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科学家使用离子束创造三维纳米结构

离子束 纳米结构
发布:2020-10-27 14:24:04    

磁性层和非磁性层之间的界面上的效应已经被用于数据存储了三十年。这导致硬盘驱动器存储容量稳定增加,这也是研究人员看到将数据处理引入新时代的潜力的原因之一。可以产生这些界面的一种方法是使用离子束。来自亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫(HZDR)的Alina Maria Deac博士领导的科学家现在已经展示了发生的确切过程。他们的结果发表在《应用材料和接口》杂志上,可以促进强大的神经形态计算机的发展。

自旋电子学被认为是用于更小,更强大和经济的硬件的有前途的研究领域。尽管电荷是常规半导体电子设备中的主要焦点,但电子的磁矩在自旋电子学中具有决定性的重要性。几年来已知可以使用离子束产生由磁性和非磁性层组成的这种纳米结构。

例如,非磁性氧化钴在受到离子轰击时会转化为铁磁性钴。因此,通过引入非磁性氧化钴和铂的多层,离子辐射产生了磁性和非磁性层交替的结构。这些层之间的界面厚度只有几纳米,会产生各种影响。这些效应对于磁性数据的存储和传输至关重要,并且可以大大改善这些方面。

不化学结合,但物理去除

Deac说:“当离子束将非磁性氧化物转换为磁性金属时,确切发生的事情已经在2012年被韩国研究小组研究过。” 当时,科学家使用质子束-普通氢的原子核。根据先前的假设,这些物质可能与氧化钴中的氧发生化学融合。剩下的就是磁性钴和水。

“我们不想追求这种解释,”迪亚克说。“因为尚无人能够检测出材料中的水分,对于电子元件来说,水分也将完全消失。” 研究人员认为,如果无法检测到水,则要么需要以某种未知的方式将其从材料中消失,要么将氧化钴转化为钴是另一种原因。

然后,迪亚克(Deac)和她的团队使用不同的粒子束进行了自己的实验,并且能够证明没有化学反应发生。“氧原子不会发生化学反应。辐射离子只是简单地将它们机械地推开,”科学家解释说。该团队使用不同的口罩进行测试,以覆盖部分起始材料。因此,研究人员能够证明,这种影响仅发生在光束直接撞击氧化钴的位置上。“因此,氧原子要么被推入同一层的相邻未辐照区域,要么推入下面的层中,” Deac总结说。

全新硬件的创新之路

了解这些过程对于将来使用离子束生产组件纳米结构至关重要。尽管传统上这种结构是二维的,但Deac和她的研究小组通过仅在选定的位置用离子辐照多层氧化钴和铂,在制造过程中增加了三维。“这形成了两种不同类型的接口,” Deac说,并描述了结果。“一方面,钴和铂之间存在一个水平界面,迫使钴沿优选方向磁化;另一方面,氧化钴与钴之间存在垂直界面,在低温下,磁矩被阻止在特定方向上。”

这些三维结构为进一步小型化打开了巨大的潜力。毕竟,制造极小,经济和功能强大的组件是整个新一代计算机的基本前提。德累斯顿研究人员主要考虑神经形态硬件。这种新型计算机正处于开发的初期。它们以人脑为模型,并在芯片上结合了高度网络化的并行合成神经元和突触。它们不仅在计算能力方面胜过当今的计算机,而且体积更小,更节能。这使它们成为人工智能领域(例如自动驾驶汽车中)应用的理想硬件。

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