оГ Й1е е1ес1г<> орйс тоди1а!ог.Арр1. РЬуз. Ьей. 56. - 665-
667(1990).

5. ТотЪгоз Я., Аосза С., Роркпспк: М.. Аопктап Н Т.. уап №еез В. А'. Е1есйошс зрт йапзрой
апд зрт ргесеззюп т зт§1е §гарЬепе 1ауегз а! гоопйетрегаПие. №1иге 448. - 571-574
(2007).

6. Нап И’ е1 а1. Тпппе1т§ зрт йуесйои т!о зт§1е 1ауег §гарЬепе. РЬуз. Кеу. Ьей. 105. -
167202 (2010).

7. 2отег Р. А, Скиппагаез М. Н. О., ТотЪгоз Н., уап 1Уеез В. Еоп§д1з1апсезрт йапзрог! т
Ы^Ь тоЫШу §гарЬепе оп Ьеха§опа1 Ьогоп пйпде.РЬуз. Кеу. В 86. - 161416 (2012).

8. Уап§ Т.-У. е1 ак. ОЬзегуайоп оГ1оп§ зрт ге1ахайоп йтез т ЬНауег §гарЬепе айоот 1етрег-
ай1ге. РЬуз. Кеу. Ьей. 107. - 047206 (2011).

9. Нап /К, Какакатк В. К. 8рт ге1ахайоп т зт§1е 1ауег апд ЬНауег §гарЬепе.РЬу8. Кеу.
Ьей.-047207 (2011).

10. В1иЬак В. е1 ак Ш§Ыу еГйсхеп! зрт йапзрог! т ерйахха! §гарЬепе оп 81С. №шге РЬуз.
8.-557-561 (2012).

11. Сазкго Нею А. Н, Ситеа Р. Регез № М. В., Иоуозекоу К. 8. Степп А. К. ТЬе е1есйотс
ргорегйез оГ §гарЬепе. Кеу. Мод. РЬуз. 81. - 109-162 (2009).

12. 8агта 8. В., ААат 8., Нууап^ Е. Н., Яоззк Е. Е1есйошс йапзрой т Г\уо дтаепзюпа! §га-
рЬепе. Кеу. Мод. РЬуз. 83. 407-470 (2011).

13. Иоуозекоу К. 8. е1ак Е1ес1пс йе1деГГес( т аЮппсаПу 1Ып сагЬоп Й1тз. Зиепсе 306. -666-
669 (2004).

14. Аактзоп М., 8ккзЪее К. Н. 1п1егГас1а1 сЬаг^е зрт соир1т§: куесйоп апд деЧесПоп оГ зрт
та§пейхайоп т тегак. РЬуз. Кеу. Ьей. 55. - 1790-1793 (1985).

15. АеАета р. А., РШр А. Т„ уап №еез В. А. Е1ес1пса1 зрт йуесйоп апд ассити1айоп а! гоот
(стрегашгс т ап а11 те1а1 тезозсорк зрт уа1уе. ИаШге 410. - 345-348 (2001).

16. Рег/А., Ьее 8.-Р. ТЬеогу оГЙ1е Ыро1аг зрт зхчйсЬ. РЬуз. Кеу. В 53. - 6554-6565 (1996).

17. МискиИ Р. К. е1 ак Ьаг§е 1оса1 На11 еГГес! т рт Ьо1е дотта1ед ти1й§гарЬепезрт уаГеез.
Мапо1есЬпо1о§у 24. - 015703 (2013).

18. Ско 8., Скеп У.-р., Рикгег М. 8. Оа1е йтаЫе §гарЬепе зрт уа1\ге. Арр1. РЬуз. Ьей. 91. -
123105 (2007).

19. НкзЫока М., СокАтап А. М. 8рт йапзрой 1Ьгои§Ь ти1й1ауег §гарЬепе. Арр1. РЬуз. Ьей.
90.-252505 (2007).

20. ОМзЫ М. е! ак 8рт т)есйоп т1о а §гарЬепе йнп Й1т а! гоот (етрегаШге. ,1рп. .1. Арр1.
РЬуз. 46. - Е605-Е607 (2007).

21. Аогза С., Рортсшс М., ТотЪгоз Н.. Аопктап Н. Т., уап №еез В А. Е1есйошс зрт дпй т
§гарЬепе Йе1д ейёс! Ггапз18(огз. РЬуз. Кеу. Ьей. 100. - 236603 (2008).

22. Нап Ш е( ак Е1есйоп-Ьо1е азутте!гу оГ зрт пуесйоп апд йапзрог! т 8т§1е 1ауег §га-
рЬепе. РЬуз. Кеу. Ьей. 102. - 137205 (2009).

23. Нап Ш е/ а!. Е1ес1пса1 де(есйоп оГ зрт ргесеззюп т зт§1е 1ауег §гарЬепе зрт уаКез \\ч1Ь
йапзрагеп! соп!ас1з. Арр1. РЬуз. Ьей. 94. - 222109 (2009).

24. Рортсшс М. е! ак. Е1есйотс зрт йапзрой т §гарЬепе Йе1д ейёс! Йапз1з1огз. РЬуз. Кеу.
В 80.-214427 (2009).

25. 8скти11 (А., РеггаткВ., Мокепкатр Ь. Ш, РШрА. Т., уап УЕеез В. А. РипдатепГа! оЬз!ас1е
Гог е1есЫса1 зрт пуесйоп йот а 1еггота§пейс те1а1 т!о а дйТпзхуе зеппсопдис1ог. РЬуз.
Кеу. В 62.-4790(К) (2000).

26. КазкЬа Е. I. ТЬеогу оГ е1ес!пса1 зрт т)ес1оп: Тште! сопгасгз аз а 8о1ийоп ойЬе сопдис-
йуйу ппзтайЬ ргоЫет. РЬуз. Кеу. В 62. - 16267 (К) (2000).

27. Рег! А., Аа[/ге.ч Н. Сопдйюпз Гог еГйс1еп! зрт Ьцесйоп Ггот а Геггота§пейс те!а1 ййо
а зет1сопдис(ог. РЬуз. Кеу. В 64. - 184420 (2001).
28. Хкап§ С., УУап§ У., №и В №и У. ЕпЬапсетеп! оГ зрт пуесйоп Ггот Геггота§пе11о §га-
рЬепе \уй11 а Си ийегГаыа!1ауег. Арр1. РЬуз. Ьей. 101. - 022406 (2012).

29. Уата^исЫ Т.. МазиЪисЫ 8., 1^иск1 К., Мог1уа К., МаскЫа Т. Типпе! зрт иувсйоп пйо
§гарЬепе изт§ А1гОз Ьагпег <то\уп Ьу аГотк 1ауег йерозйкп оп ГипсйопаНхей §гарЬепе
зигГасе. 1 Ма§п. Ма§п. Ма1ег. 324. - 849-852 (2012).

30. Во 8., К1Ы.-К., Веоп§ О., Ьее Н-В., КеНетапп 8. 8рт ге1ахайоп ргорегйезт §гарЬепе йие
1о Из Нпеаг Шзрегзюп. РЬуз. Кеу. В 84. - 075453 (201 Г).

31. Аузаг А. е! а1. Тоууагйз ууаГег зса1е ГаЬпсайоп оГ §гарЬепе Ьазей зрт уа1уе йехчсез. Ыапо
Ьей. 11.-2363-2358 (2011).

32. Р1 К. е1 а1. Матри1айоп оГ зрт йапзрой т §гарЬепе Ьу зшТасе сЬетка! йорт§. РЬуз.
Кеу. Ьей. 104. - 187201 (2010).

33. Ыи У. Р. е1 а1. 8рт йуесйоп ргорегйез т йИауег §гарЬепе 1а1ега1 зрт уакез.Арр!. РЬуз.
Ьей. 102. -033105 (2013).

34. Ыеипитп I. е! а1. Е1ес1пса1 йе!есйоп оГ зрт ргесеззюп т Ггее1у зизрепйей §гарЬепе зрт
уа1уез оп сгозз Нпкей ро1у(те1Ьу1 те(Ьасгу1а1е). 8та11 9. - 156-160 (2013).

35. Рпескпап А. Ь., уап Егуе О. М. В., Ы С. Н, КоЫпзоп В. Т.. Вопкег В Т. Нотоерйах1а1
1иппе1 Ьагпегз ууЬЬ ГипсйопаНхей §гарЬепе оп §гарЬепе ГогсЬаг§е апй зрт йапзрой. №й|гс
Соттип. 5. - 3161 (2014).

36. Уо1тег Р. е1 ак Кок оГ М§О Ьаггкгз Гог зрт апй сЬаг§е йапзроп т Со / М§О / §гарЬепе
поп1оса1 зрт уаГуе йеухсез. РЬуз. Кеу. В 88. - 161405 (2013).

37. Утпа§исЫ Т. е1 а1. Е1ес1пса1 зрт щесйоп 1п1о §гарЬепе 1Ьгои§11 топо1ауегЬеха§опа1 Ьо-
гоп пйпйе. Арр1. РЬуз. Ехргезз 6, - 073001 (2013).

38. НШЕ. Ик. Сейм А. К., Ноуоае1оу К.. 8скеВтР., В1акеР. СггарЬепе зртуаГуе йеухсез. 1ЕЕЕ
Тгапз. Март. 42. - 2694-2696 (2006).

39. Ж Н. е! ак Ма§пе1ойапзрог1 ргорегйез оГ тезозоорк §гарЫк зрт уаГуез. РЬуз.
Кеу. В 77. - 020402(К) (2008).

40. (Мтагаез М. Н. И. е1 ак. 8рт йапзрохГ т Ы§Ь с] иа111у зизрепйей §гарЬепе йеукез. Капо
Ьей. 12,- 3512-3517 (2012).

41. Ыго^екег М, е1 ак. Яапозесопй зрт НГейтез т зту1е апй Геуу 1ауег §гарЬепе ЬВЯ Ье1его-
зхгисШгез аг гоот ктрегайхге. Ргергт! а! Ьйр://агХху.ог§/аЬз/1406.2439у1 (2014).

42. (Зштагаех М. Н. И. ек а!. Тгапзуегзе ексйк йе1й сопйо! оГ зрт ге1ахайоп тЬВКТ епсар-
зхх 1аГей §гарЬепе. РЬуз. Кеу. Ьей. 113. - 086602 (2014).

43. РакгаА.К. е(ак. Юупагтс зрт щесйоп т1о сЬетка!уарог йерозйей §гарЬепе. Арр1. РЬуз.
Ьей. 101.- 162407(2012).

44. Гану 7.. е1 а1. Вупатка11у §епега(ей риге зрт сиггеп! т зт§1е 1ауег §гарЬепе. РЬуз. К«у.
В 87,- 140401 (2013).

45. В1гкяег В. е( а.1. АппеаИп§ тйисей тарпейс тотеп!з йе1ес!ей Ьу зрт ргесеззюп теазиге-
теп(з т ерйах1а1 §гарЬепе оп 81С. РЬуз. Кеу. В 87. - 081405 (2013).

46. Уега-Мапт I. В.. Кап)ап V., уап №еех В. В КопНпеаг йе!есйоп оГзрт сиггеп1з т §гарЬепе
ууйЬ поп та§пейс ексйойез. КаШге РЬуз. 8. - 313-316 (2012).

47. Уссуеу О. У., Не1т Ь. ВеГес! тйисей та§пейзт т §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В75. - 125408
(2007).

48. Лл/л/й Я. 0 а.1. 8рт Ьа1Г рагатарпейзт т §гарЬепе тйисей Ьу рот! йеГес!з. Кайне
РЬуз. 8,- 199 202 (2012).

49. Сегуепка В.. Ка1апе1уоп М. I., РНр$е С. Р. В. Коот (етрегайаге Геггота§пейзт т §гарЫ1е
йпуеп Ьу 1ууо (Итепзюпа! пейуогкз оГрот! йеГес1з. КаШге РЬуз. 5. - 840-844 (2009),

50. МсСгеа>у К. М., 8ууаПг А. О., Нап РаЫап В.. Кстакапи К. К. Ма§пейс тотеп! Гог-
тайоп т §гарЬепе йексГей Ьу зсайепп§ оГ риге зрт сиггепГз. РЬуз. Кеу. Ьей. 109. -
186604(2012).

51. СИезЪегх А. В. М. е1 а1. 1п1егГасе тйисей гоот 1етрегаШге Геггота§пейзт т Ьуйго§епа!ей
ерйахга! §гарЬепе. РЬуз. Кеу. Ьей. 111. - 166101 (2013).
52. Воиккуакя’ О. V., Ка1зпе1зоп М. I., ЫсЫепз1ет А. I. Нуйго§еп оп цгарЬепе: Е1есйотс
зйисйгге, Гога 1 епег§у, зГгисйгга! й!з(огйопз апд та§пейзт Ггот Ягз( рппсгркз са1си!айопз.
РЬуз. Кеу. В 77.-035427 (2008).

53. Ноп§ X, 2оц К., В., Скеп& 8. Н., 21т А. Клайепсс Гог зрт Шр зсайепп§ апд 1оса1

тотеп(з т ЗИиГе Яиоппагей цгарНепс. Ркуз. К Ьей. 108. - 226602 (2012).

54. 8ап1оз Е. А. С.. 8апскео-Ро1-1а10.. Ауие1а А. Ма§пейзт оГ зиЬзййгйопа! Со гтрипйез т
§гарЬепе: Кеайхайоп оГзт§1е тг уасапсгез. Ркуз. Кеу. В 81. - 125433 (2010).

55. /.'папу. Н, 1.азо С., В1иуе18., Нетге 8., Мокгоизоъ' У. Е1ес(пса11у йтаЫе циапшт апота-
1оиз На11 еГГес( т §гарЬепе йесогаГес! Ьу 5<1 йапзйюп теГа! айаютз. РЬуз. Кеу. Ьей. 108. -
056802 (2012).

56. Ноп^А. е1 а/. Коот ТетрегаГиге та§пейс огйегт§ т ГшгсйопаНхей §гарЬепе. 8сг. Кер. 2. -
624 (2012).

57. Иат Я. В. е1 а1. 1)иа1 оп§т оГйеГес! та§пейзт т §гарЬепе апй йз геуегзгЫе 8жйскт§ Ьу
то1еси1аг йорт§. Кайгге Соттип. 4.-2010 (2013).

58. 8оп У.-IV.. Сокеп М. Ь., Ьоше 8. О. На1Гте(аШс §гарЬепе папопЬЬопз. Хагиге 444. - 347-
349 (2006).

59. Ь1еЬ Е. Н. Тхуо (Ьеогетз оп (Ье НиЬЬагй тойс1. РЬуз. Кеу. Ьей. 62. - 1201-1204 (1989).

60. ЕНаз О. С. е1 а/. Сопйо! оГ §гарЬепе'з ргорегйез Ьу геуегзййе Ьуйго§епайоп: ЕуЫепсе Гог
цгарЬапе. 8с!епсе 323. - 610-613 (2009).

61. 8о/о А. О. е1 и1. Ма§пейс зйисШге оГ Ьуйго§еп тйисей йеГссГз оп §гарЬепе. РЬуз. Кеу.
В 85.- 115405 (2012).

62. ВиВепко А. М, КеИЕ. А.. Ка1зпе1зоп М. I.. Ыск1епз1ет А. I. ЕхсЬап§е ййегасйопз апй Ггиз-
Йа1ей та^пейзт т зт§1е згйе Ьуйго§епа(ей апй Яиоппа(ей §гарЬепе. РЬуз Кеу. В 88. -
081405 (2013).

63. Ке11уК. Е-, МгскеЕоп Е. Т., Наиуе В. Н, Магугспе А. Ь.. На1аз А. А. Хапозса1е йпа§т§ оГ
сЬетгса! ййегасйопз: Ркюппе оп §гарЬйе. Ргос. №(1 Асай. 8сп С8Л 97. - 10318-10321
(2000).

64. ВоЫпзоп А. Т. е1 а1. Ргорегйез оГ Яиоппа(ей §гарЬепе йкпз. Капо Ьей. 10. - 3001-3005
(2010).

65. Не/ ИС & АасоЬ Т. Е1ес(готс апй орйса! ргорегйез оГ Яиоппа(ей §гарЬепе: А тапу Ьойу
регШгЬайоп (Ьеогу зшйу. РЬуз. Кеу. В 87. - 115431 (2013).

66. Аат К. В. е! а1. Р1иого§гарЬепе: А йуо ййпепзюпа! соип(еграг( оГТеЯоп. 8та11 6. - 2877-
2884(2010).

67. Ыи Н. К, Нои 2. Е., Ни С- Н., Уап§ У., 21т 2. 2. Е1есйотс апй та§пейс ргорегйез оГ
Ппогтагей §гарЬепе ауКЬ й1ГГегеп1 соуега§е оГ Яиоппе. .1. РЬуз. СЬет. С 116. - 18193—
18201 (2012).

68. К1т Н.-А., Ско А. Н. Р1иогте тйисей 1оса1 та§пейс тотеп! т §гарЬепе: А ЬуЬпй ОРТ
зшйу. РЬуз. Кеу. В 87. - 174435 (2013).

69. Моп-Вапскез: Р., Сакен А. А., Уап§ ИС ЬосаНхайоп апй йе1осаНхайоп еггогз т йепзйу
йтсйопа! Йгеогу апй гтрИсайопз Гог Ьапй §ар ргейкйоп. РЬуз. Кеу. Ьей. 100. - 146401
(2008).

70. Сазо1о 8.. Е1а%е-Еагзеп Е., Ьотик О. М., ОагНпу, С. В., Тап1агА1п1 С. Е. Кок оГ Йге зе!Г-
т(егасйоп еггог т зшйутц сЬепйзогрйоп оп §гарЬепе Ггот Ягз! рппс!р1ез. РЬуз. Кеу.
В 81.-205412 (2010).

71. ИапАа В. В. К., 8кега/аН М.. РороуЦ 2. 8., 8а1ра(ку 8. Е1есйотс зйисшге оГ (Ье зиЬзй(и-
йопа! уасапсу т §гарЬепе: йепзйу Гипсйопа! апй Огеепз Гипсйоп з1ий!ез. Хе\у 1. РЬуз.
14.-083004 (2012).

72. 1А§еАа М. М., Впкиеца I.. Си1пеа Е.. Ооте^-ВоАп^иег А. М. М!ззт§ айт аз а зоигсе оГ
сагЬоп та§пе(18т. РЬуз. Кеу. Ьей. 104. - 096804 (2010).

73. Раккиоз А А.. Ут1игат Е. Сгйгса! апа!уз!з оГуасапсу тйисей та§пе(1зт т топо!ауег апй
Ьйауег §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В 85. - 245443 (2012).
74. 8каг1г А. О.. МсСгеагу К. М., Нап №.. УУеп Н., Катакат) К. К. А зуз1етайс арргоасЬ !о
т!егргейп§ Нап1е зрт ргесезадп скпа т поп1оса! зрт уакез. Ргос. 8Р1Е 8813. - 881328
(2013).

75. РаЫап А., Ма1оз-АЫа§ие А.. Егйег С., 81апо Р., ХиНс I. 8егшсопйис1ог зртйошсз. Лега
РЬуз. 81оу. 57. - 565-907 (2007).

76. Вакакпзкпап А., Кок IVа1 Кооп О.. Аиое.Ы М., СаМго Ие1о А. Н., ОгуИтаа В. Со1о88а1
епЬапсетеп! оГ зрт огЬй соир!т§ т \уеак1у Ьуйго§епа!ей §гарЬепе. какие РЬуз. 9. - 284-
287 (2013).

77. Капе С. Е, Ме1е Е. А. ОпапШт зрт Най ейес! т §гарЬепе. РЬуз. Кеу. Ьей. 95. - 226801
(2005).

78. Тее №.-К., О1ао 2., Уао К, МасИопаШ А. Н.. Аш О. Окапйип апота1оиз На11 ейес! ш
зт§1е 1ауег ап<1 ЬНауег §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В 83. - 155447 (2011).

79. Ни М.-Н., ВигиАезтанп А ШсЫег К. 8рт йерепйегН К1ет 1иппе1т§ т §гарЬепе: Ко1е оГ
КазЬЬа зрт огЬй соир1т§. РЬуз. Кеу. В 85. - 085406 (2012).

80. МсСапп Е., Ра1ко V. I. 7. Зуттейу оГ зрт-огЬй соир1т§ апй \уеак 1оса11хайоп т §га-
рЬепе. РЬуз. Кеу. Ьей. 108. - 166606 (2012).

81. 8ско1г А., Ьореа А.. ЗскНетапп А. 1п1егр1ау Ьейуееп зрт огЬй пйегасйопз апй а йте йе-
репйеп! е1есйота§пейс йе1й т топо1ауег §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В 88. - 045118 (2013).

82. КгатгАа А.. Какскепко У., Кеа<кг А., Теат Н А. к!8Г Лгоппс 8ресйа ОагаЬазе (уегзюп
5.1) Ьйр://рЬуз1сз.п181.§оу/азй (кайопа! 1пзйййе оГ81апйагйз апй ТесЬпо1о§у, 2013).

83. КазкЪа Е. I. Ргорегйез оГ зет!сопйис1огз ууйЬ ап ехйетит 1оор. 1. Сус1ойоп апй сотЫ-
пайопа! гезопапсе т а та§пейс йе1й регрепй1си1аг (о 1Ье р1апе оПЬе 1оор. 8оу. РЬуз. 8оНй
8ййе 2. - 1224 1238 (1960).

84. (атИга М., Копзскик 8., Ег(1ег С., Аткгозск-Ргах! С.. РаЫап А. Вапй зйпсГиге 1оро1о§!ез
оГ §гарЬепе: 8рш огЬй соир!т§ ейес!з Ггот йгзГ ргтс!р1ез. РЬуз. Кеу. В 80. - 235431
(2009).

85. АЫе1оиакеА 8., Етз1 А.. НепкА., Мазтскепко I. V.. МегИ%1. 8рт зр1й е1есйошс з1а!ез т
§гарЬепе: Ейес(з йие го 1а(йсе йеГогтайоп, КазЬЬа ейес!, апй айаШтз Ьу йгз! рппс!р1ез.
РЬуз. Кеу. В 82. - 125424 (2010).

86. ВоеИ^егА. С., Тпскеу 8. В. Рйз! рппс!р1ез са1си1айоп оГ 1Ье зрт-огЬй зр1ййп§ т §гарЬепе.
РЬуз. Кеу. В 75. - 121402 (2007).

87. МсСЫге А Уа/е! У. ТЬеогу оГ 111е §-Гас!ог о! Ше сиггеп! сатегз т §гарЬйе зт§1е сгуз-
!а1з. Ргос. 5!Ь СопГ. СагЬоп 1, 22 (Рег§атоп, 1962).

88. Ниег1аи-Нетапс1о О., Сгшпеа Р.. Вгакааз А. 8рт огЬй соир1т§ т сигуей §гарЬепе, Й111ег-
епез, папоШйез, апй папоШЬе сарз. РЬуз. Кеу. В 74. - 155426 (2006).

89. Акап^ 8. Н. е1 а1. 8рт огЬй тГогасйоп т сЫга! сагЬоп папоШЬез ргоЬей т ри1зей та§пейс
йе1йз. РЬуз. Кеу. В 82. - 041404 (2010).

90. Оскоа Н.. СахП-о Ие1о А. Н., Ра1ко V. I., Ситеа Р. 8рт огЬй соир1т§ азз1з!ей Ьу йехига!
рЬопопз т §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В 86. - 245411 (2012).

91. Зону У.. Оегу Н. Тгапзрог! Шеогу <)Г топо1ауег Йапзйюп те1а! й1сЬа1со§еп1йез 1Ьгои§Ь
зуттейу. РЬуз. Кеу. Ьей. 111. - 026601 (2013).

92. Мауогох’ А. 8. е! ак Ноуу с1озе сап опе арргоасЬ Ше 1)1 гас ротг т §гарЬспе ехрептеШайу?
1Мапо Ьей. 12. - 4629 4634 (2012).

93. А1и С.-С., Реп§ 1К, Уао У. Оиапшт зрт Най ейес! т зШсепе апй 1\уой1тепзюпа1 §еппа-
птт. РЬуз. Кеу. Ьей. 107. - 076802 (2011).

94. 0/и В. У.. Аа АогпаАа Р. Н, конке 8. С. Орйса! зресйит о!Мо82: МапуЬойу ейес(з апй
Шуегзйу оГехсйоп з(а1ез. РЬуз. Кеу. Ьей. 111. - 216805 (2013).

95. Козтккег К., Оопхаке: А. УУ., РегпапАеа-Козйег А. Ьаг§е зрт зр1ййп§ т Ше сопйисйоп
Ьапй оГйапзйюп те!а1 й!сЬа1со§ешйе топо1ауегз. РЬуз. Кеу. В 88. - 245436 (2013).

96. 8кг Н, Ран Н., 2кап^ У.-У7., УакоЪзоп В. 1. <2иаз1рагйс1е Ьапй зггисйиез апй орйса! ргор-
егйез оГзйатей топо!ауег Мо82 апй \\'82. РЬуз. Кеу. В 87. - 155304 (2013).
97. Мт Н. е1 а1. Ъйппзю апд КазЬЬа зрт огЬй тГегасйопз т §гарЬепе зЬее1б. РЬуз. Кеу.
В 74. - 165310 (2006).

98. Калзскик 8., (ЗтЫга М., РаЫап 8 Гт1п Ыпдт§ (Ьеогу оГ гНе зрт огЬй соир1т§ т §га-
рйепе. РЬуз. Кеу. В 82. - 245412 (2010).

99. Копзскик 8.. ОтИга М., Коскап В., РаЫап 8. ТЬеогу оГ зрт-огЪй соир1т§ т Ы1ауег §га-
рЬепе. РЬуз. Кеу. В 85. - 115423 (2012).

100. Копзскик 8. 8рт ОгЬй Соир1т§ ЕГТссГз: Ргот СггарЬепе Го ОгарЫГе РЬО 1Ьез18, Оту. Ке-
§епзЬиг§ (2011).

101. Когтапуоз А., ВигкагВ О. 1п1пп81с апд зиЬз<га(е тдисед зрт огЬй пйегасйоп т сЫга11у
з1аске<11п1ауег §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В 87. - 045419 (2013).

102. СазЫо 8'еЮ А. Н., Спппеа Р. 1трипГу тдисед зрт-огЫг соир1т§ т §гарЬепе. РЬув. Кеу.
Ьей. 103.-026804(2009).

103. №еекз С.. Ни 8., АНсеа 8 Ргапг М., 1Уи К. Еп§теегт§ а гоЬиз! диапйип зрт На11 з1а!е т
§гарЬепе \аа а<1а(от дерозйюп. РЬу8. Кеу. X 1. - 021001 (201 Г).

104. ОтИга М., Коскап О., РаЫап 8. 8рт огЬй соир1т§ т Ьудго§епа1ед §гарЬепе. РЬуз. Кеу.
Ьей. 110. - 246602 (2013).

105. 8аца С- е! а/. Ыпеаг зса1т§ ЬеВуееп тотеп!ит апд зрт зсайегт§ т §гарЬепе. РЬуз. Кеу.
В 80. - 241403(К) (2009).

106. Нан И'. е1 а1. 8рт йапзрог! апд ге1ахайоп т игарйепе. .1. Мацп. Ма§п. Магег. 324. - 369-
381 (2012).

107. Нап IV. е> а/. 8рт ге1ахайоп т зтд1е-1ауег §гарЬепе \уйЬ йтаЫе тоЫИГу. Капо Ьей. 12. -
3443-3447 (2012).

108. 8секта р. 8. Неегзске Н. В., РН1р А. Т.. ВазеЫшпз 8. 8. А., уап Ц'еез В. 8. Е1ес1пса1 дегес-
йоп оГ зрт ргесеззюп т а те!аШс тезозсорю зрт уа1уе. Хайле 416. - 713-716 (2002).

109. 2а$ак>п М.. уап ТУеез В. 8. 8рт пцесйоп, ассити1айоп, апд ргесеззюп т а тезозсорю
попта§пейс те(а1 1з1апд. РЬу8. Кеу. В 71. - 125401 (2005).

НО. 8озепко Е.. Не/ Н., Ар V. Ейёс( оГ соп1ас1з оп зрт Шёйте теазигетеШз т §гарЬепе.
РЬуз. Кеу. В 89. - 245436 (2014).

111. Мааззеп Т. е! а/. ЬосаНхед з1а1ез тйиепсе зрт йапзроп т ерйахга! §гарЬепе. РЬуз. Кеу,
Ьей. 110. - 067209 (2013).

112. Ниег1аз-Негпап8оВ., СитеаР., Вга1ааз А. 8рт огЪй тедгаГед зрт ге1ахайоп т §гарЬепе.
РЬуз. Кеу. Ьей. 103. - 146801 (2009).

113. Вога В., Мигапу1 Р., ЗЫюп Р. Е1есйоп зрт дупаппсз апд е1есйоп зрт гезопапсе т §га-
рЬепе. ЕигорЬуз. Ьей. 92. - 17002 (2010).

114. Егйег С., Копзскик 8., (ЗтИга М.. РаЫап 8. Е1есйоп зрт ге1ахайоп т §гарЬепе: ТЬе го1е
оГ' 1Ье зиЬзйаЮ. РЬу8. Кеу. В 80. - 041405(К) (2009).

115. РгаИт 8., Соза1Ъеа-МагИпеаВ., МегоЛо СатагаР., РегпапАез-КоззЫг 8. Апгзойоргс т-
1пп81с зрт ге1ахайоп т §гарЬепе дие (о Яехига! дгзГогйопз. РЬуз. Кеу. В 88. - 115426
(2013).

116. ЕШоЫ К. 8. ТЬеогу оГ 1Ье ейёс! оГ зрт-огЬй соирйп§ оп та§пейс гезопапсе т зоте зет-
1сопдпс1огз. РЬуз. Кеу. 96. - 266-279 (1954).

117. Та/е1 У. т 8о11д 81а1е РЬузгсз Уо1. 14 (едз 8ейх Р. & ТитЬиП, О.). - 1-98 (Асадегшс,
1963).

118. Вуакопоу М. 7. Реге1 V. I. 8рт ге1ахайоп о С сопдисйоп е1есйопз т попсепйо8утте1пс
зетгсопдисЮгз. 8оу. РЬуз. 8о11д 8(а1е 13. - 3023-3026 (1972).

119. Ни М. IV., 81ап§8. Н., 1Уеп^ М. 8рт дупаппсз гп зепйсопдисЮгз. РЬуз. Кер. 493. - 61-

236 (2010).

120. Тист В. V., Онтапп Р., 8огшпо В., Уа1епсие1а 8. О.. Носке 8. Рзеидозрт дпуеп 8рт ге-
1ахайоп тесЬашзт т §гарЬепе. \айте РЬуз. Ьйр://дх.до1.ог§/10.1038/прЬуз3083 (2014).

121. Мааззеп Т., Веуепе Р. К., Спатагаез М. Н, 8от.зц С., уап 1Реез В. 8. Сотрапзоп Ьейуееп
сЬаг§е апд зрт Ггапзроп т (е\у 1ауег §гарЬепе. РЬуз. Кеу. В 83. - 115410 (2011).
122. Ви^аеу V. К.. Зкегтап Е. У., Ватаз В. 8рш йерказ!п§ апд ршпрт§ т §гарЬепе с1ие [о
гапйот зрт огкй ййегасйоп. Ркуз. КвУ, В 83. - 085306 (2011).

123. 2кап§Р. №и М. 17. Е1есйоп зрт ге1ахайоп т §гаркепе ууйк гапйот КазкЬа йе1й: сотраг-
18оп <)Г 1ке Юуакопоу Реге1 апй ЕШой Таре! Ике тескатзтз. Кеху .1. Ркуз. 14. - 033015
(2012).

124. ЖоЦазхек М.. Уега-Магип I. В., ВУкИен'ау Е., НИке М., уап №ее$ В В. АЬзепсе оГкурегйпе
еГГес!з т 13С-§гаркепе зрт уа1уе Оеучссз. Ркуз. Кеу. В 89. - 035417 (2014).

125. ЬипАеЪег^ М. В., Уап&К.. Кепаг/ВВ., Ео1кВ. А. [)еГес! тей1а!ей зрт ге1ахайоп апс! йерказ-
т §гаркепе. Ркуз, Кеу. Ьей. 110. - 156601 (2013).

126. Коскап В., СтИга М., РаЫап В. 8рт ге1ахайоп тескатзт т §гаркепе: гезопап! зсайепп§
Ъу та§пейс йприпйез. Ркуз. Кеу. Ьей. 112.- 116602 (2014).

127. П'о11а.ч:ек М„ Уега-Магип В В.. Мааззеп Т., уап №'ее.ч В. В. Епкапсетеп! ой зрт ге1ахайоп
йте т куйго§епа!ей §гаркепе 8рт уа1уе Оеучсез. Ркуз. Кеу. В 87. - 081402 (2013).

128. Кппига Т., 8а1о Т.. О1аш У. ТетрегаГиге еуокйюп оГзрт ге1ахайоп т а К1Ре / Си 1а1ега1
зрт уаке. Ркуз. Кеу. Ьей. 100. - 066602 (2008).

129. 8иаик1 Т. е1 а/. Коот (етрегайне е1ес!гоп зрт Ггапзрой т а Ы§к1у борей 81 скаппе!. Арр1.
Ркуз. Ехргезз 4. - 023003 (2011).

130. 2кои У. е1 а!. Е1ес1пса1 зрт куесйоп апд йапзрог! т §егтапшт. Ркуз. Кеу. В 84. - 125323
(2011).

131. Уап§ Т., Кгтига Г, О(ап1 У. О1ап1 зрт ассити1айоп З1§па1 апй риге 8рт сиггеп! тйисей
геуешЫе та§пейхайоп зхуйскт§. Каппе Ркуз. 4. - 851-854 (2008).

132. 1&жк1 Н, Рикита У., №ап§ Ь., 0)ат У. 8рт ге1ахайоп тескатзт т зИусг папохуйез
соуегей хуйк М§О рпйесйоп 1ауег. Арр1. Ркуз. Ьей. 101. - 022415 (2012).

133. ВеЫп-Ает В., Ва11а В., 8а1акиМ1п 8., 1>а11а 8. Ргороза! Гог ап а11 зрт 1о§1с йеу1се \уйН
Ьшк т тетогу. Какие Капойск. 5. - 266-270 (2010).

134. Ын С.-С. е1 ак 8рт йапзГег гогцие т а §гаркепе 1а1ега1 зрт уа1уе азз1з1ей ку ап ех!ета1
та§пейс йе1й. Капо Еей. 13. - 5177-5181 (2013).

135. Яги Н, 2ки Т., Ьио У., Ататои №.. Каюакапи К К. С'ш гепг казей йе(есйоп <>Г поп1оса1
зрт йапзрой ш §гаркепе Гог зрт Ьазей 1о§1с аррксайопз. ,1. Арр1. Ркуз. 115. - 17В741
(2014).

136. ВаЦгез Н., (}еог§е В.-М.. Рег(А. 8рт йапзрогГ ш ти11йеппта1 йеухсез: Еаг§е зрт з1§па1з
т йуу1СС8 хуйк сопйпей §еотейу. Рку8. Кеу. В 82. - 140408 (2010).

137. О>аа 2. е! ак Оиапшт апота1оиз На11 еГГес! т §гаркепе ргохйпйу соир1ей 1о ап апйГегго-
та§пейс тзи1а1ог. Ркуз. Кеу. Еей. 112. - 116404 (2014).

138. В1ап{гН. 01ао2., ЫиН., 8МВ., Ми 8гаЫНхт§ 1оро1о§1са1 рказез 1п§гаркепе у1агапйот
айзогрйоп. Ркуз. Кеу. Ьей. 109. - 116803 (2012).

139. Наи^еп Н.. Ниег1аз-Е1егпапс1о В., Вга1ааз А. 8рт йапзрог! т ргохппйутйисей Геггота§-
пейс §гаркепе. Ркуз. Кеу. В 77. - 115406 (2008).

140. МгскеШ Р . Кескег Р.. ктпассопе О. Е1?с1пс йе1й сопгго! оГ зрт го!айоп т Ы1ауег §га-
ркепе. Капо Ьей. 10 -4463- 4469 (2010).

141. Уап% Н. X. е1 а/. Ргохппйу еГГес!з тйисей т §гаркепе Ьу та§пейс тзи1а1огз: Р1гз1 рппсй
р1ез са1си1айопз оп зрт Й1(епп§ апй ехскап§е зрИйт^ §арз. Ркуз. Кеу. Ьей. 110. - 046603
(2013).

142. 8н>аг(з А. С., О<1еп1ка1 Р. М., Нао У., КиоЦК. 8., Какакат! К. К. 1п1е§гайоп оГ 1ке Гегго-
та§пейс тзи1аГог ЕиО оп!о §гаркепе. АС8 Капо 6. - 10063-10069 (2012).

143. 8оп§, С.-Ь. е1 а1. Торо1о§1са1 тзи1а1ог В128еЗ йнп йкпз §гоауп оп йоиЫе 1ауег §гаркепе Ьу
то1еси1аг Ьеат ерйаху. Арр1. Ркуз. Еей. 97. - 143118 (2010).

144. Коу К. еГ ак Огаркепе Мо82 куЬпй з1гасй1гез Гог тиШГипсйопа! ркоГогезропзгуе тетогу
йеукез. Кайне Кашйеск. 8. - 826-830 (2013).

145. ВиНег 8. 2. е!ак Ргоцгезз, ска11еп§ез, апй оррогШшйез т пуо Й1тепзюпа1 таГепак Ьеуопй
§гаркепе. АС8 Капо 7. - 2898-2926 (2013).
146. В1апсо Е. е! а!. 81аЫ1йу апд ехГоНайоп оГ §егтапапе: А §егтагпат §гарЬапе апа1о§ие.
АС8 №по 7. - 4414 4421 (2013).

147. РтскикГ V. е1 а1. ЕрйахЫ со-дерозйюп §го\уЙ1 оГСаОе2 Й1тз Ьу то1еси1аг Ьеат ерйаху
Гог 1аг§е агеа §егтапапе. I. Ма1ег. Кез. 29. - 410-416 (2014).

148. Мак К. Р., Ьее С-, Ноле А., 8кап А., Нет: Т. Р. А1огтса11у гЫп Мо8з: А пе\х д|гсс1 §ар
зеппсопдискг. РЬуз. Кеу. Ьей. 105. - 136805 (2010).

149. И'апи О Н, Ка1ап1аг-'/.ас1ек К., К В А., Со1етап А. И., 81гапо М. 8. Е1есйошсз апй ор!ое-
1есйошсз оГ Гхуо дппепзюпа! (гапзйюп те(а1 д1сЬа1со§етдез. №шге Капо(ес11. 7. - 699-
712(2012).

150. Л1оо /.) Ыи О. В., Реп% И'., ХиХ.. Уао ТУ. Соир1ед зрт апд уа11еу ркучсз т топо1ауегз
0ГМ082 апд ойтег §гоир VI д1сЬа1со§етдез. РЬуз. Кеу. Ьей. 108. - 196802 (2012).

151. Хи У, е1а1. Ьаг§е §ар цпапШт зртНаП тзи1а1огз тйпйЬпз. РЬуз. Кеу. Ьей. 111. - 136804
(2013).

152. В1а$е X, КиЫо А., Боте 8. О., Сокеп М. Ь. риаз1рагйс1е Ьапд зТгисйтге оГЪи1к Ьеха§опа1
Ъогоп пйпде апд гекйед зуз!етз. РЬуз. Кеу. В 51. - 6868-6875 (1995),

153. ЕЬЕЦК: ТЬе ЗиНсЬ РЬАРХУ соде ГатИу; 1н1р://\у\у\у.Г1ар\х.де.

