Учёные МФТИ нашли пользу в дефектах структуры феррита никеля

Феррит никеля — это сложный оксид железа и никеля, представляющий собой тёмно-коричневые, нерастворимые в воде кристаллы. Соединение известно своей механической твёрдостью и химической стабильностью, имеет высокое удельное сопротивление и температуру Кюри более 500 °C, что позволяет ему выдерживать высокие температуры без изменения фазового состояния и магнитных свойств.

«Это перспективный материал для спинтроники и производства микросхем резистивной памяти. В спиновых устройствах используется не только заряд электрона, но и его спин, создающий магнитное поле. Резистивная память работает со скоростью оперативной, но в то же время сохраняет данные при отключении электропитания, подобно внешнему диску. В основе микросхем резистивной памяти лежит структура: металл — изолятор — металл», – рассказал руководитель лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Владимир Стегайлов.

Исследование показало, что многие свойства феррита никеля зависят от наличия в кристаллической структуре дефектов, то есть нарушений в периодичности расположения атомов. Ученые применили методы ab initio (методы первопринципных расчетов электронной структуры, которые базируются на аппарате квантовой физики, но не задействуют эмпирические параметры и отличаются математической строгостью) для анализа структуры идеального кристалла феррита никеля и реального, имеющего точечные дефекты.

Моделирование эффекта орбитального упорядочения и процесса переноса заряда, а также определение ширины запрещенной зоны феррита никеля проводилось в программном пакете VASP, используя теорию функционала электронной плотности.

Рисунок 1. Плотность квантовых состояний феррита никеля со структурой идеальной (красный цвет) и имеющей точечные дефекты: кислородные и двойные кислородные вакансии (синий и зеленый цвета соответственно) и антисайты никеля (фиолетовый цвет). Источник: Computational Materials Science.

Также исследователи изучили движение поляронов в структуре феррита никеля. Это квазичастицы из электрона и поля поляризации, вызванного деформацией кристаллической решётки. Выяснилось, что поляронная проводимость зависит от наличия в структуре феррита никеля кислородных вакансий и антисайт дефектов, проявляющихся, когда катион никеля занимает место железа.

Ученые установили, что в кристаллах феррита никеля могут образовываться каналы проводимости из двойных кислородных вакансий, что увеличивает дырочную проводимость и уменьшает ширину запрещённой зоны.

«Можно ожидать, что сложные первопринципные расчеты электронной структуры феррита никеля и подобных ему материалов будут способствовать разработке быстродействующих и энергонезависимых электронных устройств», – подытожил Владимир Стегайлов.

Результаты исследований опубликованы в журнале Computational Materials Science.

Источник: журнал «За науку»