Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами (1091893), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработанный метод синтеза пленок нарассогласованных по кристаллографическим параметрам подложкахпозволяет получать пленочные гетероструктуры с термостабильнымимежфазными границами для спинтронных устройств и периодическихструктур магноники благодаря совместимости с технологическимиоперациями магнитной микроэлектроники. Имеется высокий потенциал дляпоследующего коммерческого использования.Основные положения, выносимые на защиту.Разработка метода получения порошков состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4и Mg(Fe0,8Al0,2)2O4 с содержанием летучих соединений углерода менее 0,02ат.%.Разработка способа синтеза пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной200–2000 нм с барьерным наноразмерным слоем SiO2 на подложках Si.Влияние состава исходных порошкообразных прекурсоров ипараметровионно-лучевогораспылениянафизико-химическиехарактеристики свежеосажденных пленок.Роль межфазной границы и толщины пленки на величинунамагниченности насыщения пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ с барьерным слоемSiO2 в процессе их кристаллизации на подложках Si.Феноменологическая модель процесса кристаллизации пленочныхгетероструктур Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ/SiO2/Si.Результаты исследований полупроводниковых характеристик иСВЧ свойств пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ на Si с барьерным слоем SiO2.Личный вклад автора.
В основу диссертации положены результатынаучных исследований, выполненных непосредственно автором за времяучебы в заочной аспирантуре в период 2009 – 2012 гг. в лабораторииэнергоемких веществ и материалов ИОНХ РАН, по месту основной работы в6«Наноцентре МИРЭА», а также во время стажировок в НПЦ НАН Беларусипо материаловедению (г. Минск) и ИФМ РАН (г. Н. Новгород).Автором разработаны способы синтеза порошкообразных и пленочныхобразцов, исследованы их физико-химические свойства, Диссертантомпроведены обработка, анализ и интерпретация полученных результатов,предложенмеханизмкристаллизациигетероструктурыMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ/SiO2/Si, подготовлены материалы для публикаций,сформулированы выводы и положения, выносимые на защиту.Диссертация соответствует паспорту специальности 02.00.21 – химиятвердого тела в пунктах: 1.
Разработка и создание методов синтезатвердофазных соединений и материалов; 2. Конструирование новых видов итипов твердофазных соединений и материалов; 3. Изучение твердофазныххимических реакций, их механизмов, кинетики и термодинамики, в том числезародышеобразования и химических реакций на границе раздела твердых фаз,а также топохимических реакций и активирования твердофазных реагентов; 7.Установление закономерностей "состав – структура – свойство" длятвердофазных соединений и материалов. 10. Структура и свойстваповерхности и границ раздела фаз.Настоящая работа выполнена при поддержке фонда РФФИ (гранты №10-08-01122-а и № 13-08-12402) и программ Президиума РАН 8П14 и 8П15.Апробация работы.
По материалам работы были представленыдоклады на следующих международных и всероссийских научныхконференциях: V Всероссийской конференции «ФАГРАН – 2012» (Воронеж,2012), VI Международной научной конференции «Актуальные проблемыфизики твердого тела» ФТТ-2013 (Минск, 2013), III Международной научнойконференции «Наноструктурные материалы – 2012: Россия – Украина –Беларусь» (Санкт–Петербург, 2102), Международной конференции «Ионныйперенос в органических и неорганических мембранах» (Краснодар, 2010), XVIи XVII Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника»(Нижний Новгород, 2012, 2014), Всероссийской молодежной конференции«Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Уфа, 2012), XIВсероссийскойнаучно-техническойконференции«Информационныесистемы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании иэкологии» (Тула, 2013), 5-ой Всероссийской конференции молодых ученых7«Микро–, нанотехнологии и их применение» (Черноголовка,Конференции молодых ученых ИОНХ РАН (Москва, 2012).82012),ГЛАВА 1ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1Основные направления поиска материалов для спинтроникиВ настоящее время поиск новых материалов и гетероструктур,обладающиходновременнополупроводниковымиимагнитнымихарактеристиками при температурах выше комнатных ведется по двумосновным направлениям [2, 4].Первое направление связано с созданием пленочной композитнойструктуры «ферромагнетик/полупроводник», получаемой последовательнымпослойным распылением ферромагнетика и полупроводника (диэлектрика).Такой путь достаточно привлекателен ввиду многообразия существующихмагнитных и полупроводниковых материалов, в комбинациях которыхможно вести поиск нужных свойств.
