Reprezentatívne výsledky

2023

  • Jednosmerné okrajové stavy v magnónovom kryšráli

V poslednom desaťročí sa výskum topologických izolátorov stal horúcou témou v rôznych oblastiach fyziky. Ich nezvyčajné vlastnosti vzbudzujú záujem vedcov zameraných na základný aj aplikovaný výskum.

Jednou z najzaujímavejších vlastností topologického izolátora je fakt, že jeho vnútro je izolant, pričom na povrchu existujú vodivé stavy. V 2D verzii topologického izolátora sú tieto vodivé okrajové stavy chránené proti rozptylu a pohybujú sa pozdĺž okraja iba v jednom predpísanom smere. To z nich robí sľubných kandidátov na nosiče informácií v budúcich počítačových súčiastkach.

Jednosmerné okrajové stavy boli experimentálne pozorované v mnohých fyzikálnych systémoch, ktorých spoločným menovateľom je, že sa v nich môžu šíriť vlny. Ako príklad uveďme elektronické systémy, akustické a fotonické kryštály alebo aj mechanickú mriežku rotujúcich gyroskopov. Vo feromagnetických systémoch, v ktorých existujú spinové (magnónové) vlny, boli tieto topologické okrajové stavy teoreticky predpovedané už pred desiatimi rokmi. Napriek tomu, na ich experimentálne potvrdenie stále čakáme.

Jednou z najväčších výziev brániacej výrobe predpovedaného magnónového topologického kryštálu je jeho vysoko komplexná geometria. V našej nedávnej práci preto navrhujeme taký topologický magnónový kryštál s jednoduchou geometriou, ktorý by mal byť sľubným kandidátom na experimentálnu realizáciu a následné pozorovanie jednosmerných okrajových stavov. Náš magnónový kryštál pozostáva z mriežky tenkých feromagnetických štvorcov, ktoré sú diagonálne rozrezané na rovnaké rovnoramenné trojuholníky. Táto geometria je relatívne jednoduchá na výrobu, pretože môže byť vyrobená z homogénnej feromagnetickej vrstvy vyrezaním priamych vertikálnych, horizontálnych a diagonálnych čiar.

Numericky sme ukázali, že ak náš magnónový kryštál umiestnime do kolmého magnetického poľa, spinové vlny sa budú šíriť iba na jeho okrajoch a v jednom smere, pričom tento smer závisí od veľkosti poľa.

Numerická simulácia jednosmerného okrajového stavu v našom magnónovom kryštáli. Červený kruh zobrazuje miesto v kryštáli, kde je spinová vlna vybudená. Následne sa spinová vlna pohybuje v smere hodinových ručičiek pozdĺž okraja kryštálu a nerozptyľuje sa do opačného smeru, aj keď narazí na defekt (červený štvorec).

Ref. Feilhauer, J., Zelent, M., Zhang, Z., Christensen, J., and Mruczkiewicz, M.: Unidirectional spin-wave edge modes in magnonic crystal, APL Mater. 11 (2023) 021104

 

2022

  • Usporiadanie v magnetickom poli a optická anizotropia nanočastíc MoS2 dispergovaných v polyméri z tekutých kryštálov

Táto práca sa týka vývoja metodológie ako orientovať súbor mnohých individuálnych a mikroskopických MoS2 častíc v disperzii a ako určiť výsledné anizotrópne optické vlastností takéhoto materiálu pomocou fotoluminiscencie a Ramanovej spektroskopie. Kontrola orientácie častíc v disperziách 2D nanomateriálov je nevyhnutná pre praktické využitie ich užitočných vlastností. Napríklad, nanokompozity tvorené anizotropnými nanočasticami dispergovanými v tekutých kryštáloch sú zaujímavé z dôvodu, že tekuté kryštály reagujúce na externé riadiace pole ovplyvňujú usporiadania samotných anizotropných nanočastíc.

V tejto práci popisujeme nový spôsob, ako orientovať niekoľkovrstvové nanočastice MoS2 pomocou vonkajšieho magnetického poľa. Nanočastice boli dispergované  v tekutom kryštalickom polyméri, ktorý v magnetickým poli zorientuje svoju význačnú os rovnobežne s poľom. V takto orientovanom polyméri majú nanočastice tendenciu zorientovať sa tak, že kolmice na ich povrch sú kolmé na smer vonkajšieho poľa. Schopnosť prednostne orientovať nanovrstvy s ich povrchovou normálou kolmou na smer magnetického poľa nám umožnilo študovať anizotrópne optické vlastnosti v dispergovaných niekoľkovrstvových častíc MoS2 spôsobom, ktorý nebol doteraz dostupný, a vyhodnotiť rozdielny príspevok od hrán a bazálnych rovín nanočastíc na optické vlastnosti makroskopického súboru mnohých častíc MoS2.

