Ученые ЛЭТИ совместно с коллегами показали, что привычные оксиды железа в наноразмерной форме могут стать основой для биосенсоров и электроники будущего.
07.10.2025
Оксиды железа, знакомые нам в виде обычной ржавчины, в наномасштабе превращаются в уникальный инструмент для науки и техники. Эти материалы экологичны, устойчивы, технологичны и при этом обладают необычными магнитными свойствами. Они могут использоваться в спинтронике – новом направлении электроники, где информация хранится и передаётся не только за счет электрического заряда, как в привычных микросхемах, но и благодаря особому «магнитному компасу» внутри каждого электрона. Такой двойной способ кодирования данных позволяет создавать более быстрые, компактные и энергоэффективные устройства.
Не менее важное направление применения – сенсорика. Здесь нужны материалы, которые «чувствуют» изменения среды: от присутствия молекул в биосенсоре до слабых магнитных полей в датчике. Чем сложнее и разнообразнее поверхность слоя, тем выше может быть его чувствительность, а значит, тем точнее может работать сенсор.
Учёные Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» совместно с коллегами из Физико-технического института (ФТИ) им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербургского государственного университета и Дальневосточного федерального университета изучили, как изменяются магнитные свойства тонких слоев оксида железа при различных условиях их выращивания.
«Нам удалось зафиксировать «вихревые» магнитные структуры в тонких слоях оксидов железа. «Вихрь» считается устойчивым образованием, и именно поэтому его можно использовать для хранения информации. Наша задача – получить такие слои, которые смогут выступать чувствительными элементами биосенсоров».
Работа включала в себя несколько последовательных этапов. Сначала на базе Лаборатории физики профилированных кристаллов ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН методом ультразвуковой паровой химической эпитаксии (mist-CVD) на сапфировой подложке получали исследуемые слои оксида железа. Затем на базе ресурсных центров Научного парка СПбГУ экспериментально изучались структура и магнитные свойства полученных слоев. А на финальном этапе были выполнены теоретические оценки магнитного состояния оксида железа в исследованных образцах.
«Метод магнитно-силовой микроскопии позволяет с высоким разрешением визуализировать распределение магнитных полей на поверхности образца, фиксируя области формирования доменов и появление вихревых структур. Полученные трёхмерные карты магнитных контрастов показали хаотичное распределение магнитных областей в слоях с буфером GaN (нитрид галия)».
Результаты исследований показали, что наличие буферного слоя GaN усиливает магнитные характеристики материала: возрастает намагниченность насыщения и более выраженными становятся так называемые вихревые магнитные структуры. Эти структуры могут быть устойчивыми и по этой причине долго сохранять свое состояние, что делает их перспективными как для хранения информации, так и для использования в чувствительных элементах биосенсоров.
Результаты опубликованы в журнале «Физика твёрдого тела».
Работа ведется в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».
