Особенности магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе Si, InAs, GaN и ZnO

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиСЕМИСАЛОВА АННА СЕРГЕЕВНАОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВРАЗБАВЛЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВНА ОСНОВЕ Si, InAs, GaN и ZnO.специальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква2012Работа выполнена на кафедре магнетизма Физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорПеров Николай СергеевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,г.н.с.Казанский Андрей Георгиевичдоктор физико-математических наук,профессорГлезер Александр МарковичВедущая организация:Институт металлургии иматериаловеденияим.

А.А. Байкова РАНЗащита состоится «21» июня 2012 г. в 16 ч. на заседании диссертационногосовета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имениМ.В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.2,МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКП физического факультета, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.

Ломоносова.Автореферат разослан «21»мая2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессорПлотников Г.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВматериалах,обладающихмагнитнымупорядочением,наблюдаетсянеравновесная спиновая плотность состояний – среди носителей зарядов преобладаетвыделенное направление спина, спиновая поляризация. В основе спинтроники лежитидея использования спиновой поляризации для создания устройств и приборовнового типа, использующих создание неравновесной спиновой плотности вматериале, управление ориентацией спинов и спин-поляризованными токами спомощью внешних полей и детектирование образующегося спинового состояния.Использование спина наряду с зарядом для реализации спинтронных устройствдает ряд преимуществ по сравнению с современной микроэлектроникой.

Дляпереворота электронного спина магнитным полем требуется значительно меньшеэнергии, и происходит он быстрее перемещений электронных зарядов под действиемэлектрического поля. Поэтому можно рассчитывать, что управление спиновымисостояниями позволит создавать в будущем сверхмалые логические элементы икомпьютерные компоненты большой информационной емкости с огромнымбыстродействием и малым энергопотреблением [1].В настоящее время ферромагнитные полупроводники рассматриваются вкачестве материалов для инжекторов спин-поляризованных носителей заряда вустройствах полупроводниковой спиновой электроники, а также для разработкинового поколения элементов магнитной памяти [2].

Наиболее перспективнымиклассами ферромагнитных полупроводников для этой цели являются широкозонныесоединения AIIIBV и полупроводниковые оксиды, допированные переходнымиметаллами [3,4]. Преимущества соединений AIIIBV заключаются в их лучшейсовместимости со стандартными полупроводниковыми технологиями.

Кроме того,безусловно, интерес представляет ферромагнитный полупроводниковый материал наоснове кремния.Актуальность представленной работы определяется важностью вопросов,касающихся природы и причин возникновения ферромагнетизма при комнатнойтемпературе в полупроводниковых материалах (полупроводниках группы AIIIBV, IV(Si), а также оксидах). Вследствие своей уникальности данные материалыпредставляют собой чрезвычайный интерес как для фундаментальной науки, так идля прикладной – на их основе возможно создание нового поколения устройств1спинтроники, использующих спиновую степень свободы наряду с зарядовой [5,6].Реализация сочетания ферромагнитного состояния при температурах, превышающихкомнатную,иполупроводниковыхсвойств,такихкакчувствительностькдопированию и внешним электрическим полям, в этих материалах являетсяувлекательной и одновременно весьма сложной задачей, решение которой, крометого,ограниченонеобходимостьюсовместимостиподобныхматериаловссуществующими технологиями полупроводниковой электроники.

В настоящее времяведется активный поиск материалов, удовлетворяющих этим требованиям, ианализируются факторы, являющиеся ключевыми в формировании магнитныхсвойств разбавленных магнитных полупроводников (РМП).Цели исследованияЦель диссертационной работы заключалась в исследовании магнитных свойствразбавленных магнитных полупроводников на основе кремния, арсенида индия,оксида цинка и нитрида галлия, допированных различными элементами.Задачи исследованияДля достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:1. Разработка методики исследования магнитных свойств тонких пленокразбавленных магнитных полупроводников с помощью вибрационногомагнитометра. Проведение комплексного исследования магнитных свойствпри различных температурах образцов РМП на основе Si, InAs, GaN и ZnO,полученных как физическими, так и химическими методами.2.