154. АрреДаит I.. Ниап% В., Монета О. А. Е1есйотс теазигетеп! апд сопйо! оГ зрт йапзрог!
т зШсоп. №щге 447. - 295-298 (2007).

155. Сои X. е1 а/. Е1ес1пса1 де!есйоп оГ зрт йапзрой т 1а1ега1 Геггота§пе1зет1сопдис1ог де,
укез. \а1иге РЬуз. 3. - 197-202 (2007).

156. Ниап§ В., Арре1Ъаит I. 8рт дерказтр т дпй доттаГед зеппсопдисгог зртГготсз де-
у1сез. РЬуз. Кеу. В 77. - 165331 (2008)?

157. Ы Р., Ы А.. ^т$Е, Г)егу Н., Арре1Ьаит I. Ашзойору дпуеп зрт ге1ахайоп т §еппатит.
РЬуз. Кеу. Ьей. 111. - 257204 (2013).

158. Пккака А. М., АкескаЫт Г). О. Кезопап! зрт атрЬйсайоп ш п-гуре ОаАз. РЬуз. Кеу.
Ьей. 80.-4313 (1998).

159. Омальянчук А. Н., Ильичев Е В., Шевченко С. Н. Квантовые когерентные явления в
джозефсоновских кубитах. - Киев: Наукова думка, 2013. Ьйрзй/Нг.кЬагкоу.иа/Ъу!/
риЬ ИзЬег/топо§гарЫу а_2 013. рдГ.

160. Гуц А. К. Архитектура, процессор и работа квантового компьютера. Математические
структуры и моделирование. - 2010. - Вып. 21. - С. 55-64.

161. Валиев К. А.. Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. - М.: Ижевск:
РХД, 2001.

162. Гуц А. К. Основы квантовой кибернетики: учебное пособие. - Омск: Полиграфический
центр КАН, 2008. - 204 с.

163. Мании Ю. И. Классическое и квантовое вычисление и факторизация Шора / Квантовый
компьютер и квантовые вычисления. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая дина-
мика», 2001.

164. Мании Ю. И. Вычислимое и невычислимое. - М.: Советское радио, 1980.

165. Фейнман Р Моделирование физики на компьютерах / Сб.: Квантовый компьютер и
квантовые вычисления. Рсд. журнала «Регулярная и хаотическая динамика». - Ижевск,
1999.-С. 96-124.

166. Фейнман Р. Квантовомеханические компьютеры / Сб.: Квантовый компьютер и кван-
товые вычисления. Ред. журнала «Регулярная и хаотическая динамика». - Ижевск,
1999.-С. 125-156.

167. Душкин Р. В. Обзор текущего состояния квантовых технологий. Компьютерные иссле-
дования и моделирование. -2018. Т. 10. № 2. - С. 165-179. ПО1: 10.20537/2076-7633-
2018-10-2-165-179.

168. Борисенко В. Е., Воробьева А. И., Уткина Е. А. Наноэлсктроника - М.: БИНОМ. Лабо-
ратория знаний, 2009. -223 с. 18ВК 978-5-94774-914-4.

169. Ьйрз://уапдех.ги/ра1еп1з/дос/КЬ'27.31531С 1_20200903.
170. ЬИрз://уапдех.ги/ра1еп1з/дос/Я1Э2690217С 1_20190531.

171. Патент США 8, 174, 798. 8рт (огдие озсШа1ог, а та§пейс зепзог апд а та§пейс гесогсНпи
зуз1ет (аналог).

172. Патент США 8, 476, 724. 8рт \уауе дсуэсе (прототип).

173. БеловЛ. А. Радиоэлектроника. Формирование стабильных частот и сигналов.-М.: Из-
дательство «Юрайт», 2018. - 242 с.

11 “X. Белов Л. А. Опорные генераторы. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010.
№6.-С. 38-41.

175. Скеп Т., Ритал К. К., ЕкктА А., МиАиН Р. К., Ноилкан§ А., АюаА А. А., Ригген/еМ Р..
Ма1т В. О.. Виви А., Акеппап А. 8р1п 1огс|ие апд 8р1п На 11 папоозс! 11а!огз // Ргос. о! ШЕЕ. -
2016. Уо1. 104. Но. 10.-Р. 1919-1945.

176. Войтович И.. Корсунский В. Лекция 12. Основы спинтроники. Национальный откры-
тый университет «Интуит». \у\у\у.п1Ш11.ги

111. Данилов Ю. А. Спиновые светоизлучающие диоды (научно-популярная презентация).
Ь11р:/Лууу\у.тузЬагед.ги/811де/539714/.

178. Дмитриев А И. Спиновая батарейка / Нанометр от 17 декабря 2014. ННр://\у\у\у.па-
поте1ег.ги/2014/12/17/зрт1готка_446402.Ыт1.

179. Р1епу В , РгеуЪеапи! I. Ь., СагеИо К., ОатЪагс/еПа Р., РгеНа.ч Р., кеЫиЫг/К., КаЬегу О'.,
ЕЬе1л (А. РетоксИоу 8. О., Акегтап А., Реас А., Риго Р АМтапп С., Анапе А., Ски-
так А. V, Нй-ока1а А., МагцДп 8., Уа1епаие1а 8ег§ю О., СепуД ОпЬадк М., сГАдито М..
Ргепа! О.. Риюсскй) С., ЬорегЛЛаа: Ь., СкапПеИ К.. СкиЬука1о-Релепко О., Вог1о1оШ Р.
Оррогйтгаез апд сЬа11еп§ез Гог зртйотсз ш сНе пмсгоексйошсз шдизггу // Н’аГш е Е1ес-
(готсз [ СОЙ 3 | Аи§из12020 1 446—459 | ^У\у\у.па1иге.сот/па1игее1ес1гоп1сз.

180. ВагЫск М. Л. е< а1. О1ап1 та§пе!огез1з1апсе оГ (001) Ее / (001). Сг та§пейс зирег1а1йсез.
РЬуз. Кеу. Ьей. 61.-2472-2475 (1988).

181. Вталск С.. Сгъпкегу Р.. ВангенЪиск Р., Хнт II'. ЕпЬапсед тарпсЧогезгзсапсе т 1ауегед
та§пейс з1гис1игез \У1Г1э апййеггота§пейс ш1ег1ауег ехсЬап§е. РЬуз. Кеу. В 39. - 4828-
4830(1989).

182. Нд1рк О. С.. 8И1ез М. О. 8рт (гапзйег Гогдиез. / }. Ма§п. Май 320. - 1190-1216 (2008).

183. Вга!аа:ч А., Кеп1 А. Р., Окно Н. Сиггеп! тдисед 1огдиез т та§пейс та!епа1з. Най Ма!ег.
11.-372-381 (2012).

184. Мапскоп А. е1 а1. Сиггеп! тдисед зрт огЬй1огдиез т йггота§пейс апд апййеггота§пейс
зуз!етз. Кеу. Мод. РЬуз. 91. - 035004 (2019).

185. 2иИс I., РаЫап. А., Заппа 8. Р 8рт1гошсз: Гипдатеп1а1з апд аррйсайопз. Кеу. Мод. РЬуз.
76. 323 410(2004).

186. 81по»аА., Уа1еп2.ие1а 8. О.. ТУипАегНск А., Воск С. Н, АипуупНк Т. 8рт На11 ейес18. Кеу.
Мод. РЬуз. 87 - 1213-1260 (2015).

187. МагкР. 8., МИ1а1 А. Зрт-Ггапзйег (огдие апд дупаписз. 1п 8рт Оупаписз т Сопйпед Ма§-
пейс 81гис1иге8 III (едз НШеЬгапдз, В. & ТЫауШе, А.). - 225-308 (8рпп§ег, 2006),

188. СкитакА. К, Уаауискка К 8ег§а А. А.. НШеЪгапАз В. Ма§поп зртйошсз. Най РЬуз.
11. - 453 461 (2015).

189. Оепй&л’ V, Е. е1 ак Ма§пейхайоп озсШайопз апд \уауез дпуеп Ьу риге зрт сиггепй. РЬуз.
Кер. 673.- 1-31 (2017).

190. АагоЛау Р., Ма1о5-АЫа§иеа А., ЕгНега С., 81апо Р.. 2иИ1. 8еппсопдис1ог зрт1гошсз. Ас(а
РЬуз. 81оу. 57. - 565-907 (2007).

191. А-л’вска1от Р. Р.. Воллеи Ь. С., Ргигак А. 8., Ни Е. Е., РеПо А. К. риап1ит зртгготсз:
еп§теепп§ апд ташри1айп§ а1от Ике зртз т зегтсопдшйогз. Зсзепсе 339. - 1174-1179
(2013).

192. ЗЫпсеем’лк! А. С. Сштеп! дпуеп ехсйайоп оГ та§пейс тиКИауегз. .1. Ма§п. Ма§п. Ма1ег.
159.-Ы -Ь7 (1996).
193. Вег^егЬ. Еппззюп оГзрт хуахсз Ьу а та§пейс тиНПауег (гахсгзсй Ьу а сиггепй РЬуз. Кеу.
В 54.-9353-9358 (1996).

194. Мпоп I. М. е1 ак РегрепсИси1аг зхуНсЫп§ о Г а зт§1е Геггота§пейс 1ауег 1 пйисей Ьу т р1апе
сиггепГ йуесйоп. МаЬаге 476. - 189-193 (2011).

195. У чача 8., Ма^аката Т., Еикизкипа А., 8игикк У. АпАо К. СИап! Коот (етрегаГиге таапс-
1огез1з(апсе т зт§1е сгуз(а1 Ре / М§0 / Ре та§пейс 1иппе1 )ипсйопз. Май Ма1ег. 3. - 868-
871 (2004).

196. Рагкт 8. 8. Р. е! ак. Оши Нтпе11т§ та§пе(огез181апсе а! гоот (етрегашге \\'Ы, М§0 (100)
1ыте1 Ьагпегз. Май Ма1ег. 3. - 862-867 (2004),

19 7.1)1епу В., СкхМеу М. РегрешПси1аг та^пейс ашзойору а( йапзйюп те(а1 / охк!е пйегГасез
апй аррНсайопз. Кеу. Мой. РЬуз. 89. - 025008 (2017).

198. Какакага Т., Ио К., Такетига К., Окпо Н. 8рт ЙапзГег [огцие КАМ 1есЬпо1о§у: гсхчсху
апйргозресй М1сгое1есйоп. КеНаЬ. 52. - 613-627 (2012).

199. Кеп1А. О., Н'ог1е<А/1;е к) С- А пс\у зрт оп та§пейс тетопез. Кай МапоГеспоШ. 10. - 187—
191 (2015).

200. Л)>и!коу к>.. Окепу В.. 81аи$к1ег А. М. Ма§пе1огез1зйуе гапйот ассевз тетогу. Ргос. ШЕЕ
104. - 1796-1830 (2016).

201. Ккуаккоухкку А. К е1 ак Вазхс рппс!р1ез оГ 8ТТ МКАМ се11 орегайоп т тетогу аггауз.
3. РЬуз. О. 46. - 074001 (2013).

202. Мапскоп А., Коо Н. С., Рию А.. Ргокоу 8. М.. Бите К. А. Меху регзресйуез Гог КазНЬа зрт
огЬН соирИпр. Май МаГег. 14. - 871-882 (2015).

203. Ваиег О. Е., ЗаИок Е., Уап И'ее.ч В. А. 8рт са1опйотсз. Май Ма1ег. 11. - 391-399 (2012).

204. Оапккеу 8. О., РгеНк №. 8рт рЬо1осиггеп(з т диап!ит хуеИз .Тойгна! оГрНузхсз. Сопй. Май
15.-К935 (2003).

205. Рётес Р. е1 ак Ехрептеп(а1 оЬзегуайоп оГ 1Ье орйса! зрт ЙапзГег 1огс]ие. Май РЬуз. 8. -
411^115 (2012).

206. Тогге)оп А. е! ак МеиготогрЫс сотрийп§ хуЬЬ папозса1е зртйотс 08сШа(0Г8. Майаге
547. 428 431 (2017).

207. Ьедиеих 8. е1 ак А та§пейс зупарзе: ти1й1еУС1 зрт Согс|ие тетпзТог хуЬЬ регрепй1си1аг
атзойору. 8сй Кер. 6.-31510 (2016).

208. ВогАегз №. А., Рикапп 8.. Окпо Н. СЬагасйпхайоп оГ зрт огЫг Тощие сопйо11ей зупарзе
йеухсе Гог агййта! пета! пеГхуогк аррНсайопз. .1рп. .1. Арр1. РЬуз, 57. - 1002В2 (2018),

209. Сатзап К. У., Рапа В., ЗиИоп В. М., Па11а 8. 81осЬазйс р-Ы(8 Гог туегйЫе 1о§1с. РЬуз.
Кеу. X 7.-031014 (2017).

210. №а1отк1 А.. МьтепЬег^ М. Регзресйуе: иНгаГаз! та§пеЙ8т апй ТНх зртйотсз. .1. Аррй
РЬуз. 120.- 140901 (2016).

211. 8е1/ег1 Т. е1 ак. ЕГйсхеп! теГаШс зртйотс етхйегз оГ иНгаЬгоайЬапй (егаЬейх гаШайоп.
Май РЬоГоп. 10.-483 (2016).

212. Мапктз А. ТесЬпо1о§у Кеайтезз Ьеуе1з А \\1пГе Рарег (МА8А 1995); Ьйрз://§о.па-
1иге.сот/2КсеРМй

213. /.ее У. К. е1 а/. ЕтЬеййей 8ТТМКАМ т 28-пт П)8О1 1о§1с ргосезз Гог тйизйха! МС11 /
1оТ аррНсайоп. 1п ШЕЕ Зутрозшт оп УЙ81 ТесЬпо1о§у. - 181-182 (ШЕЕ, 2018).

2\А.8)пк У. С. е1 ак А 1 МЬ28пт 1Т1МТЗ 8ТТ МКАМ хуНЬ зт§1е сар ОГГзе! сапсеПей зепзе
атрНйег апй т зйи зейхугНе Гегттайоп. ШЕЕ .Т. 8оНй 81а1е СйсихГз 54. - 231-239 (2019).

215. Тее К. ек ак 22 пт Ю 801 етЬеййей МКАМ хуЬЬ Ги11 зо1йег гейоху сотраГхЫШу апй
епЬапсей та§пейс пптипйу. 1п 1ЕЕЕ Зутрозшт оп \'Й81 ТесЬпо1о§у. - 183-184 (ШЕЕ,
2018).

216. Сокопгка О. е! ак МКАМ аз етЬеййей поп уо1ай1е тетогу зо1ийоп Гог 22РРЙ РтРЕТ
1есЬпо1о§у. 1п 2018 ШЕЕ 1пй Е1есйоп Оеукез Меейп§ (ШЮМ). - 18.1.1-18.1.4 (ШЕЕ,
2018).
217. МсСга<к /> 1п(е1 зауз РтРЕТ Ьазед етЬеддед МКАМ 13 Ргодисйоп геаду. ЕЕ Тйпез
(20 РеЬгаагу 2019); ййрз://8о.па(иге.сот/3§ ру А'/Г

218. 8атзип§ Е1есйошсз з(аг(з соттегсла! зЫртеп! ой еМКАМ ргодис! Ьазед оп 28 пт РЭ
801 ргосезз. (8атзип§, 2019); Ьйрз://§о.па(иге.сот/2К1и8Р).

219. Махон М. Макт§ пето тетопез: 22 пт еМКАМ гз Кеаду 1о 1)|.зр1асс еНазН. О1оЬа1
Еоипдпез (29 Аи§ 2019); Н((рз://§о.па(иге.сот/ЗеВНгСВ.

220. А1:а1е О. е{ а1. 2 МВ аггау 1с ус I детопз(га(1оп ой 8ТТ МКАМ ргосезз апд регйогтапсе
(отоагдз Ь4 сасЬе аррНсайопз. 1п2019 ШЕЕ 1пй Е1ес1гоп [)е\чсеч Меейп§ (1Е1)М). —2.4.1—
2.4.4 (ШЕЕ, 2019).

221. 8аЮ Н. е1 а1. 14 пз тогйе зреед 128 МЬ депзНу ЕтЬеддед 8ТТ МКАМ тоКН Епдигапсе >
1010 апд 10 угз ге(епйоп @ 85 °С изт§ поуе! 1ото дата§е МТ.1 т(е§гайоп ргосезз. 2018
ШЕЕ 1п(. Е1ес1гоп 1)с\чссз Меейп§ (ШВМ) 609 (ШЕЕ, 2018).

222. И^иуеп У.Е) е1 а1. Ноуе! арргоасЬ йог папо райегпт§ та§пейс 1иппе1 )ипсйопз з(аскз а!
паггото рКсЬ: А гонге (отоагдз Ы§Н депзПу 8ТТ МКАМ аррНсайопз. 1п 2017 ШЕЕ 1п(ета-
йопа! Е1есйоп 1)е\1сез Меейп§ (ШОМ). - 38.5.1-38.5.4 (ШЕЕ, 2017).

223. Ни Сг. е1 а/. 8ТТ МКАМ тойН доиЫе та§пейс шппе! )ипсйопз. 2015 ШЕЕ 1п(. Е1есйоп
1)су1ссз Меейп§ (ШОМ). - 26.3.1-26.3.4 (ШЕЕ, 2015).

224. Регпззт Н. е1 а1. А Ы§Ыу (НегтаНу з(аЫс зиЬ 20 пт та§пейс Капдот ассезз тетогу
Ьазед оп регрепд!си1аг зНаре ашзойору. \апозса1е 10. - 12187-12195 (2018).

225. СагеНо К. е1 а1. Мапийас(игаЫе 300 тт р1а(йопп зо1ийоп Гог Йе1д йгее зтойсЫп§ 8ОТ
МКАМ. 1п2019 Зутрозшт оп УЬ81 Тес1то1о§у Т194 - Т195 (ШЕЕ,2019).

226. Саге Но К. е! а1. 8ОТ - МКАМ 300 ММ 1п(е§гайоп Гог 1ото ротоег апд и1(гайаз( етЬеддед
тетопез. 1п 2018 ШЕЕ 8утрозшт оп МЙ81 Сйсийз. - 81-82 (2018).

227. Рикани 8. е! а1. Ма§пейхайоп зтойсйт^ Ьу зрт огЫ( «>гс|не т ап Апййеггота§пе( Гегго-
та§пе( ЬНауег зуз(ет. Най Ма1ег. 15. - 535 (2016).

228. 011 У. Ш. е1 а1. Не1д йгее зтоНсЫп§ ойрегрепд1си1аг та§пейхайоп (Ьгои§й зрт огЬН (огдие
т апййеггота§пейс / йеггота§пейс / ох!де зйисйггез. Най Напо(ес1то1. 11. - 878-884
(2016).

229. ТУапд М. е1 а1. Р1е1д йгее зтойсЫп^ <>Г а регрепд!си1аг та§пейс йтпе! ртсйоп 1йгои§Н (Не
т(егр1ау ойзр1п огЬН апд зрт (гапзйег (огдиез. Най Е1есйоп. 1. - 582 (2018).

230. 8а1о Н е! а/. Ттоо Гептпа! зрт огЫг (огцие та§пе(огез1зйуе гапдот ассезз тетогу. Най
Е1есйоп. 1. - 508 (2018).

231. 81по(а У. е1 а1. Хпдисйоп ой соЬегеп! та§пейхайоп зтоНсН1п§ т а Рето агоппс 1ауегз оГРеСо
изт§ уоИа§е ри1зез. Най Ма1ег. 11. - 39 (2011).

232. С1пЬа О. е1 а1. Е1ес(пса1 сопйо! оГ(Не Геггота§пейс рНазе (гапзхйоп т соЬаК а( гоот (ет-
рега(иге. Най Ма(ег. 10. - 853 (2011).

233. Уо(1а Н. е! а1. Уо1(а§е сопйо! зртйотсз тетогу (УоС8М) Иаут§ ро(епйа!з ойиНга 1ото
епегеу сопзитрйоп апд Н1§Н депзПу. 1п 2016 ШЕЕ 1п(. Е1ес(гоп [)е\чссз Меейп§ (ШВМ).
27.6.1-27.6.4 (ШЕЕ, 2016).

234. Рагкт 8. 8. Р., Уап§ 8. Н. Метогу оп (Не гасейаск. Най Напо(есНпо1. 10. - 195 (2015).

235. ГеПА., Стх V., 8атрсйо А. Зкуппюпз оп (Не (гаек. Най Напо(ес1то1. 8.- 152 (2013).

236. 2кеп^ С. е1 а/. Ма§пе(огез1зйуе зепзог деуе1ортеп( гоадтар (поп гесогдт§ аррНсайопз).

ШЕЕ Тгапз. Ма§. 55. - 1-30 (2019).

237. ГгеИаз Р. Р. Реггей-аК., СагАозо 8. Зртйотс зепзогз. Ргос. ШЕЕ 104. - 1894 (2016).

238. Регтоп С.. Уап с1е Уоог<1е М. (едз) Напота§пейзт: АррНсайопз апд Регзресйуез 1-ХУШ
(\УПеу, Ь(д, 2017); НйрзУ/до1.ог§/10.1002/9783527698509.

239. 8Н\’а А. е1 а1. Ыпеапхайоп зйа(е§1ез йог Ы§Н зепзШуКу та§пе(огез1зйуе зепзогз. Еиг.
.1. РНуз. О. 72.- 10601 (2015).

240. Ра: Е. е1 а1. Коот (етрега(иге дйес( де(есйоп ой 1ото йгедиепсу та§пейс Йе1дз т (Не
100 рТ / у/Нх ганце изт§ 1аг§е аггауз ой та§пейс (иппе! )ипсйопз. .1. Арр1. РЬуз. 115. -
17Е5О1 (2014).
241. Скауез К. С. е1 а1. Ьоу Ггедиепсу р!со!ез1а Йе1д де!есйоп изт§ ЬуЬпд М§0 Ьазед !ште1
зепзогз. Арр1. РЬуз. Ьей. 91. - 102504 (2007).

242. Ьее У. С. е! а1. Ма§пейс (иппе! ртсйоп Ьазед ои! оГ р1апе Йе1д зепзог УЙЬ регрепдгсЫаг
та§пейс атзойору т геГегепсе 1ауег. I. Арр1. РЬуз. 117. - 17А320 (2015).

243. 8ие№ О е1 а1. Торо1о§1са11у рго!ес!ед уогГех зггасШгез Гог 1о\с погзе та§пейс зепзогз хуйЬ
Ы§Ь йпеаг гап§е. К'аг. Е1есйоп. 1. - 362 (2018).

244. 8/еаггеи К. е! а1. ЕуоЫГгоп оГЬатег гезгзГапсе погзе т СоЕеВ / М§О / СоЕеВ шппе! ртс-
йопз дигт§ аппеа1т§. 1. Арр1. РЬуз. 107. - 064502 (2010).

245. №1$тс»узк1 Р. е1 а/. Кедисйоп оГ 1о\у Ггедиепсу та§пейс шизе Ьу уо1!а§е тдисед та§пейс
атзойору тоди1а!юп т !иппеЬп§ та^пеГогезгзГапсе зепзогз. Арр1. РЬуз. Ьей. 105. -
082404 (2014).

246. Акракуш С. А., 8Иуа В. А., Напске О. Р., АЪи Мак/те А. М. А Зигусу оп 50 пеГхсогкз Гог
Йге 1п!егпе! оГТЫп§з: соттитсайоп !есЬпо1о§1ез апд сЬа11еп§ез. ШЕЕ Ассезз 6. - 3619
(2017).

247. Скеп Т. е! а1. Зргп Тогдие апд Зрт На11 Капо ОзсШаГогз. Ргос. ШЕЕ 104. - 1919 (2016).

248. Кге1»с1§ М. е1 а1. Уог!ех зрт Гогдие озсг11а!ог зГаЫЬхед Ьу рЬазе 1оскед 1оор изт§ гп!е-
§га!ед сйсийз. А1Р Аду. 7. - 056653 (2017).

249. Ып Ь., Реп С. Р., Ка1рк I) С.. Впкгтап К. А. Ма§пейс ОзсШайопз Юнуст Ьу Ше 8рт На11
Ейёс! т 3 Тегтгпа! Ма§пейс Типпе! Ыпсйоп Оеугсез. РЬуз. Кеу. Ьей. 109. - 186602
(2012).

250. ЫетМоу V. Е. е1 ак Ма§пейс папо озсШа!ог дпуеп Ьу риге зрт сиггепГ Наг. МаГег. 11,-
1028 (2012).

251. 2акесНпе]ас1 М. е! а1. Т\со дгтепзюпа! ти1иа11у зупсЬгошхед зрт На11 Капо озсг11а!ог аг-
гауз Гог пеиготогрЫс сотрийп§. Кай Мапо!есЬпо1. 15. - 47-52 (2020).

252. КиЕ Са1а/ога А. е1 ак Ггедиепсу зЫй кеут§ Ьу сштеп! тоди1айоп т а МТ.! Ьазед ЗТЫО
хугйг Ы§Ь даса га!е. Арр1. РЬуз. Ьей. 111. - 082401 (2017).

253. ЫМпепко А. е1 ак Апа1о§ апд д1§йа1 рЬазе тодЫайоп оГ зрт !огдие \апо озсШаГогз.
Ргерпп! аг Ьйрз://агхгу.ог§/аЪ8/1905. - 02443 (2019).

254. Ьошз 8. е1 ак. 1Т1!га Газ! «чде Ьапд зресйшп апа1ухег Ьазед оп а гаргд1у Шпед зрт !огдие
папо озсШаГог. Арр1. РЬуз. Ьей 113.- 112401 (2018).

255. ЫЫтепко А. е1 ак. ГЛйаГаз! 8\уеер Шпед зресГгит апа1ухег хугйг Гетрога! гезоЫйоп Ьазед
оп а зрт !огдие папо озсШа!ог. Мапо Ьей. Ьйрз://до1.ог§/10.1021/асз.папо1ей.0с. - 02195
(2020).

256. Скок Н. 8. ек ак. Зргп папо озсШаГог Ьазед хуйекзз соттишсайоп. 8сг Кер. 4. - 5486
(2014).

257. Ыипе§1 8. е( а/. 8са1т§ ир §1ес!пса11у зупсЫотхед зрт !огдие о8сШа!ог пейуогкз. 8с1.
Кер. 8.- 13475 (2018).

258. ЬеЪгип К. е1 а1. МиГиа! зупсЫотхайоп оГ зрт !огдие папо о8сИ1а!огз !Ьгои§Ь а 1оп§ гап§е
апд йтаЫе е1ес!пса1 соирйп§ зсЬете. На!. Соттип. 8. - 15825 (2017).

259. Рап§ В. е1 а1. Сйап! зрт !огдие дюде зепзШуйу т Йге аЬзепсе оГЫаз та§пейс Йе1д. ИаГ.
Соттип. 7. - 11259 (2016).

260. Рап^В. е! а1. Ехрептеп!а1 детопзйаиоп оГ зртйошс ЬгоадЬапд тгсгогуауе де!ес!огз апд
Йгей сараЬИйу Гогро\уепп§ паподеугсез. РЬуз. Кеу. Арр1. 11. - 014022 (2019).

261. Мгсгогуауе Зртйотсз Гог \\'тс1сз8 Зепзог НсГхуогкз 8Р1ЫМЕТ ( АМК, 2018); Ьйрз;//апг.Гг/
Ргсцес! АМК 18 СЕ24 0012.

262. Магко\’1ё Ы. е! аЬ Ве!есйоп оГ !1ге писгохуаус егшззюп Ггот а зрт !огдие озсШа!ог Ьу
а зрт дюде. РЬуз. Кеу. Арр1. 13. - 044050 (2020).

263. 8и1утепко О. К., Ргокорепко О. V., ТуЬегкеууск V. 8, 81аг1пА. М ТегаЬейх Ггециепсу зщпа!
зоигсе Ьазед оп ап апйГеггота§пейс !ште1 )ипсйоп. ШЕЕ Ма§. Ьей. 9. - 3104605 (2018).

264. Со11е1 М. е1 а/. (Зепегайоп оГ соЬегеп! зрт хуауе тодез т уйгшт ггоп рагпе! гтсгодгзсз Ьу
зрт огЬй !огдие. ИаГ. Соттип. 7. - 10377 (2016).
265. 2сппз1уак I. V., Ророх’ М. А. М|С1‘о\уасе ргорегйез апй аррНсайопз о! уйпшп коп §ате(
(УЮ) йкпз: сштеп! з!а!е ой ай апй регзресйуез. 1п Уйпшп: Сотроипйз, Ргойисйоп апй
АррНсайопз (ей. \'о1кег1з, В. В.). - 87-125 (Носа, 2009).

266. Нагле V. О. Мойегп тгсготеауе йеггйез. ШЕЕ Тгапз. Ма§. 48. - 1075 (2012).

267. Матра1гит 8., кВкопну О. Е., Уоипр I. А. Веуопй СМ08 сотрийп§ хуйй зр!п апй ро1ап-
хайоп. На!. РНуз. 14. - 338 (2018).

268. Хп/;6 к, ЕаЫап 4, 8агта 8. Зртйопгсз: йипйатеп!а1з апй аррНсайопз. Кеу. Мой.
РНуз. 76. 32.4 410 (2004).

269. РаИа 8., Ваз В. Е1есйотс апа1о§ ой 1Не е1есйо орйс тойпЫог. Арр1. Ркуз. Ьей. 56. - 665-
667 (1990),

270. Вегу Н., Иа1а1 Р., СутпЫа к.. 8кат Ь. В. 8рт Ьазей 1о§1с т зет!сопйис1огз Гог гесопй§-
пгаЫе 1аг§е зса1е сйсийз. НаШге 447. - 573-576 (2007).

271. СтхЬигп К. Р., КеИаш} М. Е. Коот !етрега!иге та§пейс диапГит се11и1аг аи!ота!а. 8с1.
епсе 287. - 1466-1468 (2000).

272. Ьпге А. е1 ак Ма)огйу Ео§гс С!а!с Гог Ма§пейс Оиапшт Во! Се11и1аг Аи1ота1а. Зсгепсе
311. 205 -208 (2006).

273. 2о%га/ое О. е1 ак Ехскап§е йпуеп та§пейс 1о§1с. 8сг Кер. 7. - 12154 (2017).

274. Матрапит 8. е! ак 8са1аЫе епег§у еййсгеп! та§пе!ое1ес!пс зрт огЬй 1о§1с. Найгге 565. -
35 (2019).

225. КаВи I. Р е1 ак Зртйотс та)огйу §а!ез. Ргос. 2015 ШЕЕ 1п1. Е1есйоп Веугсез Меейп§
(ШВМ). - 32.5.1-32.5.4 (2015).

276. А1Ы>ооВI). А. е1 ак Ма§пейс йотат \еа11 1о§1с. Зыепсе 309. - 1688-1692 (2005).

277. Мкопоу О. Е.. Воипапо$О. к. бкат Т. Ргороза! ой а зрт 1<>г<|ие та)огйу §а!е 1о§1с. ШЕЕ
Е1есйоп Веугсе Ьей. 32. - 1128-1130 (2011).

278. Каитраигаз К. е! ак. А та)огйу §а!е луйк сЫга! та§пейс зо1йопз. .1. Ркуз. Сопйепз. Май-
(ег 30. - 375801 (2018).

279. КкИип А., П'апр К. Е. Моп уо1ай1е та§пошс 1о§1с сйсийз еп§теепп§. .1. Арр1. Ркуз. 110.—
034306(2011).

280. №апр (В. е! ак КеаНхайоп ой а папозса1е тарюшс ййесйопа! соир1ег йог АП та§поп сй-
сийз. Ргерпп! а! 1й!рз://агХ1у.ог§/аЬз/1905. - 12353 (2019).

281. СкитакА. V., 8ег§аА. А., НШеЪгапск В. Ма§поп йапзгзйог йог АП та§поп йа!а ргосеззт§.
1Ма!. Соттип. 5. - 4700 (0214),

282. Пзскег Т. е! ак. Ехрептеп!а1 рго!о!уре ой а зрт \уауе таргйу Ц аге. Арр1. Ркуз. Ьей. 110.—
152401 (2017).

283. Нет Капакат) К. К., СтИга М., ЕаЫап В. Сггаркепе зртйопгез. На!. Напо!ескпо1. 9. -
794-807 (2014).

284. Рагкт 8. 8. Р., НауазЫ М., Ткотаз Ь. Ма§пейс йотат \уаН гасейаск тетогу. Зсгепсе
320. - 190-194 (2008).

285. Капа^ака И. е1 ак Тке го1е ойЗпеП’з 1а\у йог а таупотс та)огйу еаГе. 8сг Кер. 7. - 7898
(2017).

286. кЕап§ е1ак 1п!е§га!ейта§потс 1га1йаййег. Ргерпп!а!кйрз://агх1у.ог§/аЬз/1902.-02855
(2019).

287. Ви^акага 8., ИШа В. 8ргп Йапз1з!ог е1есйотсз: ап оуегугегу апй оийоок. Ргос. ШЕЕ 98. -
2124(2010).

288. Татуата Т., Мас/а Е., Вок М., Уата^псЫ М. Е1ес!пса1 апй орйса! зрт т)ес!юп т йегго-
та§пе!/зет!сопйис!ог ке!егоз!гис!игез. \РС> Азга Ма!ег. 3. - 65-73 (2011).

289. Скиап^Р е1 ак АП е1ес!пс а11 зеппсопйискй зрт йе1й еййес! йапзгзйгз. На!. Напо1ес11по1.
10.-35 (2015).

290. Вгдскег Т., Рато Р. Ап апа1о§ та§поп аййег йог а11 та§потс пеигопз. к. Арр1. Ркуз. 124. -
152119(2018).
291. Тапака О. е! ак. Кесеп! айуапсез т рЬуз!са1 гезегуой сотрийп§: а гсу1с\у. Кеига! Кеку.
115.- 100 (2019).

292. Ргускупепко О. е1 ак Ма§пейс зкутиоп аз а попНпеаг гез!зйуе е1етеп1: а ро!епйа1 Ьийй-
Ыоск Гог гезегуой сотрийп§. РЬуз. Кеу. Арр1. 9.

293. ЕегепМет №.. МаЛиг № О.. 8еоПк Р. Ми1йГегго!с апй та§пе!ое1есй!с та!епа1з. Кайле
442. - 759-765 (2006).

294. РПгока1а А. е1 ак Коайтар Гог Етег§т§ Ма1епа1з Гог Зртйошс 1)су1сс АррНсайопз. ГЕЕЕ
Тгапз. Март. 51.-0800511 (2015)."

295. Запскег, О. е! ак. ГНс 2017 та^пейзт гоайтар. Г РЬуз. Б. 50. - 363001 (2017).

296. Окто Н. е1 а1. Е1ес1пс йе1й сопйо! оГГеггота§пейзт. \аШге 408. - 944 (2000).

297. Оерга^з 8. е1 ак. 8йат сопйоПей поп уо1ай1е та§пейхайоп з\уйсЫп§. 8оПй 8(а1е Сот.
топ. 198.-7-12 (2013).

298. ЬатЪег! С. Н. г! ак. АП орйса! сопйо! оГ Геггота§пейс Йип Й1т8 апй папозйисшгеч. 8с1.
епсе 345.- 1337 (2014).

299. Лкеска 8. е! ак. Типпе! та§пе(огез!з!апсе оГ 604 % а! 300 К Ьу зирргеззюп оГТа Шйизюп т
СоРеВ / М§О / СоРеВ рзеийо зрт уаГуез аппеа1е<1 а! Ы§Ь сетрегайи е. Арр1. РЬуз. Ьей.
93.-082508 (2008),

300. Ркдиетак-Вапск М. е1 ак. 1пзи1а!ог (о те(аШс зрт Й11епп§ т 21)-тацпейс 1иппе1 (ипсйопз
Ьазей оп Ьеха§опа1 Ъогоп пйпйе. АС8 №по 12. - 4712 (2018).

301. Нкгока1аА., Рго.к №.. Заткероиг М., Клт А. У. Регрепй!си1аг та§пейс ашзойору т Неиз1ег
а11оу Й1тз апй (Ьей та§пе!огез!зйуе (ипсйопз. МаГепак 11. - 105 (2018).

302. 8араг Л. е1 ак. Оусг 50 % гейисйоп т 1Ье Гоппайоп епег§у оГ Со Ьазей Неиз1ег а11оу Й1тз
Ьу йуо йипепзюпа! сгузйШхайоп. Арр1. РЬуз. Ьей. 105. - 032401 (2014).

303. Уап% Н. е1 ак Апайлпу апй Спап! ЕпЬапсетеп! оГ (Ье Регрепй!си1аг Ма^пейс Ашзойору
оГСоЬаК СгарЬспе НегегозггисШгез. Капо Ьей. 16. - 145 (2015).

304. Рап У. ек ак. Ма§пейхайоп 8АУЙсЬт§ Й1гои§Ь §!ап! зрт огЬй гогцие т а та§пейса11у йорей
!оро1о§!са1 тзи1а!ог Ье1егозйисШге. Кай Ма1ег. 1. - 699 (2014).

305. МасЫеШ О. е! ак Сопйо! оГ зрт огЬй (ощиез !Ьгои§11 сгуз!а! зуттейу т А Гег / Гегго-
та§пе( ЪПауегз. Кай РЬуз. 13. - 300 (2017).

306. Уап§ Н. е1 ак. 81§тГ1сап1 Вхуа1озЬтзкп Мопуа пйегасйоп а( ОгарЬепе Геггота§пе1 т!ег.
Гасез йие 1о гЬе КазЬЬа еГГесГ. \аг. Ма1ег. 17. - 605 609 (2018).

307. М1ао О. X., Мъ11ег М., Мооскега Л. 8. Ма§пе(огез!з1апсе т йоиЫе зрт Й11ег йтпе! (ипсйопз
хуйЬ поптацпейс е1есйойез апй йз ипсопуепйопа! Ыаз йерепйепсе. РЬуз. Кеу. Ьей. 102. -
076601 (2008).

308. Зону Т. е1 ак (6ап1 шппеПп§ та§пе1огез!з(апсе т зрт ййег уап йег \\'аа|.з Ье1егозйис1игез.
8с!епсе 360. - 1214-1218 (2018).

309. Уап №. е1 ак А г\уо Штепзюпа! зрт йе!й ейес! зууйсЬ. №1. Соттип. 7. - 13372 (2016).

310. Ситт1п§5 А. №. е1 ак ( г1ап1 зрт НГейте ашзойору т етарЬепе тйисей Ьу ргохйпйу еГ-
Гес1з. РЬуз. Кеу. Ьей. 119. - 206601 (2017).

311. Вешке: Ь. А. е1 ак 8йоп§1у ашзойорт зрт ге1ахайоп т §гарЬепе Йапзйюп те1а1 й!сЬа1-
со§ешйе Ье1егозйис1пгез а! гоот [етрегашге. Ка1. РЬуз. 14. - 303 (2018).

312. Ьеи1епап1$теуег У. С. е1 а1. Ргохтайу тйисей гоот 1етрега1иге Геггота§пейзт т §га-
рЬепе ргоЬей \й(Ь зрт сиггепй. 21)-Магег. 4. - 014001 (2017).

313. 2кап$ У. е1 ак МопоНЙпс т!е§гайоп оГЬгоайЬапй орйса! !зо1а!огз Гог Ро!апхайоп сбусгзс
зШсоп рЬоГотсз. Орйса 6.-473 (2019).

