Особенности магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе Si, InAs, GaN и ZnO (1104120), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3а). Характерные размеры – 10×100 нм.а)б)Рис. 3. СЭМ изображения пленок ZnO, осажденныхпирогидролитических условиях на r-сапфировую подложку.10при(а)300 °Си(б)500 °СвПленки, осажденные при 500 °С, обладали наноразмерной нитеобразнойструктуройтакназываемыхвискеров(“whiskers”)(Рис. 3б).Рентгеновскиеисследования показали, что пленки, осажденные в условиях пирогидролиза, являютсяполикристаллическими.Петли гистерезиса для пленок ZnO, осажденных в присутствии паров воды при300 °С и 500 °С на r-сапфировых подложках, представлены на Рис.
4. В пленке,полученной при 300 С, наблюдался слабый ферромагнетизм, магнитный моментнасыщения составил ~ (27±5)×10-6 Гс·см3 (0.87±0.16 Гс·см3/г).Наноструктурированные пленки со структурой вискеров продемонстрировалиявный ферромагнетизм – петлю гистерезиса при комнатной температуре, магнитныймомент насыщения составил около 300×10-6 Гс·см3, что соответствует 7 Гс·см3/г,340Магнитный момент [10 Гс*см ]T = 300 K20-6-63Магнитный момент [10 Гс*см ]коэрцитивная сила порядка 100 Э.0-20-40-10000-50000500010000Магнитное поле [Э]400T = 295 K2000-200-400-4000-2000020004000Магнитное поле [Э]а)б)Рис. 4.
Зависимости M(H) при 300 К для пленок ZnO, осажденных с помощью пирогидролиза наr-сапфировую подложку при а) 300 °C и б) 500 °C.Таким образом, наблюдается корреляция магнитных свойств недопированныхпленок ZnO, осажденных на подложки r- и c-сапфира, с особенностями структуры ихповерхности – в эпитаксиальных пленках с хорошо выраженной кристаллическойструктурой ферромагнетизм не наблюдается, тогда как пленки, поверхность которыхсильно развита и представляет собой неоднородную структуру, демонстрируютферромагнетизм при комнатной температуре, причем, чем более развита поверхность,тем ярче проявляются ферромагнитные свойства (магнитный момент насыщения икоэрцитивная сила).В разделе также приводятся результаты исследования магнитных свойствпленок ZnO, полученных на подложках MgAl2O4.
Несмотря на то, что данные пленки11являются эпитаксиальными (они были получены в кислородно-окислительномпроцессе MOCVD), в них наблюдается ферромагнетизм при комнатной температуре.Магнитный момент насыщения составляет примерно 60×10-6 Гс·см3 и20×10-6 Гс·см3 для пленок, осажденных при 500 °C и 600 °C, соответственно. Важноотметить, что толщина у указанных пленок различна – она составляет 50 нм и 200 нм,соответственно.Детальное исследование структуры пленок ZnO на подложках MgAl2O4показало, что они обладают вариантной структурой и состоят из наноразмерныхобластей – «вариантов», каждый из которых повернут на 30° в плоскостиотносительно пленки. Эти области расположены на расстоянии 15 – 20 нм друг отдруга на протяжении всей границы «подложка-пленка». Таким образом, магнетизм внедопированных пленках ZnO на подложках MgAl2O4 может быть обусловленвариантностью структуры границы между пленкой и подложкой и связанными с нейнаноразмерными структурными дефектами.Пленки Si, имплантированные ионами MnВ данном разделе приводятся результаты исследований имплантированныхмарганцем пленок кремния n- и p-типа с различным удельным электрическимсопротивлением в диапазоне от 0.005 до 10 Ом·см.
Пластины Si имплантировалисьионами 55Mn+ с энергией 195 кэВ, доза имплантации составила от 1·1015 до 5·1016 см-2.Часть образцов была подвергнута постимплантационному отжигу.Показано, что ферромагнитные свойства пленок кремния, имплантированныхмарганцем, не связаны с кластерами силицидов марганца, а также с содержаниеммарганца. Не было обнаружено какой-либо связи между намагниченностьюнасыщения, коэрцитивной силой и параметрами имплантации.Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что причинойнаблюдаемого в данных пленках ферромагнетизма, в том числе, и при комнатнойтемпературе, являются дефекты структуры, формирование которых происходит впроцессе имплантации кремния ионами марганца.
Такие дефекты приводят кналичию оборванных связей и неспаренных электронов, связанных с ними, и,соответственно, к результирующему магнитному моменту. Было показано, чтократковременный отжиг при температуре 850 °С не приводит к значительнымизменениям магнитных свойств изученных материалов, тогда как длительный отжиг втечение 5 часов при температуре 1000 °С приводит к полному исчезновению12ферромагнетизма, что обуславливается перераспределением и «залечиванием»дефектов, вызванных имплантационными повреждениями.Пленки Si1-xMnx, полученные методом импульсного лазерного осажденияВ разделе приводятся результаты исследований пленок Si1-xMnx.
