Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) – dr Krzysztof Grochot
Tytuł projektu
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) – dr Krzysztof Grochot
Nazwa Beneficjenta/Beneficjentów
Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Nazwa programu
Program Operacyjny Wiedza Edukacja Rozwój
Konkurs
Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej
Wartość projektu
10123883 zł na 75 beneficjentów
Wartość dofinansowania
134895 zł na jednego doktoranta
Okres realizacji projektu
od 1.09.2017 r. do 31.08.2022 r. (przedłużony do 31.10.2023 r.)
Poznaj nasz zespół
Zobacz efekt naszej pracy
Przełączanie magnetyzacji indukowane prądem (Current Induced Magnetization Switching – CIMS) pozwala na oszczędne energetycznie zapisywanie stanów bitowych w hybrydowych układach wielowarstwowych. Badaliśmy oddziaływanie Dzyaloshinskiiego-Moriyi (DMI) i spinowy moment siły (spin orbit torque - SOT) w układzie wielowarstwowym Ti(2)/Co(1)/Pt(0-4)/Co(1)/MgO(2)/Ti(2) (liczby w nawiasach to grubości poszczególnych warstw w nanometrach) wytworzonych w postaci mikrometrowych elementów do pomiaru efektu Halla. W badanym układzie warstwa metalu ciężkiego (Pt) używana jest jako źródło prądu spinowego oraz jako niemagnetyczna przekładka, której zmienna grubość umożliwia optymalne dobranie wielkości ferromagnetycznego sprzężenia międzywarstwowego (IEC). W oparciu o pomiary sygnałów anomalnego efektu Halla (AHE), anizotropowego magnetooporu (AMR) i spin Hall magnetoresistance (SMR), stwierdziliśmy, że wzrost grubości Pt (tPt) prowadzi do reorientacji kierunku magnetyzacji ferromagnetycznego Co z kierunku w płaszczyźnie do kierunku prostopadłego do płaszczyzny warstwy przy tPt ≈ 1,3 nm. Dalszy wzrost grubości Pt, powyżej 3 nm, prowadzi do znacznego spadku wartości sprzężenia i w konsekwencji dwie słabo sprzężone warstwy Co stają się namagnesowane ortogonalnie względem siebie. Na podstawie analizy widm pików Stokesa i anty-Stokesa, zmierzonych za pomocą metody rozpraszania światła Brillouina (BLS), określono wartość efektywnej stałej DMI w funkcji grubości przekładki Pt. Wielkość ta osiąga najwyższą wartość dla grubości Pt około 2 nm, gdzie anizotropia prostopadła jest największa. Obrazowanie domen magnetycznych za pomocą mikroskopii Kerra wykazało skyrmionowe domeny w obszarze silnego sprzężenia, które zanikają wraz ze spadkiem sprzężenia ferromagnetycznego. Na koniec badaliśmy efekt SOT-CIMS, który przeanalizowaliśmy teoretycznie za pomocą równania Landaua-Lifshitza-Gilberta-Slonczewskiego. W wyniku asymetrii interfejsów Co/Pt i Pt/Co, IEC oraz oddziaływania DMI uzyskaliśmy wielopoziomowe przełączania prądowe magnetyzacji, zjawisko bardzo ważne w zastosowaniach do pamięci SOT- MRAM.
Jaki problem rozwiązuje nasz projekt?
Opracowanie nowych technologii przechowywania i przetwarzania informacji w oparciu o spin elektronu wzbudza szerokie zainteresowanie z punktu widzenia potencjalnych zastosowań w obszarze energooszczędnych pamięci elektronicznych wpisujących się w trend zielonej technologii informatycznej (Green IT). Praca doktorska dotyczy badań nad cienko-warstwowymi heterostrukturami elektroniki spinowej (tzw. spintroniki) charakteryzujących się wysoką wydajnością generowania bezstratnych prądów spinowych. Z tego właśnie powodu wyniki uzyskane w ramach doktoratu są bardzo interesujące dla zastosowań w elektronice, w szczególności w technice komputerowej w zakresie przechowywania i przetwarzania informacji. Dotyczy to przede wszystkim nowych rozwiązań w zakresie pamięci operacyjnych klasy Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM). Ponadto, działanie spinowo-orbitalnego momentu siły (SOT – Spin Orbit Torque) na magnetyzację warstwy ferro-magnetycznej za pomocą spinowo-spolaryzowanego prądu znajduje zastosowanie w układach logicznych oraz mikrofalowych oscylatorach stosowanych w telekomunikacji. Pokazujemy, że oszczędność w zużyciu energii przez elementy elektroniki spinowej jest możliwa, jeśli udział prądu spinowego będzie przeważał nad prądem ładunkowym, który jest źródłem strat energii. W pracy doktorskiej analizowano teoretycznie i badano ekspery-mentalnie zjawisko SOT wzbudzone spinowo-spolaryzowanym prądem. Najważniejsze wyniki badań zostały opublikowane w wysoko indeksowanych czasopismach listy Journal Citation Reports (JCR) i były prezentowane na krajowych i międzynarodowych konferencjach. Uważamy, że nasze badania przyczynią się przede wszystkim do tego, że będące w powszechnym użyciu smartfony, tablety i komputery, dzięki wbudowaniu w nich, elementów spintronicznych będą zużywały mniej energii niż te obecnie produkowane.
Kto skorzysta z wyników projektu?
Podstawowym rezultatem badań pracy doktorskiej „Spinowa magnetorezystancja i spinowy efekt Halla w cienkowarstwowych układach hybrydowych: metal ciężki, ferromagnetyk, antyferromagnetyk” jest optymalizacja materiałowa układu wielowarstwowego pod kątem oddziaływań spinowo-orbitalnych oraz generowania spolaryzowanego spinowo prądu potrzebnego do wielostanowego przełączania magnetyzacji kodowanej cyfrowo w komórkach pamięci SOT-MRAM. Przykładem jest wspólna publikacja z firmą Singulus Technologies https://www.singulus.com/products/semiconductor-cluster-tools/, opublikowana w IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 12, 6379-6385 (2021), DOI: 10.1109/TED.2021.3122999 „Angular Harmonic Hall Voltage and Magnetoresistance Measurements of Pt/FeCoB and Pt-Ti/FeCoB Bilayers for Spin Hall Conductivity Determination”. Opublikowane w ramach doktoratu prace zostały zauważone w międzynarodowym środowisku spintronicznym i były wielokrotnie cytowane.
Nasza rada dla innych Wnioskodawców
Realizowany projekt pt. Interdyscyplinarne Środowiskowe Studia Doktoranckie "Fizyczne, Chemiczne i Biofizyczne Podstawy Nowoczesnych Technologii i Inżynierii Materiałowej " (FCB) dał beneficjentom bez wątpienia bardzo duże możliwości multidyscyplinarnego rozwoju naukowego i realizacji planów badawczych poprzez możliwość sfinansowania wyjazdów na staże zagraniczne oraz wzięcia udziału w szeregu krajowych oraz międzynarodowych konferencji naukowych. Środki przeznaczone na publikacje w czasopismach Open Access dały doktorantom szansę na upublicznienie wyników swoich badań i łatwe rozpropagowanie ich w międzynarodowym środowisku naukowym.