Ref.  Uri R. Gabinet, Changyeon Lee, Na Kyung Kim, Martin Hulman, Sarah M. Thompson, Cherie R. Kagan, and Chinedum O. Osuji. Magnetic Field Alignment and Optical Anisotropy of MoS2 Nanosheets Dispersed in a Liquid Crystal Polymer. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 7994−8001

 

  • Projekt ATOPLOT

Cieľom projektu bolo uvedenie do praxe konceptu 3D plottera atómových vrstiev, čo je kombinácia technológii nanášania po atómových vrstvách (ALD) a 3D tlače. Túto technológiu rozvíja partner Atlant 3D Nanosystems, dánsky startup, ktorého zakladateľom a CTO je Ivan Kundrata, doktorand ElÚ SAV. Srdcom technológie je unikátna tryska, ktorá slúži ako mini priestorové ALD (spatial ALD) systém, pričom jej presným pohybom nad substrátom je možné kresliť vrstvy po atómových vrstvách, ako pri ALD. Technológia bola patentovaná, pričom ElÚ SAV bol jedným z troch držiteľov tohto patentu. Úlohou ElÚ SAV v projekte Atoplot bol návrh, dizajn a charakterizácia tzv. demonštrátorov, teda jednoduchých mikroelektronických súčiastok na ktorých bolo možné demonštrovať schopnosti plottera. ElÚ SAV tieto súčiastky vyrobil konvenčnými metódami používanými v mikroelektronike (litografia, depozícia PVD a ALD, tvarovanie) a tieto boli potom porovnávané so súčiastkami priamo „vytlačenými“ pomocou plottera. Jednalo sa o senzor teploty na báze tenkej vrstvy platiny, kapacitný senzor vzdialenosti na báze tenko-vrstvových kruhových platinových elektród a senzor tlaku na báze piezoelektrickej ALD ZnO vrstvy.

a) Koncept dávkovania mikrofluidného prekurzora: Schematický pohľad na dodávaciu dýzu v čelnom pohľade (hore) a v priereze (spodný panel). b) Ukážka priameho generovania vzoru pomocou ALAM: logo ATLANT vytlačené Pt s písmenami od A do T získané so 140, 150, 170, 190, 200 a 210 jednotlivými prechodmi. Horný panel, zobrazovacia spektroskopická elipsometrická mapa hrúbky Pt v lineárnej mierke. Mapa spektroskopie nízkoenergetického rozptylu iónov na spodnom paneli prezentovaná v logaritmickej mierke, ktorá poskytuje zloženie prvkov hornej atómovej vrstvy.

Ref. Kundrata, I., Barr, M.K.S., Tymek, S., Döhler, D., Hudec, B., Brüner, P., Vanko, G., Precner, M., Yokosawa, T., Spiecker, E., Plakhotnyuk, M., Fröhlich, K., and Bachmann, J.: Additive manufacturing in atomic layer processing mode, Small Methods (2022) 2101546

 

2021

  • Nový dvojrozmerný materiál: CuI

Súčasné 2D materiály primárne pochádzajú z van der Waalsových (vdW) vrstvených objemových štruktúr. Za normálnych laboratórnych podmienok však existuje len obmedzený počet takýchto štruktúr a celkovo bolo úspešne syntetizovaných alebo exfoliovaných iba niekoľko desiatok 2D kryštálov. Jedným z potenciálnych 2D materiálov, z množstva predpovedaných, je β-fáza jodidu meďnatého (CuI), ktorá je však stabilná len v úzkom teplotnom rozmedzí od 645 K do 675 K. 

Naša práca predstavuje novú metódu na stabilizáciu jednej vrstvy β−Cul pomocou enkapsulácie medzi dve grafénové vrstvy za izbovej teploty a bežných laboratórnych podmienok. Tento nový 2D materiál sa syntetizuje priamo medzi vrstvami grafénu jednostupňovou mokrou chemickou metódou. Pomocou pokročilých experimentálnych techník sme komplexne charakterizovali jeho atómovú konfiguráciu a potvrdili stabilitu získanej heteroštruktúry pomocou výpočtov metódou funkcionálu hustoty.

Vzorky boli syntetizované v našom laboratóriu a charakterizované technikami elektrónovej mikroskopie na univerzitách vo Viedni, Tübingene a Antverpách. Medzitým sme už použili rovnaký proces na výrobu 2D kryštálov jodidu striebra (AgI) a niklu (NiI2). Zovšeobecnenie tohto experimentálneho prístupu by mohlo viesť k syntéze ďalších exotických vrstvených štruktúr, čím sa výrazne rozšíri v súčasnosti dostupná knižnica 2D materiálov.

Obr. a) Film redukovaného oxidu grafénu (rGO) obsahujúci 2D h-Cul (minca ako mierka veľkosti filmu). b) Snímka TEM v jasnom poli jednografénovej h-Cul vločky zavesenej na podpornom filme TEM. c, d) Snímky okraja vločiek zobrazených metódou HAADF. Oblasti zobrazené oranžovou a žltou farbou na (d) sú oblasti obsahujúce h-Cul. e) „Veľkoplošný“ HAADF obrázok jednovrstvových h-CuI kryštálov zapuzdrených v dvojvrstvovom grafénovom sendviči. Na oblasti monovrstvy na ľavej strane obrázku nie je viditeľný žiadny h-Cul kontrast. f) Atómovo rozlíšené HAADF detailné zobrazenie jediného 2D h-Cul kryštálu. Vložený obrázok v pravom hornom rohu zobrazuje atómovú mriežku s ešte väčším zväčšením. g) Znázornenie grafénu vo frekvenčnej doméne mimo kryštálu a h) znázornenie oblasti ohraničenej prerušovaným štvorcom na kryštáli v (f). Plné krúžky v (g) označujú viditeľné odrazy grafénu prvého rádu, superponované na (h) pomocou prerušovaných kruhov. Obrázky v (d–f) majú falošná farebný kontrast..

