Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами, страница 16

Обращенные шпинели, напротив характеризуются максимальнымзначением электропроводности, т.к. возникает проводящая цепочка изразновалентных катионов железа.104Важно отметить, что нормальные шпинели проявляют, как правило,антиферромагнитный характер, а обращенные (например, MgFe2O4) –ферримагнитный.В работе [2] были проведены исследования электрических свойствобъемных шпинелей состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ, результаты которыхуказывают на то, данный состав может быть отнесен к полупроводниковымматериалам. Для объемных керамик Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ значение ширинызапрещенной зоны составляет Eg=1.9 эВ, а удельное сопротивление при 300Кρ=5,9 МОм. Для полученных в [2] пленок значения Eg и ρ сильно менялись взависимости от условий синтеза, которые, как было показано ранее, необеспечивают полную кристаллизацию всего материала изначальноаморфной пленки.Пленки, полученные в настоящей работе, качественно отличаются от[2] не только по своим магнитным свойствам, но и морфологией поверхностии объемной структурой.

Развитый рельеф поверхности и наличиемежкристаллитных пустот в объеме пленки делают задачу измерения ееэлектрических свойств нетривиальной. Более того, как отмечалось ранее,использование таких пленок, например, в микроэлектронике, как сред дляпереноса заряда, затруднено. Также составная структура пленок вноситдополнительные трудности в определения электропроводности.ПрямоеизмерениеэлектрическиххарактеристикпленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ ввиду ее высокого электросопротивления требуетсоздания близко расположенных друг к другу контактов. Такаяконфигурация изображена на рисунке 3.46.

Электросопротивлениекремниевой подложки значительно ниже электросопротивления пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ, поэтому нельзя утверждать, что электрический ток будетпротекать исключительно через объем пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ. В общемслучае, существуют три пути для протекания тока:1.непосредственно между контактными площадками в результатепробоя;2.через объем пленки;3.через низкоомную подложку.105UAuAuI1Mg(Fe Ga ) O0.80.2 24–δI2SiI3Рисунок 3.46 – Схема получения вольт–амперных характеристикпленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ и возможные пути для протекания электрическоготокаДля обеспечения контакта электрического зонда с пленкой на ееповерхности формировалась золотая контактная площадка.

Исследованиевлияния золотой контактной площадки на вольт–амперную характеристикубыло проведено на поверхности кремния. В отсутствие контактныхплощадок вольт–амперная характеристика имеет симметричный вид,характерный для полупроводников (рисунок 3.47). Ввиду разности работвыхода для золота (5,1 эВ) и кремния (4,8 эВ) на границе контакта золотойплощадки возникает барьер Шоттки, который приводит к изменению вольт–амперной характеристики, которая приобретает характерный для диодов вид(рисунок 3.47).Применение схемы, показанной на рисунке 3.48, позволяет исключитьвозможность протекания тока между контактными площадками и вдольпленки, оставляя, таким образом, единственный путь для протекания токачерез пленку и низкоомную полупроводниковую подложку. Такая схемаизмерений не позволяет численно определить электрические характеристикипленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ, а лишь качественно продемонстрировать типпроводимости.10610Si/AuSiI, мА50-5-10-140 -120 -100 -80-60-40-200204060U, ВРисунок 3.47 – Вольт–амперные характеристики кремния (●) и барьераШоттки, образованного в системе Au/Si (○)Рисунок 3.48 – Альтернативная схема получения вольт–амперныххарактеристик пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δНа рисунке 3.49 изображена вольт–амперная характеристика (ВАХ)системы Au/Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ/SiO2/Si/Au.

Кривая ВАХ имеет характерныйдля полупроводниковых диодов вид: экспоненциальное возрастание тока сувеличением напряжения в режиме прямого смещения и лавинным пробоем врежиме обратного смещения. Такой вид обусловлен, прежде всего, наличием107барьеров Шоттки в местах контакта Au/Si и, вероятно, Au/Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ.Качественно ВАХ аналогична полученной в системе Au/Si. Более пологийвид кривой связан с наличием диэлектрического барьерного слоя SiO2, атакже с более высоким, по сравнению с Si, электросопротивлением пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ.

Важно отметить, что в пленке Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ токпротекает преимущественно через объем кристаллитов, а не по ихповерхности, на что указывает отсутствие линейных участков на кривойВАХ и ее однородность.Рисунок 3.49 – Вольтамперная характеристика системыAu/Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ/SiO2/Si/Au во внешнем магнитном поле 130 мТл (○) ибез него (●)Разность кривых ВАХ во внешнем магнитном поле указывает наналичие эффекта магнетосопротивления, однако, учитывая то, что вмаксимальном внешнем поле прибора 130 мТл пленка Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ невыходитвнасыщение,можноожидатьусилениеэффектамагнетосопротивления в более высоких внешних магнитных полях.108Ферромагнитный резонанс в пленках Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ на3.7кремнииЯвление ферромагнитного резонанса (ФМР) является частным случаемэлектронного парамагнитного резонанса, с той лишь разницей, что вферромагнетиках (а также в ферримагнетиках) эффект поглощения энергииСВЧ проявляется гораздо сильнее из–за коллективного поведения электроноввследствие дальнего магнитного упорядочения.ФМР проявляется в избирательном поглощении внешнего СВЧ поляферромагнитным образцом, помещенным во внешнее магнитное поле,перпендикулярное полю СВЧ, и связано с расщеплением во внешнеммагнитном поле уровня энергии электронов, т.е.