314. КакНкогВ Ь. Л. е1 ак ЕГйс!еп1 зрт сиггеп! §епегайоп ш 1о\у йатрт§ М§(А1, Ре)гО4 Йип
Й1тз. Арр1. РЬуз. Ьей. 115. - 122401 (2019).

315. Еуап5 В. Р. Ь. е1 ак А!огтзйс зрт тойе! зтпйайопз оГ тартейс папота!епа1з. Г. РЬуз.
Сопйепз. Майег 26. - 103202 (2014).

316. Ви11ег №. Н. е/ ак ЗхуйсЫп^ ШзгпЬийопз Гог регрепй!си1аг зртйощие йехасез хуйЫп Ше
тасгозрт арргохппайоп. ШЕЕ Тгапз. Ма§. 48. - 4684 (2012).
317. Вег1оШ С. Ну81еге818 т Ма§пейзт (Асайегтс Ргезз, 1998).

318. С1шЪука1о-Еезепко О., Л'йчу'Л' Р. НапйЬоок оГМа(епа1з Мо4еНп§ (8ргтцсг, 2018).

319. Оно ИК е/ а1. 8р1се тойе11т§ оГ та§пейс йтпе! )ипсйоп8 уупйеп Ьу 8рт йапзГег (огдие.

1 РЬуз. 0.43.-215001 (2010).

320. йаЬеиг К. е1 а1. Сотрапзоп оГ Уеп1о§. А сотрас! тойеШп§ зйа(е§1ез Гог зртйошс йе-
укез. Е1есйоп. Ьей. 50. - 1353 (2014).

321. Кссс1п1ае\’а К. е1 а1. 1<)\\'агс1з ти1йзса1е тойеНпу оГ та§пейс тайпак: 81ти1айоп8 оГ
ЕеР1. РЬуз. Кеу. В 77. - 184428 (2008).

322. АЪег1 С. е1 ей. А зе1Г сопз1з1еп1 зрт сНГГизюп тойе! Гог ппегота^пейез. 8сГ Кер. 6.-16
(2016).

323. 81игта 5. М.. ВеПе^агйе С., Тоиззат1 й. С.. Стхакош И. Зйпикапеоиз гезо1ийоп оГ гЬе
писгота§пейс апй зрт йапзрог! едиайопз аррйей 1о сштет-тйисей йотат \\ а 11 йупат-
1св. РЬуз. Кеу. В 94. - 104405 (2016).

324. Вга1ааз А., ЫсЕиеое У. V.. Ваиег О. Е. Ш. Ртйе е1етеп! (Ьеогу оГ ГгапзрогГ т Геггота§пе(
погта! теЫ зуз1етз. РЬуз. Кеу. Ьей. 84. - 2481 (2000).

325. Мап1ра<гип1 8.. \'1коно\’, О. Е.. Уоип§ I. А. Мо<1еЬп§ апй йезщп оГ зртйотс т1е§га1ей
сйсийз. ШЕЕ Тгапз. Сйс. 8уз1. 59. -2801 (2012).

326. 81апаи С. О. е! а1. А11 орйеа! та§пейс гесогсЬп§ ууйЬ сйси1аг1у ро1аг1хе<1 Н§1й. РЬуз. Кеу.
Ьей. 99.-047601 (2007).

327. Ваиег 1Е е1 а1. Ма§пе1о юше сопйо! оГ 1п(егГас1а1 та§пейзт. Йа1. Ма(ег. 14. - 174 (2015).

328. Лт^лчгй! Т., МатИХ., И'асНеу Р., В'ипйегНсЕ А. АпйГегготадпейс зртГготсз. 1Ма1.1Мапо-
1ееЬпо1. 11.-231 (2016).

329. 8 ОЬ С <Ье ООК 4 8ОКАМ><16, К 4А8 О 165 ХУС сЫазЬее! (8атзип§, 2017); Ьйрз://§о.
па!иге.сот/2У81Кех/.

330. ./гтеа, 8. 7 пт, 5 пт апй 3 пт Ео§1с, Сштет апй Рго)ес(ей Ргосеззез (8ет1\уИа, 2018);

Ьйрз://§о.па1иге.сот/2Х\УГраГ.
Глава 9
СТРЕЙНТРОНИКА - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ,
МАТЕРИАЛЫ, УСТРОЙСТВА

Стрейнгроникой (81гат1гошс8) называют относительно новое направле-
ние в физике конденсированного состояния вещества, использующее методы
деформационной инженерии и физические эффекты, обусловленные механи-
ческими деформациями в твердых телах, для реализации нового поколения
устройств информационных, сенсорных и энергосберегающих технологий.
В фундаментальной аналитической работе [1] рассмотрены основные понятия
стрейнтроники, физические эффекты, на которых она основана, ее основные
преимущества перед традиционной микроэлектроникой, существующие пока
технические проблемы и фундаментальные ограничения. Особое внимание
здесь уделено стрейнтронике магнитных и магнитоэлектрических материалов,
так как с нею связывают надежды на радикальное снижение энергопотребле-
ния при проведении компьютерных вычислений. Здесь на конкретных приме-
рах рассмотрены и практические примеры применения физических принципов
стрейнтроники в области информационных и энергосберегающих технологий,
сенсорной и сверхвысокочастотной техники. Данная глава построена целиком
на материалах вышеуказанного фундаментального обзора с незначительными
редакционными правками.

9.1. Теоретические основы стрейнтроники

9.1.1. Две ветви развития стрейнтроники

Стремительное и всё ускоряющееся развитие информационных техно-
логий, выразившееся в последнее время в появлении таких новых областей,
как «большие данные» (В1§ Рага) и «цепочки блоков данных» (Ыосксйат),
предполагает дальнейшее увеличение мощности вычислительных устройств.
По оценкам специалистов [1], при сохранении тех же темпов роста информа-
ционных технологий и перспектив изменения характеристик электронных эле-
ментов к 2030 г. до половины потребляемой человечеством электроэнергии
будет приходиться на обслуживание технологий вычисления, что в абсолют-
ном выражении превысит отметку годового потребления в 10 ПВт/час. Данная
ситуация стимулирует поиск новых энергосберегающих технологий обра-
ботки информации, одной из которых и призвана стать стрейнтроника.
Стрейнгроникой (от англ. 81га)п - натяжение) называют научное направление
физики конденсированного состояния, использующее физические эффекты
в твердых телах, обусловленные деформациями, возникающими в микро- и
нанослоях и гетероструктурах под действием внешних управляющих полей,
приводящих к изменениям зонной структуры, электрических, магнитных, оп-
тических и других свойств материалов и позволяющее реализовать новое по-
коление различных устройств информационных и сенсорных технологий.

На рис. 9.1 показаны направления развития двух паралельных ветвей
стрейнтроники - полупроводниковой (а) и магнитной (б). Здесь же показаны
нарождающиеся разновидности стрейнтроники: нейроморфная стрейнтроника
[9] и фотострейнтроника (Н^Ьг-теЛаГеб ^гаййготсз) [10].

С трсйт роника

Стрейт роники полупроводников

и двумерных материалов

Механическая модификация
тлеет р«>ни->н структуры

моделирование.

<>1о

Геометрическая фала,
топология

Магнитная етрснптроннка

Устройства
маиипноЛ памяти

Гибридная спннтроннкастрсйнтроника

Рис. 9.1. Двэ ветви стрейнтроники:

а - управление электронной структурой с поллощью дефорллаций.
Показаны ллеханически индуцированный переход от пряллозонной
структуры к непряллозонной в креллниевых нанотрубках [7]

и ллодисрикация зоны Бриллюэна з грасрене [8]:

б - основные устройства магнитной стрейнтроники, в частности,
ллагнитная паллять и логика. Здесь Е(к) - дисперсионная зависиллость
для электронов, Т, О - характеристики новых элементов электроники
транстора и гиратора

История появления термина «стрейнтроника» является примером того,
как решение фундаментальных вопросов физики может дать импульс к разви-
тию ее конкретных прикладных областей. Так, авторов статьи «Электронные
свойства рифленого графена: принцип Гейзенберга и геометрия кротовых нор
в твердом теле» [3] прежде всего интересовала проблема описания безмассо-
вых релятивистских электронов в двумерных средах с учетом принципа не-
определенности Гейзенберга, а на более высоком уровне абстракции - сопря-
жение квантовой механики и общей теории относительности (ОТО). Такое
рассмотрение на примере гофрированных листов графена открывало новые
теоретические возможности: моделирование процесса движения релятивист-
ских частиц в искривленном пространстве - времени, управление электронной
структурой с помощью механического напряжения. Устройства на основе по-
следнего принципа и должны были, по замыслу авторов [3], составить эле-
ментную базу новой отрасли электроники - стрейнтроники.

В то же время связь механических напряжений с магнитной и сегнето-
электрической подсистемами кристалла составляет основную идею как физики
мультиферроиков [4], так и композиционных магнитоэлектрических материа-
лов [5]. Во-первых, изменение кристаллической структуры под влиянием меха-
нических деформаций можно рассматривать как параметр порядка, во-вторых,
сама деформация служит агентом, посредством которого взаимодействуют маг-
нитная и электрическая фазы. Поэтому неудивительно, что практически одно-
временно тот же термин появляется в статье, тематика которой находится на
стыке физики магнитоэлектрических композитов и спиновой электроники: «Ги
бридная спинтроника и стрейнтроника: магнитная технология компьютерных
вычислений и обработки сигналов со сверхнизким энергопотреблением» [6].

Так исторически появились две ветви стрейнтроники (рис. 9.1), разви-
вавшиеся до настоящего времени параллельно и практически независимо.

Теория первой ветви стейнтроники в самом общем случае может быть
описана как влияние механических напряжений на электронные свойства. Ее
историю следует отсчитывать от статьи Чарльза Смита [И], опубликованной
в 1954 г., посвященной тензорезистивным свойствам германия и кремния,
в которых было обнаружено аномально большое изменение величины сопро-
тивления вследствие модификации зонной структуры полупроводника именно
под действием механической деформации. Новое в этой области связано,
прежде всего, с двумерными материалами - графеном, гексагональным нитри-
дом бора, 7п0, а также ультратонкими слоями халькогенидов переходных ме-
таллов: полупроводниковыми монослоями Мо8з [12, 13], \У8ег, Р<1$: [12],
ХХ'Те: [14] и планарными гетероструктурами на них [15]. Механическое напря-
жение в таких материалах служит своего рода «упругим калибровочным по-
лем» (е1азйс §аи§е (1е1<1), взаимодействующим с фермионами подобно электро-
магнитному полю [16], что в среде физиков-теоретиков порождает глубокие
аналогии между квантовой теорией поля и физикой конденсированного состо-
яния вещества.

Другая ветвь стрейнтроники развивается в рамках теории магнитной
электроники. Основным ее объектом является гетероструктура из магнитного
слоя, анизотропия которого задается деформацией подложки (верхняя часть
рис. 9.1, б). Большинством исследователей предполагается, что именно в маг-
нитной стрейнтронике наиболее полно реализуется возможность достиже-
ния сверхнизкого энергопотребления, заложенная в самой теории управления
спиновой степенью свободы. Согласно оценкам [6, 17], энергия переключения
таких запоминающих стрейнтронных устройств будет меньше 1 аДж, прибли-
жаясь к величинам, ограниченным только фундаментальными термодинами-
ческими принципами, в частности, пределом Ландауэра к»Т1п2 - минималь-
ной энергией, выделяемой при стирании одного бита информации [17]. Та-
кими же «ультранизкими» потерями энергии могут обладать стрейнтронные
логические устройства [18] и аналоговые усилители [19].

Отметим, что к заявленным показателям, основанным на теоретических
оценках (рис. 9.2, заштрихованная область), стоит подходить с осторожностью.
Учет дополнительных потерь при работе прототипов стрейнтронных устройств,
продемонстрированных в [20,22-25], показывает, что реальные характеристики
(область, отмеченная сплошной заливкой на рис. 9.2) всё еще далеки от пре-
дельных. Тем не менее стрейнтроника магнитных материалов в целом представ-
ляется более близкой к практической реализации, чем ее «графеновая» ветвь,
превосходя пока последнюю в полтора-два раза по количеству известных пуб-
ликаций. Кроме того, несомненным достоинством магнитных стрейнтронных
устройств является такое свойство, как энсргонсзависимость, т. е. сохранение
логического состояния в отсутствие питания, что позволяет в одном устройстве
объединить достоинства элементов постоянной и оперативной памяти.

Ю2

101

10°

ю-'

кг2

10~3

10' Ю2 1 03 104 10; 106

Время задержки, пс

Рис. 9.2. Сравнительная диаграмма характеристик
электронных устройств в осях рассеиваемая энергия переключения -
время задержки для устройств традиционной полупроводниковой электроники,
спинтроники и стрейнтроники [6]

На рис. 9.2 представлена сравнительная диаграмма основных характери-
стик (время задержки переключения и энергия переключения) для трех групп
устройств - транзисторной полупроводниковой электроники, стрейнтроники
и спинтроники (8ТТ). В некоторых обзорах, например [20, 21], последняя вы-
ступает в качестве магнитоэлектрической разновидности спинтроники. Голу-
бая область - характеристики полупроводниковой электроники: СМО8 -
кремниевые транзисторы на структурах металл - оксид - полупроводник,
§пгТРЕТ (щарКепе папопЬЬоп Типпе1т§ Нек! Ейес! Тгап818!ог) - туннельные
полевые транзисторы на графеновых нанолентах [20]. Область, обозначенная
как 81'Т-устройства, - характеристики современных спинтронных устройств
на основе эффекта передачи спинового момента (8рт-Тогдие ТгапзГег, 8ТТ).
Области со сплошной заливкой соответствуют характеристикам уже создан-
ных прототипов стрейнтронных устройств [22-25], заштрихованная область -
область теоретических оценок [6, 17-19]. Звездочкой на фоне рисунка от-
дельно отмечены характеристики фотоиндуцированной спиновой динамики,
вызванной фемтосекундными лазерными импульсами, являющейся на момент
выхода книги рекордным по быстродействию процессом переключения намаг-
ниченности [26].

На рис. 9.3 представлена обобщенная круговая диаграмма, демонстри-
рующая перекрестные эффекты связывающие между собой в единую систему
различные физические механизмы, действующие в структуре кристалла.

Рис. 9 3. Обобщенная круговая диаграмма, показывающая
перекрестные эффекты, связывающие механическую,
магнитную и электрическую системы в кристалле:

1,2- пьезомагнитный эффект и магнитострикция: 3, 4 - Поезоэлектрический
эффект и электрострикция: 5, 6 - магнитоэлектрические эффекты
(линейный и квадратичный по М); 7 - флексомагнитный эффект'

8 - обратный флексомагнитный эффект: 9, ТО - прямой и обратный
флексоэлектрические эффектс1: 11. 12 - прямой и обратный
флексомагнитоэлектрические эффекты соответственно.

М, Р, и ] - намагниченность, электрическая поляризация и компоненты
тензора деформации соответственно
В максимально близко к тексту цитируемом здесь обзоре [1] основное
внимание уделено именно второй стрейнтронике, а также ее фундаменталь-
ным аспектам, которые вследствие своей общности имеют непосредственное
отношение к обеим ветвям стрейнтроники, например, к разнообразным эффек-
там в объемных и двумерных материалах, вызванным понижением симметрии
под действием изгиба, электрических полей и неоднородных распределений
деформации и температуры. Несомненным достоинством цитируемого обзора
является и тот факт, что здесь особое внимание также уделено смежной обла-
сти наук о материалах, а именно - созданию материалов с заданными свой-
ствами посредством формирования механических напряжений и структурных
искажений (8(гат-еп§теепп§).

Ниже подробно рассмотрены основные понятия стрейнтроники, физиче-
ские явления, вызываемые механическими напряжениями в магнитных мате-
риалах, а также практические вопросы, связанные с конкретными методами
изготовления магнитоэлектрических композиционных материалов, и принци-
пам работы известных стрейнтронных устройств.

9.1.2. Перекрестные эффекты с участием
упругой подсистемы

Деформация - это лишь один из возможных откликов кристалла на ме-
ханическое напряжение, и для стрейнтроники она играет роль «посредника»,
с помощью которого становится возможным оказывать воздействие на другие
физические подсистемы кристалла: электронную, магнитную и диэлектриче-
скую. Взаимодействия между этими подсистемами обусловливают перекрест-
ные эффекты, такие как пьезорезистивный, магнитоупругий, пьезоэлектриче-
ский, электрострикционный, магнитоэлектрический и др. (рис. 9.3).

Рассмотрим более подробно физические механизмы этих эффектов.

Магнитоупругий эффект [эффект Виллари (Е. УШап), 1865 г.] - изме-
нение намагниченности магнетика при его механической деформации - при-
сущ в той или иной степени всем магнитоупорядоченным кристаллам. Он яв-
ляется обратным эффектом по отношению ^.магнитострикции (Д. П. Джоуль,
1842 г.) - деформации магнетика в магнитном поле.

Оба вышеуказанных эффекта представляют собой проявление магнито-
упругого взаимодействия, осуществляющего взаимосвязь спиновой подси-
стемы кристалла с кристаллической решеткой. Это взаимодействие обуслов-
лено зависимостью основных взаимодействий магнитных моментов ионов или
атомов (обменного, диполь-дипольного, магнитного анизотропного) от линей-
ного расстояния между ними. Намагничивание кристалла существенно меняет
характер этого взаимодействия, что в итоге приводит к изменению линейных
расстояний между частицами, и наоборот, изменение расстояния вследствие
механической деформации влияет на силу взаимодействия между магнитными
ионами, приводя к изменению величин средних магнитных моментов (намаг-
ниченности), температуры Кюри, магнитной анизотропии и др.
В линейном по деформации приближении магнитоупругие и стрикцион-
ные явления представлены вкладом в термодинамический потенциал вида

Рм-ам = ЪчЫицпкп1, (9.1)

где Ьуи - компоненты тензора магнитоупругих постоянных;

иу - тензор деформации;

и, - составляющие единичного вектора магнитного параметра порядка.

Аналогом магнитострикции в диэлектрической подсистеме является
электрострикция, в которой в роли параметра порядка п в (9.1) выступает еди-
ничный вектор поляризации.

Поскольку компоненты параметра порядка п входят в выражение для
магнитострикции (9.1) четное число раз, это означает инвариантность компо-
нент тензора магнитоупругих постоянных относительно операции обращения
времени (Т-четность). С одной стороны, данное обстоятельство обусловливает
универсальный характер магнитострикционных явлений в магнитоупорядо-
ченных веществах, поскольку их наличие не накладывает дополнительных
симметрийных ограничений. С другой стороны, Т-четность означает невоз-
можность 180-градусного переключения намагниченности с помощью чисто
механического воздействия, т. е. изменения ее направления на противополож-
ное. Действительно, при этом обе компоненты параметра порядка п, входящие
в формулу (9.1), меняют знак, делая два состояния с противоположными
направлениями п энергетически неразличимыми.

Переключение параметра порядка на противоположное с помощью ме-
ханического воздействия становится возможным при линейной связи между
параметром порядка и деформацией, как это имеет место в случае прямого и
обратного пьезоэлектрических эффектов:

Р, = Лук»л, = ^укЕ,, (9.2)

где - тензор пьезоэлектрических модулей;

Р - электрическая поляризация;

<з,л - тензор механических напряжений;

Е - электрическое поле;

и,а - тензор деформации.

Наличие пьезоэлектрического эффекта означает существенное сужение
класса рассматриваемых веществ. Действительно, поскольку в уравнениях
(9.2) фигурируют полярные векторы Е, Р, которые меняют знак под действием
операции пространственной инверсии, а вызывающая электрическую поляри-
зацию деформация инвариантна относительно этой операции, менять знак
должны и компоненты пьезоэлектрического тензора с1Ук, т. е. речь идет о сре-
дах, в которых отсутствует центр симметрии.

Аналогичный пьезомагнитный эффект и линейная магнитострикция
наблюдаются в антиферромагнетиках и слабых ферромагнетиках [27, 28].
В этом случае в выражение (9.1) в качестве двух компонент параметра порядка
п входят, соответственно, компоненты вектора антиферромагнетизма 1 и
намагниченности т. Хотя формально такой смешанный инвариант иц1кт1
линеен по намагниченности Т, он сохраняет Т-четность, так как в нем присут-
ствует и второй магнитный параметр порядка - I, следовательно, проблема
180-градусного переключения в магнитной электронике остается. Вследствие
Т-четности механической деформации изменение ее знака не влечет за собой
изменение знака намагниченности. Направление последней определяется
направлением другого параметра порядка - вектора антиферромагнетизма.

В большинстве случаев механическая деформация в стрейнтронных ге-
тероструктурах наводится электрически, с помощью слоя пьезоэлектрика, ме-
ханически связанного со слоем магнитного материала. В результате магнитное
состояние вещества изменяется под действием электрического поля, т. е.
можно говорить об эффективном магнитоэлектрическом взаимодействии [5].
Поскольку магнитоэлектрическое взаимодействие в таких композиционных
структурах является, по сути, произведением пьезоэлектрического (9.2) и маг-
нитоупругого (9.1) взаимодействий [29], оно будет линейным по электриче-
скому полю и квадратичным по намагниченности. Последнее означает, что пе-
реключение электрической полярности приведет к повороту намагниченности
на 90°, а не на 180°.

Говоря о перекрестных эффектах, нельзя не упомянуть о группе явле-
ний, которые в своем названии содержат приставку флексо (от лат. фехига -
изгиб).

Флексоэлектрическим называют эффект возникновения электрической
поляризации в веществе при наличии в нем градиента деформации, который,
в частности, возникает при изгибе. Обратный эффект предполагает возникно-
вение механической деформации в неоднородном электрическом поле. Флек-
соэлектрическое взаимодействие описывается вкладом в термодинамический
потенциал вида [30]

Рр1еХоЕ=-[р— -и— 1 (9.3)

2 ( ох ох )

где /- константа флексоэлектрического эффекта;

Р - электрическая поляризация;

и - деформация.

Наличие флексоэлектрического эффекта, в отличие от пьезоэлектриче-
ского, не накладывает симметрийных ограничений на выбор кристалла, так
как сама причина эффекта - градиентная деформация - нарушает простран-
ственную инверсию кристалла. Поэтому флексо-электрический эффект свой-
ствен в той или иной степени всем диэлектрикам. Благодаря обратному флек-
соэлектрическому эффекту появляется возможность создавать в стрейнтрон-
ной гетероструктуре деформацию с помощью неоднородного электрического
поля (например, от зонда сканирующего микроскопа) без использования спе-
циального пьезоэлектрического слоя.
Магнитным аналогом флексоэлектричества является флексомагнетизм
[31-35], связывающий градиентное поле деформаций Ут и неоднородное рас-
пределение намагниченности М. В случае флексомагнетизма неоднородная
деформация порождает изменение в распределении намагниченности, в част-
ности, образование киральных магнитных структур и вихрей (рис. 9.4, а) [34],
а неоднородное распределение намагниченности - механическую деформа-
цию [33]. Магнетизму искривленных поверхностей посвящен специальный
обзор [37].

Рис. 9.4. Пояснение понятий «флексомагнетизм»
и «флексомагнитоэлектричествс»:
а - изгиб пластины; б - изгиб в распределении намагниченности

Рис. 9.4 поясняет понятие «флексомагнитизм» и «флексомагнитоэлек-
тричество». Показано, что изгиб пластины ферромагнетика порождает неод-
нородность в распределении намагниченности, например, в форме вихревого
распределения, киральность которого определяется направлением изгиба
(изображено в нижней части рис. 9.4, а) [34]. Подобно тому, как механический
изгиб порождает электрическую поляризацию, «изгиб» в распределении
намагниченности (при непрерывном продолжении переходящий в спиновую
циклоиду, изображенную в нижней части рис. 9.4, б) электрически поляризует
магнитный диэлектрик [36].

Третью группу флексоэффектов образуют флексо-магнитоэлектриче-
ские [38-40] связывающие магнитные и электрические параметры порядка и их
градиенты (стрелки 11 и 12 на рис. 9.3). Благодаря флексомагнитоэлектриче-
скому взаимодействию пространственная модуляция намагниченности порож-
дает электрическую поляризацию в мультиферроиках [41], а электрическое
поле может воздействовать на доменные границы [42, 43], вихри [36], скирми-
оны и другие магнитные топологические дефекты [44]. Обратный эффект [45]
предполагает изменение магнитного состояния вследствие градиентного рас-
пределения электрической поляризации, создаваемого, например, в сильно не-
однородном поле точечного электрода или зондового микроскопа [46]. Флексо-
магнитоэлектрические эффекты, подобно магнитоэлектрическим, могут реали-
зовываться как посредством механической деформации (в этом случае имеет
место изгиб кристалла), так и без нее, когда твердое тело остается недеформи-
рованным. Во втором случае такой «изгиб» наблюдается в магнитной подси-
стеме в виде спиновых циклоид (рис. 9.4, б). Подобные пространственно-моду-
лированные спиновые структуры являются аналогом молекулярных циклоид,
возникающих под действием электрического поля в нематических жидких кри-
сталлах [47]. Образованные осями молекул нематика структуры, которые также
можно трактовать как «изгиб» в распределении параметра порядка жидкого
кристалла (директора), есть не что иное, как проявление флексоэлектрического
взаимодействия при данном виде упорядочения, описываемого вкладом в сво-
бодную энергию вида[1]

РпеММЕ = уР\_П(ИУП - (лУ)и], (9.4)

где у - константа взаимодействия;

Р - вектор электрической поляризации;

п - единичный вектор параметра порядка, в качестве которого в жидких
кристаллах выступает директор, а в магнитоупорядоченных средах -
намагниченность или вектор антиферромагнетизма [47].

Этот пример еще раз подчеркивает глубокую аналогию между различ-
ными видами физических явлений, имеющих в названии приставку «флексо».

Микроскопическим механизмом магнитоэлектрических и флексомагни-
тоэлектрических эффектов является спин-орбитальное взаимодействие, воз-
никающее при нарушении пространственной инверсии в материале, например,
в результате полярных искажений структуры идеального перовскита в окси-
дах-мультифсрроиках [48]. Это относится как к объемным, так и к двумерным
кристаллам: например, изгиб двойного слоя халькогенида вольфрама ХУТе?
наводит в нем спин-орбитальное взаимодействие, запрещенное симметрией в
недеформированном состоянии [14]. Согласно тем же симметрийным сообра-
жениям, в двумерных слоях халькогенидов возможно спин-орбитальное взаи-
модействие, индуцированное электрическим полем [12].

Еще один пример проявления спин-орбитального взаимодействия в дву-
мерных материалах представляет собой образование спиновых циклоид в мо-
нослоях магнитных металлов [49-51], в последнем случае мы имеем «поверх-
ностную» разновидность флексомагнитоэлектрического эффекта, связанную с
электрическими полями на интерфейсе пленка - подложка и свободной по-
верхности пленки.

Механическую деформацию в магнитных пленках можно создавать раз-
личными способами (рис. 9.5):

• непосредственно с помощью изгиба или использования подложки с
отличающейся постоянной решетки (деформационная инженерия)',

• с помощью электрического поля за счет обратного пьезоэлектриче-
ского эффекта (в магнитоэлектрических композитах), а также флек-
соэлектрического эффекта;
• посредством термоиндуцированных эффектов за счет различаю-
щихся коэффициентов термического расширения магнитной пленки
и подложки или фазовой перестройки кристаллографической струк-
туры подложки при ее нагреве;

• оптическим воздействием за счет фотоиндуцированной стрикции
[10, 52]. Так, для мультиферроика феррита висмута продемонстри-
рована возможность переключения механических напряжений с
гига- и терагерцовой частотой [53].

Рис. 9.5. Возможные схемы управления намагниченностью М:
непосредственным воздействием магнитного поля и посредством
деформаций, а именно, за счет механического напряжения,
пьезоэлектрического эффекта, термоиндуцированных
и фотоиндуцировачных эффектов

Теоретически возможен и комбинированный подход, сочетающий сразу
несколько методов.

Те же приемы деформационной инженерии, электроиндуцированного и
термоиндуцированного воздействия используют в физике двумерных (20) ма-
териалов. Электроиндуцированное воздействие на графен можно осуществлять,
помещая его на пьезоэлектрическую подложку (по симметрийным причинам
пьезоэлектрический эффект в графене запрещен) [54] или легируя литием, в ре-
зультате чего графен приобретает пьезоэлектрические свойства [55]. Так, для из-
мерения влияния деформаций на транспортные свойства графена его помещают
на гибкую подложку из полимера [56]. Механические напряжения в графене по-
лучают также термическим воздействием, используя разницу в коэффициентах
теплового расширения графена (или другого 20-материала) и подложки [57-59].

Вышеприведенные примеры [1] показывают общность изучаемых про-
блем и применяемых подходов в стрейнтроникс графена и двумерных сред, с
одной стороны, и в стрейнтронике мультиферроиков и магнитных материалов,
с другой.
9,1.3. Деформационная инженерия

Конструирование натяжением (8йат еп§теепп§), иди деформационная
инженерия, представляет собой совокупность различных технологий создания
материалов с заданными свойствами с помощью механических напряжений.
Термин «деформационная инженерия» вошел в научный обиход значительное
раньше родственного термина «стрейнтроника» [60]. Англоязычный термин
Ыгат еп»1пее1'1п<1 следует отличать от похожего словосочетания еп§теепп§
8йат, которое обозначает техническую или, как принято называть ее в физике,
относительную деформацию.

Первоначально применявшаяся в полупроводниковой технологии [60-
62] как стратегия управляемого изменения свойств материала деформацион-
ная инженерия позднее была распространена на пленки магнитных [63, 64] и
сегнетоэлектрических [65, 66] материалов, а также на графен [67, 68] и другие
двумерные материалы.

Механические напряжения и деформации, как однородные, так и неод-
нородные, возникают в тонких пленках при их эпитаксиальном росте
(рис. 9.6, а) за счет различия постоянных кристаллической решетки самой
пленки и подложки, которое характеризуется так называемой рентгеновской
деформацией [69]

/\а а а., . .

<; =— =-----, (9.5)

а а0

где а - постоянная решетки материала пленки;

«о - постоянная решетки подложки.

В то время как объемные материалы испытывают механическое разру-
шение уже при величине относительной деформации порядка 0,1 %, в эпитак-
сиальных пленках оксидных материалов реализуются относительные дефор-
мации порядка нескольких процентов [72].

Другим способом создания деформаций в исследуемом материале явля-
ется механическое воздействие на подложку, на которую наносят материал
(рис. 9.6, а, нижнее изображение). Например, можно создать изгиб подложки,
на которую напыляется магнитная пленка [73] или осаждается слой графена
[74, 75], подложку также можно подвергнуть однородным продольным дефор-
мациям [76]. При этом имеет место сильная асимметрия: деформации сжатия
в графене не превышают 0,1 % (большие механические напряжения самопро-
извольно снимаются благодаря появлению складок и морщин на поверхности
графена), в то время как деформации растяжения достигают поистине гигант-
ских величин в несколько десятков процентов. Локальные воздействия можно
осуществлять с использованием методов сканирующей зондовой микроско-
пии: механическим давлением с помощью кантилевера атомно-силового мик-
роскопа (АСМ) или оптомеханическим воздействием зондом ближнепольного
микроскопа [77].
Рис. 9.6 Аеаэормационная инженерия:
а - создание материалов с заданной анизотропией: эпитаксиальный рост пленок на подложках
с различающимися постоянными решетки и нанесение пленки на изогнутую подложку;

б - неоднородное напряжение вблизи границы раздела в гетероструктуре: /т - толщина пленки,
□ -характерная толщина неоднородно напряженной области [70];

в - схематическое изображение неоднородной деформации решетки графена
в месте оасположения нанопузыоька (высота пузырька ~1 нм для наглядности дана
в увеличенном масштабе); в зерхней части рисунка - зависимость сигнала
туннельного микроскопа от напряжения на игле для двух типов участков поверхности:
сплошная кривая - в месте расположения пузырьков графена,
штриховая кривая - на ровной поверхности графена
Электронные, магнитные и сегнетоэлектрические свойства пленок су-
щественно отличаются от свойств объемных материалов. Так, эпитаксиальные
напряжения влияют на величину температуры Кюри тонких пленок сегнето-
электриков [72]. Характерным примером является титанат стронция 8гТЮз:
в ненапряженном состоянии титанат стронция остается параэлектриком при
сколь угодно малых температурах, однако сравнительно небольшая (по мер-
кам стрейнтроники) деформация (~1 %) вызывает его переход в сегнетоэлек-
трическое состояние при комнатных температурах [64], что представляет зна-
чительный интерес для практических приложений. В магнитных материалах
эпитаксиальные напряжения могут также сдвигать точку магнитного упорядо-
чения [78]. Другим следствием механических напряжений в магнитных мате-
риалах является наведенная вследствие магнитоупругого эффекта [см. уравне-
ние (9.1)] магнитная анизотропия, что позволяет вызывать индуцированные
механическим напряжением магнитные фазовые переходы. Поскольку маг-
нитная анизотропия является одним из основных факторов в микромагне-
тизме, отсюда следует также возможность управления магнитной доменной
структурой с помощью механического воздействия. В мультиферроиках зави
симость магнитных и электрических свойств от состояния механической под-
системы материала проявляется особенно сильно [72, 79].

При эпитаксиальном росте пленок возникает проблема создания однород-
ных упругих деформаций при величине рассогласования параметров решетки
порядка 1 %: такие деформации реализуются лишь в достаточно тонких пленках
(псевдоморфных). С возрастанием толщины пленки увеличивается энергия
упругих деформаций и, чтобы ее понизить, происходит релаксация упругих
напряжений вследствие возникновения дислокаций. В результате величина де-
формаций уменьшается, их распределение становится неоднородным, часто де-
формации образуют характерную периодическую структуру (рис. 9.6, б) [70,80].
Очевидно, что все это затрудняет интерпретацию результатов эксперимента.

В случае графена и других двумерных материалов [8] вместе с одной из
размерностей исчезает возможность образования пронизывающих дислокаций
в толще пленки, однако остается проблема латеральных дислокаций, которые
образуются в плоскости пленки. Неоднородные механические напряжения,
возникающие при этом, приводят к эффекту, заслуживающему отдельного
рассмотрения в контексте магнитной стрейнтроники, - появлению эффектив-
ного магнитного поля.

Механические деформации существенно изменяют электронные свой-
ства 20-материалов, а градиент механического напряжения вызывает попереч-
ный дрейф электронов проводимости при протекании в таких материалах
электрического тока [81], что эквивалентно действию магнитного поля, свя-
занного с компонентами тензора деформаций следующим образом:

Н = гоТА

А = ₽ [ Чхх - иуу (9-6)

а I -2«п, I
где а = 0,14 нм - постоянная решетки;

Р ~ 2 - параметр, связанный с прыжковой проводимостью через ближай-
ших соседей (пеагеЫ пе1§ЬЬог Коррпщ);
иу - компоненты тензора деформаций.

Непосредственным подтверждением наличия эффективных магнитных
полей стали результаты исследования с помощью сканирующего зондового
микроскопа нанопузырьков графена (рис. 9.6, в), образующихся при его осты-
вании на подложке из платины. В местах нахождения пузырьков графен испы-
тывает относительные деформации порядка 10% [71]. Измерение локальной
электронной структуры графена методом сканирующей туннельной спектро-
скопии показывает наличие хорошо различимых пиков в локальной плотности
состояний при определенных значениях энергии, расположенных эквиди-
стантно на расстоянии порядка нескольких сотен миллиэлектронвольт, что со-
ответствует уровням Ландау в эффективном поле до 300 Тл (см. график на
рис. 9.6, в) [71]. Эффективное магнитное поле локально изменяет транспортные
свойства материала, превращая деформированные участки графена в своего
рода квантовые точки, а складки на нем - в одномерные квантовые нити [82].

9.1.4. Композиционные материалы магнитной стоейнтрсники

Особый интерес для стрейнтроники представляют композиционные ма-
териалы, включающие в себя различные фазы, свойства которых изменяются
при деформации. Взаимодействие этих фаз между собой приводит к возник-
новению совершенно новых, комбинированных, свойств. В качестве распро-
страненного примера можно привести искусственные композитные матери-
алы, содержащие две фазы: магнитную (из ферро- или ферримагнитных мате-
риалов) и сегнетоэлектрическую. В магнитных материалах имеет место маг-
нитострикционная деформация под действием внешнего магнитного поля,
а сегнетоэлектрические материалы, как правило, обладают пьезоэффектом.
Взаимодействие компонентов композита через деформацию на границах их
раздела приводит к возникновению магнитоэлектрического (МЭ) эффекта как
комбинации магнитострикции и пьезоэффекта, т. е. к связи магнитных и элек-
трических параметров в материале [29].

При прямом МЭ-эффекте приложенное к материалу магнитное поле Н
благодаря магнитострикции создает в ферромагнитной фазе деформацию, ко-
торая передается сегнетоэлектрической фазе и приводит к возникновению
вследствие пьезоэффекта электрической поляризации Р и электрического
поля А’. Прямой МЭ-эффект характеризуют коэффициентом преобразования
ад = 8Р / 8Н. При обратном МЭ-эффекте приложенное электрическое поле Е
благодаря обратному пьезоэффекту создает деформацию в сегнетоэлектриче-
ской фазе, эта деформация передается магнитной фазе, в которой вследствие
обратной магнитострикции (эффект Виллари) [см. формулу (9.1)] изменяются
намагниченность М или поле магнитной анизотропии На. Обратный МЭ-эф-
фект характеризуют коэффициентом преобразования ас = 8М / 8Е.
₽ис. 9.7. Композитные структуры с деформациями различных типов:
а - 0-0, б - 0-3; в - 1-3; г - 2-2; желтым цветом выделена матрица;
бежевым отмечен пьезоэлектрик; синим - ферромагнетик

Величина преобразования магнитных и электрических параметров в
композитах определяется размерностью деформаций композитного материала
и коэффициентом передачи деформации через границу раздела фаз. На рис. 9.7
схематически изображены основные виды двухфазных композитных материа-
лов с деформациями типа 0-0, 0-3, 1-3 и 2-2 [83]. Пары цифр обозначают
число пространственных координат, вдоль которых передается деформация в
каждой из фаз, причем первая цифра относится к магнитной фазе, а вторая - к
сегнетоэлектрической. Композит с деформациями типа 0-0 представляет со-
бой магнитные и сегнетоэлектрические частицы, внедренные в нейтральную
матрицу. Композит с деформациями типа 0-3 содержит отдельные магнитные
частицы, расположенные в сегнетоэлектрической матрице, а композит с де-
формациями типа 1-3 представляет собой стержни из магнитного материала,
находящиеся в сегнетоэлектрической матрице. При этом частицы и стержни в
композитах 0-0,0-3 и 1-3 могут быть распределены в матрице как хаотически,
так и в определенном порядке. Композит с деформациями типа 2-2 выглядит
как планарная структура из двух или более чередующихся магнитных и сегне-
тоэлектрических слоев. Очевидно, что МЭ-свойства композитов можно изме-
нять в широких пределах, подбирая материалы фаз, соотношение их объемов
и варьируя размеры образцов.