Ref.: Mustonen, K., Hofer, Ch., Kotrusz, P., Markevich, A., Hulman, M., Mangler, C., Susi, T., Pennycook, T.J., Hricovini, K., Richter, Ch. M., Meyer, J.C., Kotakoski, J., and Skákalová, V.: Towards Exotic Layered Materials: 2D Cuprous Iodide, Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202106922

 

 

  • Magnetické skyrmióny v nanodiskoch
    Riešitelia: M. Mruczkiewicz, I.V. Vetrova, J. Šoltýs, T. Ščepka, J. Dérer, R. Stoklas, V. Cambel

Magnetické skyrmióny sú topologicky chránené spinové textúry, ktoré aktuálne priťahujú značnú pozornosť tak v základnej ako aj v aplikovanej fyzike. Skyrmióny sme pozorovali v nanodiskoch vyrobených pomocou elektrónovej litografie a leptania. Nanodisky boli zložené z veľmi tenkej multivrstvy Pt/Co/Au, ktorá vykazujú medzifázovú Dzyaloshinskii-Moriya interakciu a kolmú magnetickú anizotropiu [1, 2]. V takýchto submikrometrových diskoch s priemerom 150–525 nm sme skúmali stabilizáciu rôznych magnetických stavov, ako sú stavy s jednou doménou, skyrmiónový stav a tiež doménové štruktúry pripomínajúce tvar podkovy a červíkov. Ukázali sme, že šesť opakovaní multivrstvy Pt/Co/Au postačuje na stabilizáciu stavu skyrmiónu vo vnútri nanodisku pri izbovej teplote. Proces vytvorenia skyrmiónu v nanodiskoch demonštrujeme mikromagnetickými simuláciami [3]. Zistili sme, že pole generované magnetickým hrotom výrazne ovplyvňuje stav magnetizácie nanodiskov a vedie k tvorbe skyrmiónov. Simulácia vysvetľuje vývoj magnetického stavu v disku počas jeho skenovania magnetickým silovým mikroskopom a potvrdzuje možnosť vzniku skyrmiónu.

Kľúčovým prechodom v tomto procese je vytvorenie medzistavu magnetickej domény v tvare podkovy.

Obr. Schematické znázornenie viacvrstvového nanodisku pozostávajúceho z ultratenkých Co vrstvách umiestnených medzi dvoma rôznymi ťažkými kovmi: Au, Pt (vľavo). Pole viacvrstvových diskov sa skenuje MFM hrotom (v strede) a ich magnetický stav sa počas skenovania mení (vpravo).

Výstupy:

Vetrova, Iu.V., Zelent, M., Šoltýs, J., Gubanov, V.A., Sadovnikov, A.V., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Investigation of self-nucleated skyrmion states in the ferromagnetic/nonmagnetic multilayer dot, Applied Phys. Lett. 118 (2021) 212409. (ITMS 313021T081,  APVV-16-0068, 19-0311(RSWFA), VEGA 2/0160/19)

Zelent, M., Vetrova, Iu.V., Li, X., Zhou, Y., Šoltýs, J., Gubanov, V.A., Sadovnikov, A.V., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Skyrmion formation in nanodisks using magnetic force microscopy tip, Nanomater. 11 (2021) 2627. (ERDF 313021T081, APVV 19-0311(RSWFA)), ERA.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0160/19)

Vetrova, Iu.V., Šoltýs, J., Zelent, M., Sadovnikov, A.V., Gubanov, V.A., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Investigation of the self-nucleated skyrmion states inside the ferromagnetic/non-magnetic multilayer dot. In: Sol-SkyMag 2021, virtual.

2020

  • Kontrolovaný transport skyrmiónov v magnetických antidot mriežkach
    Riešitelia: J. Feilhauer, S. Saha, J. Tóbik, M. Zelent, L. J. Heyderman, and M. Mruczkiewicz

Magnetické skyrmióny sú robustné defekty v magnetizácii tenkých feromagnetických vrstiev, v rámci ktorých sa dajú presúvať aplikovaním spinovo polarizovaného elektrického prúdu. Vďaka relatívne nízkej energetickej náročnosti na ich manipuláciu, skyrmióny sú nádejnými kandidátmi na informačné nosiče v efektívnych počítačových pamätiach a logických hradlách budúcnosti. Spintronické zariadenia založené na skyrmiónoch však budú vyžadovať presnú kontrolu transportu skyrmiónov. V našej práci ukazujeme, že tento cieľ je možné dosiahnuť použitím magnetickej antidot mriežky, t.j. štvorcovej mriežky kruhových otvorov vytvorenej vo feromagnetickej vrstve (Obr.1). Pohyb skyrmiónov v antidot mriežkach skúmame využitím mikromagnetických simulácií a semi-analytických výpočtov na základe Thieleho rovnice, kde sú skyrmióny poháňané aplikovaním elektrického prúdu. Ukazujeme, že skyrmióny v antidot mriežke môžu byť manipulované rôznymi smermi v závislosti od parametrov aplikovaného prúdového impulzu. Napriek tomu, že smer elektrického prúdu je fixovaný, je možné vďaka netriviálnej súhre medzi odpudivým potenciálom antidot mriežky, skyrmiónovým Hallovým javom a nerovnomerným rozdelením prúdu dosiahnuť úplnú kontrolu pohybu skyrmionu v antidot mriežke. Ďalej demonštrujeme, že smer pohybu skyrmiónov je možné ovládať zmenou iba jedného parametra prúdového pulzu, konkrétne jeho veľkosti (Obr.2).

