Особенности магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе Si, InAs, GaN и ZnO (1104120), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Н.И. Лобачевского,Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Институтпроблем лазерных и информационных технологий РАН, «Государственный научноисследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности«Гиредмет», Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН, ХимическийфакультетМГУим. М.В. ЛомоносоваиФизическийфакультетМГУим.
М.В. Ломоносова. Личный вклад автора состоит в проведении комплексногоисследования магнитных свойств методами вибрационной магнитометрии, обработке,5сопоставленииианализетеоретическихмоделей,результатовсовместномизмеренийобсужденииврамкахрезультатовсуществующихиподготовкепубликаций.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описанияисследовавшихся образцов, экспериментальных методик и методов обработкирезультатов измерений и главы с изложенными результатами, их обсуждением,заключением и выводами, а также списка цитируемой литературы. Общий объемработы составляет 130 страниц, включая 48 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемойлитературы состоит из 160 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированыцелиисследованияиопределенызадачиисследования,представлены основные положения, выносимые на защиту.
Отмечается научнаяновизна и практическая ценность работы, а также приводятся сведения об апробацииработы, структуре и содержании текста диссертационной работы.В первой главе приводится обзор литературных данных о магнитных,транспортных (кинетических) и структурных свойствах разбавленных магнитныхполупроводников на основе кремния, арсенида индия, оксида цинка и нитрида галлия.Подробно рассматриваются различные механизмы ферромагнитного упорядочения вразбавленных магнитных полупроводниках, в том числе, высокотемпературногоферромагнетизма (с температурой фазового перехода, превышающей комнатную).Приводятсяметодыполученияразбавленныхмагнитныхполупроводников,рассматриваются особенности, связанные с влиянием метода изготовления насвойства получаемых пленок и структур.
Приводится обзор методов исследованияразбавленныхмагнитныхполупроводников,отмечаютсяэкспериментальныесложности, связанные с исследованием данных материалов. Анализируются причины,породившие многочисленные споры о природе магнетизма в исследуемых объектах,указывается наличие большого количества публикаций, сообщающих, порой,противоречащие друг другу сведения, что связано с ошибочной интерпретациейэкспериментальных результатов.6Вовторойглавеприводитсяописаниеметодикивибрационноймагнитометрии, исследовавшихся образцов, особенностей методов их изготовления, атакже приводится описание методики обработки экспериментальных результатов,полученных с помощью вибрационной магнитометрии. Описаны особенности впроведении измерений и обработке их результатов, связанные с малой величиноймагнитного момента образцов разбавленных магнитных полупроводников, а также сналичием фоновых сигналов от подложек, на которых они выращены, и держателей, спомощью которых осуществляются измерения.Перечисляются методики, использовавшиеся для исследования структурных,транспортных и магнитооптических свойств представленных материалов.Третьяглавасостоитизпятиразделов,посвященныхрезультатамисследований магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников наоснове арсенида индия, кремния, оксида цинка и нитрида галлия, допированныхразличными элементами.InMnAsВ разделе приводятся результаты исследования магнитных свойств пленокInMnAs, выращенных на подложках GaAs (100) в кварцевом реакторе методомимпульсного лазерного распыления твердой мишени InAs и Mn в потоке водорода иарсина.
Для исследований были получены образцы с различным содержаниеммарганца – YMn = 0.13, 0.20 и 0.26. Толщина пленок составила 130 нм, 220 нм и270 нм, соответственно.Исследования показали, что при комнатной температуре все образцыпроявляют ярко выраженный ферромагнитный характер. На Рис. 1 представленыпетли гистерезиса для образца с концентрацией Mn YMn = 0.13 при 300 К, измеренныев максимальном поле ± 16 кЭ, и при 80 и 300 К, измеренные в меньшем поле дляболее точного определения коэрцитивной силы.73Магнитный момент [10 Гс*см ]InMnAs, YMn=0.1340T = 300 K-6-63Магнитный момент [10 Гс*см ]800-40-80-16000-80000800016000100T = 80 K50InMnAs, YMn=0.13T = 300 K0-50-100-3000-1500015003000Магнитное поле [Э]Магнитное поле [Э]Рис.
1. Петли гистерезиса для пленок InMnAs с содержанием марганца YMn = 0.13: а) петля гистерезиса вполе ±16 кЭ при температуре 300 К. б) петля гистерезиса в поле ±3 кЭ при температуре 300 К и 80 К.По мере увеличения содержания марганца в пленках наблюдается ростмагнитного момента насыщения MS, что связано также с увеличением толщиныпленок. Поле насыщения HS не зависит от количества марганца и достигает прикомнатной температуре 2.5 кЭ для всех пленок, увеличиваясь примерно в два разапри охлаждении до 80 К. Коэрцитивная силапределахпогрешностиопределенияонаодинакова для всех образцов и достигаетдостаточнобольшихзначений,нехарактерных для разбавленных магнитныхполупроводников, обладающих собственнымферромагнетизмом, – ее величина составляет470±50 Э при 300 К и увеличивается доКоэрцитивная сила [Э]HC также не зависит от концентрации Mn, в1000300 К80 К8006004002000,150,200,25Содержание марганца YMnРис.