Среди перечисленных композитов наибольший интерес с точки зрения
стрейнтроники представляют слоистые структуры с двумерными деформаци-
ями типа 2-2, которые относительно просто изготовить в виде прямоугольни-
ков, квадратов, дисков или колец разных размеров. В таких структурах маг-
нитные слои с высокой проводимостью и пьезоэлектрические слои разделены,
и они сохраняют свои физические свойства, что позволяет эффективно поля-
ризовать пьезоэлектрические слои.
Магнитострикционные слои
Пьезоэлектрический слой

Рис. 9.8. Направления намагничивания М и поляризации Р
в двухслойных структурах, Н - внешнее постоянное магнитное поле

На рисунке 9.8 показаны возможные направления намагничивания маг-
нитострикционного слоя и поляризации пьезоэлектрического слоя структуры.
При касательном намагничивании структуры внешним полем Н (рис. 9.8, а, в)
эффекты размагничивания малы, деформация магнитного слоя насыщается в
слабых полях, а при нормальном намагничивании - в существенно больших.
Сегнетоэлектрический слой структуры легко поляризовать по толщине
(рис. 9.8, в, г), прикладывая к электродам малое электрическое напряжение,
тогда как для поляризации сегнетоэлектрического слоя в плоскости структуры
требуются значительно большие напряжения.

Подробное описание материалов, которые в настоящее время использу-
ются для изготовления композитных структур стрейнтроники, методов изго-
товления структур со слоями различной толщины, характеристик прямого и
обратного МЭ-эффектов в таких структурах, а также возможностей их приме-
нения для создания различных устройств магнитной памяти, сенсорной и
сверхвысокочастотной СВЧ-техники дано в разделе 9.3.

9.1.5. Принцип действия магнитных стрейнтронных устройств

Возможно не только создавать материалы с линейным по электриче-
скому полю магнитоэлектрическим взаимодействием, но и осуществлять пе-
реключение намагниченности в магнитном слое, прикладывая электрическое
напряжение к пьезоэлектрическому слою. Эта возможность представляет ин-
терес прежде всего для индустрии магнитной памяти, поскольку задача пере-
ключения намагниченности является одной из составляющих трилеммы маг-
нитной записи (Ма&пеИс Кесогс1т§ ТгИетта). Задачи считывания, записи и
хранения, образующие трилемму, предъявляют противоположные требования
к магнитной среде - носителю информации [84]. Действительно, успешное ре-
шение задачи длительного хранения информации предполагает устойчивость
намагниченности к внешним воздействиям, которая достигается посредством
увеличения магнитной анизотропии среды, что усложняет задачу записи ин-
формации, приводя к возрастанию плотности управляющих токов.

Рис. 9.9. Пояснение идеи перемагничивания при участии
механической деформации (51та1П-А551з+ес1 Кесогсйпд).

Здесь элемент памяти из магнитного материала механически связан
со слоем пьезоэлектрика. Эксцентриситет эллипса отражает величину
магнитной анизотропии, обоюдоострая стрелка - направление легкой
оси намагничивания, полые стрелки показывают механические
напряжения в слоях [85]. Вращающий момент, вызывающий поворот
намагниченности, обусловлен дополнительным воздействием либо
магнитного поля, либо спин-поляризованного тока

Электрическое поле, вызывая деформацию пьезоэлектрической под-
ложки, может вследствие эффекта Виллари ослаблять магнитную анизотро-
пию в слое записи и облегчать его переход в состояние с противоположной
ориентацией намагниченности (рис. 9.9) [85]. Такой подход к магнитной за-
писи получил название «запись с помощью деформации» (5Йга!п-А5Фыес1
КесогсНпф [86-88] по аналогии с «записью с помощью нагрева» (Неа(-А8818(е<1
Ма^пеНс Кесог<1т§) - технологией, использующей нагрев материала до тем-
ператур, близких к точке Кюри, с целью уменьшения его магнитной анизотро-
пии и облегчения процесса перемагничивания.

Само название вышеупомянутого метода магнитной записи предпола-
гает вспомогательную роль механических деформаций. Действительно, по со-
ображениям симметрии ни деформации, ни электрическое поле сами по себе
не могут привести к повороту намагниченности на 180°. Собственно разворот
намагниченности осуществляется с помощью импульсов магнитного поля [88]
или спин-поляризованного тока [86], снимающих симметрийное вырождение
по знаку проекции намагниченности на ось анизотропии (см. рис. 9.9).

Однако даже наличие таких фундаментальных ограничений не означает,
что стрейнтронике навсегда уготована роль «младшей сестры» спинтроники.

Во-первых, известно уже несколько способов обхода симметрийного за-
прета на электроиндуцированный 180-градусный разворот намагниченности.
Эти методы позволяют создавать элементы магнитной памяти, логические
устройства и системы обработки изображений, а также открывают новые пер-
спективы развития актуального направления нейроморфной электроники.

Во-вторых, для функционирования целого ряда устройств вовсе не тре-
буется полного разворота намагниченности: два логических состояния могут
задаваться взаимно перпендикулярными ориентациями.

В-третьих, локальное изменение магнитной анизотропии с помошью то-
чечных электродов приводит к трансформации микромагнитной структуры
материала, что не только представляет фундаментальный интерес, но и явля-
ется практически важным для развития трековой памяти (Касе Тгаск Мстогу)
[89( с электрически управляемыми магнитными доменными границами [901
и скирмионами [91].

9.2. Физические эффекты в магнитных микро-
и наночастицах и структурах, индуцированные
механическими напряжениями

9.2.1, Переключение намагниченности I. нан-лчастицах

Один из наиболее перспективных способов сверхплотной магнитной за-
писи информации основан на перемагничивании однодоменных частиц. Ста-
бильность записанного состояния обеспечивается магнитной анизотропией,
которую создают искусственно, придавая однодоменным частицам форму эл-
липтических дисков. Поэтому в магнитной записи оптимальной является кон-
фигурация, при которой двум логическим состояниям соответствуют противо-
положные направления намагниченности вдоль длинной оси частицы, а про-
цесс перезаписи информации представляет собой поворот намагниченности на
угол 180°. Обычно такой поворот осуществляют с помощью внешнего магнит-
ного поля записывающей головки [92]. Реализация аналогичного переключе-
ния намагниченности с помощью электрического поля посредством механи-
ческой деформации представляет собой непростую проблему как с фундамен-
тальной, так и с технической точек зрения. Эта физическая задача требует бо-
лее детального рассмотрения, поскольку ее решение позволит добиться мини-
мальных энергетических затрат и высокой надежности при записи и хранении
информации.

В полупроводниковой микроэлектронике энергия, рассеиваемая при за-
писи одного бита информации, составляет порядка ~ Жв71п( 1 /р), где число
электронов (носителей информации), перемещаемых в устройство или из него,
кв - постоянная Больцмана, Т - температура, р - вероятность ошибки в двоич-
ном разряде, связанная с неправильным переключением устройства из-за теп-
лового шума [93]. Если 0 и 1 закодированы в двух устойчивых ориентациях
намагниченности вдоль легкой оси анизотропной однодоменной наночастицы,
то энергия, рассеиваемая в течение времени переключения между этими ори-
ентациями для переворачивания бита, ~ ЛвЛп (1/р) [93, 94]. Это связано с тем,
что «носители информации» в однодоменных магнитных наночастицах явля-
ются электронными спинами (в отличие от электронных зарядов в транзисто-
рах), взаимное обменное взаимодействие которых обеспечивает их коллектив-
ное поведение при перемагничивании. Вместе они ведут себя как атом с ги-
гантским классическим магнитным моментом (макроспином), который слу-
жит в качестве элементарного носителя информации [93-95]. Следовательно,
магнитная наночастица рассеивает энергию только порядка величины /сЛл
(1/р). При той же вероятности ошибки записи бита р отношение минимальной
энергии, рассеиваемой для переключения наночастицы, к энергии, рассеивае-
мой при переключении нанотранзистора, будет ~1/Ы (т. е. значительно меньше
единицы, поскольку велико). Это делает магнитную наночастицу значи-
тельно более эффективным переключателем с точки зрения энергосбереже-
ния, чем транзистор. Кроме того, однодоменная наночастица намного более
устойчива к шуму при комнатной температуре, чем устройство на одиночном
спине [94]. Поэтому вычисления, основанные на применении однодоменной
анизотропной наночастицы с двумя стабильными ориентациями намагничен-
ности, имеют двойное преимущество: чрезвычайно малая рассеиваемая энер-
гия для переключения и устойчивость к тепловым шумам при комнатной тем-
пературе.

В работах [94, 96-99] в качестве таких наночастиц предлагается исполь-
зовать субмикронные ферромагнитные диски эллиптической формы толщи-
ной в несколько десятков нанометров, которые при комнатной температуре
обладают однородной намагниченностью, ориентированной вдоль длинной
оси эллипса. Если такую частицу поместить на пьезоэлектрическую подложку,
то под действием электрического потенциала V, приложенного к пьезопод-
ложке, можно индуцировать в частице механические напряжения (с) и изме-
нять ориентацию намагниченности в ней за счет магнитоупругого эффекта
[100]. Например, при растяжении эллипсовидной наночастицы кобальта с от-
рицательным коэффициентом магнитострикции ее намагниченность повора-
чивается на 90° [24]. Такое состояние частицы сохраняется только при нали-
чии индуцированного механического напряжения, и после его снятия (при от-
ключении потенциала V) суммарный вектор намагниченности М с равной ве-
роятностью либо вернется в прежнее положение, либо повернется на 180° от-
носительно исходного направления. Это обусловлено симметрией кривой по-
тенциальной энергии частицы в зависимости от ориентации ее намагниченно-
сти (рис. 9.10). Однако в реальных системах симметрия может нарушаться:
так, в экспериментальной работе [24] только у двух из девяти частиц Со,
наблюдаемых магнитно-силовым микроскопом (МСМ), после снятия напря-
жения намагниченность повернулась на 180°.

Проблеме управления намагниченностью частиц с помощью индуциро-
ванных в них механических напряжений посвящено большое число теорети-
ческих исследований [4, 6, 93, 94, 99, 101-120]. Эти исследования опираются
на модель Стонера и Вольфарта [95], которая предполагает, что магнитную
динамику в небольшой однодоменной частице при внешнем воздействии
можно описать движением суммарного магнитного момента (макроспина М)
при когерентном вращении магнитных моментов отдельных атомов частицы.
Согласно этой модели, основными величинами, которые определяют потенци-
альную энергию однодоменной частицы XV, являются энергии, обусловленные
анизотропией формы (ХХ'ццрс), магнито упругой анизотропией (ХУ5(га1п) и диполь-
дипольным взаимодействием (ХУдф) (последняя учитывается, когда частицы
расположены близко друг к другу). В некоторых случаях необходимо учиты-
вать также зеемановскую и магнитокристаллическую энергии [94]. Энергия
магнитоупругой анизотропии зависит, кроме объема частицы П. от магнито-
стрикции насыщения X, и ориентации компонент тензора индуцированных
напряжений с относительно осей частицы:

/ а \

(?) = -I1ктг0(г)8т2<р(г), (9.7)

где 0, <р - углы, показывающие ориентацию.

Рис. 9.1 Э. Зависимость потенциальной энергии однодоменной частицы
от ориентации ее намагниченности. Схематически показан поворот
вектора намагниченности частицы при деформации растяжения,
индуцированного со стороны пьезоэлектрической подложки

Динамика временной эволюции вектора намагниченности М однодо-
менной ферромагнитной частицы под действием механических напряжений
описывается уравнением Ландау - Лифшица - Гильберта (ЛЛГ) [94, 101, 121]

ЛМ I тт \ а Г

---= -у\М х Н,м +-1 М х- ,

(9.8)

где у - гиромагнитное отношение;

а - параметр диссипации (релаксации) Гильберта.
Эффективное магнитное поле, действующее на намагниченность, опре-
деляется выражением

Нед (О = “ + + Не1кегта1 (?)’ С^)

И7 (0 = ^каре (?) + ^1гтп (?) + ^лР (?), (9-10)

где □ - объем частицы;

М, - намагниченность насыщения;

цо - магнитная проницаемость вакуума;

Нх - внешнее магнитное поле;

На^пна! - индуцированное тепловыми колебаниями магнитных атомов ре-
шетки магнитное поле, которое описывается гауссовым распределением
[122].

При оценке вклада тепловых колебаний в процессы перемагничивания за-
дается начальное гауссово распределение ориентации векторов намагниченно-
сти с разным весом, соответствующее заданной температуре, и для каждой ис-
ходной ориентации М решается уравнение (9.8) [94, 122]. Число решаемых
уравнений может достигать 106. Это обеспечивает статистику переключения
при наличии случайных тепловых возмущений. В результате получают набор
траекторий М (х, у, х, (), которые позволяют оценить вклад теплового шума в
процесс перемагничивания [104]. Микромагнитное моделирование показывает,
что учет разброса в исходной реальной ориентации магнитных моментов ато-
мов в частицах при температуре 300 К в зависимости от их формы и размеров
особенно важен при выборе длительности и скважности импульсов V, обеспе-
чивающих многократное переключение намагниченности в частицах [123].

Решение уравнения (9.8) демонстрирует, что под действием механиче-
ских напряжений вектор намагниченности прецессирует, занимая новое поло-
жение в пространстве [94, 98, 102, 103, 106]. Рис. 9 11 поясняет этот процесс.

Из рисунка 9.11 видно, что возможны два вида прецессии. В обычном
случае (рис. 9.11, а) механическое напряжение приводит к повороту М на 90°.
После снятия напряжения намагниченность занимает с равной вероятностью
положение с азимутальным углом в = 0 или в = 180°. Однако, как показали
модельные расчеты с использованием уравнения ЛЛГ (8), можно реализовать
такой сценарий, в котором с вероятностью 99,99 % произойдет поворот
намагниченности на 180° (рис. 9.11,6) [6, 101-103, 124-126]. Последнее обу-
словлено тем, что при прецессии вектор намагниченности выходит из плос-
кости ху. Если в момент, в который проекция вектора намагниченности на
плоскость ху ориентирована в направлении у, отключить напряжение, то за
счет внеплоскостной составляющей вектора намагниченности вращающий
момент М х Негг заставит намагниченность продолжить перемещаться в
направлении х, совершить поворот на 180° и занять стабильное положение
(рис. 9.11, б). В отсутствие теплового шума моделирование для частиц (№,
Со или терфенола-Д) размером порядка 100 нм показало, что намагничен-
ность может переключаться за 1-10 нс напряжением 20 мВ, приложенным к
нижележащему пьезоэлектрическому слою, что позволит записывать бинар-
ную информацию с частотой 1 ГГц при затрате для записи одного бита энер-
гии всего в ~1 аДж [6, 94]. При комнатной температуре тепловые шумы при-
водят к разбросу времени переключения порядка 0,1 нс, а энергия рассеяния
при этом не превышает ~1,5 аДж при вероятности переключения, стремя-
щейся к 100% [104]. Похожие модельные расчеты, обосновывающие воз-
можность 180-градусного переключения в результате снятия напряжения в
нужный момент, проведены также в работе [102] для эллиптических наноча-
стиц СодоРедоВэо- Данный принцип динамического 180-градусного переклю-
чения с помощью только электрического напряжения, без использования до-
полнительных магнитных полей, не ограничивается случаем планарной гео-
метрии: численным моделированием доказана возможность 180-градусного
переключения и для состояний с ориентацией, перпендикулярной плоскости
пленки [125, 126].

Рис. 9 11. Изменение вектора намагниченности М во времени
и его прецессия в пространстве после включения и выключения напряжения V:
а - при равновероятном возвращении из метастабильного состояния
в прежнюю и противоположную ориентации;

б - при отключении напряжения в момент, когда М находится
вне плоскости ху, а азимутальный угол равен 90°

Еще один вариант 180-градусного переключения - использование по-
парного последовательного включения четырех электродов, размещенных на
поверхности пьезоподложки вокруг частицы (рис. 9.12, а) [ПО, 127]. Расчеты
показывают, что при этом возможен поворот намагниченности М на 180° в
отсутствие дополнительного внешнего магнитного поля. При создании в ча-
стице механического напряжения с помощью пары АА’ намагниченности
энергетически выгоднее занять положение М' (9 = 60° ± 4°) (рис. 9.12, б). Затем
при отключении пары АА' и одновременном приложении электрического по-
тенциала к электродам ВВ' намагниченность занимает положение М" (0 = 20°
± 4°). Отключение пары ВВ' приводит к тому, что намагниченность «скатыва-
ется» в положение М] (рис. 9.12, б). Динамику процесса переключения намаг-
ниченности с учетом прецессии и тепловых шумов иллюстрирует рис. 9.12, в
Разброс значений угла в на кривых, отражающих траекторию движения М со
временем, обусловлен учетом вклада тепловых шумов. Семейство кривых по-
лучено при компьютерном решении до 10б уравнений ЛЛГ, для каждого из ко-
торых начальные значения М заданы с разбросом, учитывающим тепловые ко-
лебания при комнатной температуре [ 110]. Все траектории отличаются друг от
друга из-за случайных тепловых шумов, включенных в симуляцию, использу-
емую для генерации этих траекторий (рис. 9.12, в).

Расчетное время переключения в этом случае составило около 5 нс. За-
траты энергии, необходимые для записи одного бита, обусловлены внутренней
диссипацией при перемещении М (затухание Гильберта) [94] и внешней энер-
гией, необходимой для создания механических напряжений в частице посред-
ством растяжения или сжатия пьезоэлектрической подложки при приложении
к нанесенным на нее электродам электрического потенциала V. С учетом ем-
кости С и размеров такого «сэндвича» необходимая энергия выражается как
СУ2. Для рассматриваемого случая энергетические затраты для записи одного
бита в сумме составляют 25 аДж, что как минимум на два порядка меньше,
чем в элементах спиновой электроники, например, при переключении на маг-
ниченное™ за счет эффекта переноса спинового момента [128].

Разработаны также теоретические схемы поворота намагниченности на
180° для наночастицы в виде цветка с четырьмя лепестками [111] или в виде
квадрата [112] (рис. 9.13). Указанные частицы, в отличие от эллиптической ча-
стицы, имеют две взаимно перпендикулярные оси легкого намагничивания и
четыре стабильных положения М. Благодаря этому поэтапное растяжение и
сжатие таких частиц позволяют развернуть их намагниченность в противопо-
ложную сторону в два приема, с поворотом на 90° в каждом.

Таким образом, можно выделить несколько способов обхода симмет-
рийного запрета на 180-градусное переключение намагниченности с помощью
электрического поля: использование динамического переключения [102, 125,
126], при котором намагниченность при прецессионном движении проходит
90-градусный минимум энергии, наведенный механическим напряжением, и
«сваливается» после снятия напряжения во второй 180-градусный минимум
ненапряженного состояния (см. рис. 9.11):

• использование переключения в поле нескольких пар электродов, по-
следовательно переводящих намагниченность через несколько про-
межуточных состояний [110] (см. рис. 9.12), при этом намагничен-
ность успевает релаксировать в каждом из данных состояний;

• использование частиц с тетрагональной симметрией [111, 112] (см.
рис. 9.13). В таких частицах 180-градусное переключение осуществ-
ляется в два этапа, каждый из которых соответствует 90-градусному
переключению, последовательным применением сжимающих и рас-
тягивающих деформаций.

-20 0 20 40 60 ЯО 100 120 140 160 180 200

Рис. 9.12. Поворот намагниченности на 180° без дополнительного внешнего
магнитного поля при последователоном попарном включении четырех электродов:
а - схема подключения электродов и возможные ориентации намагниченности;

б - потенциальною кривые для эллиптической частицы при поиложении
потенциала к различным парам электродов и соответствующие им
ориентации намагниченности; в-семейство кривых, отражающих
кинетику изменения ориентации намагниченности с учетом разброса
значений М вследствие тепловых шумов (приведен адаптированный рисунок
из статьи [110] с любезного разрешения авторов)
Заметим, что 180-градусное переключение имеет важное практическое
значение для эффективной работы устройств, в которых информация считы-
вается с помощью эффектов магнетосопротивления. Однако в случае
устройств, построенных на других принципах, например магнитоэлектриче-
ской ячейки [129], в которой и запись, и считывание основаны на МЭ-эффек-
тах, 180-градусное переключение уже не имеет такого значения, и роль логи-
ческих нуля и единицы могут играть два любых состояния с разнонаправлен-
ной намагниченностью.

Рис. 9.13. Частицы с четырьмя стабильными состояниями,
в которых 180-градусное переключение номагниченности верхнего
магнитного слоя осуществляется в два этапа (011). РМЫ - РТ - подложка
из твердого раствора ниобата свинца - магния в титанате свинца
с кристаллографической ориентацией (011)

Такие способы создания в однодоменных частицах двух стабильных со-
стояний с углами между намагниченностями, отличными от развернутого, рас-
смотрены в работах [105-107, 130]. Энергозатраты и время для записи одного
бита в них больше, чем в описанных выше методах, однако предоставляется
больше возможностей для их экспериментальной реализации. Одна из таких
возможностей состоит в помещении частицы в постоянное дополнительное
внешнее магнитное поле Н, направленное вдоль короткой оси эллипсовидной
частицы (рис. 9.14). В этом случае вектор М может быть ориентирован в одном
из двух стабильных направлений, соответствующих минимумам потенциаль-
ной энергии, отмеченным как «0» и «1», на зависимости энергии Е от ориен-
тации намагниченности 0 (рис. 9.14, б). Состояния «0» и «1» разделены доста-
точно высоким потенциальным барьером, и их можно использовать для энер-
гонезависимого хранения двоичной информации. Для записи одного бита
необходимо индуцировать механические сжатие или растяжение частицы
вдоль одного из направлений. Например, разместив на пьезоподложке по элек
троду с каждой стороны частицы вдоль оси АА', можно, в зависимости от
знака подключаемого к электродам электрического потенциала, сжимать или
растягивать частицу вдоль этой оси. При сжатии вдоль АА' у потенциала ча-
стицы будет только один минимум (рис. 9.14, а), соответствующий направле-
нию В', а ориентация М останется в положении «1» после снятия деформации
сжатия (переход от рис. 9 14, а к рис. 9.14, б). При растяжении вдоль АЛ'
намагниченность вследствие трансформации потенциальной кривой будет
направлена вдоль А, и стабильным станет положение намагниченности «О»,
в котором М зафиксируется после отключения потенциала сжатия (переход от
рис. 9.14, в к рис. 9.14, б). Таким образом, можно только посредством дефор-
мации стирать или записывать отдельные биты. Недостатками данного метода
являются необходимость в создании внешнего магнитного поля порядка не-
скольких десятых тесла и сравнительно небольшой угол (90°) между двумя
стабильными положениями М [105].

Рис. 9.14. Переключение ориентации наллагниченности в частице
с положительной ллагнитострикцией при коллбинированнолл воздействии
внешнего ллагнитного поля и напряжений сжатия и растяжения:
а - положение М в сжатой частице при наличии ллагнитного поля Н;

б - дво возлложных стабильных положения векторов М
после отключения ллеханических напряжений:
в - положение М в растянутой частице при наличии ллагнитного поля Н;
в нижней части рисунка - вид соответствующих угловых зависимостей
потенциальной энергии частиц

Для управления намагниченностью можно использовать две пары элек-
тродов, а именно - расположить попарно четыре электрода вокруг частицы на
осях АА' и ВВ'. Подключение потенциала к одной или другой паре электродов
ориентирует М в нужном направлении, обеспечивая при этом выигрыш в энер-
гии для записи информации [106].

Модельные расчеты показали, что с уменьшением величины внешнего
поля Н* направленного вдоль короткой оси наночастицы, увеличивается угол
между двумя стабильными ориентациями намагниченности М. Возможен
даже поворот М на 170°, если изолированные от магнитной частицы два элек-
трода, к которым поочередно подключается электрический потенциал, разме-
стить непосредственно под ее краями, для того чтобы локализовать индуциро-
ванные в частице напряжения [109]. Для записи одного бита таким способом
необходима энергия всего лишь ~4 аДж, что на пять порядков ниже, чем при
использовании спин-поляризованного тока (метод $рш-Тгап81ег Тощие - 8ТТ)
[108, 128].

Рассмотренные выше способы переключения намагниченности приве-
дены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Энергия и время для переключения намагниченности
при различных схемах индуцирования механических напряжений
в анизотропных частицах

№ Схема расположения электродов на пьезоподложке вокруг эллиптической наночастицы Материал и латеральные размеры частицы, нм Внешнее дополнительное поле Н», мТл Угол между двумя стационарными состояниями намагниченности М, град Энергия для поворота намагниченности, аДж Время для поворота намагниченности, нс Литература
1 Два электрода на одной линии ТЬРег 45x25 190 90 30 ~ 1 [101, 102]
2 Четыре электрода в углах квадрата № 150x120 113 90 8х104 4,5 [ЮЗ]
3 Два электрода на одной линии ТегГепоРВ 110x90 8,5 89 4,7 1,5 [Ю4]
4 Четыре электрода в углах прямоугольника ТегГепоРВ 110x90 8,5 132 3,5 1,5 [Ю4]
5 Два электрода под частицей ГЛ 130x117 0,6 170 200 10 [Ю5]
6 Четыре электрода в углах прямоугольника ТегГепоРВ 110x90 0 180 25 5,4 [Юб, 123]

В последнее время в стрейнтронике развивается направление, связанное
с использованием поверхностных акустических волн (ЛАВ) [114-116, 131].
Как экспериментально продемонстрировано в [131], возбуждая ПАВ с помо-
щью структуры встречно-штыревых электродов на поверхности ниобата ли-
тия, можно управлять намагниченностью относительно больших (субмикрон-
ных) эллиптических частиц Со. В частности, из состояния с однородной
намагниченностью эти частицы переходят в стабильное состояние с вихревой
структурой. С помощью комбинированного воздействия спин-поляризован-
ного тока и механических напряжений, обусловленных ПАВ, можно реализо-
вать в магнитных частицах и полный поворот намагниченности на 180°, как
теоретически показано в [114-116]. Во время первого полупериода ПАВ
напряжение, создаваемое на магнитной частице, является сжимающим, а во
время второго - растягивающим. Намагниченность поворачивается по направ-
лению к жесткой (короткой) оси в течение одного из этих полупериодов, а в
другой половине этого полупериода (после того как намагниченность уже су-
щественно повернулась из-за напряжения) происходит окончательный пово-
рот М на 180° по отношению к исходному направлению за счет передачи спи-
нового момента от спин-поляризованных электронов атомам решетки. Одно
из достоинств комбинированного метода состоит в том, что для наведения в
частицах механических напряжений не требуется создавать около каждой из
них систему из электродов, подобную изображенной на рис. 9.12, а, так как на
180° поворачивается намагниченность только тех частиц, через которые течет
спин-поляризованный ток.

9.2.2. Изменения микромагнитной структуры
под действием механических напряжений

Помимо проблемы переключения намагниченности в однодоменных ча-
стицах, значительное число исследований посвящено изучению перестройки
микромагнитной структуры под действием механических напряжений в мно-
годоменных пленках и микрочастицах. Механические напряжения можно ин-
дуцировать непосредственно в магнитной пленке или частицах, создавая в них
механические деформации, например, с помощью изгиба подложки. При этом
возможна комбинация сразу двух способов создания механических напряже-
ний, например, посредством напыления магнитной пленки на предварительно
изогнутую пьезоэлектрическую подложку [132].

Изучение влияния механических напряжений на магнитные свойства
пленок имеют достаточно давнюю историю, см., например, монографию
[133]. В настоящее время исследования магнитоупругих свойств пленок про-
водятся с использованием современных методов магнитно-силовой микро-
скопии, ферромагнитного резонанса (ФМР), магнито-оптического эффекта
Керра (МОЭК), рентгеновской фотоэмиссии, сквид-магнитометрии и вибра-
ционной магнитометрии. Взаимосвязь магнитоупругой энергии с тензорами
механических деформаций и напряжений [(см. формулу (9.7)] позволяет про-
водить модельные расчеты тензоров для конкретных подложек и на их основе
сравнивать модельные и экспериментальные значения индуцированного
поля магнитоупругой анизотропии - одного из основных параметров, харак-
теризующих магнитоупругий эффект [134].

Простейший способ создавать напряжения в пленках или частицах - из-
гибать подложку, на которой они сформированы. В первом методе, который
состоит в изгибе закрепленной зажимами подложки наружу, частицы будут
испытывать деформацию растяжения (рис. 9.15, а), а при изгибе внутрь - де-
формацию сжатия. Магнитоупругие эффекты в таких структурах можно изу-
чать, например, с помощью МСМ. Наличие зажимов ограничивает возможно-
сти экспериментального исследования таких объектов. Поэтому часто исполь-
зуют второй метод - формируют пленки или частицы на предварительно изо-
гнутых подложках. После извлечения подложки из держателей и ее распрям-
ления частицы будут испытывать механическую деформацию. Если при фор-
мировании частиц подложка была выгнута (рис. 9.15, б), то после ее распрям-
ления частицы будут сжаты, а если вогнута, то растянуты.

Рис. 9.15. Схемы получения образцов с напряженными механической
деформацией частицами или пленками для регистрации методом МСМ:
а - изгиб подложки с уже сформированными на ней частицами;

б - формирование частиц на заранее изогнутой подложке
с последующим ее распрямлением; 1 - частицы 2 - подложка;

3 - зажимы; 4 - микропроволока' 5 - кантилевер МСМ

Преимущество первого метода состоит в том, что, используя специаль-
ные держатели, можно плавно изменять степень изгиба подложки и т .ч/г/ кон-
тролировать формирование магнитоупругой анизотропии под действием раз-
личных напряжений. Второй вариант приготовления упруго деформирован-
ных ферромагнитных объектов позволяет использовать более широкий набор
экспериментальных методов, так как в этом случае сняты ограничения на раз-
меры измеряемых образцов

Вторым методом исследовалась, например, трансформация петель ги-
стерезиса пленок Ре81Оа19 толщиной 50 150 нм при изгибе полимерной под-
ложки из полиэтилентерефталата (ПЭТ) [135, 136]. Вследствие индуцирован-
ного магнитоупругого эффекта в пленке существенно изменялось отношение
остаточной намагниченности к намагниченности насыщения Мг/М5 [135].
Напряженные пленки Рем Оа19 демонстрировали значительную одноосную
магнитную анизотропию из-за внутренних напряжений, возникающих после
распрямления ПЭТ-подложки. Ось легкого намагничивания в них формирова-
лась вдоль направления растягивающего напряжения, и коэрцитивное поле
вдоль легкой оси увеличивалось с возрастанием напряжения [136]. Отношение
Мг / М8 изменялось с периодичностью 180° при вращении образца в плоскости
относительно вектора внешнего магнитного поля, что подтверждало наличие
индуцированной напряжением одноосной магнитной анизотропии. Аналогич-
ные результаты получены на пленках Со толщиной 18 нм, приготовленных
методом электронно-лучевого осаждения на предварительно изогнутые под-
ложки 81 (111) [137].

Наибольшие изменения коэрцитивной силы и Мг / М8 получены при де-
формации поликристаллической нанопленки никеля толщиной 35 нм, напы-
ленной на тонкую пластину кристалла ниобата лития (ХлХЬОЗ). Благодаря из-
гибу кристалла с пленкой коэрцитивная сила пленки возрастала в четыре раза,
до 80 Э, а отношение остаточной намагниченности к намагниченности насы-
щения увеличивалось на порядок, до Мг / VI, = 1 [138]. Такие же большие из-
менения отношения М,- / М8 наблюдались при изгибе подложки из полиимида
с нанесенной на нее пленкой СодоРе^Вго толщиной 20 нм [139].

При формировании напряжений в магнитных пленках посредством из-
гиба подложки степень однородности индуцированных в них напряжений су-
щественно зависит от особенностей изгиба подложки перед напылением. Так,
при использовании для изгиба подложки проволоки по схеме, представленной
на рис. 9.15, б, сжимающие напряжения распределяются неравномерно, ли-
нейно возрастая от краев к центру, что было экспериментально продемонстри-
ровано с помощью сканирующего спектрометра ФМР для 50-нанометровых
пленок пермаллоя, полученных вакуумным напылением на стеклянные под-
ложки, и подтверждено расчетами компонент тензора деформаций [134].

Для решения задач стрейнтроники наибольший интерес представляет
изменение магнитных свойств микро- и наночастиц под действием упругих
механических деформаций. Таких экспериментальных исследований сравни-
тельно немного [73, 140-143]. Использование опор различного типа для меха-
нического изгиба подложки позволяет получать как неравномерное, так и
сравнительно равномерное распределение компонент тензора напряжений по
поверхности образца.

Влияние однородных и градиентных деформаций образца на микромаг-
нитную структуру расположенных на нем частиц исследовано в работах [73,
140, 142] на микрочастицах пермаллоя (Ру) №75Ре25- Используемые в качестве
референтных образцы первого типа, не подвергнутые деформациям, получали
на поверхности плоской стеклянной подложки с помощью маски в виде сетки
с упорядоченно расположенными квадратными отверстиями 25x25 мкм, раз-
деленными 7-микромстровыми перемычками. Для образцов второго типа та-
кая же металлическая сетка закреплялась на поверхности стеклянной под-
ложки, изогнутой с помощью размещения под ней металлической проволоки
по схеме, показанной рис. 15, б. В таких подложках образуется градиент упру-
гих напряжений, увеличивающихся от края к центру образца. Величина де-
формации, оцененная по характерным размерам системы (диаметр проволоки
80 мкм, толщина подложки 300 мкм, длина подложки ~1 см), составляет
~0,1 %.

Для образцов третьего типа, с однородным механическим напряжением,
изгиб подложки осуществлялся ее закреплением на основании цилиндриче-
ской формы с радиусом, на три порядка большим, чем у проволоки, около
80 мм, что обеспечивало тот же порядок относительных деформаций, что и в
предыдущем случае, но уже с равномерным их распределением по образцу.
Далее на подложки напылялся в сверхвысоком вакууме слой Ру толщиной
30 нм. После завершения напыления образцы извлекались из держателей, при
этом вся поверхность образца была покрыта упорядоченно расположенными
квадратными микрочастицами.

На МСМ-изображениях квадратных микрочастиц Ру хорошо видна из-
вестная структура из четырех 90-градусных доменов, в которой доменные
стенки сходятся в одной точке в центре частицы (доменная структура Ландау)
[144, 145]. Такая структура, характерная для ненапряженных частиц, наблю-
дается практически на всех частицах, расположенных на поверхности образца
первого типа. В микрочастицах образца второго типа вследствие их одноос-
ного сжатия наблюдается трансформация доменной структуры, которая уве-
личивается от края к центру образца (рис. 9.16, а-г). Наконец, в образце треть-
его типа МСМ-изображения, полученные от микрочастиц на различных участ-
ках поверхности, имели практически одинаковый вид, совпадающий с МСМ-
изображением на рис. 9.16, в. Такая трансформация доменной структуры квад-
ратных микрочастиц, обусловленная их механическим сжатием, теоретически
была описана в монографии [144].

Восстановление распределения намагниченности в частице по получен-
ному МСМ-изображению представляло собой нетривиальную задачу, которая
решалась с привлечением дополнительных экспериментальных и численных
методов. На первом этапе на основе трехмерного изображения частицы, полу-
ченного на сканирующем зондовом микроскопе в режиме атомно-силовой
микроскопии, с помощью программы ООММР (ОЬ]ес1 ОпеШес! М1сгоМа§пейс
Нгатеи огк) [146] моделировалось распределение в частице локальных магнит-
ных моментов. При моделировании использовались значения эффективной
намагниченности насыщения образца и эффективного поля анизотропии Нк,
полученные из ФМР-измерений [140]. На втором этапе на основе полученного
распределения намагниченности в Ру-частице моделировалось ее МСМ-изоб-
ражение. Для расчетов на этой стадии применялась компьютерная программа
«Виртуальный МСМ» [147]. Модельное МСМ-изображение сравнивалось с
экспериментальным. Совпадение модельных и экспериментальных МСМ-
изображений (см. рис. 9.16) являлось критерием справедливости полученного
модельного распределения намагниченности.

Согласно полученному распределению локальных моментов, ненапря-
женная частица имеет классическую структуру Ландау, характерную для квад-
ратных планарных частиц. Напряженная частица также имеет структуру из че-
тырех доменов, но они различаются по размерам: домены, в которых направ-
ление локальной намагниченности перпендикулярно оси сжатия частицы,
имеют больший размер, чем домены с направлением намагниченности, парал-
лельным оси сжатия. При этом образуется характерная перемычка, размер ко-
торой возрастает с увеличением степени сжатия микрочастицы (см. рис. 9.16)
[140, 148, 149]. Длина перемычки может служить параметром, характеризую-
щим степень деформации конкретной частицы. На основании этого параметра,
полученного из МСМ-изображений частиц в различных областях образца,
можно оценить однородность распределения напряжений по всему образцу с
латеральным разрешением порядка 10 мкм.

О 5 10 15 20 И »мем О 5 10 15 211 25 ЗОмгм 0 5 10 15 » 25 ЗОмкм 0 5 10 15 20 25 ЗОмкм

Рис. 9.16. Экспериментальные (а-т) и соответствующие им
модельные (А-з) МСМ-изображения микрочастиц Ру размером 25 х 25 мкм,
полученные от образца с градиентом напряжений вдоль поверхности.
Значения эффективного магнитного поля анизотропии, при которых
получены модельные МСМ: д - Нг = 0,45 мТл; е - Н» = 1,12 мТл;

ж - Н» = 2,24 мТл; з - Н» = 4,48 мТл

Аналогичная трансформация доменной структуры с образованием пере-
мычки между доменами в центре частицы недавно была получена методом ре-
гистрации магнитного кругового дихроизма рентгеновских лучей (Х-гау
та^пеОс спси1аг сйсКгойт, ХМСВ). Упругие деформации в частицах никеля
размером 2x2 мкм2, расположенных на поверхности ниобата лития, создава-
лись с помощью ПАВ [143].

Получить с помощью обычного ФМР достоверные данные о индуциро-
ванных сжатием значениях Нк можно лишь тогда, когда все частицы напря-
жены одинаково (т. е. на образце третьего типа, подложка которого изгибалась
посредством ее прижатия к цилиндрической поверхности). По угловой зави-
симости резонансного поля можно определить намагниченность насыщения
М8 и эффективное поле анизотропии Нк. Расчет основывается на решении си-
стемы уравнений ЛЛГ для тонких пленок [134, 140], в которую входят найден-
ные из эксперимента минимальные и максимальные значения резонансного
поля. Азимутальные зависимости спектров ФМР одного из таких образцов
представлены на рис. 9.17. Найденные значения Нк использовались при МСМ-
моделировании, в результате которого получены изображения, совпадающие
с МСМ-изображсниями на рис. 9.16.
Образование одноосной магнитной анизотропии в микрочастицах Ру
подтверждается также результатами измерения азимутальной зависимости пе-
тель гистерезиса, полученных методом МОЭК [73]. Вследствие сжатия мик-
рочастиц наблюдается изменение коэрцитивной силы Нс и отношения М, / М5
с периодичностью 180°.

В практических приложениях возникает необходимость перестройки
микромагнитной структуры в реальном времени. Наиболее естественным
подходом в данном случае является использование композитных МЭ-струк-
тур: деформация подложки из пьезоэлектрика вызывает механические напря-
жения в магнитной пленке. В ранних работах на эту тему [150-152] была про-
демонстрирована принципиальная возможность перестройки доменной струк-
туры под действием электрического напряжения, приложенного к пьезоэлек-
трической подложке. При этом электрическое и, соответственно, механиче-
ское воздействия не были локализованными, доменная структура трансформи-
ровалась на отдельных участках, расположение которых практически не кон-
тролировалось (рис. 9.18, а).