Obr.1: Mriežka antidotov v heteroštruktúre zloženej z vrstiev feromagnetu (CoFeB) a ťažkého kovu (HM). Farebne je vyznačený príklad trajektórie skyrmiónu pod vplyvom prúdového pulzu

Obr.2: Trajektórie skyrmiónov v antidot mriežke pre rôzne veľkosti aplikovaného prúdového pulzu

Výstupy:

Feilhauer, J., Saha, S., Tóbik, J., Zelent, M., Heyderman, L.J., and Mruczkiewicz, M.: Controlled motion of skyrmions in a magnetic antidot lattice, Phys. Rev. B 102 (2020) 184425. (ERDF ITMS 313021T081, APVV-16-0068, 19-0311, Era.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0162/18, 2/0150/18, UF, NSC, Poland UMO-2017/27/N/ST3/00419, No. UMO2018/30/Q/ST3/00416 and Nat. Scholarship Programme SR)

2019

  • Kontrolovaný rast veľmi tenkých vrstiev MoS2
    Riešitelia: M. Sojková, P. Hutár, G. Vanko, A. Rosová, E. Dobročka, M. Hulman, J. Dérer

Veľmi tenké vrstvy MoS2 sú sľubnými kandidátmi na aplikácie v mnohých oblastiach, ako sú napríklad fotovoltaika, fotokatalýza, nanotriboológia, lítiové batérie, hydrogenačná odsírovacia katalýza a suché lubrikanty, najmä vďaka svojim charakteristickým elektronickým, optickým a katalytickým vlastnostiam. Všeobecne sú možné dve možnosti orientácie vrstiev MoS2 – horizontálna (s osou c kolmou na rovinu podložky) a vertikálna (kde je c os rovnobežná s podložkou), ktoré majú rôzne fyzikálno-chemické vlastnosti. Pri príprave týchto materiálov pomocou sulfurizácie molybdénových vrstiev sa počiatočná hrúbka molybdénu ukázala byť kritickým parameterom ovplyvňujúcim konečnú orientáciu vrstiev MoS2. Na rozdiel od štandardných komôr CVD, kde reakcia prebieha v dvojzónovej peci, my používame jednozónová pec, kde máme podložku a síru spolu pri vysokej teplote v strede pece. Cieľom práce bolo štúdium vplyvu ďalších parametrov žíhania na orientáciu vrstiev. Ukázalo sa, že rýchlosť zahrievania je rozhodujúcim parametrom pre rastový mechanizmus, kde rýchla sulfurizácia vedie k rastu vertikálnych vrstiev MoS2 a pomalé odparovanie síry vedie k horizontálnemu rastu dokonca aj pre hrubšie počiatočné vrstvy molybdénu.

 

 

GIWAXS recipročné priestorové mapy MoS2 vrstiev pripravených na zafírovej podložke pripravené z 3 nm hrubých vrstiev Mo pri 800 °C počas 30 minút s rýchlosťou zahrievania (a) 25 °C / min, (b) 5 °C / min a (c) 0,5 °C / min. Píky pri -1 A-1 pochádzajú z (002) difrakčných rovín.

Použitá metóda jednozónej sulfurizácie navyše umožnila rast MoS2 na povrchu CVD diamantových vrstiev. Výsledkom tohto nášho experimentálneho návrhu je prostredie bohaté na síru počas procesu a difúzia síry do molybdénu pri teplotách nižších, ako sú teploty potrebné na tvorbu karbidu molybdénu bráni jeho tvorbe na rozhraní Mo-diamant. Toto zistenie môže otvoriť cestu pre rast MoS2 vrstiev na substrátoch, ktoré sú inak citlivé na chemickú reakciu s molybdénom. Takisto sme ukázali, že je možný horizontálny a vertikálny rast vrstiev MoS2, v závislosti od hrúbky Mo vrstvy tak ako v prípade neštrukturovaných podložiek. Kombinácia jedinečných diamantových vlastností a ultra tenkých vrstiev MoS2 s laditeľná kryštalografickou orientáciou môže ponúkať materiálové vlastnosti relevantné pre široké spektrum aplikácií.

 

 

 

SEM obrázky vrstiev MoS2 pripravených z (a) 1 nm, (b) 3 nm a (c, d) 6 nm Mo vrstiev na mikrokryštalickom CVD diamantovom substráte. V (d) sú stojace vločky MoS2 viditeľné na okraji kryštálu diamantu.

