Спинтроника — новый раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса в твердых телах. В устройствах спинтроники энергию или информацию переносит не электрический ток, как в обычных устройствах, а ток спинов. Как правило, это приводит к значительному увеличению быстродействия и уменьшению энергозатрат. Одной из основных задач спинтроники является разработка методов создания спин-поляризованного тока, т.е. тока спинов. Огромное внимание в настоящее время уделяется поиску новых материалов, обеспечивающих эффективную генерацию спин-поляризованного тока при комнатной температуре и совместимых с хорошо разработанными технологиями современной электроники.

Уже к началу XXI века стало ясно, что наиболее подходящими материалами для спинтроники могут быть не идеальные кристаллы, а кристаллы, содержащие вакансии. Наиболее известные примеры — это так называемый NV^— центр в алмазе, когда атом азота N вплотную подходит к углеродной вакансии V, заряженной отрицательно, и кремниевая вакансия V_Si в карбиде кремния SiC. В данный момент двумя основными проблемами здесь являются получение таких вакансий в достаточно большом количестве и сопряжение полученного материала с кремнием — основным материалом современной микроэлектроники, так как полученный спиновый ток необходимо инжектировать в кремний. Энергия образования кремниевых вакансий в карбиде кремния чрезвычайно высока, поэтому в настоящее время их получают облучением карбида кремния пучками высокоэнергетичных частиц. Вакансий с нужными свойствами получается при облучении очень мало, порядка 10⁸-10¹² см^-3.

В 2021 году в лаборатории структурных и фазовых превращений Института проблем машиноведения РАН (зав. лаб., проф. Сергей Арсеньевич Кукушкин) была впервые разработана технология, позволяющая решить обе указанные проблемы одновременно. Ключевая идея состоит в том, что кремниевые вакансии создаются не в карбиде кремния, а в кремниевой подложке, что несопоставимо проще. Лишь затем верхняя часть кремния с вакансиями превращается в эпитаксиальный слой карбида кремния за счет реакции с монооксидом углерода. Часть вакансий в кремнии просто превращаются в вакансии в карбиде кремния химическим путем. Концентрация кремниевых вакансий при этой технологии достигает значений 10²⁰-10²¹ см^-3, т.е. примерно в 10¹⁰ раз больше, чем при облучении. Толщина высококачественного эпитаксиального карбида кремния при этом способе роста получается от 100 до 1000 нм, граница раздела с кремнием практически идеальная и не содержит дислокаций несоответствия решеток. Исследования, проведенные в ИПМаш РАН, показали, что данный материал обеспечивает высокую плотность спин-поляризованного тока, т.е. является коммерчески пригодным. Результаты исследований опубликованы в статье Kukushkin, S.A., Osipov, A.V. Spin polarization and magnetic moment in silicon carbide grown by the method of coordinated substitution of atoms (2021) Materials, 14 (19), 5579. DOI:10.3390/ma14195579.
   
Область с магнитным моментом вокруг кремниевой вакансии.       Схематическое изображение кубита с двумя однофотонными                                                                                                                                                              детекторами, основанном на спин-поляризованном токе.

Данное сообщение подготовлено на основе доклада г.н.с. лаборатории структурных и фазовых превращений ИПМаш РАН, д.ф.-м.н. Андрея Викторовича Осипова 25.11.2021 г. на Научном совете ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания», науч. рук. — академик РАН Г.Я. Красников.