Рис. 9.17. а - угловая зависимость резонансной линии
в спектрах ФМР сжатых частиц пермаллоя; б - азимутальная зависимость
положения линии ФМР в полярных координатах, отражающая
образование в них одноосной магнитоупругой анизотропии
Для управления движением отдельных доменных границ в магнитных
материалах требуется локализовать электрическое или механическое воздей-
ствия, что достигается либо с помощью зонда сканирующего микроскопа, как
в случае однофазных МЭ-матсриалов [153], либо напылением субмикронных
электродов [154] (рис. 9.18, б). Электроды, нанесенные на заданную область
пьезоэлектрической подложки (рис. 9.18, б), играют роль затвора, управляю-
щего движением доменных границ вдоль магнитной нанопроволоки [154].
Приложение напряжения к затвору приводит к захвату (пиннингу) доменных
границ в области между электродами вследствие локального изменения маг-
нитной анизотропии, вызванного механическим напряжением пьезоэлектри-
ческой подложки в окрестности расположения электродов. Местоположение
доменных границ влияет на электрическое сопротивление нанопроволоки, что
позволяет на основе этого принципа реализовывать логические устройства
[154].

Рис. 9.18 Принципы управления лликроллагнитнылли структурами
с помощью механических напряжений:
а - деформация подложки в реальном времени вызывает перестройку
магнитной структуры в случайно расположенных местах [150]:

б - управление отдельными доменными границами локальным механическим
воздействием: с помощью зонда сканирующего микроскопа [44. 153]
или предварительно нанесенного электрода-затвора [154]:
в - электрическое управление магнитными доменными границами
посредством их закрепления на сегнетоэлектрических

или полярных сегнетоэластических границах [155]

Еще один способ локализации воздействия - использование доменной
структуры подложки [155-157]. Механические напряжения, возникающие на
границах между сегнетоэлектрическими или сегнетоэластическими доменами
подложки, наводят соответствующий рельеф магнитной анизотропии в выше-
лежащем ферромагнитном слое. Управляя с помощью электрического поля се-
гнетоэлектрическими границами [156, 157], можно передвигать закрепленные
на них доменные границы в магнитном слое (рис. 9.18, в).

Доменные границы как границы раздела обладают особенностями, не
присущими кристаллу в объеме доменов, а именно - взаимосвязанными сегне-
тоэлектрическими, упругими и магнитными свойствами [158], что создает до-
полнительные возможности управления. Например, с помошью электриче-
ского поля можно контролировать полярные доменные стенки в сегнетоэла-
стике титанате стронция, которые, в свою очередь, за счет наведенных ими
локальных деформаций в вышележащем магнитном слое перестраивают маг-
нитную доменную структуру [155] (нижняя часть рис. 9.18, в).

Обсуждение результатов всего объема известных работ в области меха-
нически индуцированного воздействия на магнитную подсистему кристаллов
выходит за рамки настоящего раздела, поэтому рассмотрим здесь лишь два
примера из перспективной области - спинтроники доменных границ и скир-
мионов [1].

В магнитоэлектрическом антиферромагнетике СггОз механическое на-
пряжение предложено использовать для стабилизации структуры движу-
щейся доменной границы [159]. Такая необходимость возникает из-за того,
что максимальная скорость, до которой разгоняется антиферромагнитная до-
менная граница, очень невысока (~10 м с '). В обычных магнитных материа-
лах - ферромагнетиках - скорость доменной границы в полях, меньших, чем
так называемый уокеровский предел (\\'а1кег Нт И) [160], увеличивается ли-
нейно с возрастанием поля, что возможно благодаря относительно стабиль-
ной структуре границы (по магнитостатическим соображениям наиболее вы-
годен разворот намагниченности в плоскости границы). Однако этот фактор
не работает в антиферромагнетиках, где намагниченности подрешеток пол-
ностью компенсируют друг друга. Для того чтобы выделить предпочтитель-
ное направление разворота намагниченности в антиферромагнетике, авторы
[159] предлагают создать искусственную анизотропию в плоскости слоя МЭ-
материала за счет сдвиговой механической деформации, что позволит на по-
рядок увеличить скорость доменной границы (рис. 9.19, а).

В киральном магнетике Мп81 локальное механическое воздействие с по-
мощью зонда кантилевера сканирующего микроскопа предложено использо-
вать для контролируемого зарождения одиночных магнитных топологических
солитонов - скирмионов (рис. 9.19, б) [161]. Аналогичная схема уже была ре-
ализована ранее для электрического зарождения цилиндрических магнитных
доменов [162] и скирмионов [163], но в этих случаях на среду воздействует
именно электрическое поле, а не механические напряжения. В данном же слу-
чае задействованы иные механизмы, либо магнитострикционные, либо «взаи-
модействие Дзялошинского - Мории», модулируемое механическими дефор-
мациями [164]. Как показано в [161], механическая деформация порядка ~104
(соответствующее механическое напряжение ~10 МПа) снимает энергетиче-
ский барьер для образования решетки скирмионов в Мп81. Такое же давление
может создать острая игла кантилевера (с радиусом кривизны ~10 нм), если к
ней приложить силу 100 нН. Поскольку скирмионы рассматриваются как эле-
менты будущих схем магнитной записи со сверхвысокой плотностью, немало-
важной характеристикой являются энергетические потери в процессе записи
скирмиона. По оценкам [161], эти потери не превысят 0,1 аДж, что на три -
шесть порядков меньше потерь при записи скирмиона с помощью спин-поля-
ризованного тока.

Рис. 9.19. Примерь; механически индуцированных воздействий
из области спинтроники (а) и скирмионс (6)

На рис. 9.19 представлена стабилизация структуры доменной границы с
помощью сдвиговой деформации образца магнитоэлектрика. Смещения при
сдвиговой деформации показаны на торцах образца желтыми стрелками. До-
менная граница между МЭ-доменами перемещается под действием электриче-
ского напряжения, приложенного к затвору (центральный электрод): при при-
ложении положительного относительно земли потенциала - направо, при при-
ложении отрицательного - налево. В верхней части рис. 9.19, а показаны зави-
симости скорости V доменной границы от электрического поля в случае отсут-
ствия механического воздействия (сплошная кривая) и при наличии анизотро-
пии в плоскости, наведенной сдвиговой деформацией (пунктирная кривая);
штриховой прямой показана скорость Уокера ушах [159]. На рис. 9.19, б пока-
зан механизм предполагаемого зарождения одиночного скирмиона вследствие
механического воздействия иглы кантилевера [161].

9.2.3. Магнитные превращения, наведенные
механическими напряжениями

Следует отметить, что в магнитоупорядоченных веществах механиче-
ские напряжения приводят не только к перестройке доменной структуры, но и
к более значительным изменениям. Например, температура перехода из пара-
магнитного состояния в магнитоупорядоченное может существенно сме-
щаться под действием механических напряжений [78]. Парамагнитное поведе-
ние может проявляться и при температуре ниже точки Кюри - в магнитных
наночастицах, в которых магнитный момент под действием тепловых флукту-
аций ведет себя подобно гигантскому спину атома. Такое суперпарамагштное
состояние, как показывает опыт [165], также чрезвычайно чувствительно к ме-
ханическим деформациям: частицы, находящиеся в суперпарамагнитном со-
стоянии, можно перевести в ферромагнитное состояние, приложив электриче-
ское напряжение к слою пьезоэлектрика, на котором расположены частицы.
Деформация частиц около 0,1 % наводит в них дополнительную магнитную
анизотропию, благодаря чему температура блокировки частиц, показывающая
нижнюю границу суперпарамагнитного состояния, повышается на 40 К, а су-
перпарамагнитная кривая намагничивания (рис. 9.20, а) превращается в петлю
гистерезиса с ненулевой площадью (рис. 9.20, б). Обратное явление, вызван-
ное механическими деформациями, а именно - появление сегнетоэлектриче-
ского гистерезиса при температуре ниже магнитной точки Кюри, наблюдалось
в сверхрешетках из ферромагнитного и сегнето-электрического перовскитов
при переходе из парамагнитного состояния в ферромагнитное [166].

Пленки магнитных материалов занимают промежуточное положение
между объемными кристаллами и наночастицами: в плоскости пленок воз-
можно наличие спиновой модуляции, но благодаря пониженной размерности
и наличию эпитаксиальных напряжений спиновая модуляция может быть по-
давлена. Это создает предпосылки для особого вида магнитных фазовых пре-
вращений, вызванных механическими деформациями, - переходов от про-
странственно модулированной спиновой структуры к однородному магнит-
ному состоянию. Классическим примером реализации таких фазовых перехо-
дов с помощью методов деформационной инженерии являются фазовые пере-
ходы в пленках феррита висмута (рис. 20, в).

Феррит висмута В1РеОз благодаря своей относительно простой кристал-
лической структуре и разнообразию наблюдаемых в нем эффектов на протя-
жении почти десяти лет остается самым популярным объектом исследований,
связанных с магнитоэлектрическими явлениями и мультиферроиками [168—
170]. Однако проявление МЭ-свойств и намагниченности в феррите висмута
возможно лишь при подавлении характерной для этого соединения неодно-
родной магнитной структуры - спиновой циклоиды, что, в частности, имеет
место в сильных магнитных полях [168, 171-173]. В этом случае магнитное
поле Н, направленное вдоль тригональной оси кристалла, выступает как ис-
точник эффективной магнитной анизотропии легкоплоскостного типа:

(9.11)

где Ки - константа одноосной магнитной анизотропии;

- магнитная восприимчивость в направлении, перпендикулярном
намагниченностям подрешеток (используется приближение /±>»/ц,
справедливое при температурах, далеких от точки Нееля Т„).

Фазовая диаграмма магнитных состояний в феррите висмута в коорди-
натах магнитное поле - магнитная анизотропия приведена на рис. 9.21. Как
видно, существует довольно большое разнообразие магнитных фаз: однород-
ная антиферромагнитная структура легкоосного и легкоплоскостного типа,
а также неоднородные состояния, соответствующие несоразмерным простран-
ственно модулированным спиновым структурам циклоидального и кониче-
ского типов. В свою очередь циклоиды, претерпевающие ангармонические ис-
кажения, в зависимости от знака анизотропии делятся на легкоплоскостные и
легкоосные (см. схематические изображения структур на рис. 9.21). Фазовый
переход между циклоидами этих двух типов, который был предсказан в теоре-
тической работе [175], был обнаружен с помощью анализа температурных из-
менений мессбауэровских спектров [176]. Коническая фаза, разделяющая
спин-модулированное состояние в виде легкоплоскостной циклоиды и одно-
родное состояние типа «легкая плоскость», была предсказана в [174] и недавно
обнаружена в сильных магнитных полях [177].

.1__।

-1.0-аз о оз |д
я.«э

< ’>1кр<и|шып1етп'и1

-I Л-0.3 О 0.5 1.0

Однодомь'нныН фсрромаг нсгик

Рис. 9.20. Примеры изменения магнитного состояния под действием
механического напряжения: переход наночастиц Ы1 из суперпарамагнитного
состояния (а) в сЬеоромагнитное состояние (б) при поляризации
в электрическом поле напряженностью 4 кВ см [165] в - деформационная
инженерия спиновых структур в пленках феррита висмута: направление спиновой
модуляции и ее период изменяются в зависимости от знака деформации [167]

Рис. 9.21. Фазовая диаграмма феррита висмута в координатах
«константа анизотропии - магнитное поле» (магнитное поле
ориентировано параллельно главной оси кристалла: Н | | с3]
На рис. 9.21 представлена диаграмма феррита висмута в координатах
«константа анизотропии - магнитное поле». Здесь кривая 1 - переход из одно-
родного антиферромагнитного состояния с магнитными моментами подреше-
ток, направленными вдоль главной оси кристалла, в циклоидальную фазу.
Кривая 2 здесь соответствует переходу от анизотропии типа «легкая ось» к
анизотропии типа «легкая плоскость», кривая 3 соответствует переходу 2-го
рода между легкоплоскостной циклоидой и фазой конической циклоиды, кри-
вая 4 - переходу 2-го рода между конической циклоидальной фазой и одно-
родной антиферромагнитной фазой с анизотропией типа «легкая плоскость»
[174]. Положительные и отрицательные величины анизотропии кс наводятся
деформациями сжатия и растяжения соответственно. Стрелками обозначены
не спины отдельных атомов, а векторы антиферромагнетизма, т. е. разности
намагниченностей подрешеток в данном месте. В частности, это означает, что
в случае конической фазы 3 намагниченность, усредненная по периоду цикло-
иды, остается равной нулю, как и в случае фазы 2.

К сожалению, все это разнообразие магнитных состояний может быть
реализовано при больших величинах магнитных полей (10-20 Тл), лежащих
вне диапазона, имеющего практическое значение для электроники. В то же
время приложение сильных магнитных полей - это не единственный способ
создания эффективной магнитной анизотропии, в качестве такового может вы-
ступать также деформационная инженерия в тонких пленках.

Действительно, уже первые синтезированные тонкопленочные матери-
алы на основе феррита висмута демонстрировали свойства, разительно отли-
чающиеся от свойств ранее изучаемых объемных кристаллов, а именно -
необычайно высокие значения электрической поляризации и пьезоэлектриче-
ского эффекта, появление намагниченности и линейного МЭ-эффекта [178].

Последние два свойства, которые связаны с подавлением спиновой цик-
лоиды под действием эпитаксиальных напряжений, наиболее ярко демонстри-
руют идею деформационной инженерии спиновых структур. Рассмотрим вли-
яние механических напряжений на магнитное состояние пленок феррита вис-
мута более подробно [1].

Уже в ранних работах по пленкам феррита висмута [179] высказывалась
идея о том, что причиной подавления спиновой циклоиды может являться вли-
яние эффективной анизотропии, описываемое формулой (9.11), включающей
в себя дополнительное слагаемое, пропорциональное механическим напряже-
ниям. Однако этот эффект было невозможно отделить от другого фактора -
пространственного ограничения, поскольку толщина пленки была того же по-
рядка, что период спиновой циклоиды. Кроме того, не было свидетельств су-
ществования промежуточных состояний между состоянием невозмущенной
циклоиды и однородным состоянием с полностью подавленной простран-
ственной модуляцией спина.

Систематическое исследование влияния эпитаксиальных напряжений
стало возможным только с созданием «линейки» образцов пленок строго оди-
наковой толщины, выращенных на подложках с различными постоянными ре-
шетки [167, 180]. Такой набор подложек позволяет изучать свойства пленок
феррита висмута с механическими напряжениями, изменяющимися как по ве-
личине, так и по знаку от деформаций сжатия - 2,6 % для Е8АТ до относи-
тельных удлинений 1 % (рис. 9.22) для Р8О.

Измерения с применением современных прецизионных эксперименталь-
ных методов мессбауэровской микроскопии, в том числе с использованием син-
хротронного излучения, рамановской спектроскопии и резонансного нейтрон-
ного рассеяния, позволяют получать информацию о магнитном состоянии пле-
нок феррита висмута: наличии в них спиновой циклоиды, ориентации ее плос-
кости и направления спиновой модуляции относительно кристаллографических
плоскостей и даже о наличии ангармонических искажений, вызванных магнит-
ной анизотропией, индуцированной эпитаксиальными напряжениями.

4 <Х) 4.05

Рассогласование

"ЛИСТОК. %

Период
решё1 ки, А

№<>аО. Ь*»АТ ЬаОаО, &Т1О ПуЗсО. ТЬЗсО Се&О, 8т8сО. Ы&О Рг&О.

Рис. 9.22. Особенности деформационной инженерии
пленок феррита висмута

На рис. 9.22 представлены основные особенности деформационной ин-
женерии пленок феррита висмута. Как видим, использование подложек из раз-
личных перовскитов с общей формулой АВОЗ позволяет варьировать вели-
чину относительной деформации в диапазоне от 3 до 1 % [167].

На рис. 9.23 представлены мессбауэровские спектры для серии образцов
Е8АТ - Р8О. Хорошо заметная разница между симметричными спектрами
пленок с большой величиной эпитаксиальных напряжений обоих знаков
(Е8АТ, 8ТО, И8О, Р8О) и асимметричными спектрами слабонапряженных
пленок (И8О,080, 880) свидетельствует о качественном различии их магнит-
ных состояний: в пленках с асимметричным спектром имеет место циклои-
дальное спиновое упорядочение, в то время как в сильно растянутых или сжа-
тых пленках спиновая циклоида подавлена. Изменение относительной интен-
сивности 2-й и 3-й линий в секстете мессбауэровского спектра (рис. 9.23, г-е)
позволяет проводить измерения усредненной ориентации вектора антиферро-
магнетизма как в однородном, так и в спин-модулированном состояниях, опре-
деляя на основании этих данных ориентацию плоскости и волнового вектора
с] спиновой циклоиды. Оказалось, что в растянутых пленках наблюдается но-
вый вид спиновой циклоиды, не встречающийся в объемных кристаллах: ее
плоскость ориентируется так, чтобы включить в себя нормаль к поверхности
пленки (в случае, рассмотренном в [167], это направление [001]), а направле-
ние спиновой модуляции лежит в плоскости пленки, в то время как в объемных
кристаллах наблюдаются только структуры с ориентацией плоскости враще-
ния намагниченности, содержащей тригональную ось кристалла (в квазикуби-
ческой ориентации) [111] и перпендикулярный ей вектор модуляции.

4 1.04

1.00

-10 -5 0 5 10

Скорость, мм с-1

1.075

3 1.050

° 1.025

1.000

-10 -5 0 5 10

Скорость, ММ с 4

-10 -5 0 5 10

Скорость, мм с"1

₽ис 9.23. Мессбауэровские спектры сверхтонкого взаимодействия
ядер 57Ее и их электронного окружения для пленок феррита висмута (001)
с различными эпитаксиальными напряжениями:

а - геометрия эксперимента: б-з- спектры, измеренные при
температуре 295 К: е - интенсивность излучения конверсионных электронов.
Точки соответствуют экспериментальным данным, а кривые - аппроксимациям
согласно теоретическим моделям магнитного состояния:
однородному антиферромагнитному (АГ) упорядочению (б, в, ж. з),
циклоидальным состояниям, подобным объемно-кристаллическому (г, д)
и, наконец, циклоиде с направлением распространения [111]
существующей только з растянутых пленках (е) [167]
О 4Л 80 120 160

Время, нс

Рис. 9.24. Воеменные спектры ядерного рассеяния синхротронного
излучения для тонких пленок ВР7ЕеОз при коллнатных теллпературах:
а - картина биений для пленок, выращенных на подложках ЗТО, С$С
$$О и М$О с кристаллографической ориентацией (001);

б - схеллатические изображения спиновой структуры
в пленках феррита висллута

С помощью еще одного прецизионного метода измерений - резонанс-
ного рассеяния поляризованных нейтронов на образцах, обогащенных изото-
пом 5 Те, можно получать дополнительную информацию о магнитной струк-
туре пленок феррита висмута, которая позволяет восстановить конфигурацию
спинов в тонких пленках (рис. 9.24). Теоретические модели, использованные
для аппроксимации мессбауэровских спектров, подтверждаются данными ре-
зонансного нейтронного рассеяния: циклоида, характерная для объемных кри-
сталлов, наблюдается в пленках, подвергнутых сжатию со стороны подложки,
в то время как в растянутых пленках возникает спиновая циклоида нового
типа, бегущая в направлении [111]. Сильные деформации сжатия и растяжения
приводят к переходу в однородное антиферромагнитное состояние с анизотро-
пией типа «легкая плоскость» и «легкая ось» соответственно.

Самым важным свидетельством наличия циклоиды в одних пленках и
подавления ее в других является картина рамановских спектров. В однород-
ном состоянии, когда циклоида подавлена, наблюдаются всего две моды, со-
ответствующие параллельной и скрещенной ориентациям анализатора и поля-
ризатора (рис. 9.25, а, д, е), в то время как при наличии спиновой модуляции
возникает множество пиков (рис. 9.25, б-г). Дело в том, что пленку со спино-
вой циклоидой можно рассматривать как магнонный кристалл, зона Бриллю-
эна которого ограничена величиной п/ X, гдеХ- период циклоиды. Возникает
система разрешенных и запрещенных зон и, как следствие, серия линий в ри-
мановском спектре, соответствующих переходам между состояниями, разде-
ленными этими зонами.

5
|
5
ь

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Волновое число, см-1

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Волновое число, см-’

Рис. 9.25. Низкоэнергетичные рамановские спектры для пленок
феррита висмута, выращенных на различных подложках.
Моды ф и ф показанные светлой и темной кривыми, соответствуют
параллельной и скрещенной ориентациям поляризаторов [167]

Следует отметить, что структура возникающих зон зависит как от меха-
нических напряжений, так и от магнитного поля. Одновременное влияние этих
двух факторов на спиновую циклоиду исследовано в работе [180]. Оказалось,
что эпитаксиальные напряжения существенно уменьшают критическое маг-
нитное поле, при котором подавляется спиновая циклоида. На рис. 9.26, а по-
казана фазовая диаграмма магнитной структуры пленок феррита висмута в ко-
ординатах магнитное поле - относительная деформация, построенная с учетом
данных рамановской спектроскопии, резонансного рассеяния поляризованных
нейтронов, а также теоретических расчетов. Даже для слабонапряженных пле-
нок на подложке из 080 величина критического поля снижается до 8 Тл (для
сравнения, в объемных кристаллах феррита висмута она составляет 20 Тл).
Это может быть объяснено несколькими факторами [1]: 1) эффектами
конечных размеров в тонких пленках, имеющими место даже в отсутствие рас-
согласования постоянных решетки подложки и образца; 2) усилением магни-
тоупругих свойств в тонкопленочной фазе; 3) отличиями спиновой циклоиды,
наблюдающейся в тонких пленках, от структуры, реализующейся в объемных
кристаллах. Действительно, спиновая циклоида в пленках отличается большей
податливостью к внешним влияниям, она претерпевает ангармонические ис-
кажения: изменяются как форма (см. рис. 9.21), так и период циклоиды, что
особенно заметно при напряжениях и магнитных полях, близких к критиче-
ским: на рис. 9.26, б представлена зависимость периода спиновой циклоиды от
магнитного поля, полученная по данным рамановской спектроскопии, с нало-
женной теоретической кривой, которая стремится к бесконечности при поле,
приближающемся к критическому.

Деформация. % Прнлолгннис поле, Тл

Рис. 9.26. Влияние магнитного поля на спиновую циклоиду в пленках
феррита висмута с кристаллографической ориентацией (001).
а - сразовая диаграмма в осях «магнитное поле - относительная деформация».

Сплошная кривая соответствует рассчитанной фазовой границе
между спиновой циклоидой и коллинеарным упорядочением.
Треугольниками и квадратами показаны экспериментальные данные,
полученные с помощью методов нейтронного рассеяния (МЕ?$)
и рамановской спектроскопии (Катан);

б - зависимость периода спиновой циклоиды от магнитного поля.
Различные символы соответствуют экспериментальным данным для трех образцов.
Сплошными линиями показаны теоретические кривые, проявляющие тенденцию
бесконечного возрастания периода в критическом магнитном поле [180]

Таким образом, систематические исследования пленок феррита висмута
одинаковой толщины, различающихся только величиной эпитаксиальных
напряжений, выявили наличие новых промежуточных фаз, разделяющих не-
возмущенное циклоидальное и однородное антиферромагнитное состояния.
Показана также возможность управления спиновыми структурами с помощью
механического напряжения и магнитного поля, что можно использовать в маг-
нонных и спинтронных устройствах:
• спиновая циклоида в пленке феррита висмута представляет собой
магнонный кристалл с периодом, величина которого задается эпи-
таксиальным напряжением в пленке и дополнительно подстраива-
ется с помощью магнитного поля;

• возможность перестройки спиновой циклоиды с помощью механи-
ческих напряжений можно реализовать также в спинтронных
устройствах: переориентация спинов от направления в плоскости
пленки к направлению вдоль нормали к ней при изменении знака де-
формаций (см. рис. 9.24) позволяет перестраивать магнетосопротив-
ление многослойной структуры на основе феррита висмута и ферро-
магнитных слоев, обменно-связанных с ним [167];

• состояния с различным направлением плоскости спиновой цикло-
иды, переключение между которыми осуществляется приложением
механического напряжения (рис. 9.20, в), можно рассматривать как
логические состояния в устройствах магнитной памяти с электриче-
ской записью.

Отдельного исследования заслуживает вопрос о гигантском усилении
МЭ--эффекта в пленках феррита висмута [178, 181]. Одной из гипотез, объясня-
ющих это усиление, является вызванное эпитаксиальными натяжениями увели-
чение восприимчивости к электрическому полю для особого типа структурного
искажения решетки перовскита - антиферродисторсии. Антиферродисторсией
называют поворот соседних кислородных октаэдров в противоположные сто-
роны, ответственный за слабый ферромагнетизм. Под действием электриче-
ского поля изменяется угол поворота кислородных октаэдров, что приводит
к изменению величины намагниченности, обусловленной слабым ферромагне-
тизмом, тем самым порождая дополнительный вклад в МЭ-эффект [182].

Эпитаксиальные напряжения в пленках феррита висмута также приво-
дят к сосуществованию двух фаз с искажениями исходной перовскитной
структуры различного типа: ромбоэдрической и тетрагональной [183]. На гра-
ницах между этими фазами возникает рекордно большой градиент относи-
тельной деформации (~ 3х 107 м’1), что порождает необычный механизм МЭ-
взаимодействия благодаря совокупному действию флексоэлектрического и
флексомагнитного эффектов: электрическое поле вызывает переориентацию
границ перовскитных фаз, которая в свою очередь изменяет направление век-
тора антиферромагнетизма [35]. Поскольку ромбоэдрическая и тетрагональ-
ная фазы различаются со структурной, магнитной и оптической точек зрения,
электрическое поле, переключая фазы, приводит к возникновению усиленных
пьезоэлектрических [184], магнитоэлектрических [183] и электрооптических
[185] эффектов в кристалле.

Методы деформационной инженерии с успехом применяются также для
управления свойствами других перовскитных мультиферроиков, в частности,
систем КМпОз (где К-редкоземельный элемент) [79,186-189]. Особо стоит вы-
делить результат, полученный в пленках ЬиМпОз, - индуцированный с помо-
щью эпитаксиальных напряжений переход в ферромагнитное состояние [188].
9.2.4. ТермоинАуцированный магнитоупругий эффект

Еше один эффективный способ управления намагниченностью пленок
или частиц основан на различии коэффициентов термического расширения
магнитного слоя и подложки или на фазовой перестройке кристаллографиче-
ской структуры подложки при ее нагреве. Исследование механизмов термоин-
дуцированного магнитоупругого эффекта в гетероструктурах не только позво-
ляет глубже понять природу этого явления, но и открывает пути для сочетания
нескольких методов управления намагниченностью в стрейнтронных устрой-
ствах.

Одной из структур, в которой можно получить подобный термоиндуци-
рованный магнитоупругий эффект, является пористый анодированный алю-
миний. Его поверхность, полученная при определенных режимах анодного
окисления, представляет собой протяженные плотно упакованные вертикаль-
ные каналы из оксида алюминия [180, 194]. Эти каналы с помощью электро-
химического осаждения могут быть заполнены ферромагнитными металлами
(рис. 9.27, а). Коэффициенты термического расширения алюминиевого осно-
вания, никеля и оксида алюминия различаются приблизительно в два раза
(23,8 х 10 й К 1 у А1; 13,0 х ю * К’1 у №; 6* 10ч К 1 у АЬОз). За счет этой
разницы при понижении температуры образца из-за сжатия алюминия и ок-
сида алюминия в нанопроволоках создаются напряжения, эквивалентные осе-
вому растяжению вдоль оси проволоки (рис. 9.27, б) [190]. Это приводит к
формированию поля магнитоупругой анизотропии, которое стремится повер-
нуть магнитные моменты в проволоке в направлении, перпендикулярном ее
оси, т. е. конкурирует с полем анизотропии формы, обеспечивающим ориен-
тацию локальных магнитных моментов вдоль проволоки. В результате на тем-
пературной зависимости коэрцитивной силы Нс (Т) наблюдается аномальный
пик, соответствующий максимуму эффективного поля анизотропии На (7),
находящемуся в диапазоне температур, близких к комнатной [191]. Аналогич-
ные термоиндуцированные магнитоупругие эффекты зарегистрированы в ра-
ботах [192, 193].

Другой способ индуцировать в ферромагнитных пленках или частицах
поле магнитоупругой анизотропии состоит в использовании в качестве подло-
жек кристаллов, претерпевающих структурные фазовые переходы при их
нагреве или остывании. Одним из таких кристаллов является титанат бария
ВаТЮз, у которого при охлаждении до температуры ниже комнатной кристал-
лическая решетка перестраивается из тетрагональной в орторомбическую,
а затем в ромбоэдрическую [195-197]. При этом изменяется размер кристал-
лографической ячейки на поверхности (ВаТЮз). Перестройка положения ато-
мов в поверхностном слое при фазовых переходах кристалла ВаТЮз индуци-
рует упругие напряжения в ферромагнитном металле, нанесенном на поверх-
ность такого кристалла. Например, в изолированных вытянутых микрочасти-
цах Ре толщиной 30 нм, сформированных на поверхности (001) ВаТЮз, на-
блюдается при выше указанных фазовых переходах скачкообразное измене-
ние намагниченности [195, 197]. По данным рентгеновской дифракции, отно-
сительное изменение размера кристаллографической ячейки частиц железа со-
ставляет 0,035 % при уменьшении температуры такого образца от 300 до
150 К. Как показывают данные МСМ, индуцированного при изменении тем-
пературы поля магнитоупругой анизотропии достаточно для того, чтобы в ча-
стицах на поверхности ВаТЮз многодоменная структура намагниченности пе-
рестроилась в однодоменную с намагниченностью, ориентированной вдоль
длинной оси частиц [196]. Аналогичные эксперименты в пленках железа тол-
щиной 10 нм на поверхности (100) ВаТЮз демонстрируют изменение коэрци-
тивности на 120 % за счет магнито упругого эффекта, индуцированного фазо-
вой перестройкой кристаллической решетки подложки [196].

Рис. 9.27. Формирование напряжений в никелевых нанопроволоках:
а - схематическое изображение нанопроволок в порах
анодированного алюминия, б-деформация нанопроволоки за счет
сжатия подложки из алюминия при охлаждении образца

Перестройка доменной структуры т зИи наблюдалась в пленке СоРезОд
толщиной 80 нм на подложке из ВаТЮз с кристаллографической ориентацией
(001) в момент фазовой перестройки кристаллической поверхности подложки.
Такие эксперименты проводились с помощью низкотемпературного маг-
нитно-силового микроскопа, функционирующего в интервале температур от
150 до 360 К. В процессе нагрева кристалла в момент фазового перехода сим-
метрия его кристаллографических ячеек изменялась от ромбоэдрической до
орторомбической, а затем - до тетрагональной и кубической (соответственно
при температурах 188, 280 и 398 К). Вследствие рассогласования постоянных
решеток ВаТЮз и СоРезОл в последнем возникали магнитоупругие напряже-
ния, приводящие к перемещению доменных стенок и изменению размеров
магнитных доменов, изменялась также ориентация намагниченности в этих
доменах, которая регистрировалась с помошью МСМ. Существенно, что эти
изменения происходили при тех же температурах, при которых наблюдалось
скачкообразное изменение макроскопической намагниченности в этих образ-
цах, зарегистрированное сквид-магнитометром [198]. Эти результаты указы-
вают на то, что гетероструктура из ферромагнитного металла на поверхности
ВаТЮз может рассматриваться как кандидат для управления магнитной до-
менной структурой с помощью фазовых трансформаций подложки.

Другим примером материалов, в которых структурные фазовые пере-
ходы можно использовать для формирования полей магнитоупругой анизо-
тропии. являются оксиды ванадия УОз и УзОз. В УОз структурный фазовый
переход первого рода от моноклинной симметрии решетки к тетрагональной
происходит при нагреве до температур выше 340 К, т. е. немного превышаю-
щих комнатную [199, 200]. Относительные размеры элементарной ячейки при
этом по одной оси уменьшаются, а по двум другим увеличиваются [201]. Фа-
зовый переход в УОз индуцирует поле магнитоупругой анизотропии в пленке
ЬН, под действием которого при нагреве образца величина Нс уменьшается от
236 Э (при 320 К) до 88 Э (при 350 К) [201]. Столь существенное понижение
Нс при сравнительно небольшом нагреве выше комнатной температуры от-
крывает перспективу использования этого эффекта при разработке методов
термоассистируемой записи информации (Неа1 Ахмз1еа Ма^пеНс КесогсНп”,
НАМИ.). Аналогичные эффекты наблюдаются в пленках № толщиной 10 нм на
подложке из УзОз, но только при значительно более низких температурах,
100-250 К [202].

В связи с развитием гибкой электроники (АгеЮаЫе е1ес(гошс8), позво-
ляющей «вшивать» микросхемы в одежду, а также использовать их в носимых
устройствах, особое внимание уделяется растяжимым материалам. Для
стрейнтроники таким материалом может стать поливинилиденфторид
(ро1уутуНдепсЯиопде - РУЭР), представляющий собой сегнетоэлектрический
полимер, состоящий из углеродных цепей, содержащих чередующиеся группы
СРВ и СРт. Р-фаза РУЕ)? имеет квазигексагональную упаковку из длинных, па-
раллельно ориентированных углеродных цепей (рис. 9.28, а) [203]. Помимо
пьезоэффекта, Р\ТЭР с высоким содержанием Р-фазы характеризуется боль-
шим отрицательным анизотропным коэффициентом термического расшире-
ния (аз = -13 х 10 6 К 1 и аг = 145 х Ю'* К'1) [204]. Это означает, что при
нагревании подложка из РУОР-пленки будет сжиматься сильнее вдоль направ-
ления у, перпендикулярного углеродным цепям, чем вдоль параллельного им
направления х (рис. 9.28, а). Благодаря анизотропному коэффициенту терми-
ческого расширения подложки в гетероструктурах с ферромагнитными
нанопленками (Нею баю, СодоРедоВзо, №) на подложке из РУПР-пленки наблю-
даются необычные магнитоупругие свойства [205, 206].
Рис. 9.28. Особенности применения поливинилиденфлорида
для задач «гибкой электроники»:
а - схематическое изображение изменения молекулярной структуры
РУЮГ при увеличении температуры: б - схема перестройки структуры
намагниченности в пленке СочоЕедоВго при изменении температуры подложки:
в - изменение величины Мг / М5 с возрастанием температуры
при ориентации поля вдоль оси х (темные квадраты) и оси у (светлые квадраты).
На вставках показаны азимутальные зависимости отношения Мт / М3,
отражающие формирование при изменении температуры магнитной
анизотропии вдоль оси х (слева) и вдоль оси у (справа)

Исследования азимутальной зависимости петель гистерезиса с помощью
сквид-магнитомстра показали, что при определенной температуре образца от-
ношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения М, / М5
практически не зависит от угла вращения ф в плоскости образца (рис. 28, в).
Это означает отсутствие магнитной анизотропии в пленке. В частности, для
СочоГедоВзо толщиной 60 нм на пленке РУГ)Р толщиной 30 мкм эта темпера-
тура составляет 298 К. С уменьшением температуры ниже 298 К в пленке фор-
мируется ось легкого намагничивания вдоль оси у, и азимутальная зависи-
мость Мг / М8 приобретает вид, близкий к «восьмерке» (см. вставку в левой
части рис. 28, в). С возрастанием температуры до значений выше 298 К за счет
преимущественного сжатия подложки вдоль оси у происходит формирование
одноосной анизотропии вдоль оси х (см. вставку в правой части рис. 28, в),
и «восьмерка» поворачивается на 90°. Изменения отношения Мг / М5 в темпе-
ратурном интервале 250-350 К, представленные на рис. 28, в, наглядно отра-
жают индуцированный изменением температуры поворот анизотропии на 90°.

Важно, что в указанных ферромагнитных пленках при возрастании тем-
пературы подложки из РУГ)Р аномально ведет себя величина эффективной
константы магнитоупругой анизотропии М$Н / 2, где Н - эффективное
поле анизотропии). Обычно из-за значительного понижения намагниченности
насыщения с увеличением температуры константа Ке// является отрицатель-
ной (что, кстати, препятствует надежному хранению магнитной информации
при повышении температуры запоминающей магнитной среды). В рассматри-
ваемом случае Н возрастает с увеличением температуры настолько быстро,
что /<(,// ири11имает положительное значение. В работе [205] это продемонстри-
ровано с помощью измерения азимутальной зависимости спектров ФМР в ин-
тервале температур от 200 до 300 К. При увеличении температуры положение
резонансной линии ФМР смещалось в область больших или меньших полей в
зависимости от ориентации внешнего поля спектрометра, соответственно
вдоль трудной или легкой осей намагничивания ферромагнитной пленки. Для
определения величины Н при различных температурах использовалась мето-
дика расчета на основе положения резонансной линии в спектре ФМР, анало-
гичная ранее используемой при изучении трансформации спектров ФМР-пле-
нок пермаллоя, в которых магнитоупругая анизотропия индуцировалась меха-
ническим путем [134, 140]. Оказалось, что при нагреве структуры СодоРедоВчо /
РУВР Н увеличивается от 160 Э при температуре 290 К до 260 Э при 350 К,
т. е. сильнее, чем спад намагниченности насыщения в том же интервале тем-
ператур, поэтому величина К,фв такой структуре положительна.

Поскольку РУТЭГ обладает пьезоэлектрическими свойствами, возможно
управление анизотропией намагниченности нанопленок одновременным воз-
действием на гетероструктуру электрического поля и нагрева [206]. Для этого
на РУВР-подложку предварительно с двух сторон наносят алюминиевую
пленку, играющую роль электродов, а затем напыляют ферромагнитный ме-
талл. В пленках Ре810а19 на РУВР, изменяя температуру подложки от 320 до
280 К и обратно в присутствии небольшого магнитного поля в 20 Э (меньшего,
чем коэрцитивное поле самой пленки), удалось повернуть намагниченность
пленки на 180°. После смены магнитного поля противоположным и повторе-
ния температурного цикла охлаждение - нагрев намагниченность пленки воз-
вращалась в прежнее положение [206].

В связи с тепловым воздействием на упругую подсистему следует упо-
мянуть и эффекты, вызванные световым излучением. Воздействие света мо-
жет приводить как к термоиндуцированным, так и к собственно фотоиндуци-
рованным эффектам, связанным не с повышением температуры, а с перемеще-
нием фотовозбужденных электронов и дырок в сегнетоэлектриках [207] и
мультиферроиках [10, 52]. Подробнее об исследованиях в этой области можно
прочитать в обзоре УФН [207]; в качестве иллюстрации динамических эффек-
тов, возникающих при световом воздействии, отметим оптическую запись пе-
риодической структуры механических напряжений в сегнетоэлектрике и ее
фотоиндуцированное возбуждение с помощью ПАВ [208], а также возмож-
ность переключения механических напряжений в мультиферроике феррите
висмута с гига- и терагерцовой частотой [53], что открывает для стрейнтро-
ники новые перспективы в высокочастотной области.
9.2 5. Преобразование полей в композитных структурах

Связь магнитных и электрических параметров композитных структур
через деформацию на границе раздела приводит к генерации структурой
электрического поля Е во внешнем магнитном поле Н (прямой МЭ-эффект,
который характеризуется коэффициентом линейного преобразования аЕ) или
изменением намагниченности структуры М под действием электрического
поля Е (обратный МЭ-эффект, который характеризуется коэффициентом ли-
нейного преобразования ам). За последние десятилетия описанные эффекты
обнаружены и исследованы в композитных структурах, содержащих различ-
ные комбинации ферромагнитных (ФМ) и пьезоэлектрических (ПЭ) матери-
алов (см. табл. 9.2).