Výstupy:

Sojková, M., Végso, K., Mrkývkova, N., Hagara, J., Hutár, P., Rosová, A., Čaplovičová, M., Ludacka, U., Skákalová, V., Majková, E., Šiffalovič, P., and Hulman, M.: Tuning the orientation of few-layer MoS2 films using one-zone sulfurization, RSC Adv. 9 (2019) 29645-29651. IF 3.049, Q SJR 1

Sojková, M., Šiffalovič, P., Babchenko, O., Vanko, G., Dobročka, E., Hagara, J., Mrkývková, N., Majková, E., Ižák, T., Kromka, A., and Hulman, M.: Carbide-free one-zone sulfurization method grows thin MoS2 layers on polycrystalline CVD diamond, Sci Rep. 9 (2019) 2001. IF 4.011, Q SJR 1

2018

  • Vývin metastabilných defektov a ich dopad na elektronické vlastnosti MoS2

V práci bol študovaný vplyv defektov na štrukturálne a elektronické vlastnosti jednej a viac MoS2 vrstiev. Formovanie a vývoj defektov bol sledovaný v ultra-vysokom vákuu žíhaním materiálu a elektrónovým ožarovaním . V prvom prípade bolo pozorované tvarovanie nestabilných domén s rozdielnou hodnotou výstupnej práce, čo bolo spôsobené  vývojom kryštalických defektov formovaných počas žíhania. Experimenty ukázali vytvorenie sírových vakancií a ich následnú difúziu, zlučovanie a migráciu, čo malo za následok prechod MoS2 z nestabilného stavu do rovnovážneho základného stavu. Tento proces môže byť aktivovaný tepelne alebo elektrónovým ožarovaním s minimálnou energiou 0,6 eV, ktorá je potrebná pre migráciu sírových vakancií. V blízkosti hraníc zŕn a okrajov MoS2 vrstiev sme pozorovali ovplyvňovanie výstupnej práce a lokálnej hustoty obsadených stavov aj pri rovnovážnych podmienkach. Výsledky práce ukázali odhadovaný teplotný rozsah pre výrobu elektronických súčiastok na báze MoS2, kde bude hrať dôležitú úlohu pasivácia vrstvy a kontrola defektov.

Výstupy:
Precner, M., Polakovič, T., Qiao, Q., Trainer, D.J., Putilov, A.V., Di Giorgio, C., Cone, I., Zhu, Y., Xi, X.X., Iavarone, M., and Karapetrov, G.: Evolution of metastable defects and its effect on the electronic properties of MoS2 films, Sci Rep. 8 (2018) 6724.

Precner, M., Polakovič, T., Trainer, D.J., Putilov, A.V., Di Giorgio, C., Cone, I., Xi, X.X., Iavarone, M., and Karapetrov, G.: Metastable defects in monolayer and few-layer films of MoS2, AIP Conf. Proc. 2005 (2018) 020004.

2017

    • Výpočet povrchov voľnej energie magnetických systémov pomocou metadynamiky
      Riešitelia: J. Tóbik, V. Cambel

Znalosť výšky energetických bariér, ktoré oddeľujú rôzne stavy v systéme, je kritická na určenie dlhodobej stability informácie uloženej v magnetických pamätiach. Túto informáciu je však ťažké získať priamo pomocou simulácií štandardných mikroskopických modelov vzhľadom na problém škálovania času, ktorý vyplýva z faktu, že prechod medzi dvoma minimami má charakter náhodného procesu. V našej práci ukazujeme, že využitím algoritmu metadynamiky s využitím vhodne zvolených kolektívnych premenných, menovite helicity a cirkulácie, je možné skonštruovať profil voľnej energie. Ukazujeme efektívnosť nového prístupu na príklade vzniku magnetického víru v nanobodke so zníženou symetriou. Pomocou rekonštrukcie povrchu voľnej energie poukazujeme na pôvod zlomu symetrie počas vzniku víru, keď je jedna polarita víru preferovaná napriek tomu, že vonkajšie magnetické pole je aplikované v rovine bodky.

Projekty, v rámci ktorých sa dosiahol výsledok: APVV 0088-12 a 16-0068, VEGA 2/0180/14 a
2/0200/14
Výstup:
TÓBIK, Jaroslav – MARTOŇÁK, R. – CAMBEL, Vladimír. Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. In Physical Review B, 2017, vol. 96, r140413.

2016

  • Spin Wave Excitations in Ultrathin Nanostructures with Dzyaloshinskii-Moriya InteractionsThe dynamics of magnetization and spin wave excitations were studied in ultrathin ferromagnetic nanostructures with Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI) present. This kind of exchange interaction is in focus of recent research, due to its contribution in magnetic skyrmion stabilization. The ultrathin magnonic crystal and arrays of isolated stripes were studied under the influence of uniform and point source magnetic field with the numerical methods. Large impact on the ferromagnetic resonance spectrum was shown and in result can bring a novel method for experimental estimation of DMI strength. [1] Further the dynamical response of the array of nanodots with skyrmion stable state was under examination. The dynamical skyrmion modes: breathing and gyrotropic were found and the collective excitation in the arrays of nanodots characterized. [2] The results were presented in two journal papers and four  international conferences. [3-6]Mruczkiewicz, M. and Krawczyk, M.: Influence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the FMR spectrum of magnonic crystals and confined structures, Phys. Rev. B 94 (2016) 024434.Mruczkiewicz, M., Gruszecki, P., Zelent, M., and Krawczyk, M.: Collective dynamical skyrmion excitations in a magnonic crystal, Phys. Rev. B 93 (2016) 174429.Mruczkiewicz, M. and Krawczyk, M.: Characterization of the spin wave properties in magnonic crystal films with Dzyaloshinskii-Moriya interactions. In: Sol-SkyMag 2016 – Inter. Conf. on Magnetism and Spintronics. San Sebastian 2016. (Talk)Mruczkiewicz, M., Krawczyk, M., and Guslienko, K.: Spin excitations over skyrmion state in magnetic dots. In: Sol-SkyMag 2016 – Inter. Conf. on Magnetism and Spintronics. San Sebastian 2016. (Poster)Mruczkiewicz, M. and Krawczyk, M.: Characterization of the spin wave properties in magnonic crystal films with Dzyaloshinskii-Moriya interactions. In: MANA 2016 – Micromagnetics: Analysis, Numerics, Applications. Wien 2016. (Poster)Mruczkiewicz, M., Gruszecki, P., Zelent, M., and Krawczyk, M.: Collective wave modes of dynamical skyrmions in magnonic crystal. In: MANA 2016 – Micromagnetics: Analysis, Numerics, Applications. Wien 2016. (Poster) 