Такую гибридную структуру можнорассматривать как обменно-связанную. Необходимо отметить, что в этомслучае контакт ферромагнетика с полупроводником сопровождается двумяэффектами: эффектом Холла в полупроводнике под действием магнитногополя ферромагнетика, и формированием барьера Шоттки за счет искажениязонной структуры [4], которое может сопровождаться накоплением вблизимежфазной границы пленка–подложка значительного числа носителейзаряда. При этом сильное обменное взаимодействие (кулоновскоевзаимодействие с учетом принципа Паули) в околоинтерфейсной областимежду носителями заряда в полупроводнике и магнитными атомами вферромагнетиками может приводить к возникновению объединеннойспиновой системы. Недостатком такого подхода является малое времярелаксации спина, которое ограничивает применение таких структур.Так, в ряде работ сообщается о существовании ферромагнетизма (TСвыше300К)влегированных3d-элементамиширокозонныхполупроводниках GaN [5], AlN [6], ZnO [7–11], TiO2 [12, 13], SnO2 [14–17],Особенность возникновения ферромагнетизма в таких соединениях состоит втом, что концентрации легирующих ионов являются довольно низкими(менее 5%), что недостаточно для установления магнитного упорядочения9дальнего порядка, основанного на косвенном обмене между магнитнымиионами.Более того, в ряде работ [18–22] сообщается о возникновенииферромагнетизма в недопированном 3d-элементами SnO2.
При этомпредполагается, что указанный эффект может возникать либо при большимколичестве дефектов в кристаллической решетке, либо с размернымфактором.Авторы [23] детально исследовали фазовые равновесия в системеСо–Zn–O и показали, что в твердых растворах Zn1-XCoXO1+, где x ≤ 0.2,существует только антиферромагнитное упорядочение, а проявлениеферромагнетизма в поликристаллах и керамике, вероятнее всего, связано снарушением гомогенности или присутствием примесей.Неоднозначные результаты были получены при получении пленоккобальта на подложке оксида цинка в других работах. Так, в ряде работавторы, используя различные методы синтеза: (золь-гель [24], реактивноенапыление [25, 26] импульсное лазерное разложение [27, 28]) получилиферромагнитные (ТC выше 350 K) гомогенные пленки Zn1-XCoXO (0< x <0,25[24], 0,035 < x < 0,115 [25], x < 0,4 [26],), в которых отсутствовали кластерыкобальта.
В работе [28], пленки Zn1-XCoXO (x = 0,05-0,25) нанесенные насапфировую подложку методом импульсного лазерного разложения являлисьферромагнитными, сохраняя магнитное упорядочение при температурахвыше комнатных.Однако другие авторы утверждали, что твердые растворы Zn1-XCoXO соструктурой вюртцита являются преимущественно парамагнитными [29–31].При этом в пленках (x = 0,25), полученных методом импульсного лазерногоразложения [32], ферромагнетизм обусловлен наличием кластеров кобальта,а в поликристаллах (x = 0,05; 0,1 и 0,15), синтезированных твердофазнымметодом [30], и в монокристаллах, выращенных по расплавной методике[31], он обусловлен наличием примесей.Второе направление поиска основывается на создании гомогенныхматериалов, обладающих одновременно полупроводниковыми и магнитнымисвойствами.
Помимо того, что температура Кюри такого материалов должнабыть выше рабочих интервалов температур функционированиямикроэлектронных устройств (~150°С), необходимым условием также10является совместимость технологии создания таких структур со стандартнойполупроводниковой технологией (на основе Si, Ge и GaAs).В связи с этим в этой части обзора литературы представленырезультаты анализа работ в этой области знаний.Считается, что первым открытым ферромагнитным полупроводникомявляется монооксид европия EuO [32].
Однако создание гетероструктур наоснове EuO затруднительно ввиду низкой температуры Кюри (69,4 К). Ктому же EuO не стабилен в атмосфере воздуха. В то же время, несмотря наэти недостатки, работы по получению гетероструктур на основе EuOпродолжаются до сих пор.В работе [33] авторы синтезировали композиты EuO–Fe (Co), в томчисле в виде тонких пленок наноразмерной толщины, температуры Кюрикоторых соответствовали указанным переходным ферромагнитнымметаллам, а сами композиты при этом оставались полупроводниками сшириной запрещенной зоны Eg ≈ 0.75 эВ.Как сказано в обзоре [2], авторы попытались повысить температуруКюри в EuO замещением европия самарием. Исследуя фазовые равновесия всистеме Eu-Sm-O они установили, что предельная растворимость оксидасамария в EuО составляет 14 мол.%, а величина TC=130 К.Попытки получить соединения EuS и EuSe с высокими ТС неувенчались успехом.
Температура Кюри у этих соединений оказалась такжене высокой (16.5 К и 3.8 К соответственно) [2]. Поиск и получениехалькогенидных ферромагнитных полупроводников со структурой шпинелис общей формулой AB2C4 (где A – Cd, Hg, Zn, Cu; B – Cr, Fe; C – S, Se, Te),обладающих высокими ТC [23] также не решило проблему полученияматериалов для магнитных пленочных структур.Основываясь на принципах изовалентного замещения катионов вструктуре шпинелей, был получен твердый раствор Ga1–xMnxAs (где x до5%), который обладал более высокой, по сравнению с EuO, температуройКюри – 170 K [34]. Такие вещества, для которых характернонеупорядоченное распределение примесных магнитных ионов вкристаллической структуре, получили название разбавленных магнитныхполупроводников – DMS (diluted magnetic semiconductors) [34]. Такими жепредельными температурами характеризуется работа спинового транзистора11в работах [35] и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