Прямой МЭ-эффект наблюдают, как правило, в динамическом режиме,
прикладывая к композитной структуре переменное магнитное поле с 8Н(г) ча-
стотой и регистрируя переменное электрическое поле, генерируемое ПЭ-
слоем структуры. Показано, что эффективность прямого МЭ-преобразования
полей аЕ — 8Е/6'Япри частотах, далеких от частот акустических резонансов
структуры, может изменяться в зависимости от состава от аЕ ~ 0,1 В см 1 Э 1
до ~50 В см1 Э ', что на один-два порядка превосходит эффективность МЭ-
преобразования в однофазных мультиферроиках. Для достижения максималь-
ного значения аЕ следует использовать ФМ-слои с большим пьезомагнитным
модулем Л(1), т. е. с достаточно большой магнитострикцией Л8 и малыми по-
лями насыщения На, например, сплавы типа метгласа (Ме1§1а§), и ПЭ-слои из
материалов, обладающих большим отношением пьезомодуля к диэлектриче-
ской проницаемости Л! е, например, таких как волоконные Р7Т- или РММ-РТ-
пьезокомпозиты [209], кристаллы лангатата [210], нитрида алюминия [211] и
кварца [212], пьезополимеры типа РУПЕ [213, 214]. В условиях акустического
резонанса эффективность преобразования возрастает пропорционально аку-
стической добротности структуры. Предпочтительно использовать структуры,
содержащие ПЭ-слои из кристаллов с малыми акустическими потерями, и тон-
кие ФМ-слои, вносящие малое акустическое затухание. Рекордно высокое зна-
чение МЭ-коэффициента в условиях резонанса аЕ = 20 кВ см 1 Э 1 получено
для тонкопленочной структуры РеСоЗгВ - А1\ на кремниевой подложке, ко-
леблющейся в условиях вакуума [215].

Обратный МЭ-эффект также наблюдают в динамическом режиме, при
кладывая к пьезоэлектрическому слою структуры переменное электрическое
поле 8Е(1) малой амплитуды и регистрируя с помощью электромагнитной
катушки изменение намагниченности ФМ-слоя структуры. Эффектив-
ность обратного МЭ-преобразования ам = ёМ/ёН резонансно возрастает
при совпадении частоты электрического поля с частотой собственных аку-
стических колебаний структуры. Типичные значения коэффициента обрат-
ного МЭ-преобразования для структур различных составов находятся в пре-
делах ам = 0,1-10 Гс см и Наибольший обратный МЭ-эффект наблюдали
в структуре, содержащей пьезоволоконный преобразователь, расположенный
между двумя слоями из Ме(§1а§. Величина коэффициента преобразования со-
ставила аЕ = 80 Гс см В 1 на частоте резонанса структуры 30 кГц [216].

Показано, что эффективности прямого и обратного МЭ-преобразований
в одной и той же структуре при частотах, далеких от резонансных, связаны
между собой соотношением аЕ = ам (в системе СГС) [217]. В условиях резо-
нанса связь коэффициентов преобразования прямого и обратного МЭ-эффек-
тов сложнее. При одних и тех же полях Н и Е прямой МЭ-эффект наблюдается
на частоте антирезонанса /а, в то время как обратный эффект - на частоте ре-
зонанса/-. Эти частоты близки, но не равны друг другу. Эффективности пря-
мого и обратного резонансных МЭ-эффектов также различаются.

Рассмотрим подробнее преобразование полей при прямом МЭ-эффскте
с учетом нелинейности магнитострикции. Величину напряжения Я, генериру-
емого структурой под действием переменного магнитного поля, можно найти,
используя принцип комбинации свойств слоев [29]. Пусть структура из фер-
ромагнетика и пьезоэлектрика помещена в касательное низкочастотное воз-
буждающее магнитное поле Н и параллельное ему постоянное магнитное поле
Но\Н(1) = Но + /1С0$(2тг/1). ФМ-слой структуры испытывает магнитострик-
ционную деформацию /.(//) вдоль направления поля, а ПЭ-слой с пьезомоду-
лем <1з1 преобразует эту деформацию в электрическое напряжение I/. Величина
напряжения выражается [218] как

Я(Я) = ^31Х(Я), (9.12)

где В - постоянный коэффициент, зависящий от диэлектрических и механиче-
ских параметров и размеров слоев. Разложим нелинейную деформацию /.(//)
в ряд Тейлора вблизи Яо

Х(Я) = Х(Я0)ч V—Х(^[Лсо8(2л/)]". (9.13)

п=1 П'

В качестве примера, подтверждающего теорию, на рис. 9.29 показаны ти-
пичные МЭ-характеристики двухслойной структуры метглас - лангатат при ма-
лой и большой амплитудах возбуждающего поля /г. На рисунках 9.29, а, в при-
ведены амплитудно-частотные характеристики структуры, т. е. зависимость ге-
нерируемого структурой напряжения V при свипировании частоты / поля. На
рисунках 9.29, б, г показаны спектры частот напряжения, генерируемого струк-
турой при фиксированной частоте возбуждающего поля/ - 1 кГц. При малой
амплитуде поля, к - 0,1 Э, на рис. 9.29, а виден пик напряжения вблизи частоты
/ - 4,7 кГц, демонстрирующий «усиление» эффекта из-за резонансного возрас-
тания деформаций на частоте/> изгибных колебаний структуры [218, 219]. Вне
резонанса МЭ-коэффициент составляет аЕ - 0,15 В см1 Э ', а на частоте резо-
нанса он увеличивается 800 раз (где О - добротность), достигая значения
аЕ ~ 120 В см 1 Э/ В режиме слабого возбуждения спектр частот напряжения
содержит только одну компоненту с частотой / (рис. 9.29, б), равной частоте
возбуждающего поля.
При увеличении амплитуды переменного поля до к - 4,5 Э ярко прояв-
ляется нелинейность магнитострикционной деформации структуры, которая
кардинально меняет картину [217, 220]. На амплитудно-частотной характери-
стике (7(/) появляются дополнительные пики с частотами/п / п (рис. 9.29, в),
а в спектре частот - гармоники с кратными частотами/\п (рис. 9.29, г). Ампли-
туды гармоник постепенно возрастают с увеличением поля к. Амплитуды гар-
моник можно изменять с помощью постоянного поля Н, поскольку их вели-
чина определяется видом полевой зависимости соответствующих производ-
ных (Н). В частности, 1 -я гармоника (71 линейно возрастает с увеличением
Н, достигает максимума при некотором поле Нт, а затем убывает, 2-я гармо-
ника (7? достигает максимума в отсутствие поля смещения при 77- 0 и убывает
до нуля примерно при том же поле 77,„.

Рис. 9.29. Амплитудно-частотные характеристики (а. в) и спектры частот (б, Г)
МЭ-напряжения в структуре метглас - лангатат при амплитудах 1т = 0,1 Э (с б)
и б = 10 Э (в г) магнитного поля накачки и Н = 4,5 Э

При возбуждении структуры двумя полями, /г|СО8(тг/7) и йгСО^л/гВ наблю-
дается эффект резонансного смешения магнитных полей [222], и она генерирует
напряжение с разностной и суммарной частотами /] ±/1. На рис. 9.30 показаны
амплитудно-частотные характеристики для структуры Р2П'-Ме1§1а8 при изме-
нении частоты/] первого поля и разных фиксированных частотах/2 - второго.
Пики на кривых отвечают условию резонанса ]/] ±Д| =/о, где /о = 0,7 кГц - ча-
стота изгибных колебаний структуры. Полевая зависимость эффективности
смешения полей, как и эффективность генерации второй гармоники, определя-
ется второй производной от магнитострикции по полю Л|-2-) (//) и достигает мак-
симума при Н= 0.

Рис. 9.30. Нелинейное сллешение ллагнитных полей с частоталли 6 и /2
в коллпозитной структуре Р2Т МеТдгаз при полях ф = 62 = 2 Э и Н = 0.

Частота изгибных колебаний структуры (о = 0 7 кЕц

Эффективностью преобразования полей в композитных структурах
можно управлять с помощью не только постоянного магнитного поля Н, но и
постоянного электрического поля Е, приложенного к ПЭ-слою [223]. На
рис. 9.31 приведены зависимости от приложенного электрического поля резо-
нансной частоты изгибных колебаний Д и генерируемого на этой частоте
напряжения 171 для Мт - РХТ-структуры. Деформации, созданные вследствие
обратного пьезоэффекта полем Е, приводят к перенормировке модуля Юнга
ПЭ-слоя и структуры в целом, что вызывает сдвиг резонансной частоты изги-
бных колебаний структуры на ~12 %. Кроме того, поле Е приводит к измене-
нию пьезомодуля 4/21 и диэлектрической проницаемости е РХТ-слоя и, как
следствие, к изменению амплитуды генерируемого структурой напряжения
III. При полях Е ® ±6,5 кВ см 1 происходит инверсия поляризации РХТ-слоя,
и амплитуда генерируемого напряжения обращается в нуль.

При приложении к ПЭ-слою структуры постоянного электрического
поля Е большой напряженности наблюдается значительный обратный стати-
ческий МЭ-эффект [224, 225]. Электрическое поле вследствие обратного пье-
зоэффекта вызывает деформацию подложки ПЭ-слоя, которая передается ФМ-
слою и приводит к возникновению в нем эффективного поля одноосной маг-
нитной анизотропии

ку

Нед-=3\(1еГГ—, (9.14)

М,

где У, 7. и /И, - соответственно модуль Юнга, магнитострикция и намагничен-
ность насыщения ФМ-слоя;
с1ек = (с?з1 - Лг) / (1 + у) - эффективный пьезомодуль;

у - коэффициент Пуассона ПЭ-слоя.

Рис. 9.32 демонстрирует обратный статический МЭ-эффект - изменение
формы петли гистерезиса при приложении постоянного поля Е для пленки
аморфного РеСтаВ, изготовленной магнетронным напылением на монокри-
сталлической пьезоэлектрической подложке. Петли получены на вибрацион-
ном магнитометре при намагничивании кристалла Р2М - РТ вдоль оси [101] и
различных значениях Е.

Рис. 9.31. Зависимость резонансной частоты и МЭ-напряжения и,
от электрического поля Е, приложенного к ПЭ-слою
композитной структуры - °2Т

9.3 . Композитные материалы и устройства
магнитной стрейнтроники

При рассмотрении практических аспектов стрейнтроники следует обра-
титься к тем идеям приложений в электронике, компьютерной памяти, энерго-
сберегающих технологиях, сверхвысокочастотной и сенсорной технике, кото-
рые изначально разрабатывались для мультиферроиков и магнитоэлектриков
[4, 226-228]. Использование композиционных материалов и стрейнтронных
гетероструктур позволило воплотить в жизнь многие из этих идей или, по
крайней мере, приблизиться к их реализации.

9 3.1. Состав и методы изготовления структур

Наибольший интерес для магнитной стрейнтроники представляют слои-
стые структуры с двумерными деформациями типа 2-2 в виде чередующихся
магнитострикционных и пьезоэлектрических слоев, механически связанных
друг с другом. В таблице 2 перечислены основные магнитострикционные и
пьезоэлектрические материалы, которые используются для изготовления
слоев [229-231].

Среди магнитострикционных материалов перспективными являются
аморфные сплавы на основе железа, которые обладают достаточно большой
магнитострикцией насыщения, ~ (2—4) * I О 5, в малых полях, //, ~ 10-100 Э;
сплавы на основе галлия и редкоземельных элементов, обладающие гигант-
ской магнитострикцией, ~ 10 4 - 10 2; различные ферриты с низкой электро-
проводностью. В качестве пьезоэлектриков широко применяются керамики на
основе Р7Т, кристаллы РМЛ - РТ и РХИ - РТ с большим пьезомодулем, кри-
сталлы нитрида алюминия, лангатата, ниобата лития и другие, отличающиеся
высоким отношением пьезомодуля к диэлектрической проницаемости и низ-
кими акустическими потерями. Для изготовления гибких структур исполь-
зуют слои из полимерных пьезоэлектриков полиуретана и РУЛЕ. Наконец, для
сопряжения с технологиями микро- и акустоэлектроники перспективны струк-
туры со слоями из пьезополупроводников типа 7п8, ОаАя и др.

Композитные структуры изготовляют различными методами, в зависи-
мости от толщины слоев. Метод склейки позволяет создавать структуры со
слоями толщиной от нескольких десятков микрометров до нескольких милли-
метров и обеспечивает хорошую передачу деформаций между слоями. Метод
тонкопленочной керамической технологии с последующим спеканием при
температурах до -1000 °С применяется для изготовления структур со слоями
толщиной 10-50 мкм. С помощью электролитического осаждения металлов
(№, Со) можно наносить магнитострикционные слои толщиной от нескольких
единиц до нескольких десятков микрометров на поверхность любой формы.
Для изготовления тонкопленочных структур с магнитострикционными и пье-
зоэлектрическими слоями толщиной от нескольких нанометров до нескольких
микрометров применяют отработанные методы лазерного напыления, магне-
тронного напыления, осаждения из газовой фазы, молекулярно-лучевую эпи-
таксию, метод центрифугирования (зрт соа!т§), метод струйного пиролиза
(зргау руго1у81з), комбинированные технологии на основе указанных методов
и др. При изготовлении тонкопленочных композитных структур высокотемпе-
ратурными методами большое значение имеет выбор материала подложки и
температурного коэффициента расширения, который должен быть близок к
соответствующим характеристикам слоев, чтобы предотвратить разрушение
структур в процессе охлаждения.
Таблица 9 2

Материалы, используемые для изготовления
композитных структур

Магнитострикционная фаза Пьезоэлектрическая фаза
Металлы; М1, Со, Не Керамика РЬ(ХгТ|)Оз (Р2Т)
Сплавы: пермендюр (Гео^Соо^Уод), галфенол (бао.рРесш), самфенол (8т Ес,), терфенол-Д (ТЬ|-Д)улНе2), №МпСа Керамики и монокристаллы: РЬ(МВ|,зМЬ2/3)Оз РЬТЮ, (РМ1Ч-РТ), РЪ(2п|/зЫЪг/з)Оз РЬТЮ, (Р2М-РТ), РЬ./г.рзМЬ,,,),.-(2гУП, Оз (Р.МЬ Р2Т)
Аморфные сплавы на основе Ре: I еВЬ1,1 сВыС, РеСоВ. ЕсСоЗг РеСоЖВ Пьезокристаллы: А11Ч, ВаТЮз, 1лМЬОз. кварц. Ва1_л5глТ1Оз, Ьаба^Тао §О]д (1_СТ)
Ферриты; ТзЕезОп, МГезОд» СоЕсзОд, 1л-феррит, Мп-феррит, гексаферрит Ва Пьезополимеры: ро1уиге1Иапе (РП) и Ро1уу|пПк1епс ШЙиогкЗе (РУОР)
Керамики: ЕезО4, 2п01Ее59О4, Ьа.гЗгрМпОз. Еа^Са» МпОз Полупроводники: 2п8, СаАя, СаР

9.3.2. Устройство памяти и логики,
переключаемые электрическим полем

Значительный интерес к стрейнтронике обусловлен возможностью со-
здания на ее основе магнитных запоминающих ячеек и компьютерных эле-
ментов логики [4, 6, 24, 94, 97, 98, 110, 111, 119, 127, 232-234]. Достоинством
стрейнтронных устройств, наряду с минимальным рассеиванием энергии при
процессах записи / считывания и обработки информации, является возмож-
ность их использования в технологии на основе комплементарной логики на
транзисторах металл - оксид - полупроводник) (КМОП) (сотр1етеп(агу
те1а1 - охк1е - зеппсопйисЮг, СМО8). Рассматриваемые ниже схемы памяти
и логики можно охарактеризовать как гибрид стрейнтроники и спинтроники,
поскольку приложение механического напряжения приводит к вращению
намагниченности (ансамбля спинов) для выполнения вычислительных опе-
раций [6, 94].

По аналогии с туннельной магнитнорезистивной ячейкой памяти
(Ма”пе1огеч81|\'е Капдот-Ассезз Метогу, МКАМ), запоминающая стрейн-
тронная ячейка магнитоэлектрической памяти произвольного доступа (Ма§пе-
1ое1есЦ|с Капсют-Ассезз Метогу - МеКАМ) состоит из двух ферромагнитных
однородно намагниченных слоев (с фиксированной и относительно свободной
ориентацией намагниченности), разделенных туннельным зазором из оксида
и нанесенных на пьезоэлектрическое основание (рис. 9.32). Свободный слой
расположен вблизи пьезоэлектрика, и ориентация его намагниченности изме-
няется под действием механических напряжений, индуцированных при сжа-
тии или растяжении пьезоподложки в результате приложения к ней электри-
ческого потенциала. Фиксированный слой сохраняет при этом ориентацию
своей намагниченности. Ток, протекающий в таком магниторезистивном
устройстве, испытывает электрическое сопротивление в зависимости от угла
между векторами намагниченности в фиксированном и свободном ферромаг-
нитных слоях. Максимальное изменение тока происходит при повороте намаг-
ниченности в свободном слое на 180° относительно намагниченности в фик-
сированном слое.

Для создания элементов стрейнтроники в нанометровом масштабе
лучше всего подходят однодоменные ферромагнитные частицы эллиптиче-
ской формы. Форма частиц, точнее, их аспектное соотношение (отношение
размеров длинной оси к короткой), определяет их чувствительность к дефор-
мации. У частиц удлиненной формы с большим аспектным соотношением маг-
нитная анизотропия формы преобладает над магнитоупругой анизотропией, и
ориентация намагниченности частицы будет фиксированной (другой способ
фиксации намагниченности в слое - использование дополнительного антифер-
ромагнитного слоя, обменно с ним связанного) [235]. Намагниченность более
широкой частицы, в которой магнитоупругая анизотропия преобладает над
анизотропией формы, можно считать относительно свободной, и она будет по-
ворачиваться при приложении электрического потенциала к пьезоподложке.
На таком принципе основана ячейка МеКАМ, схематически изображенная на
рис. 9.32. В ней используются только два электрода, поэтому необходимо еще
небольшое дополнительное внешнее магнитное поле Нх для создания двух
энергетических стабильных состояний с разной ориентацией намагниченно-
сти, соответствующих 0 и 1. В ячейке, представленной на рис. 9.32, максималь-
ный ток будет течь через туннельную структуру тогда, когда векторы М и Мо
направлены в одну сторону (состояние 0), а минимальный - когда намагничен-
ность перейдет в положение М1 при подключении электрического потенциала
к пьезоподложке. Угол между направлениями намагниченности в двух поло-
жениях, Ми М{, в зависимости от величины Нх и магнитной анизотропии ча-
стицы составляет от 90 до 170° (см. табл. 9.1).

Недавно была продемонстрирована возможность использования четы-
рехэлектродной схемы управления сопротивлением ячейки памяти, аналогич-
ной представленной на рис. 9.32, но без дополнительного внешнего магнит-
ного поля. Отличительной особенностью ячейки является использование в ней
эллиптических частиц с фиксированной и свободной намагниченностью,
длинные оси которых направлены под углом 45° друг к другу [236]. Модели-
рование запоминающего стрейнтронного устройства из массива таких ячеек
показало, что по минимальным значениям энергозатрат и частотным характе-
ристикам такое устройство на порядок превосходит известные аналогичные
запоминающие структуры, созданные по технологии КМОП [236].

В качестве пьезоподложек чаще всего используют цирконат-титанат
свинца - Р2Т (РЬТ1О« - РЬ2гОз) [107, 110, 237] и магнониобат свинца - РМЛ -
РТ (0,70 РЬ (М§1дМЬ2/з)Оз - 0,3 РЬ ТЮз) [24, 130]. В качестве материалов для
ферромагнитных слоев при модельных расчетах используют № [25, 107, 238],
Со [24, 97, 110], РеОа [130], ТЬРег [105], СодоРеадВзо [112]. Благодаря макси-
мальной магнитострикции при комнатной температуре многие расчеты вы-
полнены для сплава ТЬодОуо.зРез (ТегГепоЬВ - терфенол-Д) [239].

При обычной схеме МеКАМ, приведенной на рис. 9.33, время записи со-
ставляет от 2 до 10 нс, энергия, рассеиваемая при записи одного бита инфор-
мации с вероятностью, близкой к 100 %, составляет около 4 аДж (согласно ре-
зультатам модельных расчетов) [94, 98, 130]. Такой расход энергии в 104 раз
меньше такового при записи информации по методу 8ТТ - КАМ [240] и
в 10 раз меньше, чем при использовании метода 8ТТ - На11 [241, 242]. В по-
следнем методе выигрыш в энергии связан с передачей магнитного момента
атомам свободного слоя от спин-поляризованных электронов (8ТТ-эффект),
которые формируются в результате гигантского спинового эффекта Холла.

Материалы с высоким коэффициентом магнитострикции, такие как тер-
фенол-Д, обеспечивающие большой магнитоупругий эффект, не позволяют
получить значительного изменения сопротивления в туннельной магниторе-
зистивной ячейке. Поэтому была предложена более эффективная схема
стрейнтронной ячейки памяти, в которой выделены два отдельных блока: блок
считывания и блок записи (рис. 9.33) [243]. В ней непосредственно к пьезо-
электрику примыкает магнитострикционный слой терфенола-Д, намагничен-
ность которого поворачивается вследствие индуцированной в нем анизотро-
пии напряжений при приложении электрического потенциала к пьезопод-
ложке в процессе записи информации. При этом намагниченность располо-
женного рядом свободного слоя также вращается из-за магнитной дипольной
связи с магнитострикционным слоем. В блоке считывания слой со свободной
намагниченностью формируется из СоРеВ, использование которого позволяет
в туннельных структурах получать магнетосопротивление величиной до
300 % [244].

Если в магнитострикционном слое инициируется достаточно большое
механическое напряжение, то проекции векторов намагниченности обоих
слоев ориентируются вдоль короткой оси частицы, а сами векторы выходят из
плоскости. Намагниченности этих слоев сохраняют антипараллельную ориен-
тацию, когда они достигают жесткой оси (так как они остаются антиферромаг-
нитносвязанными). Магнитострикционный слой при снятии с него напряже-
ния переключается из-за внеплоскостного отклонения намагниченности в про-
тивоположное направление, при повороте намагниченности в частице на 180°
без участия дополнительного внешнего магнитного поля (см. рис. 9.11) [6,101,
102, 125]. В итоге в режиме записи информации реализуется поворот намагни-
ченности свободного слоя на 180° относительно намагниченности фиксиро-
ванного слоя, что приводит к существенному изменению сопротивления блока
считывания. Модельные расчеты с использованием уравнения ЛЛГ показали,
что энергия, рассеиваемая при записи одного бита, менее 1 аДж, а время за-
писи - меньше 1 нс [243]. Такая процедура переключения намагничивания на
180° требует считывания состояния намагничивания для определения мо-
мента, в который проекция намагниченности занимает положение вдоль ко-
роткой оси эллиптической частицы. Если для этого используются обычные
транзисторные токовые устройства с высоким тепловыделением от перемеща-
ющихся электронов, то рассеяние энергии сведет на нет преимущества
стрейнтронной схемы записи [94]. Решение этой проблемы авторы работы [19]
видят в создании и использовании стрейнтронного транзистора, который мо-
жет заменить аналоговый токовый транзистор в устройствах со сверхнизкими
затратами энергии в системах обработки информации.

Большинство работ по созданию запоминающих стрейнтронных ячеек
посвящено теоретическим исследованиям и модельным расчетам, позволяю-
щим предсказать величину рассеиваемой энергии и времени записи одного
бита информации, оценить вероятность ошибки и вклад тепловых шумов.

В одной из первых экспериментальных работ многослойная ферромаг-
нитная макрочастица осаждалась на коммерческий пьезоэлектрический при-
вод [237]. Осаждение проводилось во внешнем магнитном поле, за счет кото-
рого частица после осаждения приобретала одноосную магнитную анизотро-
пию. В дальнейшем внешнее магнитное поле//, “ 0,13 Тл использовалось для
поддержания в частице двух стабильных состояний намагниченности, соот-
ветствующих нулю и единице [105, 106, 130]. Подача на пьезоэлемент элек-
трического импульса длительностью 10 мс индуцировала сжатие или растяже-
ние (в зависимости от полярности импульса) и переход намагниченности
вследствие магнитоупругого эффекта в одно из стабильных состояний. Это
подтверждали измерения намагниченности с помощью вибрационного магни-
тометра и магнитооптического эффекта Керра.

Рис. 9.32. Структура запоминающей стрейнтронной
туннельной МЭ-ячейки с дипольно связанными
магнитострикционным и свободным слоями

Дальнейшим развитием этой идеи стал прототип ячейки памяти
МеКАМ с возможностью магнитоэлектрического считывания (рис. 9.34)
[129, 245]. Макет устройства устойчиво переключался импульсами длитель-
ностью 0,25 мс (рис. 9.34, б). Считывать записанную информацию (т. е. по-
ложение вектора М) можно с помощью магниторезистивного датчика либо с
использованием обратимости МЭ-эффекта: изменение магнитного состояния
ФМ-слоя сопровождается импульсами «магнитоэлектрического» напряже-
ния Рте, которое авторы [129] определяют как разницу между сигналами,
снимаемыми с сопротивления нагрузки в присутствии и в отсутствие магнит-
ного поля, Уп,е = УК(Н) - Рг(О). Это напряжение отлично от нуля только при
переключении намагниченности в устройстве, поэтому при повторном им-
пульсе записи той же полярности, не приводящем к изменению состояния
элемента, сигнал Уме отсутствует (нижний график на рис. 9.34, б). Данная
процедура относится к схемам считывания с разрушением информации, так
как для того чтобы считать информацию, надо изменить состояние элемента.
Начальное состояние, будучи считанным, далее восстанавливается дополни-
тельным импульсом записи. В недавней публикации [246] той же команды
авторов предложена новая модификация метода МЭ-считывания на основе
разностных измерений с использованием мостовой схемы.

Наличие упорядочения двух видов - магнитного и сегнетоэлектриче-
ского - в МЭ-композитах позволяет реализовывать память нового типа с че-
тырьмя устойчивыми состояниями [247]. Устойчивые состояния элемента
МеВАМ-памяти 1-1У отличаются противоположными направлениями намаг-
ниченности в магнитном слое Со и поляризации в пьезоэлектрическом слое из
Р/Т (рис. 9.35). Оба материала имеют достаточно широкие петли гистерезиса
и значительные остаточные намагниченность и поляризацию. Для считывания
информации можно использовать либо прямой МЭ-эффект [129], либо тради-
ционные методы считывания информации в магнитной памяти, например,
с помощью резистивных датчиков. Применение четырехуровневых элементов
памяти потребует использования новых схем построения памяти, но может
обеспечить ряд преимуществ над существующими технологиями.

Одно из последних экспериментальных достижений - создание прото-
типа МеКАМ, работающего в режиме туннельного спинового клапана, управ-
ляемого электрическим полем через пьезоподложку [248]. Это размещенная
на кристаллической пьезоподложке из РМЛ-РТ многослойная структура
СогоРббоВэо (Ю НМ) / М§0 (1,8 нм) / СозоРевоВго (4 нм) размером 8Х3 мкм2, име-
ющая в плоскости эллиптическую форму. Данное устройство обладает рядом
отличительных особенностей: близко расположенные магнитные слои ди-
польно связаны между собой; слой толщиной 10 нм является магнитожестким
и имеет большую коэрцитивную силу, чем магнитомягкий слой толщиной
4 нм; небольшое внешнее магнитное поле (3 мТл), направленное вдоль длин-
ной оси частицы; специальная форма двух электродов, обеспечивающая кон-
центрацию механических напряжений на частице, индуцирует через пьезопод-
ложку локальные напряжения в обоих слоях.

При приложении к электроду напряжения 80 В эффективное поле маг-
нитоупругой анизотропии компенсирует действие внешнего поля, и векторы
намагниченности верхнего и нижнего слоев частицы ориентируются в про-
тивоположных направлениях из-за магнитостатического дипольного взаимо-
действия между ними. Это подтверждено результатами моделирования
намагниченности с помощью известной компьютерной программы ООММР
(рис. 9.36, а) [248]. Поскольку угол между намагниченностями верхнего и
нижнего слоев составляет 180°, сопротивление в этом случае максимально.
При приложении к электродам напряжения -80 В внешнего магнитного поля
достаточно для того, чтобы сформировать сонаправленную ориентацию
намагниченности двух слоев, обеспечивающую минимальное сопротивление
протекающему через них току (рис. 9.36, б). Таким образом, с помощью элек-
трического потенциала переменного знака реализовано переключение сопро-
тивления туннельной магниторезистивной гетероструктуры (рис. 9.36, в).
В работе [248] предполагается, что использование пьезоподложки толщиной
100 нм снизит энергию диссипации на шесть порядков, до 20 а Дж, а исполь-
зование четырех электродов вместо двух позволит отказаться от внешнего
магнитного поля.

Минимальные затраты энергии при записи и обработке информации сти-
мулируют создание стрейнтронных логических устройств [24, 25, 94, 96, 239,
249-251]. Логические элементы (наномагниты) располагаются в определен-
ных местах на поверхности, так что дипольные взаимодействия между ними
определяют желаемые логические операции над битами, закодированными в
их ориентациях намагниченности. Логические схемы-переключатели в этом
случае связаны между собой «проводами» в виде цепочки близко расположен-
ных магнитных наночастиц с дипольной связью между соседями. Передача
двоичной информации происходит не благодаря переносу электронов, как в
обычной электронике, а за счет последовательного переворота намагниченно-
сти в однодоменных наночастицах, расположенных на пьезоподложке, - так
называемого переключения Биннета (Веппе! с1оскт§) [252].

Примером поворота намагниченности в двух дипольно связанных части
цах является перемагничивание двух соседних частиц Со на пьезоподложке
РММ-РТ [24]. Частицы 1 и 2 толщиной 12 нм имеют разные аспектные соот-
ношения: у первой частицы 1,67, а у второй 1,14 (рис. 9.37). Расстояние между
ними ~300 нм. Предварительно частицы были намагничены в одном направ-
лении (направление магнитного поля отмечено белой стрелкой) (рис. 9.37, г).
Под действием механического напряжения, индуцированного со стороны пье-
зоподложки (~80 МПа), намагниченность частицы 2 с более низкой анизотро-
пией формы поворачивается примерно на 90°, в то время как намагниченность
частицы 1 поворачивается незначительно из-за доминирования превышения
магнитной анизотропии формы над индуцированной магнитоупругой анизо-
тропией (рис. 9.37, б). Такая ориентация намагниченности в частицах 1 и 2
определяется не только наведенной магнитоупругой анизотропией, но и ди-
полъ-дипольным взаимодействием между частицами. Когда напряжение сни-
мается, намагниченность частицы 2 вращается вследствие диполь-дипольного
взаимодействия с частицей 1 и занимает новое энергетически выгодное поло-
жение (рис. 9.37, в). Важно, что для дипольно связанных частиц поворота
намагниченности одной из них на угол, близкий к 90°, достаточно для пере-
ключения ее намагниченности в стабильное состояние с противоположной
ориентацией - из состояния 0 в состояние 1. Экспериментально переворот
намагниченности во второй частице наблюдается с помощью магнитно-сило-
вой микроскопии. Необходимо отметить, что только у одной пары частиц из
четырех, представленных на МСМ-изображении (отмечена желтой стрелкой),
происходит такое переключение (рис. 9.37, г, д). Последнее связано с несовер-
шенством литографического процесса при получении частиц нужных размера
и формы. Даже при небольших отклонениях в размерах это приводит к раз-
бросу в величине магнитной анизотропии, определяемой формой частиц,
и уменьшению вероятности переключения их намагниченности [24].

Важным элементом логической системы является «бинарный нанопро-
вод», который необходим для однонаправленной передачи бита от одного ло-
гического элемента другому. «Бинарный нанопровод» может состоять из
идентичных однодоменных дипольно связанных наночастиц, как показано на
рис. 9.38. Требуемая ориентация намагниченности каждой частицы задается с
помощью деформации, которая генерируется в слое пьезоэлектрика, лежащем
под каждой частицей, посредством приложения к ней электростатического по-
тенциала. При этом важную роль играет дипольное магнитное взаимодействие
с ближайшими соседями. В исходном состоянии цепочка из четырех эллипти-
ческих наночастиц находится в основном состоянии с антиферромагнитной
взаимной ориентацией намагниченности, обозначенной красными стрелками
на рис. 9.38, а.

Если намагниченность первой частицы переворачивается под внешним
воздействием, то вторая частица оказывается в нестабильном состоянии, когда
дипольные воздействия от соседей слева и справа взаимно компенсируются
(рис. 9.38, б). На следующем этапе вторая и третья частицы подвергаются воз-
действию электрически индуцированных напряжений и в результате намагни-
ченности приобретают направление, близкое к направлению жесткой оси (рис.
9.38, в). Затем вторая частица освобождается от деформации и переходит к
желаемому состоянию с намагниченностью, направленной противоположно
намагниченности первой частицы (рис. 9.38, г). Это происходит потому, что
дипольное взаимодействие частицы с левым соседом теперь сильнее, чем с
правым, так как вращающий момент, индуцированный полем со стороны ле-
вой частицы, больше, чем со стороны правой.

Таким образом, последовательно включая шаг за шагом напряжение в
двух соседних частицах слева направо, можно передать информацию о пово-
роте намагниченности в первой частице к последней частице в цепочке. Этот
процесс и лежит в основе переключения Биннета [94, 96, 239]. Численные
оценки показывают, что при работе такого стрейнтронного провода с частотой
передачи информации 1 ГГц необходима энергия всего 0,8 аДж для перемаг-
ничивания в нем одной наночастицы из терфенола-Д размером порядка 100 нм
при расстоянии между частицами 200 нм. В проводе из четырех наномагнети-
ков полное рассеяние энергии при передаче одного бита ~1,6 аДж [239].
Кроме эллиптических частиц, в бинарном нанопроводе можно исполь-
зовать круглые частицы [25]. Но для этого в каждой из них вместо отсутству-
ющей магнитной анизотропии формы необходимо индуцировать магнито-
упругую анизотропию подключением потенциала к пьезоподложке, располо-
женной под каждой частицей, как и в предыдущем случае. В результате круг-
лые частицы становятся бистабильными, и по цепочке из них можно переда-
вать цифровую информацию по механизму Биннета, так же, как и в цепочке из
эллиптических частиц. В то же время круглые частицы имеют ряд преиму-
ществ: 1) устраняется энергетический барьер анизотропии формы, что умень-
шает количество энергии, необходимое для переориентации намагниченно-
сти; 2) размер в плоскости может быть уменьшен (до 20 нм), что ранее было
невозможно из-за проблем с термической стабильностью. В круглых частицах
магнитоупругая анизотропия, индуцированная напряжением, стабилизирует
намагниченность даже при размерах частиц в несколько десятков нанометров,
устраняя проблему термической нестабильности. Это позволяет строить нано-
магнитную логику на частицах существенно меньшего размера.

Модельные расчеты подтверждены экспериментальными исследовани-
ями с помощью магнитооптического метода Керра для ансамбля круглых ча-
стиц никеля диаметром 100 нм на пьезоподложке РМН - РТ. В частности, было
продемонстрировано, что диполь-дипольное взаимодействие между части-
цами существенно влияет на формирование в них магнитной анизотропии с
помощью электрического потенциала, приложенного к пьезоподложке [25].

Рис. 9.33. Схема запоминающей стрейнтронной туннельной МЭ-ячейки
с дипольно связанными магнитострикционным и свободным слоями

На основе описанного выше метода передачи информации между ди-
польно взаимодействующими частицами в принципе могут быть построены
стрейнтронные логические устройства. Примером такого устройства, выпол-
няющего логическую операцию И - НЕ, может быть структура из 12 наноча-
стиц терфенола-Д размером 100 нм с аспектным отношением 1,1 [97]. На
рис. 9.33 расстояние между частицами в направлении малой оси г = 200 нм,
в направлении большой оси - д, / 3 / 2 г. Моделирование работы такого устрой-
ства с помощью уравнений ЛЛГ показало, что последовательное подключение
потенциалов к пьезоэлектрикам, размещенным под каждой из частиц, обеспе-
чивает время срабатывания такого устройства 2 нс с рассеиваемой мощностью
на каждой операции И - НЕ в 5 аДж на 1 бит [97].

К сожалению, в дипольных логических структурах вероятность ошибоч-
ного переключения намагниченности велика не только из-за несовершенства
в изготовлении элементов (частиц), но и из-за вклада тепловых шумов [104,
119, 251]. Уменьшение расстояния между частицами снижает вероятность
ошибки до 10 6 благодаря увеличению диполь-дипольного взаимодействия
между частицами, однако ошибка всё еще недостаточно мала. Делаются по-
пытки повысить устойчивость работы таких логических устройств, дополни-
тельно управляя процессом переключения намагниченности в частицах, од-
нако проблема снижения вероятности ошибки до приемлемого уровня пока не
решена [119].

Более перспективным считается использование в качестве стрейнтрон-
ного элемента описанной выше логики туннельной магниторезистивной
ячейки [237, 249], представленной на рис. 9.32. Эта ячейка также может вы-
полнять логическую операцию И - НЕ, если в качестве входных сигналов ис-
пользовать потенциалы VI и Кг, подключаемые соответственно к левому и пра-
вому электродам, расположенным на пьезоэлектрике вблизи ячейки, а в каче-
стве выходного сигнала - падение напряжения на ячейке. Расчетные оценки
показывают, что время на выполнение одной операции в такой структуре
1,3 нс, рассеянная энергия 12,4 аДж, а вероятность ошибки менее 10 [249].

Магнитное диполь-дипольное взаимодействие между стрейнтронными
элементами может также использоваться для обработки изображений [253]
в задачах подавления шумов (случайных пикселей, отличающихся по цвету от
непосредственного окружения) или для подчеркивания края объектов. В этом
случае пикселям соответствуют стрейнтронные элементы с двумя логиче-
скими состояниями, отвечающими взаимно перпендикулярным направлениям
намагниченности (они задаются анизотропией формы частицы и внешним
магнитным полем, подобно тому, как это изображено на рис. 9.32). Как пока-
зывает компьютерное моделирование [253], приложение механического
напряжения к матрице стрейнтронных элементов (посредством приложения
электрического напряжения к общей для всех них сегнетоэлектрической под-
ложке) при наличии диполь-дипольного взаимодействия изменяет намагни-
ченность элемента таким образом, что элемент по «цвету» становится сравни-
мым с окружающим фоном. После снятия напряжения большая часть пиксе-
лей возвращается в исходное состояние, а случайные отклонения в контрасте
исправляются. На рис. 9.40 показан результат обработки диффузной границы
между темным и светлым полями - после приложения и снятия напряжения
возникает четко очерченный край между темным и светлым полями.

Очевидным преимуществом стрейнтронных элементов в виде запомина-
ющих ячеек и логических устройств является их рекордно низкое энергопо-
требление как при записи [6], так и при считывании [129] информации. Основ-
ной недостаток - сравнительно невысокая плотность размещения таких эле-
ментов. Однако существует множество применений в мобильной электронике,
космических компьютерах и медицинских имплантированных процессорах,
в которых энергоэффективность является определяющей характеристикой,
поэтому стрейнтронные устройства будут чрезвычайно привлекательными
для подобных приложений.

9.3.3. Датчики, преобразователи энергии, микродвигатели

Обусловленное деформациями преобразование магнитных и электриче-
ских полей в композитных структурах можно также использовать для созда-
ния высокочувствительных датчиков магнитных полей [254, 255] и автоном-
ных источников энергии [256].

