Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами (1091893), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В заключение этого раздела приведем два обзора, гдедетальнопредставленосостояниеисследованиймагнитныхполупроводниковыхматериалов,вкоторыхнаблюдалсявысокотемпературный ферромагнетизм [36, 37].Из материалов представленного выше раздела видно, что довыполнения данной работы круг материалов, которые удовлетворяли бынеобходимыми критериями для их использования в спинтронныхустройствах, крайне ограничен.

По-видимому, наибольший интереспредставляют материалы на основе замещенных ферритов магния соструктурой шпинели, полученных путем изоструктурного замещения частиионов железа на ионы галлия [2]. В связи с этим в следующих частях обзораостановимся на фазовых равновесиях в этой системе и на свойствах ферритовсо структурой шпинели.1.2Кристаллическая структура феррит–шпинелейФерритами называют магнитные диэлектрики или полупроводники соструктурой ионных кристаллов, образованные на основе Fe2O3 c оксидамидругих металлов [38].

Известен ряд структур ферритов. В частности кферритам относят феррошпинели, имеющие кристаллическую структуруприродного минерала шпинели MgO·Al2O3.Так как ионы кислорода значительно больше, чем ионы металлов,структура шпинели может быть представлена плотноупакованной решеткой,сформированной ионами O2-, в междоузлиях которой расположены меньшие(двух-, трех-, четырехвалентные) ионы переходных металлов.

В частностидля ферритов со структурой шпинели катионом В являются Li, Mg, Cd илипереходной элемент четвертого периода.На рисунке 1.1 изображена элементарная ячейка решетки шпинели. Ввершинах куба и в центрах граней расположены анионы O2-. Октаэдрическиемеждоузлия B (4 на ячейку) находятся в центре ребер и в центре куба.Каждое из них окружено шестью анионами O2-. Тетраэдрические междоузлияA (восемь на ячейку) находятся в центре октантов куба.

Каждое из нихокружено четырьмя анионами O2- [39].12- Октаэдрические междоузлия; - Тетраэдрические междоузлия;- Анионы кислородаРисунок 1.1 – Элементарная ячейка ГЦК-решетки шпинели споказанным окружением тетраэдрических и октаэдрических междоузлийЭлементарная ячейка шпинели имеет вид куба с удвоенным ребром иувеличенной в 8 раз кратностью. Это связано с тем, что не все междоузлиязаняты катионами: из 32 октаэдрических междоузлий занято 16, а из 64тетраэдрических – всего 8 (рисунок 1.2).Рисунок 1.2 – Элементарная ячейка шпинели с занятымимеждоузлиями13Распределение катионов зависит от нескольких факторов. Во-первых,это связано со значением энергии упругой деформации (деформациярешетки, вызванная разницей катионных радиусов).

Меньшие катионыдолжны занимать меньшие (тетраэдрические) позиции, в то время какбольшие – октаэдрические. Однако трехвалентные ионы, как правило,меньше двухвалентных, что приводит к инверсии структуры. Следующийфактор – электростатическая энергия: катионы с более высокимэлектрическим зарядом должны занимать положения с большимкоординационным числом (т.е.

октаэдрические), а катионы с меньшимзарядом – тетраэдрические [40].Кристаллическую структуру шпинели рассматривают как состоящуюиз двух подрешеток [40] – одна образована ионами металла втетраэдрическом окружении (подрешетка А), другая ионами металла воктаэдрическом окружении (подрешетка В) (рисунок 1.3).а– анион кислорода,б,– катионы металловРисунок 1.3 – Анионное окружение ионов металла в структуре типашпинелиВ зависимости от распределения двух- и трехвалентных ионовметаллов по тетраэдрическим и октаэдрическим позициям можно выделитьдва предельных случая: нармальную и обращенную шпинель.14В нормальной шпинели двухвалентные ионы металла занимаюттетраэдрические позиции, в то время как трехвалентные ионы располагаютсяв октаэдрических (например, (Mg2+)Al3+2O4).В обращенных шпинелях напротив, тетраэдрические и половинаоктаэдрических позиций заняты трехвалентными ионами металла, в то времякак двухвалентные ионы занимают оставшуюся половину октаэдрическихпозиций (например (Fe3+)Ni2+, Fe3+O4).Распределение катионов в кристаллической структуре шпинелихарактеризуется параметром , называемом степенью обращенности.

Длянормальны шпинелей =0, для обращенных =1. Значение степениобращенности соответствует доли катионов B, находящихся воктаэдрических позициях.В общем случае расположение катионов в узлах кристаллическойрешетки шпинелей в равновесных условиях должно соответствоватьминимуму свободной энергии. Одним из факторов, приводящих к снижениюэнергии кристаллической решетки, является реализация минимальнойэлектростатической энергии кристалла, определяемой кулоновской энергиейпритяжения, борновской энергией отталкивания и энергией упорядоченияионов в кристалле.

В соответствии с этим наиболее выгодным являетсярасположение двухвалентных катионов в тетраэдрическом, а трехвалентныхкатионов в октаэдрическом окружении [41].В то время как большинство шпинелей имеют кубическую сингонию,некоторые из них, имея кубическую структуру при высоких температурах,при более низких могут претерпевать фазовые переходы, сопровождающиесяпонижением симметрии. Например, CuFe2O4 претерпевает фазовый переходиз кубической в тетрагональную сингонию при температуре 360С [42].

