Ученые из японского Центра изучения эмерджентной материи RIKEN совместно с коллегами разработали технологию, позволяющую создавать трехмерные наномасштабные устройства непосредственно из монокристаллических материалов. Этот метод, напоминающий наноскульптуру, использует сфокусированный ионный пучок для высокоточного удаления материала. С его помощью команда «вырезала» крошечные спиральные структуры из магнитного кристалла на основе кобальта, олова и серы. Дальнейшие тесты показали, что эти структуры функционируют как переключаемые диоды – устройства, которые пропускают электрический ток значительно легче в одном направлении, чем в другом.
Современная электроника в основном является «плоской», однако переход к сложным трехмерным формам мог бы сделать устройства меньше, эффективнее и мощнее. Несмотря на очевидные преимущества, до недавнего времени у исследователей было мало способов для создания таких структур. Существующие методы накладывали ограничения на выбор материалов и часто ухудшали качество конечного устройства.
Новый подход, описанный в журнале Nature Nanotechnology, решает эти проблемы. Использование сфокусированного ионного луча с субмикронной точностью позволяет, в теории, создавать трехмерные приборы практически из любого кристаллического материала. Процесс похож на работу скульптора, который аккуратно удаляет лишнее из цельного блока, пока не появится нужная форма.
Чтобы продемонстрировать возможности метода, команда изготовила спиральные наноустройства. Основываясь на известных свойствах материала, ученые ожидали, что изогнутая геометрия приведет к особому диодному эффекту. Эксперименты подтвердили их гипотезу: ток действительно проходил через структуру асимметрично. Этот эффект можно было обратить, изменив намагниченность кристалла или «направление закрутки» спирали. Кроме того, исследователи обнаружили и обратное взаимодействие – мощные электрические импульсы могли изменять намагниченность самой структуры. Диоды являются ключевыми компонентами в современной электронике, от блоков питания до светодиодов.
Сравнивая спирали разных размеров и измеряя их свойства при различных температурах, ученые выяснили, что диодный эффект возникает из-за неравномерного рассеяния электронов на изогнутых, хиральных стенках устройства. Это открытие доказывает, что физическая форма компонента может напрямую влиять на движение электричества внутри него. Результаты показывают, что сама геометрия может стать инструментом для проектирования энергоэффективных компонентов для технологий памяти, логики и сенсоров будущего.
«Рассматривая геометрию как источник нарушения симметрии наравне с внутренними свойствами материала, мы можем проектировать электрическую асимметрию на уровне самого устройства, – объясняет Макс Бирч, первый автор исследования. – Наш недавно разработанный метод наноскульптуры открывает широкие возможности для изучения того, как трехмерные и изогнутые геометрии могут быть использованы для реализации новых электронных функций».
Руководитель исследовательской группы Ёсинори Токура добавил, что этот подход позволяет создавать конструкции, которые объединяют уникальные электронные состояния материалов с инженерной кривизной. По его словам, сближение физики материалов и нанофабрикации открывает путь к функциональным архитектурам устройств с потенциальным применением в технологиях памяти, логики и датчиков.
