Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами (1091893), страница 16
Текст из файла (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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