2015

  • Magnetické stavy v nanomagnetoch so zlomenou symetriou

V práci vyšetrujeme magnetické stavy vo feromagnetických objektoch pomocou simulácii a tiež experimentálne. V teoretickej časti skúmame pôvod magnetického stavu nanoobjektov [1]. Dynamika magnetického stavu pre objekty so zníženou symetriou vykazuje asymetrický časový vývoj. Ten vysvetľujeme pomocou jednospinového modelu, čím otvárame cestu ku kontrole magnetických stavov budúcich nanosúčiastok a k ich praktických aplikáciám. V experimentálnej časti sme a) vyvinuli novú skenovaciu metódu založenú na dvojitom hrote [2] (DT-MFM), b) vyšetrovali sme stav nanomagnetu pomocou mikro-hallovskej magnetometrie [3]. DT-MFM zobrazovanie využíva dva hroty, pričom jeden (nemagnetický) meria topografiu nanomagnetu, a ten druhý zobrazuje jeho magnetické pole. Využitím tejto metódy sa magnetický hrot nikdy nedotkne magnetickej vzorky, a teda neporuší jej magnetický stav. Magnetometria Hallovou sondou ukázala, ako sa mení dynamika magnetického stavu nanomagnetu s uhlom vonkajšieho magnetického poľa a s teplotou.


Bežný hrot (vľavo) ruší magnetický vír v Py elipse, zatiaľčo dvojitý hrot dáva správny obraz

[1] Tóbik, J., Cambel, V., and Karapetrov, G.: Asymmetry in time evolution of magnetization in magnetic nanostructures. Sci Reports 5 (2015) 12301.
[2] Precner, M., Fedor, J., Šoltýs, J., and Cambel, V.: Dual-tip magnetic force microscopy with suppressed influence on magnetically soft samples. Nanotechnol. 26 (2015) 055304.
[3] Ščepka, T., Polakovič, T., Šoltýs, J., Tóbik, J., Kulich, M., Kúdela, R., Dérer, J., and Cambel, V.: Individual vortex nucleation/annihilation in ferromagnetic nanodots with broken symmetry observed by micro/Hall magnetometry. AIP Adv. 5 (2015) 117205.

2014

  • Odporové prepínanie v TiO2 a HfO2 pripravených nanášaním po atómových vrstvách

Odporové prepínanie v štruktúrach kov-izolátor-kov má veľký potenciál pre využitie v budúcich pamätiach s náhodným prístupom (random access memory, RAM). V našich prácach sme ukázali, že štruktúry na báze TiO2a  HfO2, pripravené technológiou nanášania po atomárnych vrstvách sú vhodné pre odporové prepínanie. Pre dosiahnutie bipolárneho režimu odporového prepínania je potrebné použiť elektródy s rozdielnou výstupnou prácou a afinitou voči kyslíku, napr. TiN a Pt. V prípade štruktúr na báze HfO2 sme pozorovali stabilné odporové prepínanie aj pre štruktúry s ultratenkými vrstvami  s hrúbkou ~2 nm. Zistili sme, že formovacie napätie štruktúr závisí od hrúbky HfO2 vrstvy. Pri pulzných meraniach štruktúr na báze HfO2 s využitím pulzov o dĺžke 1 µs sme dosiahli až 108 prepnutí s pomerom odporov väčším ako 10 pri čítacom napätí 0,2 V. Tieto vlastnosti ukazujú, že najmä štruktúry na báze HfO2 sú vhodné pre pamäte s náhodným prístupom.


Obr. Krivky odporového prepínania v štruktúre Pt/HfO2/TiN s HfO2 vrstvou deponovanou pomocou termálnej ALD metódy.

Publikácie:
B. Hudec, A. Paskaleva, P. Jančovič, J. Dérer, J. Fedor, A. Rosová, E. Dobročka, K. Fröhlich: Resistive switching in TiO2-based metal-insulator-metal structures with Al2O3 barrier at the metal/dielectric interface, Thin Solid Films 563 (2014) 10.
P. Jančovič, B. Hudec, E. Dobročka, J. Dérer, J. Fedor, K. Fröhlich: Resistive switching in HfO2-based atomic layer deposition grown metal-insulator-metal structures, Appl. Surf. Science 312 (2014) 112.

