Onderzoekers vervaardigen arrays van atomair gladde, ijzergecoate siliciumpiramides met ongebruikelijke magnetische eigenschappen

Ultrakleine geïntegreerde schakelingen hebben een revolutie teweeggebracht in mobiele telefoons, huishoudelijke apparaten, auto’s en andere alledaagse technologieën. Om elektronica verder te miniaturiseren en geavanceerde functies mogelijk te maken, moeten circuits betrouwbaar in drie dimensies worden vervaardigd. Het is moeilijk om ultrafijne 3D-vormcontrole te bereiken door in silicium te etsen, omdat zelfs schade op atomaire schaal de prestaties van het apparaat vermindert. Onderzoekers van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST) hebben een nieuwe studie gepubliceerd in Kristalgroei en ontwerp waarin ze silicium etsten om de vorm aan te nemen van atomair gladde piramides. Door deze siliciumpiramides te bedekken met een dunne laag ijzer, werden magnetische eigenschappen verkregen die tot nu toe alleen theoretisch waren.

NAIST-onderzoeker en senior auteur van de studie Ken Hattori wordt veel gepubliceerd op het gebied van atomair gecontroleerde nanotechnologie. Een van de aandachtspunten van Hattori’s onderzoek is het verbeteren van de functionaliteit van op silicium gebaseerde technologie.

“Silicium is het werkpaard van moderne elektronica omdat het kan fungeren als halfgeleider of isolator, en het is een overvloedig element. Toekomstige technologische vooruitgang vereist echter atomair soepele fabricage van apparaten in drie dimensies”, zegt Hattori.

Een combinatie van standaard droog etsen en chemisch etsen is nodig om arrays van piramidevormige silicium nanostructuren te vervaardigen. Tot nu toe waren atomair gladde oppervlakken een enorme uitdaging om voor te bereiden.

“Onze geordende reeks gelijkbenige siliciumpiramiden waren allemaal even groot en hadden vlakke facetvlakken. We bevestigden deze bevindingen door laag-energetische elektronendiffractiepatronen en elektronenmicroscopie”, legt hoofdauteur van de studie Aydar Irmikimov uit.

Een ultradunne laag ijzer van 30 nanometer werd op het silicium afgezet om ongebruikelijke magnetische eigenschappen te geven. De oriëntatie op atomair niveau van de piramides definieerde de oriëntatie en dus de eigenschappen van het overliggende ijzer.

“Epitaxiale groei van ijzer maakte vormanisotropie van de nanofilm mogelijk. De curve voor de magnetisatie als functie van het magnetisch veld was rechthoekig van vorm, maar met breekpunten die werden veroorzaakt door asymmetrische beweging van de magnetische vortex gebonden in de top van de piramide”, legt Hattori uit.

De onderzoekers ontdekten dat de curve geen breekpunten had in analoge experimenten die werden uitgevoerd op vlak, met ijzer bedekt silicium. Andere onderzoekers hebben theoretisch de afwijkende curve voor piramidevormen voorspeld, maar de NAIST-onderzoekers zijn de eersten die het in een echte nanostructuur hebben aangetoond.

“Onze technologie maakt de fabricage van een circulaire magnetische array mogelijk door simpelweg de vorm van het substraat af te stemmen”, zegt Irmikimov. Integratie in geavanceerde technologieën zoals spintronica, die informatie coderen door de spin in plaats van door elektrische lading van een elektron, zal de functionaliteit van 3D-elektronica aanzienlijk versnellen.