Nieuwe fabricagetechniek voor nanodraad maakt de weg vrij voor spintronica van de volgende generatie

Omdat onze wereld sneller dan ooit moderniseert, is er een steeds grotere behoefte aan betere en snellere elektronica en computers. Spintronica is een nieuw systeem dat naast de ladingstoestand ook de spin van een elektron gebruikt om gegevens te coderen, waardoor het hele systeem sneller en efficiënter wordt. Ferromagnetische nanodraden met hoge coërciviteit (weerstand tegen veranderingen in magnetisatie) zijn nodig om het potentieel van spintronica te realiseren. Vooral L1₀-geordende (een soort kristalstructuur) kobalt-platina (CoPt) nanodraden.

Conventionele fabricageprocessen voor L1₀-geordende nanodraden omvatten een warmtebehandeling om de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal te verbeteren, een proces dat gloeien op het kristalsubstraat wordt genoemd; de overdracht van een patroon op het substraat door middel van lithografie; en ten slotte de chemische verwijdering van lagen door middel van een proces dat etsen wordt genoemd.

Het elimineren van het etsproces door nanodraden rechtstreeks op het siliciumsubstraat te fabriceren, zou leiden tot een duidelijke verbetering in de fabricage van spintronische apparaten. Wanneer direct vervaardigde nanodraden echter worden onderworpen aan uitgloeien, hebben ze de neiging om in druppeltjes te veranderen als gevolg van de interne spanningen in de draad.

Onlangs heeft een team van onderzoekers onder leiding van professor Yutaka Majima van het Tokyo Institute of Technology een oplossing voor het probleem gevonden. Het team rapporteerde een nieuw fabricageproces om L1 . te maken₀– bestelde CoPt-nanodraden op silicium/siliciumdioxide (Si/SiO₂) ondergronden.

Over hun onderzoek gesproken, gepubliceerd in Vooruitgang op nanoschaal, Prof. Majima zegt: “onze door nanostructuur geïnduceerde bestelmethode maakt de directe fabricage van ultrafijne L1” mogelijk₀– bestelde CoPt-nanodraden met de smalle breedte van 30 nm-schaal die nodig is voor spintronica. Deze fabricagemethode kan verder worden toegepast op andere L1₀– bestelde ferromagnetische materialen zoals ijzer-platina en ijzer-palladiumverbindingen.”

In deze studie bedekten de onderzoekers eerst een Si/SiO₂ substraat met een materiaal genaamd “resist” en onderwierp het aan elektronenstraallithografie en verdamping om een ​​stencil voor de nanodraden te creëren. Vervolgens werd een meerlaagse CoPt op het substraat afgezet. De gedeponeerde monsters werden vervolgens “opgetild” en lieten CoPt-nanodraden achter. Deze nanodraden werden vervolgens onderworpen aan gloeien bij hoge temperatuur. De onderzoekers onderzochten ook de gefabriceerde nanodraden met behulp van verschillende karakteriseringstechnieken.

Ze ontdekten dat de nanodraden L1 . aannamen₀-bestellen tijdens het gloeiproces. Deze transformatie werd veroorzaakt door atomaire interdiffusie, oppervlaktediffusie en extreem grote interne spanning bij de ultrakleine krommingsstralen op 10 nm schaal van de nanodraden. Ze ontdekten ook dat de nanodraden een grote coërciviteit van 10 kiloOersteds (kOe) vertoonden.

Volgens prof. Majima, ” induceren de interne spanningen op de nanostructuur hier de L1₀-bestellen. Dit is een ander mechanisme dan in eerdere onderzoeken. We hebben goede hoop dat deze ontdekking een nieuw onderzoeksgebied zal openen, genaamd ‘nanostructuur-geïnduceerde materiaalwetenschap en engineering’.”