  • Vizualizácia doménovej steny a reverzná doménová supravodivosť

V magneticky viazaných planárnych hybridních štruktúrach feromagnet-supravodič (F/S) môžu byť magnetické doménové steny využité na priestorovú väzbu supravodivosti. Na rozdiel od supravodiča v homogénnom magnetickom poli, vznik supravodivého parametra usporiadania v F/S štruktúrach je kontrovaný nehomogénnym rozdelením magnetického poľa. Medzihra medzi supravodivosťou lokalizovanou v blízkosti doménových stien a ďaleko od nich vedie k efektu reentrantnej supravodivosti a reverznej doménovej supravodivosti s lokálne závislou kritickou teplotou. Na priame zobrazenie vzniku supravodivosti v blízkosti doménových stien  vo F/S štruktúrach pripravených z Co-Pd multivrstiev a z Pb tenkých vrstiev sme v práci použili skenovaciu tunelovaciu spektroskopiu. Naše výsledky ukazujú, že takéto F/S štruktúry predstavujú zaujímavý modelový systém, ktorý ponúka možnosť kontroly lokalizácie a intenzity nukleácie supravodivosti v externom magnetickom poli. Toto dáva potenciálnu možnosť kontroly vírov pre počítačové aplikácie.

               
Obr. (vľavo) Schéma hybridného systému skladajúceho sa z feromagnetu (F), izolantu (I) a supravodiča (S). (vpravo)  Teplotná závislosť energetickej medzery. Experimentálne body sú porovnané s BCS rovnicou pre energetickú medzeru (plná čiara).

Iavarone, M., Moore, S.A., Fedor, J., Ciocys, S.T., Karapetrov, G., Pearson, J., Novosad, V., and Bader, S.D.: Visualizing domain wall and reverse domain superconductivity, Nature Comm. 5 (2014) 4766.

  • Rýchle  vysoko citlivé  polovodičové senzory  plynov na báze Pt – TiO2 – Pt nano-sendviča

Vývoj rýchlych,  vysoko citlivých  polovodičových senzorov  plynov pracujúcich pri izbovej teplote a  kompatibilných s polovodičovou technológiou zostáva výzvou pre základný výskum. Tu  prezentujeme  takýto senzor  na báze Pt – TiO2 – Pt nano-sendviča.  Senzor  sa skladá z tenkej ( ~ 30 nm ) nanokryštalickej  TiO2 vrstvy   s veľkosťou zŕn  ~ 10 nm,  ktoré sú umiestnené medzi spodnou  elektródou tvorenou Pt vrstvou  a  vrchnou Pt elektródou tvaru dlhého úzkeho pruhu (so šírkou  w klesajúcou až ku 80 nm ). Ak znížime šírku w na  cca 100 nm a menej , senzor vystavený vzduchu s 1 % H2 vykazuje  nárast  odozvy ( Rair / RH2) až na hodnotu 107a pokles reakčnej doby na  niekoľko sekúnd, a to aj pri izbovej teplote. V práci je teoreticky ukázané, že obrovské zvýšenie citlivosti je dôsledkom  netriviálneho   ohmického  efektu, ktorý sa prejavuje  ako náhly pokles elektrického odporu  ( o tri rády ) s klesajúcou šírkou elektródy pri  šírke  okolo 100 nm (pozri obrázok). Tento neohmický efekt je  dôsledok  dvoch efektov vznikajúcich na  nano-úrovni:  priestorovo nehomogénnej rezistivity  TiO2 vrstvy riadenej  difúziou vodíka, kombinovanej  s nestabilitou v teplote horúcich elektrónov, keď sú malé nanokryštalické zrná vystavené obrovským elektrickým poliam.


Obr.: Rezistancia senzora ako funkcia šírky vrchnej elektródy.

Plecenik, T., Moško, M., Haidry, A., Durina, P., Truchly, M., Grančič, B., Gregor, M., Roch, T., Satrapinskyy, L., Mošková, A., Mikula, M., Kúš, P., and Plecenik, A.: Fast highly-sensitive room-temperature semiconductor gas sensor based on the nanoscale Pt-TiO2-Pt sandwich. Sensors Actuators B 207 (2015) 351-361.

2013

  • Magnetická silová mikroskopia s prepínanou magnetizáciou a vysokým priestorovým rozlíšením

Nevýhodou štandardnej magnetickej silovej mikroskopie (MFM) je relatívne nízke priestorové rozlíšenie na úrovni  asi 20 nm. Zvýšeniu tohoto rozlíšenia bráni miešanie magnetických a van der Waalsových síl v prípade, ak realizujeme skenovanie bližšie ako 20 nm nad vzorkou. Tento problém sme vyriešili uvedením novej skenovacej metódy, tzv. MFM s prepínanou magnetizáciou (SM-MFM). V rámci nej robíme 2 skeny magnetickej vzorky s dvoma polaritami magnetického hrotu, pričom polaritu hrotu prepíname externým magnetickým poľom. Keď potom spravíme súčet dát týchto skenov s opačnou polaritou, dostaneme obraz van der Waalsových síl, a ich rozdiel dá obraz magnetických síl vzorky. Metóda SM-MFM teda umožňuje oddeliť atomárne a magnetické sily zo skenov získaných tesne nad vzorkou (napr. 5 nm). Tým sa zvýši priestorové rozlíšenie MFM metódy pod 10 nm, čo je nutné napr. v oblasti vývoja nových feromagnetických pamätí. Vysoké rozlíšenie metódy dokumentuje obrázok získaný metódou SM-MFM.