Притемпературах выше 750С имеет место статистическое распределениекатионов железа и меди. Т.к. ионы Cu2+ предпочтительнее занимаютоктаэдрические позиции, при медленном охлаждении CuFe2O4 таким образомрасполагаются 92% ионов меди. При этом энергия ячейки CuO6- становитсяменьше, вследствие искажения октаэдров, вызванного эффектом ЯнаТеллера [42]. Макроскопический эффект наблюдается, когда все ячейкиCuO6- вытягиваются в одном направлении. Эффект Яна-Теллера, вызванный15стабилизацией ионов Cu2+ кристаллическим полем,формированию тетрагональной кристаллической структуры.1.3приводиткМагнетизм в ферритах со структурой шпинелиМагнетизм в ферритах со структурой шпинели впервые был описанНеелем [43], который предположил, что взаимодействия между ионамиметаллов в тетраэдрических (A) и октаэдрических позициях (B) (AB –взаимодействие)являютсяболеесильнымипосравнениюсвзаимодействиями внутри подрешеток (AA- и BB- взаимодействия).

Какизвестно, результирующий магнитный момент феррит шпинелей являетсяразностью намагниченностей подрешеток A и B.Например, распределение катионов в N1-xZnxFe2O4 может бытьзаписано как Zn2+xFe3+1-xNi2+1-xFe3+1+xO4. Ионы Zn2+ диамагнитны, ионы Fe3+имеют магнитный момент 5μB, Ni2+ 2μB при 0 К. Предполагаяантипараллельную спиновую ориентацию положений A и B при 0Кмагнитный момент элементарной ячейки может быть получен, как (1.1):()()()()(1.1)При разбавлении NiFe2O4 ZnFe2O4 происходит увеличение магнитногомомента, вследствие уменьшения магнитного момента подрешетки A.В общем, эффект магнитного разбавления, когда ионы Fe3+ замещаютсянемагнитными ионами, зависит от катионного распределения ипредпочтительных позиций немагнитных ионов. Ионы Al3+, например, имеютпредпочтение к октаэдрическим позициям, а ионы Ga3+ к тетраэдрическим.Когда NiFe2O4 допируется ионами Al3+, катионное распределение может бытьописано формулой NiFe1-xAlxO4.

Магнитный момент такого соединения равен(2-5x)μB при 0 К. При низкой концентрации легирующей примеси ионы Al3+замещают ионы Fe3+ в октаэдрических позициях. При высокой концентрации– в тетраэдрических.Температурнаязависимостьмагнитногомоменташпинелейопределяетсятемпературнойзависимостьюнамагниченностейееподрешеток. Магнитные моменты подрешеток уменьшаются с ростом16температуры, однако их температурные зависимости могут отличаться другот друга.Несмотря на активное изучение, природа магнетизма в замещенныхдиэлектриках до сих пор не ясна.

Dietl [44] применил модельферромагнетизма предложенную Зенером [45], основанную на обменномвзаимодействии между носителями заряда и локализованными спинами, дляпредсказания температур Кюри полупроводников p-типа – GaN и ZnO,содержащих 5% Mn. В этой модели механизм ферромагнитногоупорядочения представляется как их косвенное взаимодействие,индуцированное свободными носителями заряда. Такой подход, однако, необъясняет возникновение ферромагнетизма в образцах с чрезвычайно низкимсодержанием дырок, в изоляторах и в полупроводниках n-типа. Длязамещенных шпинелей n-типа (A1-xMx)(O□δ)n, (A – немагнитный катион, М –магнитный катион, □ – донорные дефекты), была предложена модельферромагнетизма [46], индуцированного донорами, основанная на спиновомрасщеплении 3d-электронных уровней в примесной зоне и локализациидонорных электронов на магнитной примеси.Т.к.

большинство ферритов со структурой шпинелей проявляютионный характер взаимодействия, т.е. катионы окружены анионами, инаоборот – ближайшие соседи анионов – катионы, магнитное упорядочение вферритах имеет тенденцию к антиферромагнитному упорядочению, т.к.взаимодействия между катионами происходят через анионы [40]. Вследствиетого, что в магнитных изоляторах нет электронов для участия в обменномвзаимодействии между магнитными ионами, преобладает суперобменноевзаимодействие, которое, согласно правилу Goodenough–Kanamori–Anderson[47], не может быть ферромагнитным и, поэтому, сильным. Однако вдиэлектриках с более чем одним типом магнитных атомов – шпинелях,антиферромагнитное суперобменное взаимодействие может стать причинойферримагнитного упорядочения [47].В большинстве случаев наблюдаются результирующий магнитныймомент, который является следствием того, что подрешетки ферритов соструктурой шпинели содержат разное число катионов.

В случае шпинелеймагнитную структуру можно описать следующим образом (рисунок 1.4).Суперобменное взаимодействие можно представить в виде треугольника:17сильнейшимявляетсяAB–взаимодействиемеждукатионамивоктаэдрической и тетраэдрической позициях, взаимодействие BB слабее [40].¼aBBOBAРисунок 1.4 – Взаимодействия между A и B позициями в решеткешпинелиМагнетит Fe3O4 – одно из самых наиболее изученных соединений.Электростатическое упорядочение катионов Fe2+ и Fe3+ делает егоуникальным материалом.

Характеристики

Список файлов диссертации