с распределениемэлектроном по спинам [149]. Энергия подуровня зависит от спина электронаи напряженности внешнего магнитного поля (3.5):()(3.5)где mS – магнитное спиновое квантовое число, g – фактор Ланде,  –магнетон Бора.Воздействие внешнего СВЧ поля может индуцировать переходыэлектронов с одного подуровня на другой. Условие резонансногопоглощения СВЧ энергии можно записать, как (3.6):(3.6)где h – энергия кванта внешнего СВЧ излучения.Несмотря на то, что распределение электронов по энергетическимуровням не одинаково и подчиняется распределению Больцмана(⁄⁄), очевидно, что в течение определенного времени количествоэлектронов перешедших на более высокий энергетический уровень врезультате поглощения энергии СВЧ сравняется с количеством электронов,переходящих на нижний уровень энергии с испусканием квантов излучения с109энергией, равной ранее поглощенной.

Таким образом, регистрация кривойФМР будет невозможна. Однако в реальных системах необходимо учитыватьтакое явление, как магнитная релаксация, которое связано с обменомэнергией между магнитными частицами и атомами и молекулами, а такжедруг с другом (в общем случае говорят о взаимодействии магнитных частиц скристаллической решеткой) [150]. В условиях быстрой безызлучательнойрелаксации спинов, система успевает восстановить равновесное отношениезаселенностей энергетических подуровней, близкое к распределениюБольцмана. Поэтому одним из важных параметров является ширинарезонансной кривой ФМР ∆H, которая, в случае однородногоферромагнитного резонанса, связана со временем магнитной релаксации τ0выражением (3.7):(3.7)Вид спектра ФМР также зависит от геометрических размеров и формыобразца.Анализ спектров ФМР для пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщинами 400 и200 нм.

показал, что пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ характеризуются максимумомпоглощения в спектре ФМР при частоте внешнего СВЧ поля 9,4 ГГц, однакозначения напряженности постоянного внешнего магнитного поля иамплитуда и вид максимумов на спектре ФМР зависят как от толщиныпленки, так и от направления вектора СВЧ поля относительно пленки.При параллельной плоскости пленки ориентации вектора СВЧ поля видрезонансной кривой в спектре ФМР имеет характерный длясверхвысокочастотных ферритов вид, что указывает на магнитнуюоднородность пленок.

Ширина резонансной кривой составляет 166 Э дляпленки толщиной 400 нм, и 213 Э для пленки толщиной 200 нм(рисунок 3.50).110Рисунок 3.50 – Спектр ФМР пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщинами 200 и 400нм при ориентации внешнего СВЧ поля параллельно поверхности пленкиВ случае ориентации вектора СВЧ поля перпендикулярно плоскостипленок на вид резонансных кривых оказывает влияние наличиепромежуточных слоев, которые приводят к возникновению локальногомаксимума на обратной ветви резонансной кривой пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной 400 нм. В то же время, пленка толщиной 200 нм характеризуетсяналичием лишь мелкозернистого магнитоднородного слоя, и, поэтому,единственным резонансным максимумом (рисунок 3.51).Рисунок 3.51 – Спектр ФМР пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщинами 200 и 400нм при ориентации внешнего СВЧ поля перпендикулярно поверхностипленки111ВЫВОДЫ1.Разработанпирогидролитическийметодсинтезапорошкообразных материалов состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4 и Mg(Fe0,8Al0,2)2O4 сминимальным количеством углеродсодержащих примесей для ихпоследующего использования в качестве мишеней при получении пленок.2.Впервые с использованием метода ионно-лучевого распыленияразработан способ синтеза гомогенных магнитных полупроводниковыхпленоксоставаMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δтолщиной200–2000нмстермостабильными межфазными границами на подложках Si с буферныминаноразмернымислоямиSiО2,характеризующиесявеличиноймагнитонасыщения 40 А·м2/кг и температурой Кюри 1700С, не требующийэпитаксиального согласования пленки с подложкой.3.На основании данных электронной микроскопии впервыеустановлено,чтовпроцессекристаллизациигетероструктурыMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ/SiО2/Si из-за рассогласования параметров кристаллическихрешеток на межфазной границе пленка-подложка формируется слойMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ с пустотами и полостями.

Напротив, в приповерхностномслое пленки происходит формирование плотного крупнокристаллическогослоя Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ, характеризующегося величиной магнитонасыщения,сопоставимого с аналогичной величиной для керамического материала.4.Предложенафеноменологическаямодельпроцессакристаллизации Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ на Si с буферным слоем SiО2.5.На основе результатов SRIM-моделирования кинетики процессараспыления мишени ионами аргона и данных ОЖЕ-спектрального анализавыявлены особенности состава и морфологии пленок в зависимости отрежимов распыления мишени Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4.6.Установлено, что гетероструктуры Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ/SiО2/Siхарактеризуются полупроводниковой проводимостью, а также обладают СВЧсвойствами.112СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1.Кецко В.А., Нипан Г.Д., Стогний А.И., Кузнецов Н.Т.