  
Obr.: Vľavo topografia, vpravo obraz magnetických síl HDD pamäte (625 Gb/inch2) získaných metódou SM-MFM. Bit má rozmer 25 x 40 nm2, rozmer obrázka je 500 x 800 nm2.

1.    Cambel, V., Precner, M., Fedor, J., Šoltýs, J., Tóbik, J., Ščepka, T., and Karapetrov, G.: High resolution switching magnetization MFM, Applied Phys. Lett. 102 (2013) 062405.
2.    J. Fedor  et al, ISPM Conf 2013, Dijon; V. Cambel et al, MRS Spring Meeting, San Francisco, USA; M. Precner et al, CSMAG, Kosice 2013. Talks.

  • Magnetizácia a vírový fázový diagram v CuxTiSe kryštáloch

CuxTiSe2 je nedávno objavený materiál, v ktorom súperia supravodivá fáza s fázou vĺn nábojovej hustoty v rozsahu 0.04 < x < 0.06. Na niekoľkých kryštáloch s rôznou koncentráciou medi sme zmerali magnetizačné slučky, z ktorých sme extrahovali viaceré významné parametre. Supravodivá anizotropia je veľmi nízka, približne 1.7, nezávislá od miery dopovania. Avšak u slabo dopovaných kryštálov je anizotropia mierne zvýšená. Domnievame sa, že je to v dôsledku súperenia supravodivosti s fázou vĺn nábojovej hustoty. Z magnetizačných slučiek sme extrahovali extrémne  nízke supravodivé kritické prúdové hustoty, ktoré sú dôsledku veľmi malého objemového intrinzického pinningu. Ďalej veľmi prekvapivý výsledok je fázový diagram supravodivých vírov, kde oblasť tekutej fázy je extrémne široká. Je to netypický výsledok pre nízkoteplotný supravodič s malou supravodivou anizotropiou. Vysvetľujeme ho ako dôsledok už spomínaného slabého pinningu.


Obr.: Obrázok ukazuje širokú oblasť reversibility supravodivých vírov

1.    Barančeková Husaníková, P., Fedor, J., Dérer, J., Šoltýs, J., Cambel, V., Iavarone, M., May, S., and Karapetrov, G.: Magnetization properties and vortex phase diagram of CuxTiSe2 single crystals. Phys. Rev. B 88 (2013) 174501.
2.    Kačmarčík, J., Pribulová, Z., Paľuchová, V., Szabó, P., Barančeková Husaníková, P., Karapetrov, G., and Samuely, P.: Heat capacity of single-crystal CuxTiSe2 superconductors. Phys. Rev. B 88 (2013) 020507.
3.    P. Husaníková et al, March Meeting 2013, Baltimore, Maryland, USA. Z. Pribulová et al, March Meeting 2013, Baltimore, Maryland, USA. Talks.

2012

  • Dynamika magnetických vírov vo feromagnetických nanoelementoch pre nízkoergetické pamäte

V práci sme teoreticky a experimentálne študovali magnetické efekty vo feromagnetických nanorozmerných štruktúrach, vhodných ako základ pre budúce nízkoenergetické pamäte vysokej hustoty. Navrhované nanometrové elementy môžu ukladať dva bity informácie, polaritu a chiralitu. Dôležitou podmienkou pre navrhované elementy je, že proces zápisu a čítania uloženej informácie musí byť jednoduchý. Ukazuje sa, že tvar feromagnetického elementu významne vplýva na jednoduchosť týchto procesov a najjednoduchší je pre objekty zo zníženou symetriou tvaru „Pacman- like“ (PL). Mikromagnetické simulácie ukazujú, že požadovaný stav PL nanomagnetu je možné získať vypínaním externého magnetického poľa v rovine nanomagnetu v definovanom smere vzhľadom na jeho os symetrie. V experimentálnej časti práce sme pripravili pamäťové objekty so zníženou symetriou s priemerom 200 a 300 nm, ako aj elementy na mikroskopickej Hallovej sonde. Experimenty potvrdzujú dynamiku vírov v nanomagnetoch, ktorá bola spočítaná pomocou simulácií. Výzvou budúcich experimentov je pripraviť nanomagnety priemeru pod 100 nm a využiť ich ako nízkoenergetické pamäte.


Obr.: „Pacman-like“ nanomagnet

1.   V. Cambel and G. Karapetrov, Control of vortex chirality and polarity in magnetic nanodots with broken rotational symmetry, Phys. Rev. B 84 (2011) 014424.
2.   J. Tóbik, V. Cambel, and G. Karapetrov: Dynamics of vortex nucleation in nanomagnets with broken symmetry, Phys. Rev. B 86 (2012) 134433.
3.   Cambel, V. and Karapetrov, G.: Micromagnetic simulations of pac-man-like nanomagnets for memory applications. J. Nanosci Nanotechnol. 12 (2012) 7422-7425.
4.   Šoltýs, J., Gaži, Š., Fedor, J., Tóbik, J., Precner, M., and Cambel, V.: Magnetic nanostructures for non-volatile memories. Microelectr. Engn. 110 (2013) 474-478.
5.   Cambel, V., Tóbik, J., Šoltýs, J., Fedor, J., Precner, M., Gaži, Š., and Karapetrov, G.: The influence of shape anisotropy on vortex nucleation in Pacman-like nanomagnets,. J. Magnetism Magnetic Mater. 336 (2013) 29-36.