Рис. 9.34. Энергонезависимая память с переключением
электрическим полем (РеСо), 4 нм. Магнитострикционная
пленка из 25 обменно-связанных слоев общей толщиной 100 нм [129]

Зависимость амплитуды переменного напряжения, генерируемого ком-
позитной структурой, от магнитного поля, в котором она находится, можно
использовать для измерения амплитуды переменных магнитных полей [257].
Такой датчик содержит слои микрометровой толщины из магнитострикцион-
ного и пьезоэлектрического материалов, напыленные на балку из кремния
(рис. 9.41, а), которая представляет собой колебательную систему с относи-
тельно высокой добротностью, порядка 300. На частоте резонанса (~0,9 кГц)
структура характеризуется магнитоэлектрическим коэффициентом ае =
= 5 кВсм 1 Э 1 и уровнем собственных магнитных шумов менее 4 нВ Гц4/2,
что позволяет регистрировать переменные поля с минимальной амплитудой
до -400 фТл.

Магнитное поле Н. кЭ

Рис. 9.35. Четырехуровневая память на основе композитной
структуры Со - Р2Т. Переключение между состояниями производится
путем приложения импульсов внешнего поля Н > 1,5 кЭ
или электрического поля Е > 2 кВ см [247]

Датчик аналогичной конструкции, но работающий в низкочастотном
диапазоне, был выполнен на основе гибкой структуры Ме1«1ач - РУВР, изго-
товленной напылением пьезополимера непосредственно на магнитострикцио-
ный слой [214]. Датчик позволял регистрировать магнитные поля с минималь-
ной амплитудой до —10 пТл (на частоте резонанса изгибных колебаний —30 Гц
структура имела МЭ-коэффициент аЕ = 850 В см : Э что в 40 000 раз превы-
шает коэффициент линейного МЭ-эффекта в классическом магнитоэлектрике
СгзОз). Продемонстрировано применение МЭ-датчиков магнитных полей для
считывания информации с магнитных дисков [258]. МЭ-датчики на композит-
ных структурах могут также использоваться в качестве антенн, детектирую-
щих магнитную компоненту электромагнитного излучения мега- и гигагерцо-
вого диапазонов: достоинством таких датчиков является дополнительная воз-
можность миниатюризации в несколько сотен раз по сравнению с традицион-
ными электромагнитными антеннами, поскольку размер МЭ-датчиков опреде-
ляется длиной волны акустических колебаний в композитной структуре, а не
электромагнитного излучения [259].
Рис. 9.36. Изменение сопротивления в стрейнтронной туннельной ячейке
(спиновом клапане). Ориентация намагниченности в верхнем и нижнем
магнитных слоях при максимальном (а) и минимальном (б) сопротивлении;
в - экспериментальною зависимости изменения сопротивления
при последовательном переключении приложенного к пьезоподложке
напряжения от -80 до 80 В [248]

Для целого ряда применений (например, в магнитокардиографии и маг-
нитоэнцефалографии) требуются широкополосные высокочувствительные
датчики, способные регистрировать поля в диапазоне низких частот, 1-100 Гц.
Это стимулировало разработку новых принципов создания датчиков магнит-
ных полей на основе композитных структур.

Для измерения низкочастотных полей предложено использовать эффект
смешения магнитных полей с переносом частоты в более высокочастотную
область [260-262]. Спектр частот измеряемого поля переносится в более вы-
сокочастотную область, где шумы измерительной электроники минимальны.
Таким образом, удается зарегистрировать низкочастотные поля и на порядок
снизить величину минимального регистрируемого поля. Аналогичная идея ис-
пользована в анализаторе спектра низкочастотных магнитных полей [263]. Ис-
следуемое переменное магнитное поле смешивается с полем, созданным гене-
ратором накачки, и сигнал регистрируется на суммарной или разностной ча-
стоте, равной частоте акустического резонанса. При сканировании частоты
поля накачки прописывается спектр частот исследуемого магнитного поля.

Рис. 9.37. Перемагничивание дипольно связанных частиц
кобальта 1 и 2 с разным аспектным соотношением:
а - в исходном состоянии' б - при деформации растяжения со стороны
пьезоподложки: в - после снятия деформации. МСМ-изображение
четырех пар частиц до (г) и после (д) воздействия упругой деформации [24]

Однако описанные выше датчики не позволяют измерять постоянные
магнитные поля, поскольку из-за конечной проводимости ПЭ-слоя структуры
выходной сигнал сильно убывает на частотах < 1 Гц [264]. Для измерения по-
стоянных полей предложен магнитострикционый аналог феррозондового
(ПихдаГе) магнитометра (рис. 9.41, б), который использует нелинейную зави-
симость магнитострикции ФМ-слоя от магнитного поля [265, 266]. Композит-
ную структуру помещают в гармоническое поле накачки с достаточно боль-
шой амплитудой к(1), созданное катушкой, и параллельное ему измеряемое
поле Н. В результате нелинейного МЭ-эффекта структура генерирует гармо-
ники напряжения. Как показано в [265, 266], амплитуды первой и третьей гар-
моник линейно зависят от Н, что и используется для измерения постоянного
поля. При достаточно большой амплитуде модулирующего поля, сравнимой с
величиной поля насыщения ФМ-слоя, Ь ~ Н8, гистерезис подавляется, что обес-
печивает высокую точность измерений. Датчик позволяет регистрировать
поля величиной до 1 мкЭ с частотами от нуля до 200 Гц.
В работах [267, 268] предложен МЭ-датчик постоянных полей, исполь-
зующий зависимость частоты акустического резонанса МЭ-структуры от по-
стоянного магнитного поля, возникающую из-за зависимости модуля Юнга
ФМ-слоя от вызванной магнитным полем магнитострикционной деформа-
ции. Датчик на основе структуры Ме(§1аз - Р7.Т, имеющий чувствительность
10 Гц мЭ позволял регистрировать изменения магнитного поля до 10 нТл.

Рис. 9.38. Переключение намагниченности е цепочке
дипольно-связанных эллиптических частиц на пьезоподложке:
а - исходное состояние: б - после поворота намагниченности в частице 1;
в - после подключения потенциала к пьезоподложке под частицами 2 и 3:
г - после снятия напряжения с частицы 2 и создания механических
напряжений в частицах 3 и 4

Для детектирования постоянных магнитных полей в стрейнтронике
можно также использовать иной принцип - изменение оптических свойств по-
лупроводниковых магнитных материалов, вызванное механическими дефор-
мациями. Так, коэффициент отражения в инфракрасном диапазоне в ферри-
магнитной шпинели СоЕезОд изменяется под действием магнитного поля бла-
годаря магнитострикционным свойствам материала и зависимости зонной
структуры шпинели от механических напряжений [269]. Однако чувствитель-
ность оптических стрейнтронных датчиков пока еще очень далека от чувстви-
тельности композитных гетероструктур: в магнитном поле величиной ~1 кЭ
коэффициент отражения изменяется на несколько процентов [269].

Рис. 9.39. Схема стрейнтронного устройства из 12 эллиптических
дипольно связанных наночастиц, выполняющего логическую операцию И - НЕ

До подачи
напряжения

Под напряжением

После снятия
напряжения

Приложение снято

напряжения

Рис. 9.40. Пояснение принципа обработки изображений средствами
стрейнтроники: вьгделение края темной полосы в матрице стрейнтронных
элементов после приложения и снятия механического напряжения
(темные и светлые пиксели соответствую1" элементам в двух
логических состояниях со взаимно перпендикулярными напряжениями
намагниченности). По мотивам работы [253]
Постоянное магнитное поле Н, Э

Рис. 9.41. Примеры сенсоров магнитного поля на основе
магнитоэлектрических композитных материалов:
а - датчик переменных полей на основе структуры РеСо$|В А1Ы [256],
РСВ (РппТес! ОгсоИ Воагс!) - печатная плата б - конструкция датчика
постоянных полей; в - зависимость выходного сигнала датчика
постоянных полей от измеряемого поля

Композитные структуры благодаря высокой предельной плотности
энергии в ФМ-фазе (ту ~ 10 Вт см3 для терфенола-Д) и ПЭ-фазе (ту ~ 10 Вт см3
для РХТ) могут использоваться не только для измерения магнитных полей, но
и для создания твердотельных устройств, преобразующих энергию магнит-
ного поля в энергию электрического поля. В работе [270] описан трансформа-
тор с управляемым с помощью постоянного магнитного поля коэффициентом
повышения напряжения (рис. 9.42). Трансформатор содержал композитную
структуру, помещенную в низкоомную электромагнитную катушку. Входное
напряжение на катушке создавало модулирующее магнитное поле с частотой
резонанса, выходное напряжение снималось с пьезоэлектрической пластины.
Коэффициент трансформации изменялся от нуля до максимального значения
260 при изменении величины постоянного магнитного поля от нуля до 300 Э;
расчетная эффективность передачи энергии достигала 50 %. Трансформаторы
на основе композитных структур могут обеспечить более высокий коэффици-
ент трансформации, чем чисто пьезоэлектрические устройства.

Часгога, кГц

Рис. 9.42. Транзистор с управлением коэффициента повышения напряжения-
। - конструкция трансформатора, б - зависимость коэффициента
передачи от частоты при полях смещения Нас = 38 и 300 Э [270]

Перспективным направлением стрейнтроники является создание авто-
номных маломощных генераторов электрической энергии на основе компо-
зитных структур, осуществляющих преобразование техногенных или природ-
ных переменных магнитных полей в постоянное напряжение (епег§у 1таг\ еч1-
т§) [271-273]. Такой генератор (рис. 9.43) содержит композитную структуру,
полупроводниковый выпрямитель и конденсатор большой емкости, нагружен-
ный сопротивлением К. Под действием переменного магнитного поля вслед-
ствие прямого МЭ-эффекта структура генерирует напряжение с амплитудой
до нескольких вольт. Выпрямленное напряжение возрастает с увеличением со-
противления нагрузки /?, а генерируемая мощность может достигать несколь-
ких десятков или сотен микроватт (рис. 9.43, б). Этого достаточно для зарядки
аккумулятора или питания модуля, содержащего какой-либо датчик и радио-
передатчик, осуществляющий беспроводную передачу информации. Такой ге-
нератор может обеспечить практически неограниченную длительность работы
и заменить химический элемент питания. К области применения МЭ-источни-
ков энергии относятся различные сенсорные, управляющие и охранные бес-
проводные сети.

Рис. 9.43. Генератор на основе стрейнтронной композитной структуры:
1 - схема автономного источника постоянного напряжения:
б - зависимость напряжения I/ и мощности Р от сопротивления Р нагрузки

Интересные возможности также открываются при использовании
стрейнтронных гетероструктур для создания микродвигателей. Стрейнтронные
гетероструктуры представляют собой магнитные частицы в форме плоского
кольца из Иг диаметром 500 нм, располагающиеся на пьезоэлектрической под-
ложке (рис. 9.44) [113, 238]. Одному из метастабильных магнитных состояний
такого кольца соответствует «луковичная» конфигурация намагниченности с
двумя магнитными полюсами в диаметрально противоположных точках кольца
(рис. 9.44, а). Поскольку геометрия магнитного кольца не предполагает ника-
кого выделенного направления, положение полюсов «луковицы» можно легко
менять посредством наведения магнитоупругой анизотропии в кольце, прикла-
дывая электрическое напряжение к пьезоподложке. Последовательным попар-
ным подключением шести электродов, размещенных вокруг кольца на пьез-
оподложке, можно поворачивать полюсы кольца на 360° [113]. Если на оси, пер-
пендикулярной плоскости кольца, закрепить постоянный магнит, то магнитные
поля рассеяния от полюсов кольца заставят его вращаться, преобразуя электри-
ческую энергию в энергию механического движения (рис. 9.44, б). Такие мик-
ромоторы, снабженные жгутиками, могут использоваться для доставки ле-
карств, управления движением нанороботов и в других приложениях наноме-
дицины (рис. 9.44, в) [274].

Конструкция микромоторов, а также некоторых видов стрейнтронных
датчиков и устройств сбора энергии предполагает механическое движение де-
талей устройства, поэтому данное направление стрейнтроники смыкается с
другой, более развитой, областью индустрии, использующей технологии
кремниевой микроэлектроники, - микро- и наноэлектромеханическими систе-
мами (МЭМС и НЭМС).

9.3.4. Устройства обработки радиосигналов,
перестраиваемые электрическим полем

Одно из перспективных направлений магнитной стрейнтроники - элек-
трически управляемые устройства СВЧ-диапазона [275,276]. Принцип их дей-
ствия основан на индуцированном в ФМ-слое эффективном поле магнитной
анизотропии с помощью деформаций, созданных ПЭ-слоем. Поле одноосной
анизотропии может приводить к существенному изменению ориентации
намагниченности магнитного слоя и, как следствие, к управляемому сдвигу
частоты ферромагнитного резонанса ФМР-структуры.

Феррома1 ни гное кольцо

Электроды

Поля рассеяния Ротор

Пьезоподложка

Рис. 9.44. Примеры микромоторов но основе кольцевой
стрейнтронной гетероструктуры:
а - схематическое изображение структуры;

б - вращение ротора при перемещении магнитных полюсов кольца;
в - наноробот для медицинских приложений [274]
4950

5000

5050

Частота. МГц

Рис. 9.45. СВЧ-резонатор на основе УЮ - РЛ-структуры
перестраиваемый магнитным и электрическим полями:
а - схема устройства; ССО - гадолиний-таллиевый гранат;
б - смещение линии ферромагнитного резонанса под действием
электрических полей различной полярности

На рис. 9.45 изображен СВЧ-резонатор / фильтр, перестраиваемый по ча-
стоте магнитным и электрическим полями [276]. Резонатор содержит пластину
Р/Т, к которой приклеена эпитаксиальная пленка железоиттриевого граната
(УЮ). Структура помещена в поле Н, направленное перпендикулярно ее плос-
кости. С помощью микрополоскового преобразователя в пленке УЮ возбуж-
дают ФМР на частоте/= у(Н — 4тгЛ7), где у = 2,8 МГц Э1 и 4пМ = 1750 Гс-
гиромагнитное отношение и намагниченность УЮ. Р/Т-пластина при прило-
жении электрического напряжения к ее электродам деформируется, эта дефор-
мация передается УЮ-пленке, что приводит к изменению поля анизотропии и
сдвигу частоты ФМР. Максимальная ширина полосы, в которой перестраива-
лась линия поглощения резонатора при приложении поля Е = ±10 кВ см ', была
значительно больше ширины линии и составляла 47 МГц, т. е. около 1 % от
центральной. Одновременно этот резонатор можно перестраивать (но доста-
точно медленно) в широком диапазоне частот 2-10 ГГц, изменяя внешнее
намагничивающее поле Н. Аналогичный эффект электрической перестройки
частоты ФМР наблюдали в структурах с пленками Ю-феррита и гексафер-
рита Ва. Для струкутуры РеОаВ - Р/М - РТ достигнута рекордно широкая пе-
рестройка частоты ФМР, от 1,8 до 7,5 ГГц, при изменении напряженности
электрического поля Е от нуля до 8 кВ см 1 [224]. Однако во всех перечислен-
ных материалах ширина линии поглощения, в отличие от таковой в пленках
УЮ, - большая, а само поглощение СВЧ-мощности невелико, что ограничи-
вает их применение.

Аналогичная композитная структура, содержащая пленку УЮ и две
микрополосковых линии, между которыми вклеена Р7Т-пластина с электро-
дами, может выполнять функции управляемой линии задержки [277] или фа-
зовращателя [278]. На входную микрополосковую линию подается СВЧ-сиг-
нал, который возбуждает спиновую волну длиной 10-100 мкм, распространя-
ющуюся по пленке УЮ. Микрополосковая линия по другую сторону пьезо-
электрика преобразует спиновую волну в выходной СВЧ-сигнал. Электроды
пьезоэлектрической пластины толщиной ~1 мкм практически не влияют на
распространение волны. Приложение поля Е к пьезоэлектрику вызывает де-
формацию пленки УЮ, изменение дисперсии СВ11-волн и модуляцию вре-
мени задержки выходного СВЧ-сигнала. В эксперименте с сигналом на ча-
стоте 3,6 ГГц увеличение Е от нуля до 8 кВ см 1 приводило к уменьшению
времени задержки СВЧ-сигнала на одну треть- от 180 до 120 нс. При исполь-
зовании той же системы в режиме фазовращателя регистрируемое изменение
фазы выходного сигнала под действием того же управляющего поля Е состав-
ляло 100°. Описанные СВЧ-фильтры, линии задержки и фазовращатели могут
найти также применение в управляемых генераторах, фазированных антенных
решетках и других устройствах, в которых требуется быстрая перестройка па-
раметров СВЧ-сигналов.

Миниатюризация стрейнтронных устройств обработки СВЧ-сигналов
дает начало новой области - магнонной стрейнтронике [279], позволяющей за
счет магнитного диполь-дипольного взаимодействия спиновых волн осу-
ществлять логические операции, электрически переключая СВЧ-излучение
между микрополосковыми каналами. Интересно, что даже в отсутствие явно
выделенных волноводов в магнитной среде неоднородное механическое
напряжение, возникающее в композиционной структуре из пьезоэлектрика и
пленки железоиттриевого граната, приводит к формированию в последней
волноводных каналов, вдоль которых распространяются спиновые волны
[280], что дает дополнительные степени свободы при создании электрически
перестраиваемых магнонных устройств.

9.3.5. Производные элементы стрейнтроники:
гираторы, трансторы и нейроморфные элементы

Стрейнтроника позволяет существенно расширить номенклатуру эле-
ментной базы традиционной электроники. Так, на основе магнитоэлектриче-
ских композиционных структур можно создать гиратор (от греч. «гирос» -
вращение) - устройство, предложенное в 1948 г. американским инженером
Бернардом Теллегеном (В. Те11е§еп [226]) и получившее такое название благо-
даря своему свойству обращать импеданс. Преобразование токов и напряже-
ний в четырехполюснике данного вида происходит по следующему закону:

(9.15)

где VI, Г2 - соответственно входное и выходное напряжения;

/1,12- токи на входе и выходе;

- недиагональные элементы матрицы сопротивлений гиратора
(рис. 9.46, а).

Преобразование (9.15) эквивалентно условию обращения импедансов на
входе и выходе:

71=-^, (9.16)

♦2

где 2\, 2\ — соответственно входной и выходной импедансы.

Как следует из уравнения (9.16), замкнутые клеммы на входе эквива-
лентны бесконечному выходному сопротивлению, и, нагрузив выход гиратора
малой емкостью, можно получить большую эквивалентную индуктивность на
входе.

Согласно первоначальной идее Теллегена, основой гиратора должен
стать материал с МЭ-свойствами, однако в 1948 г. их существование еще оста-
валось гипотетическим. В результате функции гиратора в электронике стала
выполнять электрическая цепь на операционном усилителе с обратной связью.
Только в XXI столетии удалось реализовать исходную схему Теллегена: ин-
дуктивный и емкостный элементы, связанные между собой МЭ-преобразова-
телем [281, 282]. Подача тока на вход гиратора создает магнитное поле, вызы-
вающее деформацию магнитного сердечника, которая благодаря механиче-
ской связи преобразуется в электрическое напряжение на контактах емкост-
ного элемента с пьезоэлектрическим наполнителем (рис. 9.46, б).

При работе на частоте механического резонанса в композиционных
структурах из метгласа и цирконата-титаната свинца удается осуществлять
преобразование с эффективностью 90 % по мощности [283].

Гиратору Теллегена отводят роль дополнительного «пятого элемента»
к традиционно рассматриваемым в электронике резистору, конденсатору, ин-
дуктивности и трансформатору. Однако и трансформатор в этом ряду выгля-
дит лишним. Более логичным было бы дополнить три основных элемента
электрических цепей (резистор, конденсатор и индуктивность) четвертым эле-
ментом с двумя полюсами (элемент Т) (рис. 9.47) и линейной характеристикой,
дополняющей первые три (рис. 9.48, а-г). Действительно, сопротивление ха-
рактеризуется вольтамперной характеристикой, емкость связывает электриче-
ский заряд и напряжение, а индуктивность - магнитный поток и электриче-
ский ток. Однако не существует элемента, связывающего магнитный поток
с зарядом.
Для решения этой проблемы в начале 1970-х годов было предложено
[284] при рассмотрении характеристики магнитный поток / заряд перейти к
производным от величин, что эквивалентно вольт-амперной характеристике
(при предположении, что магнитный поток преобразуется в напряжение за
счет электромагнитной индукции). В этом случае нетривиальным четвертым
элементом было предложено считать сопротивление с нелинейной, гистере-
зисной, зависимостью между напряжением и током, т. е. сопротивление с па-
мятью, или мемристор (от тетогу’ - память) [284]. Эффект памяти для сопро-
тивления реализуют посредством перемещения кислородных вакансий,
например, в структурах на основе полупроводникового оксида титана [285],
либо изменения структуры сегнетоэлектрических доменных границ в случае
мультиферроика феррита висмута [286]. Сравнительно недавно обнаружено,
что неоднородное распределение механических деформаций в вертикально
ориентированных углеродных нанотрубках, управляемое электрическим
напряжением, также создает мемристорный эффект [287], открывая новые воз-
можности в стрейнтронике.

Возвращаясь к исходному определению четвертого элемента, нельзя не
заметить, что введение мемристора не решает изначальной задачи - нахожде-
ния линейного элемента, связывающего магнитный поток и заряд. Такая связь
может быть реализована в стрейнтронном устройстве на основе МЭ-компо-
зита, в котором намагниченность возникает под действием постоянного элек-
трического поля. Для того чтобы отличать от мемристора четвертый линейный
элемент, в недавней статье [288] предложено называть последний «трансто-
ром».

Рис. 9.46. Стрейнтронный гиратор:

а - условное обозначение гиратора, введенное Теллегеном [226]'
б - схелла технической реализации гиратора на основе
коллпозиционного ллатериала [281]

В этой же статье [288] сделана попытка упорядочить классифика-
цию и нелинейных элементов: нелинейный элемент мемристор остается со-
противлением с памятью, и ему должны соответствовать мемконденсатор
(тетсарасйог), меминдуктивность (теттс1ис1апсе), а также мемтранстор
(обозначены на рис. 9.47 зелеными стрелками и буквами М с индексами Ь, В,
С, Т). Характеристики таких элементов будут иметь гистерезисный вид.
Рис. 9.47. Диагоамма двухполюсных элементов электроники:
линейные резистор, конденсатор и емкость дополнены
четвертым элементом - транстором [288]. Элементы с памятью
соответствующие четырем основным элементам: Мв - мемристор,
Ме - мемконденсатор, Мг - меминдуктивность, Мт - мемтранзистор

Мемтранстор, так же как и мемристор [289], предполагается использо-
вать в нейроморфной электронике, электрические цепи которой воспроизво-
дят работу нейронных сетей. При этом роль нейронов могут играть обычные
полупроводниковые транзисторы, а в качестве синапсов (соединений между
нейронами) будут выступать элементы с памятью. Как продемонстрировано
на примере мемристора [289], для элементов с памятью характерно свойство,
аналогичное синаптической пластичности, т. е. наличие механизма, который
обеспечивает способность нейронных сетей к обучению, увеличивая силы
связи между нейронами при многократном воздействии.

Стрейнтронные элементы могут выступать в роли не только синапса, но
и нейрона [9] (рис. 9.49). Синапсами здесь служит связка из резисторов на
входе: токи складываются каждый со своим весом в зависимости от величины
резистора. Стрейнтронный элемент на основе магниторезистивной сэндвич-
структуры (см. вставку на рис. 9.49) обеспечивает нелинейный отклик со сту-
пенчатой переходной характеристикой: электрическое напряжение между
электродами А и А’, представляющее собой суперпозицию сигналов от «си-
напсов», создает механическое напряжение пьезоэлектрической подложки,
которое переключает намагниченность магнитомягкого слоя в сэндвич-струк-
туре, скачком меняя ее сопротивление.

Численное моделирование показывает, что использование такого
стрейнтронного элемента позволяет не только радикально снизить расходуе-
мую мощность до конкурентоспособных с полупроводниковой электроникой
величин, но и сделать переходную характеристику намного ближе к ступенча-
той, ослабив размывающее фронт воздействие тепловых шумов [9].

Рис. 9.48. Характеристики четырех линейных элементов:

а - резистора: б - конденсатора: в - индуктивности: г - транстера:
а также соответствующих нелинейных элементов с памятью:

д - мемристора: е -мемконденсатора' ж-меминдуктивности:
з - мемтранстора (траектория в виде бабочки характерна
для больших значений заряда и потока) [288]

Таким образом, очевидным преимуществом стрейнтронных элементов в
виде запоминающих ячеек и логических устройств является их рекордно низ-
кое энергопотребление как при записи [6], так и при считывании [129] инфор-
мации. По времени переключения они соответствуют современному уровню,
несколько уступая лучшим из полупроводниковых устройств. Другим недо-
статком стрейнтронных устройств является сравнительно невысокая плот-
ность размещения таких элементов. Однако существует множество примене-
ний, в которых не так важны миниатюрность и быстродействие элементов, но
критичны низкое энергопотребление и надежность их работы при темпера-
туре, близкой к комнатной: в мобильной электронике, медицинских имплан-
тированных процессорах и носимых устройствах (усеагаЫез), в сенсорных си-
стемах с датчиками, удаленными от энергосетей, и т. п.

9.4. Перспективы развития стрейнтроники

Подводя итог вышеизложенному, можно заключить, что успехи
стрейнтроники во многом основываются на достижениях полупроводниковых
и магнитных технологий. Так, возможность механо-индуцированного измене-
ния зонной структуры полупроводников стали использовать в тензодатчиках
[И] еще с середины XX в., а сообщения о возможности деформационной ин-
женерии спиновых геликоидальных структур в антиферромагнетиках появля-
лись задолго до введения термина «стрейнтроника» [63].
Рождение магнитной стрейнтроники на стыке спиновой электроники и
физики магнитоэлектрических материалов началось с осознания главного ее
преимущества перед существующими технологиями - малой энергии пере-
ключения между двумя логическими состояниями [6]. С точки зрения энерго-
сбережения стрейнтронные устройства выигрывают не только у спинтронных
устройств записи, основанных на передаче спинового момента, но и даже у
считывающих головок на туннельном магнетосопротивлении [129].

Рис. 9.49. Стрейнтронный элемент искусственных нейронных сетей:
считывающий элемент на основе туннельного
магнетосопротивления (показанный в увеличенном виде на вставке)
лежит на пьезоэлектрической подложке из сильно легированного
донорной примесью слоя кремния [9]

Неменыпую роль в становлении стрейнтроники играли вызовы фунда-
ментального характера. Так, симметрийному запрету на 180-градусное пере-
ключение намагниченности и способам его обхода посвящено большое число
работ по стрейнтронике, хотя с практической точки зрения этот вопрос не
столь важен: схемы с 90-градусным переключением намагниченности также
возможны. Б то же время мало внимания уделяется очевидному изъяну
стрейнтронных технологий - относительно большому времени переключения.
Даже в теоретических расчетах, призванных иллюстрировать «быстрое 180-
градусное переключение» [102], время релаксации намагниченности исчисля-
ется несколькими наносекундами, в отсутствие явно сформулированных огра-
ничений на быстродействие. Сравнение с данными работ по сверхбыстрому
магнетизму [26, 290, 291] дает основания говорить о том, что фигурирующее
в работах по моделированию стрейнтронных устройств время переключения
~1 нс оставляет резерв в несколько порядков для его уменьшения. Пока наибо-
лее комфортными нишами для стрейнтроники остаются приложения, в кото-
рых не требуется сверхвысокого быстродействия: сенсоры магнитного поля,
трансформаторы и автономные маломощные генераторы (епег§у ЬагуезНп§
беуюез); интересные перспективы открываются также в области имплантоло-
гии [18], наномедицины [274] и других медицинских приложений. Использо-
вание технологий создания микро- и наноэлектромеханических систем может
дать дополнительный импульс развитию данной области низкочастотной
электроники.

Возможный «прорыв» в область высоких частот переключения сулят
технологии на стыке фотоники и стрейнтроники, которые можно обозначить
терминами «оптострейнтроника» (Н§ЬЬтесНа(ес1 81га1п1гоп1сх) [10] или «фото-
стрейнтроника». Фотоиндуцированная стрикция в сегнетоэлектрических ма-
териалах и мультиферроиках выводит скорость переключения стрейнтронных
элементов в терагерцовый диапазон [53].

Наконец, несомненный интерес с фундаментальной точки зрения пред-
ставляют упругие калибровочные поля в неоднородно деформированном гра-
фене, позволяющие физически моделировать поведение электронов в силь-
ных, в несколько сотен тесла, магнитных полях [8]. Научная активность в этой
области еще только разворачивается, и она ждет своих исследователей.

Литература

1. Бухараев А. А., Звуздин А. К.. Пятаков А. П., Фетисов Ю. К. Стрейнтроника — новое
направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах // Успехи физических
наук. Том 188. - М. 12, 2018.

2. Катезк. К 1п СМ1) 26, ТЬе 26 1Ь. СопГ. оГ1Ье Сопйепзей Майег 1)1игооп. 4—9 8ер1етЪег,
2016. Оеоп1п§еп, Ке1Ьег1апс1з (МЫЬоизе: Еитореап РЬузгса! 8ос1е1у, 2016). - Р. 19/3А.

3. Акапазоу V., ЗахепаА. 7. РЬуз. Сопбепз. Майег 23 175301 (2011).

4. Пятаков А. П. Звездин А. К. УФН 182 593 (2012); Руатакоу А. Р., ХуехсНп А. К. РЬуз.
Цзр. 52 557(2012).

5. Бичурин М. И. и др. Магнитоэлектрический эффект в композиционных материалах. -
Великий Новгород: Изд-во НовЕУ, 2005.

6. Коу К., ВатЗуораАкуау 8.. Аки1азипка3. Арр1. РЬуз. Рей. 99 063108 (2011).

7. 8кт И. е1а1. 8си Кер. 2 461 (2012).

8. 5/ С., 8ип 2.. Ыи Р. Напозса1е 8 3207 (2016).

9. В1зн>аз А. К., Акиказинка 3. ВагиЗуораЛуау 8. Напо(есЬпо1о§у 26 285201 (2015).

10. Зигскик V. ек а1. РЬуз. Кеу. Ьей. 117 107403 (2016).

11. 8тМ С 8. РЬуз. Кеу. 94 42 (1954).

12. Нете Т. Асе. СЬет. Кез. 48 65 (2015).

13. ВкаПаскагууа 8., Рашку Т., 8кп^к А. К. 1Чапо1есЬпо1о§у 25 465701 (2014).

14. 2кЪоиске П ек ак Апо. РЬузНс 526 395 (2014).

15. Ше/ Щ, Рш К, НиапцВ. РЬуз. СЬет. СЬет. РЬуз. 19 663 (2017).

16. Согкцо А. ек ак 21) Ма1ег. 3 11002 (2016),

17. Коу К. Ргос. 8РШ9167 9167011 (2014).

18. УИтас К. Мазигшкг Р. ШЕЕ Тгапз. Уегу Ьаг§е 8са1е 1п1е§г. 8уз1. 21 1181 (2013).

19. Коу К. ШЕЕ Тгапз. Капо1есЬпо1. 16 333 (2017).

20. кИконоу к). Е., Уоип§1. А. 7. Ма!ег. Кез. 29 2109 (2014).

21. 1У-Т.. Екие П Н. 1п ЛсКапсес! Ма§пейзт апй Ма§пейс Ма1еп1аз Уо1. 2 Азрес!з оГ

Ма§пе1о-е1есйоз1гисйуе Ма(епа1з апй АррНсайопз СЬ. 3 (Напои У!ей1ат Иайопа! 11п1у.
Ргезз, 2015).-Р. 274.

22. Зигскик V., ОошНп В., Кишкуз В. 3. РЬуз. Сопйепз. Майег 26 292202 (2014).

23. АктаскН., Акиказипка 3., ВашЗуорасЗкуау 8. Капо1есЬпо1о§у 26 401001 (2015).
24. /) ’Зоиса 8. е! ак Капо Ьей. 16 1069 (2016).

25. Закеки-Разкапи М. е/ ак. Капо1есЬпо1о§у 27 43ЕТ01 (2016).

26. Зкираккета А. е1ак. КаГиге 542 71 (2017).

27. Боровик-Романов А. С. Лекции по низкотемпературному магнетизму: Магнитная сим-
метрия антиферромагнетиков. - Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т, 1976.

28. Звездин А. К. и др. ЖЭТФ 88 1098 (1985); ХуегШп А. К. е! а1. 8оу. РЬуз. ТЕТР 61 645
(1985).

29. Уап Зискиекеп 3. РЫНрз Кез. Кер. 27 28 (1972).

30. ХиЬко Р.. Са1акап О., Та§ап1зеу А. К. Аппи. Кеу. Ма!ег. Кез. 43 387 (2013).

31. ЕИзееу Е. А. е1 ак. РЬуз. Кеу. В 79 165433 (2009).

32. ЬиказкечР., ЗаЫпапоу К. Р. РЬуз. Кеу. В 82 094417 (2010).

33. ЕИзееу Е. А. е! ак РЬуз. Кеу. В 84 174112 (2011),

34. Нег1е1 К. 8рт 03 1340009 (2013).

35. Ьее 1 Н. е1 ак РЬуз. Кеу. В 96 064402 (2017).

36. Руакакоу А. Р., Мезкгкоу О. А., ХуезсПп А. К. }. Ма§п. Ма1ег. 324 3551 (2012).

37. ЗкгеиЬек Я. е! ак 1. РЬуз. Г) 49 363001 (2016).

38. Руакакох А. Р:, Еуесскт А. К. Еиг. Р11уз. Т. В 71 419 (2009).

39. Кабыченков А. Ф.. Лисовский Ф. В. ЖЭТФ 145 733 (2014); КаЬусНепкоу А. Р., Ызоузки
Г. V. .ГЕТР 118 643 (2014).

40. Сйеопу 8.-IV., Мозкоуоу М. КаГиге Ма(ег. 6 13 (2007).

41. Барьяхтар В. Е., Львов В. А., Яблонский Д. А. Письма ЖЭТФ 37 565 (1983); Ваг'уаИйаг
V. О„ Е’уоу V. А.. УаЫопзкп О. А. ТЕТР Ьей. 37 673 (1983).

42. Логгинов А. С. и др. Письма ЖЭТФ 86 124 (2007); Ьо§§тоу А. 8. е1 а1. ТЕТР Еей. 86 115
(2007).

43. Пятаков А. П. и др. УФН 185 1077(2015); РуагакоуА. Р. е! а1. РЬуз. Пзр. 58 981 (2015).

44. Кабыченков А. Ф., Лисовский Ф В . Мансветова Е. Е. Письма ЖЭТФ 97 304 (2013);
КаЬусНепкоу А. Р., Изоузкп Р. V., МапзуеГоуа Е. Ст. ТЕТР Еей. 97 265 (2013).

45. Арзамасцева Е. В. и др. ЖЭТФ 147 793 (2015); Аг7атаз1зеуа О. V. е! а1. ТЕТР 120 687
(2015).

46. 8рагауц>па А.. Зкгк^агЛ А., 2^Ю<ИяА. РЬуз. Кеу. В 50 2953 (1994).

47. ХуегсИп А. К., Руа/акох А. Р. ЕигорЬуз. Еей. 99 57003 (2012).

48. Звездин А. К. Краткие сообщения по физике ФИАН (4) 7 (2002). Усе/Фп А. К. Ви11.

РеЬейеу РЬуз. 1пз(. (4) 5 (2002).

49. Воде Ме1а1. Кайне 447190 (2007).

50. Руакакоу А. Р., ТкуесДт А. К. ЕигорЬуз. Еей. 107 67002 (2014).

51. Кипскуз В. е1 ак. КаШге Ма1ег. 9 803 (2010).

52. Беркап М. е! ак Ка!иге Соттип. 5 4301 (2014).

53. к)1пу Е. е1 ак. Капо Ьей. 10 3453 (2010).

54. ОнёМ. Т„ КееВЕ. 3. АС8 Капо 6 1387 (2012).

55. ОиапР., БиХ. Капо Ьей. 17 7009 (2017).

56. РегтаИз П, МаЪоисПап К., Саггаго С. РЬуз. Кеу. Ьей. 101 156801 (2008).

57. УоопкХ, Зон У.-Ж. СЛеои^Я.Капо Ьей. 11 3227 (2011).

58. Ьее М.-8. е1 ак. Капо Кез. 8 2082 (2015).

59. 8кп§кЗ. 8ирег1ай. М1сгозйис1. 8 225 (1990).

60. ВапегДе 8. К. Ргос. 8Р1Е 3212 118 (1997).

61. ОиЦагкЬ Р. е! ак РЬуз. Ксу. В 64 085305 (2001).

62. СкеЬи1(отсг Т. М. е1 ак РЬуз. Кеу. В 46 12076(К) (1992).

63. СокИпз М., Захктх ГР. М. РЬуз. Кеу. В 53 8533 (1996).

64. Нает ./. Н. ек ак Кайне 430 758 (2004).

65. РозаЗаз А. В. ек ак 1п РЬузГсз ок Реггое1ес(псз. А Модет Регзресйу© / Торкз т АррНес!
РЬуз1сз. Уо1. 105. Ебз. К. М. КаЬе, СЬ. Н. АЬп, Т.-М. Тпзсопе. - ВегИп: 8рпп§ег, 2007. -
Р. 219; Посадас А. Б. и др.: в сб. «Физика сегнетоэлектрики. Современный взгляд» /
под ред. К. М. Рабе, Ч. Е. Дна, Ж.-М. Трискона. - М.: Бином. Лаборатория знаний,
2015.-С. 308.

66. Ош О.. ИВ., 2коп§В- РЬуз. Кеу. В78 075435 (2008).

67. Регсчга V, М. Саз1го Ие1о А. Н РЬуз. Кеу. Ьей. 103 046801 (2009).

68. Лошкарев И. Д. и др. Изе. РАН Сер. физ. 77 264 (2013); ЬозЬкагеу I. I). е1 а1. ВШ. Кизз.
Асад. 8сг 77 233 (2013).

69. Труханов Е. М. и др. Изе. РАН Сер. физ. 78 472 (2014); ТгикЬапоу Е. М. е( а1. ВЛ. Кизз.
Асад. 8с1. 78 307 (2014),

70. Уему П е1 а/. Зиепсе 329 544 (2010).

71. Акбагиев А. Р., Кауль А. Р. Успехи химии 80 1211 (2011); АкЬазЬеу А. К., Каи1 А. К.
Кизз. СЬет. Кеу. 80 1159 (2011).

72. СкгМапох А. Р. е1 а1. .1. РЬуз. СопЕЗег. 714 12006 (2016).

73. Уи Т. е1 а1. 1. РЬуз. СЬет. С 112 12602 (2008).

14. ЫХ. е1 а1. Зег Кер. 2 870 (2012).

75. Воизк*е С- е{ а1. №по Ьей. 17 21 (2017).

76. 8а1агу М. М. е! а1. РЬуз. Кеу. В 94 235403 (2016).

77. Каг1а\’1зеуа М. 5. е1 а/. ТЫп ЗоНд ЕИтз 518 4750 (2010).

78. Катезк К., 8ра1с11п П. А. Наппе Ма!ег. 6 21 (2007).

79. Болховитянов Ю. Б Пчеляков О. П., Чикичев С. И. УФН 171 689 (2001); ВоШюуйуа-
поу У. В., РсЬе1уакоу О. Р., СЫИсЬеу 8.1. РЬуз. 11зр. 44 655 (2001).

80. ОшпеаР-, Ка1зпе1зоп М. Ое1т А. К. НаШге РЬуз. 6 30 (2010).

81. У. е1 а1. №по Ьей. 18 64 (2018).

82. Пемшкат К. Е., Зктпег И. Р. Сгозз ЕЕ Май Кез. 13 525 (1978).

83. К1п’а1коузкп А. V. е! а1. .1. РЬуз. П 46 74001 (2013).

84. №апё 2. е! а1. АС8 №по 8 7793 (2014).