Анализрезультатоввибрационнойисследованиямагнитометрии,ихмагнитныхсвойствсопоставлениесспомощьюрезультатамиисследований транспортных, магнитооптических и структурных свойствматериалов в рамках существующих теоретических моделей, описывающихферромагнетизм при комнатной температуре в разбавленных магнитныхполупроводниковых материалах.2Положения, выносимые на защиту:1.Ферромагнетизм при комнатной температуре в пленках InMnAs ссодержанием марганца от 13 до 26%, полученных методом импульсного лазерногоосаждения,обусловленфазовойнеоднородностьюматериала,аименно,формированием кластеров полуметаллического ферромагнитного арсенида марганцаMnAs.2.Причиной ферромагнетизма при комнатной температуре, наблюдаемогов кремнии, имплантированном ионами марганца (доза имплантации 0.1 - 5·1016 см-2),являютсяструктурныедефекты,возникающиевпроцессеимплантациииобуславливающие наличие оборванных связей в структуре материала и связанных сними неспаренных электронов.3.Ферромагнетизм в пленках Si1-xMnx с концентрацией x = 0.35 - 0.55,полученных методом импульсного лазерного осаждения, наблюдаемый вплоть до380 К, связан с особенностями формирования дефектов с локализованным магнитныммоментом и возникающим обменом между этими дефектами, усиленном спиновымифлуктуациями матрицы.4.Определяющуюрольввозникновенииферромагнетизмавнедопированных пленках ZnO, а также ZnO:Co, осажденных с использованиемпирогидролитического процесса MOCVD (с использованием водяного пара в качествереагента),играютморфологияиструктурныенаноразмерныеособенностиповерхности пленок, зависящие, в первую очередь, от условий процесса осаждения.Наличие ионов кобальта в допированных пленках ZnO:Co, полученных этим жеспособом, лишь способствует установлению ферромагнитного состояния, не являясьпри этом решающим фактором, определяющим магнитные свойства пленок.Наибольшая величина намагниченности наблюдается в недопированных пленках ZnO(т.н.

d0 - магнетизм),обладающихвысокоразвитойнаноструктурированнойповерхностью.5.Использование ионной имплантации позволяет получить собственныйферромагнетизм в GaN:Cr с температурой Кюри более 400 К, коэрцитивной силой~ 100 Э и намагниченностью ~ 25 Гс при комнатной температуре, что дает основаниярассматривать указанный материал в качестве одного из наиболее перспективных наданный момент кандидатов для использования в спиновой электронике.3Научная новизнаПроведенные исследования расширяют существующие представления оразбавленных магнитных полупроводниках различных типов - группы AIIIBV (InAs,GaN), IV группы (Si), а также оксидных полупроводников (ZnO), при допировании ихпримесями переходных металлов.Достоверность результатовРезультаты,экспериментов,представленныепроведенныхнавдиссертации,современномполученынаучномнаосновеоборудовании,сиспользованием статистических методов обработки экспериментальных данных.Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась комплексомвзаимодополняющихэкспериментальныхметодикиподтверждаетсявоспроизводимостью получаемых результатов.Результатыисследованийдокладывалисьиобсуждалисьнаспециализированных российских и международных конференциях.Практическая значимостьВ ходе выполнения работы было показано, что исследованные материалымогут быть использованы для создания устройств спинтроники, например, спиновыхсвето-излучающих диодов (spin-LED) или в качестве спиновых инжекторов вполупроводниковых гетероструктурах.Методамивибрационноймагнитометриибылапроведенааттестациямагнитных свойств серий образцов на основе Si, InAs, GaN и ZnO.

В работе былопродемонстрировано, что вибрационная магнитометрия представляет собой мощныйиэффективныйспособисследованияполупроводниковыхматериалов,предназначенных для применения в спинтронике (создание устройств, в основеработы которых лежит наличие спиновой поляризации носителей зарядов). В работеотмечается особенная эффективность использования для вышеуказанной цели парыдополняющих друг друга методик – вибрационной магнитометрии и исследованиямагнитотранспортных свойств (в частности, аномального эффекта Холла).Апробация работыОсновныерезультатыработыбылипредставленынароссийскихимеждународных конференциях в виде устных и стендовых докладов (тезисы и трудыопубликованывсоответствующихсборниках):международныхнаучныхконференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2008,42010, 2011); Московских международных симпозиумах по магнетизму MISM(Москва, 2008, 2011); международной школе-семинаре «Новое в магнетизме имагнитных материалах» НМММ-XXI (Москва, 2009); международной конференциипо магнетизму «International Conference on Magnetism» ICM-2009 (Карлсруэ,Германия, 2009); международном симпозиуме «IV Euro-Asian Symposium “Trends inMAGnetism”EASTMAG-2010»(Екатеринбург,2010);Конкурсе-конференциимолодых физиков России, проводимом Московским Физическим Обществом(Москва, 2011); 45-й Школе ПИЯФ РАН по Физике Конденсированного Состояния(Гатчина, Россия, 2011); научно-практической конференции «Фундаментальные иприкладные аспекты инновационных проектов и их защита в едином экономическомпространстве» («Инновационный проект 2011») (Москва, 2011); XIX Уральскоймеждународной зимней школе по физике полупроводников (Новоуральск, 2012); XVIмеждународном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород,2012).ПубликацииМатериалы диссертационной работы опубликованы в 22 печатных работах, втом числе, в 6 реферируемых российских и зарубежных журналах, принадлежащихперечню ВАК, а также в 16 сборниках трудов и тезисов докладов всероссийских имеждународных конференций.Личный вклад автораДаннаяработаисследовательскихвыполняласьпроектов,врамкахнаправленныхнанесколькихполучениесовместныхиизучениеферромагнитных при комнатной температуре полупроводниковых материалов,интересных с точки зрения создания устройств спинтроники, и осуществляласьбольшим коллективом, состоящим из нескольких исследовательских групп –НижегородскийГосударственныйУниверситетим.