2. Коэрцитивная сила пленок InMnAs сразличным содержанием Mn при температуре80 и 300 К.770±50 Э при 80 К (Рис. 2).Для всех концентраций марганца температура Кюри исследуемых пленокнезначительно превышает комнатную и составляет около 320 - 330 К. Кроме того,результаты измерений свидетельствуют об отсутствии влияния количества марганца впленках InMnAs на их температуру Кюри.Обращают на себя внимание особенности магнитотранспортных свойствпленок, а именно, аномального эффекта Холла, наблюдавшегося в образцах.Выявленная с помощью магнитотранспортных измерений спиновая поляризацияносителей зарядов в данных системах обусловлена их взаимодействием смагнитными моментами кластеров MnAs.8Таким образом, показано, что полученные с помощью лазерного распыленияпленкиInMnAsдемонстрируютферромагнитноеповедениеприкомнатнойтемпературе и выше, однако ферромагнетизм в них связан с образованием второйфазы – включений ферромагнитного полуметаллического арсенида марганца(TC ~ 318 K).
Ферромагнитные свойства, выявленные при исследовании эффектаХолла и магнитооптического эффекта Керра, обусловлены наличием этих жевключений.ZnO:Co, ZnOВ разделе представлены результаты исследования магнитных свойств пленокZnO:Co и ZnO, полученных химическим осаждением из газовой фазы сиспользованием металлорганических соединений (MOCVD).
Пленки были осажденына подложки Al2O3 с гексагональной структурой решетки (r-сапфир (1-102) иc-сапфир (0001)), а также на подложки MgAl2O4 (111) с кубической решеткой.Пленки были синтезированы с помощью процесса MOCVD двух типов – сиспользованием кислорода в качестве реакционного газа (кислородно-окислительныйпроцесс) и альтернативным методом пирогидролитического процесса MOCVD, где вкачестве активного газового реагента использовались пары воды.Проведенные структурные исследования показали, что полученные с помощьюпроцесса MOCVD пленки ZnO:Co представляют собой твердый раствор ZnO(CoO).Согласно исследованиям дифракции рентгеновских лучей структура пленок ZnO:Coне зависит существенным образом от содержания кобальта – в пленках не былообнаружено следов вторичной фазы (металлических кластеров кобальта и пр.).Изучение пленок ZnO:Co с помощью сканирующего электронного микроскопапоказало, что структура их поверхности сильно варьируется в зависимости отусловий получения – от типа процесса MOCVD, подложки, на которуюосуществляется осаждение.
Были получены как эпитаксиальные пленки с однороднойструктурой, ровной и относительно гладкой поверхностью (пленки, осажденные спомощью кислородно-окислительного процесса MOCVD), так и пленки с сильноструктурированной поверхностью, осажденные с помощью пирогидролиза.Проведенные исследования позволяют сделать вывод об отсутствии какоголибо значительного влияния содержания кобальта на магнитные свойства пленокZnO:Co – никакой логической зависимости между величиной намагниченности иконцентрацией кобальта проследить не удалось.9В разделе приводятся результаты исследований пленок ZnO:Co, на основаниикоторых был сделан вывод о том, что различные условия осаждения (температура,тип процесса MOCVD (с использованием в качестве активной газовой среды либокислорода, либо водяного пара)) оказывают существенно большее влияние намагнитные свойства получаемых пленок по сравнению с влиянием содержаниякобальта.
Данный факт может быть объяснен решающей ролью структурыповерхности пленок в определении наблюдаемого в них ферромагнетизма приразличных температурах, в том числе, и при комнатной. Поэтому разумным являетсяисследование недопированных пленок ZnO с различными особенностями структурыповерхности с целью выявления их влияния на магнитные свойства.Было проведено изучение пленок ZnO, полученных на различных подложках ипри различных условиях. Результаты показали, что пленки ZnO, осажденные спомощью кислородно-окислительного процесса MOCVD на r- и c-сапфировыеподложки при 600 °С, обладающие хорошей кристаллической эпитаксиальнойструктурой, не демонстрируют каких-либо признаков ферромагнитного упорядочениякак при комнатной температуре, так и при 80 К.Однако, в отличие от них, пленки, осажденные в условиях пирогидролиза иобладающие хорошо развитой поверхностью и поликристаллической структурой,являются ферромагнитными.Пленки, осажденные при 300 °С, имели структуру типа наноразмерныхпересекающихся «лепестков», поверхность которых перпендикулярна поверхностиподложки (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