85. Ккап А. е1 а/. Арр1. РЬуз. Ьей. 104 262407 (2014).

86. Ниап^Н. В. е1ак Арр1. РЬуз. Ьей. 105 122407 (2014).

87. Оортан О. В. е( а1. Зег Кер. 6 27774 (2016).

88. Рагкт 8. 8. Р., ЫауахЫ М.. Ткотаз Ь. Зтепсе 320 190 (2008).

89. Ваиег V-, Етоп 8., Веаск О. 8. I) №шге №по(есЬпо1. 8 411 (2013).

90. Каи§ ИС е! а1. Зег Кер. 6 23164 (2016).

91. Уап’аго О., Сахой р. ЕЛГга Н1§Ь Пепзйу Ма§пейс Кесогдт§. 81ога§е Ма1епа1з апд Мед1а
Юезтпз (Неху Уогк: СКС Ргезз, 2016).

92. 8а1акиМт 8. Пайа 8 Арр1. РЬуз. Ьей. 90 093503 (2007).

93. АЬйазипка В. ВапдуорадЬуау Иапота^пейс апд Зртйотс Пеукез Гог Епег§у ЕГйс1е1й
Метогу апд Сотрийп§. - Не» Уогк: ,1. \\'|1еу, 2016.

94. Таппоиз С- О1ега11оч’зк1 В. Еиг. .1. РЬуз. 29 475 (2008).

95. АВи1азппкаВ. ВашВуораВкуау 8. Арр1. РЬуз. Ьей. 97 173105 (2010).

96. Базкапп М. 8., АВиВазтгка В. ВашВуорасПтуау 8. Напо1есЬпо1о§у 23 105201 (2012).

97. Вагагцр М.. МаяипиВег Р. ШЕЕ КапсйесЬпок Ма§. 9 15 (2015).

98. Коу К., ВашВуораВкуау 8.. АпКазипка В. РЬуз. Кеу. В 83 224412. (2011).

99. ВилЛ М. е1 а/. РЬуз. Кеу. Ьей. 111 027204 (2013),

100. Коу К. ВагиВуораЛтуау 8., АВиВазгтка 8. 8сг Кер. 3 3038 (2013).

101. Рену К-Се1а1. 8сг Кер. 6 27561 (2016).

102. У? М. е1 а! Ас(а МесЬ. Ьйрз://догог§/10.1007/з00707-017-2029-7 (2017).

103. Яру К ВапВуорасВкуау 8., АпАазипка В. В. Арр1. РЬуз. 112 023914. (2012).

104. ПегсеНн П е! ак1. Арр1. РЬуз. 109 07П726 (2011).

105. СюпВапо 8. е1 ак РЬуз. Кеу. В 85 155321 (2012).

106. Ыап& С.-У. е1 а/. I. Арр1. РЬуз. 116 123909 (2014).

107. Вгзм'аз А. К. ВашВуораВкуау 8., АВнВазгтка В. Арр1. РЬуз. Ьей. 104 232403 (2014).
108. 1лап§ С.-У. е1 ак 3. Арр1. Ркуз. 119 113903 (2016).

109. Вкзшзз А. К. . Вапскуорасккуау 8., Акиказипка А. Арр1. Ркуз. Ьей. 105. 072408 (2014).

110. А. У. е/ ак 8с». Кер. 4 7507 (2014).

111. Реп^К.-С. ЕГ ак Арр1. Ркуз. Ьей. 106 142901 (2015).

112.1лст§ С-У. е1 ак X. Арр1. Ркуз. 118 174101 (2015).

ИЗ. Вкзхуаз А. К., Вапскуорасккуау 8., АкЛазтка А. Арр1. Ркуз. Ьей. 103 232401 (2013).

114. Кохакепко О.. Регег'А Т., Тетпоу V. V. Ркуз. Кеу. Ьей. 110 266602. (2013).

115. КкапА. Е1 ак Арр1. Ркуз. Ьей. 104 262407 (2014).

116. Еазкатк М. 8. е[ ак \апо1ес11по1<>цу 22 155201 (2011).

117. Вект-Ает В.. ЗакакшАЛп 8., Вака 8. 1ЕЕЕ Тгапз. Капо1ескпо1. 8 505 (2009).

118. Вагапр М.. Ма^итскг Р. А. Арр1. Ркуз. 118 173902 (2015).

119. МаВапп М. е1 ак 3. Ркуз. О 50 453002 (2017).

120. СПЬег! Т. Е. ШЕЕ Тгапз. Ма§п. 40 3443 (2004).

121. Вгохх’п Ш Р. (Аг.) Ркуз. Кеу. 130 1677 (1963).

122. Сш Н. е/ а/ 3. Ркуз. О 50 285001 (2017).

123. Коу К. Вапскуорасккуау 8.. АкАазипка А. А. Арр1. Ркуз. 112 023914 (2012).

124. Ни А.-М. е( ак. Капо Ьей. 15 616 (2015).

125. ЫX ек ак 3. Арр1. Ркуз. 118 014101 (2015).

126. Вкзусаз А. К. ек ак Капо Ьей. 17 3478 (2017).

127. Юани К. Ь.. Акиаке А. О. КкаНН Апппт Р. А. Ркуз. В 46 74003 (2013)

128. КНтоу А. ек рк Арр1. Ркуз. Ьей. 110 222401 (2017).

129. Акта<АН, Акиказктка А. Вапскуорасккуау 8. 8сп Кер. 5 18264 (2015).

130. Затракк V. ек ак Капо Ьей. 16 5681 (2016).

131. Ыи У. ек ак. ШЕЕ Тгапз. Ма§п. 51 2501404 (2015).

132. Буравихин В. А. Влияние механических напряжений на магнитные свойства пленок. -
Иркутск: Восточно-Сибирское книжное изд-во, 1968.

133. Беляев Б. А., Изотов А. В. ФТТ 49 1651 (2007); Ве1уаеУ В. А., 1/оЮу А. V. Ркуз. 8оНс1
81а1е 49 1731 (2007).

134. Вак О. ек ак Арр1. Ркуз. Ьей. 100 122407 (2012)

135. Вт О. екак. 3. Арр1. Ркуз. 114 173913 (2013).

136. Китаг В. ек ак 3. Ма§п. Ма§п. МаГег. 418 99 (2016).

137. Ши Т. Ек а!. ШЕЕ Ма§п. Ьей. 2 6000104 (2011).

138. Нао 2. ек ак. Скт. Ркуз. В 24 77501 (2015). Бизяев Д. А., Бухараев А. А., Кандрашкин
Ю. Е. Письма ЖТФ 42 24 (2016).

139. СикНку В. В., (Агакат С. В. Зпйойисйоп 1о Ма§пейс Ма1епа1з. - Кеху Уогк: Зокп \\'|1еу
ап<1 8опз, 2008.

140. 2аЪек Н, Рагке М. (Е<3з) Ма§пейс Капозйисйиез. 8рт Пупаписз апй 8рй1 Тгапзрогй -
ВегНп: 8рпп§ег-Уег1а§, 2013.

141. Вопакие М. А.. Рогкег В. О. ОЬ)есГ опепТей т!сгота§пейс Ггате-хуогк (ООММР).
кйр://таЙ1.п1з(.§оу/оотт17.

142. Овчинников Д. В., БухараевА. А. ЖТФ 71 85 (2001); Оускт-шкоуП. V., ВиккагаеУ А. А.
Теск. Ркуз. 46 1014(2001).

143. БухараевА. А. и др.: в сб. Материалы XX Международного 199 симпозиума «Нанофи-
зика и наноэлектроника». Нижний Новгород, 14-18 марта 2016. - Нижний Новгород:
Изд-во Нижегородского гос. ун-та. - С. 277 201.

144. Еткю 8. ек ак РЬуз. Кеу, Арр1. 1 021001 (2014),

145. Скип§ Т.-К., Сагтап О. Р., МокапскапАгаК Р. Арр1. Ркуз. Ьей. 112509 (2008).

146. ВгтШп^ег Т. ек ак. Капо Ьей. 10 1219 (2010).

147. Рагкез В. Е. ек ак Арр1. Ркуз. Ьей. 101 072402 (2012).

148. Арзамасцева Е. В и др. ЖЭТФ 147 793 (2015).

149. Агиатазкзеуа О. V. 205. ЗЕТР120 687 (2015).
150. Ее/У. ек ак Хайне Соттип. 4 1378 (2013).

151. РопксиЪегка А. екак 8сь Кер. 5 13784 (2015),

152. Ьакктеп Т. Н. Е.. Ргапке К. А. А., Уап Ыркеп 8. 8с1. Кер. 2 258 (2012).

153. РгапкеК. 7. А. ек ак. РЬуз. Кеу. X 5 011010(2015).

154. (Аагееуа 7. V. ек а1. РЬуз. 81ай1з 8оН<й КарМ Кез. Ьей. 10 209 (2016).

155. Векякскепко К. И е1 ак. Арр1. РЬуз. Ьей. 108 132403 (2016).

156. МакоастоДА. Р., 81опс::еуу$кк А. С. Ма§пейс Петат \\ а11з т ВиЬЫе Ма1епа1з. - Хс\у
Уогк: Асас1ет!с Ргезз, 1979.

157. ИИ Уекак. Хайне Соттип. 6 8539 (2015).

158. Куликова Д. П. и др. Письма в ЖЭТФ 104 196 (2016); КиИкоуа В. Р. с/ ак ГЕТР Ьей.

104 197 (2016).

159. Наи к’ ек ак Хайне Мапо1есЬпок 12 123(2016).

160. КагеРшпе Т., Бадаоха И., Апка В. 8ск Кер. 5 13302 (2015).

161. Кип Н. К. О. ек ак Хапо Ьей. 13 884 (2013).

162. МкДппаЕ. О. ек ак Реггое1ес1псз 500 37 (2016).

163. 8апдо Иекак. Хайне Ма1ег. 12 641. (2013).

164. Попов Ю. Ф. и др. Письма в ЖЭТФ 57 65 (1993); Ророу V. Р. е! ак .1ЕТР Ьей. 57 69( 1993).

165. Залесский А. В. и др. ЖЭТФ 122 116 (2002); Уакззкп А. V. е! ак .ГЕТР 95 101 (2002).

166. Фи А. екак. Рго§. МаГег. 8ы. 84 335(2016).

167. КаАоткхеуа А. М. е/ ак. РЬазе Тгапз. 79 1019 (2006).

168. Токипауа М., Атта М., ЗЫтакапа У. А. РЬуз. 8ос. .1рп. 79 64713 (2010).

169. КаАоткзеуа А. М.. Ророу. У. Р. УогоЬ ’еу О. Р., ХгегсИп А. К. РЬузка В. 211 327 (1995).

170. Оагееса /.. V., Роркоу А. Р.. Зокохчоу 8. У., 2иеаИпА. К. РЬуз. Кеу. В 87 214413 (2013).

171. ТекгапсЫ М.-М., Вгакоу И. Р., 2уе»Лп А. К. Реггое1есй1сз 204 228.181 (1997).

172. Кихакоу V. 8. ек ак 1п Мозсоху 1шегп. 8утр. оп Ма§пейзт, 1-5 ,1и1у 2017. Воок ок АЬ-
зйасГз / едз X. Регоу е! ак - (Мозсслу: касику оГРЬузхсз М. V. Ьотопозоу М8к1, 2017. -
Р. 914.

173. Фаски 8. ек ак РЬуз. Кеу. МаГег. 1 024408 (2017).

174. Фапр А. екак. 8ыепсе 299 1719(2003).

175. Ва1 РеГак Аррк РЬуз. Еей. 86 32511 (2005).

176. А§Ье1е1е А. ек ак Аду. Ма(ег. 112 1602327 (2016).

177. Ьасепка V. ек ак. Арр1. РЬуз. Ьей. 106 12 (2015).

178. Роркоу А. Р. ек ак РЬуз. Кеу. В 93 094435(2016).

179. Не (.7 ек ак Хайие Соттип. 2 225 (2011).

180. Скеш> С.-Е. ек ак 8сь Кер. 5 8091 (2015). 8апдо 1)е;а1. Ыайие Соттип. 7 10718 (2016).

181. РгекИег И'., 8трД М. Р. Миги^цуе! Р. А. РЬуз, Сопдепз. Майег 17 К803 (2005).

182. Ьее А. Н. ек ак Хайне 466 954 (2010).

183. Раикиз Р. М. ек ак I. Мауп. Ма§п. МаГег. 224 180 (2001).

184. Тапкуата Т. ек ак I. Арр1. РЬуз. 105 071)901 (2009).

185. Закоо 8. ек ак РЬуз. Кеу. В 76 092108 (2007).

186. Уепкакакак О. екак. I. Арр1. РЬуз. 111 033921 (2012).

187. Рап М. екак. 3. РЬуз. О 46 055001 (2013).

188. Илытский А. В., Кваи/енкина О. Е., Шадрин Е. Б. ФТП 46 439 (2012); Птзк1у А. V.,
КуазЬепкта О. Е., ЗЬадгт Е. В. Зегтсопдшйогз 46 422 (2012).

189. Шадрин Е. Б., Ильинский А. В ФТТ 42 1092 (2000); ЗЬадпп Е. В., П’тзки А. V. РЬуз.
8оНд 81а(е 42 1126 (2000) де 1а Уеп1а ). е1 ак Арр1. РЬуз. Ьей. 102 122404 (2013) де 1а
Уеп(а I. е1 ак Аррк РЬуз. Ьей. 104 062410 (2014).

Ш. Блинов Л. М. и др. УФН 170 247(2000); ВИпоу Ь. М. е! ак РЬуз. Пзр. 43 243 (2000).

191. Скап^Н. Н. 8., УУЪактоге К. №., Ниап^ 2. А. Аррк РЬуз. 106 114110 (2009).

192. Ыи У. ек ак 8сь Кер. 4 6615 (2014).

193. Ыи У. ек ак 8сь Кер. 4 6925 (2014).
194. Голенищев-Кутузов А. В., Голентцев-Кутузов В. А., Калимуллин Р. И. УФН 170 697
(2000); СЬЯетзЬсЬеу^Клйихоу А. V., €то1еп1зЬсЬеу-Кий12ОУ V. А., КаНтиШп К. I. РЬуз.
Ьзр. 43 647 (2000).

195. Деев В. Н., Пятаков П. А. Письма в ЖТФ 11 76 (1985).

196. И'апр У. е! а/. Д А11оуз Сотр. 513 242 (2012).

197. 8геепгуази1и О. е1 а1. Арр1. РЬуз. Ьей. 100 052901 (2012).

198. (гге\>е Н. е! а1 Арр1. РЬуз. Ьей. 96 182501 (2010).

199. 8геетуази1и О. е1 а1. РЬуз. Кеу. В 86 214405 (2012).

200. МагНпз Р. Ьапсегоз-тенВег 8. Аду. Рипс1. Ма1ег. 23 3371 (2013).

201. Кани А. е! ак Арр1. РЬуз. Ьей. 22904 022904 (2014).

202. КгскЪо/С- е1 ак Арр1. РЬуз. Ьей. 102 232905 (2013).

203. Д/М е1 ак Арр1. РЬуз. Ьей. 100 132904 (2012),

204. Рои В. е! а1. Арр1. РЬуз. Ьей. 100 102907 (2012).

205. ВигсНпО. А. е! ак .1. Ма§п. Ма§п. Магег. 358-359 98 (2014). В1сЬипп М. I. е! а1. РЬуз. Кес.
В 68 132408 (2003).

206. ЕШрроч И. А.. Ьа1е1зт 1В., Зппп’азап О. В. Арр1. РЬуз. 102 93901 (2007).

207. Меп1веуК. Е.. РеИзоу У. К. Арр1. РЬуз. Ьей. 89 142510 (2006). ВипНп В. А. е( а1. .1. Арр1.
РЬуз. 113 33902 (2013).

208. ЕеНзоу У. К., РеНяох’Е. У.. Згитазап О. Арр1. РЬуз. Ьей. 94 132507 (2009).

209. Ьои В. е! а!. Аду. Ма(ег. 21 4711 (2009).

210. 8ип К. X.. Зптуазап О. 8рт 2 1240004 (2012).

211. ТеВе^еп В. О. Н. РЫИрз Кез. Кер. 3 81 (1948).

212. Звездин А. К, Логинов А. С., Мешков Е. А., Пятаков А. П. Изв. РАН. Сер. физ. 71 1604
(2007).

213. Са1а1ан Сг., 8соИ В. Р. Аду. Ма1ег. 21 2463 (2009).

214. Уорвоп М. М. Сгй. Кеу. 8о11д 81а1е Ма1ег. 8с1. 40 223 (2015). Ра1пеед1 Н. е! а1. АсШаФгз
5 9 (2016).

215. Згтп'азан О.. РНуа 3., Зин К Сотрозйе Ма§пе1ое1есй1сз. Ма!епа1з, Зйисшгез апд Ар-
рНсаНопз. - Воз1оп, МА: Н1зс\чсг. 2015. Морозов А. И. ФТТ 56 833 (2014); Могозоу А. I.
РЬуз. 8оНд 8(а1е 56 865 (2014).

216. АтеИсИеу К. Векуаког Р. УазИуеу О. 1п1. .1. Епуйоп. 8сЬ Едис. 11 10923 (2016).

217. Скеп А. Т„ 7каоУ. О. АРЬ МаГег. 4 032303 (2016).

218. Ы Р. е( ак. Аду. Ма1ег. 26 4320 (2014).

219. Мапах! 8. О. е1 ак ШЕЕ Тгапз. Е1есйоп 1)еу. 64 2842 (2017). ЫегсеИп М. е! а1. Арр1. РЬуз.
Ьей. 99 192507 (2011).

220. Носке1 В. Ь. е1 а!. Арр1. РЬуз. Ьей. 100 022401 (2012),

221. Разкат! М. 3. е1 ак Напо1есЬпо1о§у 22 155201 (2011).

222. АттР. К. УУап§К Ь. 8рт 02 1240002 (2012)

223. Ыи Ь. е1 а1. 8с1епсе 336 555 (2012),

224. Вкоттк О., Уон Ь. ЗаЗакиМт 3. Яайаге Капо(есЬпо1. 9 59 (2014). Коу К. 8с1 Кер.
5 10822 (2015).

2?5. Рагкт 3. 8. Р. е1 а!. Найре МаГег. 3 862 (2004).

226. Оихск У. е: ак I. Арр1. РЬуз. 113 17С719 (2013).

227. РгеоЬгагкепзку К е/ ак 3. Ма§п. Ма§п. Ма1ег. 459 66 (2018).

228. 31н 7., 1-Уану; С., ЫиХ., Кап С. СЫпезе 8с1, Ви11. 53 2135 (2008). ХЬао 7. е1 а1. Арр1. РЬуз.
Ьей. 109 092403 (2016).

229. Вкт:аз А. К, АЗикжипка В ВапЛуораЛкуау 8. Зек Кер. 4 7553 (2014).

230. Митга КеЗак Капо1есЬпо1о§у 26 245202 (2015).

231. Разкапй М. 8. е1 ак ШЕЕ Тгапз. Капо1есЬпо1. 12 1206 (2013).

232. Веппе! С. Н. 1пй I. ТЬеог. РЬуз. 21 905 (1982).

233. АЪее<ВМ. А. е(а1. ШЕЕ Тгапз. Е1есйоп 1)еу. 64 2417 (2017).
234. ЗсоН В. Р. Ма!ег. Скет. 22 4567 (2012).

235. ТРап^ У., ЫВ.. УгеЫапд О. Ма1ег. Тос1ау 17 269 (2014).

236. Ргтуа 8. е1 а1. Зепзогз 9 6362 (2009).

237. Уагаг Е. е1 а1. Арр1. Ркуз. Ьей. 109 022901 (2016).

238. 2кап§ У. е1 сП Арр1. Ркуз. Ьей. 92 152510 (2008).

239. Пап Т. е1 а1. Кай Соттою. 8 296 (2017).

240. Ре1пе ВвкД I. Арр1. Ркуз. 110 124506 (2011).

241. СШеИе 8. МсГ а1. ШЕЕ Ма§п. Ьей. 2 2500104 (2011).

242. Лг/им Ке1а1. Зепзогз Ас1иа1огз А 183 16 (2012).

243. Ае/ыоу У. К. е1 а1.1ЕЕЕ 8епз. 3. 14 2252 (2014).

244. Каменьев К. Е., Фетисов Ю. К.. Згтгуазап О. ЖТФ 77 50 (2007); Катепгзеу К. Е., Рей-
зоу У. К., Зпшуазап О. Теск. Ркуз. 52 727. (2007),

245. ВигсНп О. е1 а1. I. Ркуз. О 49 375002 (2016).

246. Серов В В. и др. Росс, технологический жури. 4 (5) 24 (2016).

247. 6оД1ка В. е1 ак Арр1. Ркуз. Ьей. 99 223502 (2011).

248. М/я Т. е! ак Зек Кер. 3 1985 (2013).

249. Сухоруков Ю. П и др. Письма в ЖЭТФ 104 398 (2016); 8ик1югакоу У. Р. е1 а1. ЗЕТР Ьей.

104 384 (2016).

250.Ооп§ 8. е1 ак Арр1. Ркуз. Ьей. 85 3534 (2004).

251. ВаугаДгеу А. е! а1. Зепзогз ЛсШаЮгз 114 244 (2004).

252. Ооп§ 8. е1 а/. Арр1. Ркуз. Ьей. 93 103511 (2008).

253. Куи В. а а1. Епег§у Епуйоп. Зек 8 2402 (2015),

254. Носке! В. Ь. РкЛ Ткезгз.-Ьоз Ап§е1ез: к1шу. оГСаШопйа, 2013. Зпшуазап О., РейзоуУ. К.
Реггое1ес1псз 342 65 (2006).

255. ЕеОзоу У. К.. Зптуазап С. Арр1. Ркуз. Ьей. 88 143503 (2006), Рейзоу У. К., Зпшуазап
О. Арр1. Ркуз. Ьей. 87 103502 (2005); Рейзоу У. К., Зпшуазап О. Е1ес1гоп. Ьей. 41 1066
(2005); Зайоуткоу А. V. е1а1. Ркуз. Кеу. Ьей. 120 257203 (2018); Садовников А. В. и др.
Письма в ЖЭТФ 106 445 (2017); Зайоушкоу А.У. е! ак ЗЕТР Ьей. 106 465 (2017).

256. 2ка1 В. е/ <7/. Еиг. Ркуз. 3. В 71 383 (2009).

257. 2ка1 В. е! ак 3. Арр1. Ркуз. 100 124509 (2006).

258. 2киап%Х. е! ак Арр1. Ркуз. Ьей. 111 163902 (2017).

259. СкиаЬ. ШЕЕ Тгапз. Сйсий ТЬеогу 18 507 (1971),

260. 8/гикоу О. В. е ак 14а1иге 453 80 (2008).

261. Макзутогуск Р. е( ак Капо Ьей. 11 1906 (2011).

262. П’та М. V. е! ак СагЪоп 123 514 (2017).

263. Зкап§ 0.-8. е! ак Сктезе Ркуз. В 24 68402 (2015).

264. Во 8. Н. е1 ак Капо Ьей. 10 1297 (2010).

265. Калашникова А. М., Кимелъ А. В., Писарев Р. В. УФН 185 1064 (2015); Ка1азкшкоуа
А. М., КйпеГ А. V., РгзагеУ К. V. Ркуз. ЗЗзр. 58 969 (2015).

266. ЗвездинА. К., Давыдова М. Д.. ЗвездинК. А. УФН 188 1238 (2018); /лехскп А. К., 1)ауус!оуа
М. О., ХуеаИпК. А. Ркуз. Цэр. 61(11) (2018) кйрз://ао1.ог§/10.3367/ПРКе.2017.12.038309.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие...................................................................3

Глава 1. Основные ограничения действия закона Мура............................8

1.1. Физические ограничения процесса масштабирования
субмикронных микросхем.....................................................8

1.2. Конструктивно-технологические ограничения масштабирования микросхем...11

1.3. Схемотехнические ограничения при масштабировании
субмикронных микросхем....................................................12

1.4. Системотехнические ограничения при масштабировании субмикронных
КМОП микросхем............................................................15

1.5. Энергетические ограничения пределов масштабирования.................. 16

1.6. Ограничение максимального количества новых материалов при изготовлении
субмикронных микросхем....................................................18

1.7. Смена драйверов развития современной микроэлектроники.................19

1.8. Усиление деструктивного действия эффекта УгеИКгПег....................21

1.9. Состояние и перспективы развития технологии РтРЕТ.....................22

1.10. Технологические проблемы современной субмикронной микроэлектроники......24

1.11. Так когда же закон Мура реально перестанет работать?..,,,............26

Глава 2. Углеродные наноматериалы и устройства на их основе................34

2.1. Технологические методы получения графена..............................34

2.2. Технологические методы получения углеродных нанотрубок................35

2.3. Методы манипулирования и интегрирования углеродных наноструктур
в электронные приборы.....................................................37

2.3.1. Диэлектрофорез......................................................37

2.3.2. Метод Ленгмюра - Блоджетт...........................................40

2.4. Методы интегрирования углеродных наноструктур в наноэлектронные приборы..43

2.4.1. Метод формирования элементов на основе дискретных углеродных
наноструктур..............................................................43

2.4.2. Метод формирования тонких пленок на основе массива углеродных
наноструктур..............................................................46

2.5. Наноэлектронные устройства на основе углеродных наноматериалов........48

2.5.1. Тензометрический сенсор на основе пленок из многослойного графена...48

2.5.2. Механические реле на углеродных нанотрубках.........................53

2.5.3. Биосенсоры на основе графена........................................57

2.5.3.1. Принципы конструирования биосенсеров..............................57

2.5.3.2. Принципы функционирования биосенсеров.............................58

2.5.3.3. Биосенсор для регистрации белковых молекул........................60

2.5.4. Биосенсоры на основе оксида графена.................................65

2.5.4.1. Безмаркерные биосенсоры на основе оксида графена..................65

2.5.4.2. Биосенсоры на основе оксида графена для определения антидепрессантов.73

2.6. Графеновый долинный транзистор........................................80
Глава 3. Двумерные (Ю) наноматериалы для вычислительных технологий
нового поколения..........................................................89

3.1. Ограничения классических архитектурных решений высокопроизводительных
вычислительных систем.....................................................89

3.2. Вычислительные технологии нового поколения...........................92

3.3. Элементная база новых вычислительных технологий......................97

3.4. 21)-материалы для матричных вычислительных приложений...............107

3.5. 20-материалы для логических вычислений..............................111

3.6. Состояние, перспективы и проблемы использования 20-материалов для новых
вычислительных технологий................................................120

Глава 4. Метаматериалы и области их применения...........................129

4.1. Свойства метаматериалов ............................................129

4.2. Краткая история создания метаматериалов.............................131

4.3. Примеры метаматериалов для использования в устройствах, работающих
в микроволновой области спектра..........................................134

4.4. Особенности фокусировки устройств на основе метаматериалов..........136

4.5. Эффект сверхразрешения в метаматериалах.............................138

4.6. Принципы создания фотонных кристаллов на основе метаматериалов......140

4.7. Принцип создания магнонных кристаллов на основе метаматериалов......143

4.8. Магнитонлазменные и магнонные кристаллы на основе монокристаллических
пленок феррит-гранатов...................................................146

Глава 5. Наноматериалы для нейроморфных вычислений.......................154

5.1. Основы теории нейроморфных вычислений...............................154

5.1.1. Ретроспективный анализ результатов нейроморфных исследований......154

5.1.2. Искусственные синапсы, нейроны и нейронные сети...................160

5.1.3. Основные принципы функционирования искусственных нейронных сетей.......162

5.1.4. Базовые принципы функционирования искусственных нейронных сетей...166

5.1.5. Основные типы искусственных нейронных сетей.......................170

5.1.6. Принципы обучения нейронной сети.......................................172

5.2. Нульмерные (ОО) нейроморфные материалы...................................175

5.2.1. Проблемы выбора базовых материалов для создания искусственного нейрона.175

5.2.2. Особенности нейроморфной реализации фотонных устройств............177

5.3. Одномерные (Ю) нейроморфные наноматериалы...........................179

5.4. Двумерные (20) нейроморфные материалы...............................186

5.5. Нейроморфные гетероструктуры Ван-дер-Вальса..............................192

5.6. Основные проблемы и перспективы применения наноматериалов
в нейроморфных устройствах................................................194

5.7. Особенности реализации нейросетевых алгоритмов на мемристорных кроссбарах.199

5.8. Универсальный нейроморфный процессор Папрс...............................204

Глава 6. Магноника - теоретические основы, материалы и устройства........223

6.1. Теоретические основы магноники...........................................223

6.1.1. Магнонные кристаллы и их роль в области магнонной спинтроники.....226

6.2. Основы динамики спиновых волн............................................226

6.2.1. Спиновые волны в тонких магнитных пленках и волноводах............226

6.2.2. Магнитные материалы для магнонных кристаллов......................229

6.2.3. Методы возбуждения и детектирования спиновых волн.................232

6.3. Статические магнонные кристаллы.....................................234

6.3.1. Условия брэгговского рассеяния спиновых волн в магнонных кристаллах....234
6.3.2. Магнонные кристаллы иттрий - железо - гранат с периодическим изменением
толщины пленки............................................................235

6.3.3. Металлические магнонные кристаллы на основе периодического изменения
ширины спинового волновода................................................237

6.4. Металлические магнонные кристаллы на основе периодического изменения
величины намагниченности насыщения........................................238

6.5. Реконфигурируемые, динамические и движущиеся магнонные кристаллы.....239

6.5.1. Оптически индуцированные реконфигурируемые магнонные кристаллы.....239

6.5.2. Управляемые током динамические магнонные кристаллы.................240

6.5.3. Движущиеся магнонные кристаллы на основе поверхностных
акустических волн..........................................................241

6.6, Принципы обработки данных на основе магнонных кристаллов.............243

6.6.1. СВЧ-фильтры на основе магнонных кристаллов.............................243

6.6.2. Генерация СВЧ-сигнала на основе магнонных кристаллов с обратной связью.244

6.6.3. Инверсия частоты и обращение времени с использованием динамических
магнонных кристаллов......................................................246

6.6.4. Буферизация данных в режимах статического магнонного кристалла.....248

6.6.5. Магнонные кристаллы в спинтронных логических устройствах...........250

6.6.6. Магнонный транзистор...............................................251

6.7. Создание и исследование двухкомпонентных планарных магнонных кристаллов
на основе пленок ферромагнитных металлов с различной величиной модуляции
магнитного параметра......................................................253

6.7.1. Технология изготовления двухкомпонентных магнонных кристаллов
на основе пленок ферромагнитных металлов и экспериментальные образцы.......254

6.7.2. Спектр спин-волновых возбуждений двухкомпонентных магнонных
кристаллов.................................................................257

6.7.3. Создание и исследование ферритовых магнонных кристаллов
с наличием дефектов и более чем одного пространственного периода..........261

6.7.3.1. Формирование запрещенных зон в спектрах спиновых волн,
распространяющихся в комбинированной структуре «ферритовый магнонный
кристалл - периодическая решетка из металлических полосок»................262

6.7.3.2. Формирование запрещенных зон в спектрах спиновых волн,
распространяющихся в ферритовом магнонном кристалле с поверхностной
структурой, состоящей их двух периодических решеток.......................264

6.7.3.3. Методы и результаты исследований одновходового брэгговского резонатора
на основе одномерного магнонного кристалла с дефектом.....................266

6.7.3.4. Методы и результаты исследований магнонного кристалла

«пленка железоиттриевого граната - периодическая решетка
из микрополосок пермаллоя».............................................269

Заключение................................................................272

Глава 7. Полупроводниковые квантовые точки - физические механизмы,
синтез, применение........................................................283

7.1. Физические основы квантовых точек....................................283

7.2. Оптические и электронные свойства квантовых точек....................288

7.3. Поверхностные молекулы - стабилизаторы квантовых точек...............290

7.4. Методы реализации квантовых точек....................................291

7.4.1. Введение в проблему................................................291

7.4.2. Методы формирования тонких пленок..................................293

7.4.3. Технология Ленгмюра - Блоджетт.....................................294
7.4.4. Формирование монослоев квантовых точек на границе раздела
«жидкость - газ».........................................................295

7.4.5. Стабильность монослоев на границе раздела «жидкость - газ».........296

7.4.6. Предельная минимальная площадь монослоев квантовых точек...........298

7.4.7. Влияние температуры субфазы на ленгмюровские монослои..............299

7.4.8. Методы молекулярно-лучевой и мосгидридной газофазовой эпитаксии........301

7.4.9. Метод коллоидного синтеза..........................................302

7.4.10. Эпитаксиальные квантовые точки....................................304

7.4.11. Жидкие кристаллы..................................................304

7.4.12. Ленгмюровские монослои жидкого кристалла..........................307

7.4.13. Ленгмюровские монослои смесей поверхностно-активных веществ.......309

7.4.14. Композитный материал на основе квантовых точек и жидкого кристалла....ЗИ

7.5. Методы компьютерного моделирования квантовых точек...................313

Глава 8. Спинтроника - теоретические основы, материалы, устройства........324

8.1. Квантово-механические явления как физические основы спинтроники......324

8.1.1. Квантовое ограничение..........................................,...324

8.1.2. Баллистический транспорт носителей заряда..........................332

8.1.3. Туннелирование носителей заряда....................................337

8.1.4. Спиновые эффекты...................................................342

8.2. Графеновая спинтроника - теоретические основы и экспериментальные
исследования.............................................................346

8.2.1. Физические механизмы электрической инжекции и переноса спина в графене.347

8.2.2. Магнитные моменты от дефектов и адатомов...........................354

8.2.3. Экспериментальные методы обнаружения магнитных моментов в графене......356

8.2.4. Особенности спин-орбитальной связи в материале графен..............361

8.2.5. Особенности механизма спиновой релаксации в графене................366

8.2.6. Основные возможные приложения графена как базового материала
спинтроники..............................................................371

8.2.7. Технологические и конструктивные особенности биологических сенсоров
на основе оксида графена.................................................373

8.3. Ферромагнитная элементная база спинтроники...........................380

8.3.1. Спиновый вентиль...................................................380

8.3.2. Вихревый спиновый диод.............................................383

8.3.3. Спинтронный транзистор.............................................386

8.3.4. Туннельный спин-вентильный транзистор..............................388

8.3.5. Спин-транзистор с полупроводниковой базой..........................389

8.3.6. Спиновый полевой транзистор........................................390

8.3.7. Спинтронный СВЧ-генератор..........................................391

8.3.8. Спинтронное реле...................................................395

8.3.9. Спинтронные светодиоды.............................................397

8.3.10. Спинтронные аккумуляторы..........................................398

8.3.10.1. Материалы для спиновых аккумуляторов............................399

8.4. Спин-поляризованный электрический ток................................401

8.4.1. Механизм формирования спин-поляризованного электрического тока.....401

8.4.2. Спин-ток, или «спиновый транспорт».................................402

8.4.3. Соотношение между спин-поляризованным электрическим током
и магнитным спин-током...................................................403

8.4.4. Спин-поляризованный электрический ток и спин-ток...................404

8.4.5. Особенности прохождения спин-поляризованного тока сквозь контакт
ферромагнетика с немагнитным проводником.................................409
8.4.6. Особенности прохождения спин-поляризованного тока сквозь контакт
ферромагнетика с полупроводником..........................................410

8.5. Ферромагнитные полупроводники.............................................412

8.6. Энергонезависимая магнитная память - состояние, проблемы и перспективы....414

8.7. Спинтронные магнитные датчики - состояние, проблемы и перспективы...418

8.8. Спинтронные радиочастотные и микроволновые устройства...............421

8.8.1. Конфигурации и принципы работы спинтронных радиочастотных устройств
для систем беспроводной связи ...........................................421

8.8.2. Магнонные технологии для обработки радиочастотных сигналов........427

8.8.3. Спинтронные устройства для реализации логических и небулевых функций....428

8.9. Спиновый транзистор для оптически управляемых спиновых логических
элементов................................................................434

8.10. Спиновый транзистор для спиновых (квантовых) запоминающих устройств......438

8.11. Основные материалы спинтроники ....................................443

8.12. Особенности моделирования спинтронных устройств....................447

8.13. Перспективы развития и проблемы спинтронных устройств..............451

Выводы...................................................................452

Глава 9. Стрейнтроника - теоретические основы, материалы, устройства.....468

9.1. Теоретические основы стрейнтроники..................................468

9.1.1. Две ветви развития стрейнтроники..................................468

9.1.2. Перекрестные эффекты с участием упругой подсистемы................473

9.1.3. Деформационная инженерия..........................................479

9.1.4. Композиционные материалы магнитной стрейнтроники..................482

9.1.5. Принцип действия магнитных стрейнтронных устройств................484

9.2. Физические эффекты в магнитных микро- и наночастицах и структурах,
индуцированные механическими напряжениями................................486

9.2.1. Переключение намагниченности в паночастицах.......................486

9.2.2. Изменения микромагннтной структуры под действием механических
напряжений...............................................................496

9.2.3. Магнитные превращения, наведенные механическими напряжениями......504

9.2.4. Термоиндуцированный магнитоупругий эффект.........................514

9.2.2. Преобразование полей в композитных структурах.....................519

9.3. Композитные материалы и устройства магнитной стрейнтроники..........523

9.3.1. Состав и методы изготовления структур.............................524

9.3.2. Устройства памяти и логики, переключаемые электрическим полем.....525

9.3.3. Датчики, преобразователи энергии, микродвигатели..................534

9.3.4. Устройства обработки радиосигналов, перестраиваемые электрическим полем.543

9.3.5. Производные элементы стрейнтроники: гираторы, трансторы
и нейроморфные элементы...................................................545

9.4. Перспективы развития стрейнтроники........................................549
Книги почтой

Заказ можно сделать на сайте издательства

тг^Лп/га-е.П1

№ п/п Наименование книги
1 Компонентная база инфокоммуникационных и интеллектуальных систем
2 Алгоритмы Э-Иа Зеленее и их практическая реализация на РуЙюп
3 Средства специализированных телекоммуникационных шин и сетей систем управления
4 Компьютерные сети
5 Отечественная компонентная база волоконной техники и фотоники
6 Системы сигнализации мультисервисных сетей
7 Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство. Издание 5-е
8 Теория электрической связи через цифровую обработку сигналов с примерами в МАТЬАВ
9 Теория электрической связи
10 Мобильная связь на пути к 60. Издание 3-е. Том 1. (Приложения в электронном виде)
И Мобильная связь на пути к 60. Издание 3-е. Том 2. (Приложения в электронном виде)
12 Архитектурно-конфигурируемые 8ПК-технологии радиомониторинга и телеметрии
13 Кибероружие и кибербезопасность. 0 сложных вещах простыми словами
14 Производство гибридных интегральных схем
15 Волоконно-оптические линии связи и их защита от внешних влияний
16 Технологические процессы в микро- и наноэлектронике
17 Основы микросенсорики. (Приложения в электронном виде)
18 Технологические сети и системы связи
Научно-популярное издание

Анатолий Иванович Белоус
Виталий Александрович Солодуха

МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

ЭЛЕКТРОНИКА ПОСЛЕ МУРА

13ВМ 978-5-9729-1045-8

Подписано в печать 29.04.2022

Формат 60x84/16. Бумага офсетная
Гарнитура «Тппез Иеху Котап».

Издательство «Инфра-Инженерия»
160011, г. Вологда, ул. Козленская, д. 63
Тел.: 8 (800) 250-66-01

Е-тай: Ьоок1п§@1п1та-е.ш

Ьйр8://тГга-е.ги

Издательство приглашает к сотрудничеству
авторов научно-технической литературы