Образцытолщиной 40-80 нм с различным содержанием Mn (х = 0.35-0.6) были полученыметодом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) (x ≈ 0.35) и методом ИЛО сиспользованием сепарации осаждаемых частиц по скорости (x = 0.44-0.6).Было установлено наличие ферромагнитного упорядочения в образцах прикомнатной температуре. На Рис. 5 представлены значения магнитного моментанасыщения и коэрцитивной силы при различных температурах для образца ссодержанием марганца 35% (ρ ≈ 2⋅10-4 Ом⋅см).Данные значения соответствуют 0.3 µB/Mn при Т = 200 К и 0.08 µB/Mn приТ = 300 К.
Температура Кюри, согласно полученным данным, незначительнопревышает 300 К. Важно отметить, что все известные силициды Mn являютсяслабыми зонными ферромагнетиками и их температуры Кюри TC не превышают 50 К.то,чтовобратитьMSобъемныхсилицидах SinMnm величина магнитногомомента на атом марганца существеннониже наблюдаемого в представленных вработесоединениях(например,200801506010040марганцаобразце44%с1001502002503000содержаниемферромагнетизмMn5020Температура [K]Рис. 5.
Коэрцитивная сила и магнитный моментнасыщения пленки Si1-xMnx (x ≈ 0.35) толщиной80 нм на подложке GaAs при различныхтемпературах.непроявлялся, тогда как для образцов сконцентрациейHC5000.012 µB/Mn в Mn4Si7 [7].В1002503наследуетМагнитный момент [Гс*см ]вниманиетого,Коэрцитивная сила [Э]Кроме0.5 – 0.55былообнаружено ферромагнитное поведение при температурах вплоть до комнатной ивыше. На Рис. 6 представлены полевые зависимости магнитного момента (петлигистерезиса) и температурные зависимости магнитного момента и коэрцитивной силыдля образца с содержанием марганца 0.5 - 0.52.
Магнитный момент на атом марганцадля данного образца при низких температурах составляет 1.4 µB/Mn.130-200-400-16000080001600020010010050050Магнитное поле [Э]3001500-80003200400-6200250100150200250300Магнитный момент [10 Гс*см ]80 K130 K175 K250 K300 K325 K350 KКоэрцитивная сила [Э]-63Магнитный момент [10 Гс*см ]400350Температура [K]Рис. 6.
Зависимости М(Н) при различных температурах и полученные из них температурныезависимости магнитного момента и коэрцитивной силы пленки SiMn с содержанием марганца 0.5 –0.52.В образце с концентрацией марганца 55% ферромагнетизм был обнаружен вовсем диапазоне температур вплоть до 400 К, то есть температура Кюри для даннойпленки SiMn существенно превышает комнатную. При этом вид зависимости M(T)имеет явный излом, что может свидетельствовать о наличии двух ферромагнитныхфаз в образце.
Магнитный момент при низких температурах составляет 0.74 µB наатом марганца.Данные результаты могут быть объяснены в рамках модели, предложенной вработе [8], которая предполагает формирование силицидной матрицы зонногоферромагнетика MnSi, содержащей связанные с нестехиометрией дефекты слокализованным магнитным моментом, обмен междукоторыми обусловленспиновыми флуктуациями матрицы. Данный механизм подразумевает сильноевозрастание температуры Кюри полученных пленок SiMn по сравнению с объемнымисилицидами за счет эффекта стонеровского усиления РККИ-обмена. Стольсущественное изменение магнитных свойств при изменении содержания марганцаможет быть связано с различной концентрацией формирующихся в процессеосаждения пленки дефектов с локализованными спинами.GaN:CrВ данном разделе приводятся результаты исследования магнитных свойствполупроводниковых пленок нитрида галлия, имплантированных ионами хрома 52Cr+.Энергия ионов составила 190 кэВ, доза имплантации – 6×1016 см-2.
Было установленоналичие ферромагнетизма в указанных образцах в диапазоне температур от 80 К до400 K. На Рис. 7 приведены петли гистерезиса при различных температурах.Величина магнитного момента насыщения образцов непосредственно после14имплантации составила при комнатной температуре 60×10-6 Гс·см3, что соответствуетПосле имплантации образцы были120T=80 K80подвергнутыкратковременному40вакуумному отжигу при 800 °C в течение 5-63Магнитный момент [10 Гс*см ]намагниченности коэрцитивная сила порядка 120 Э и поле насыщения около 5 кЭ.T=300 K0минутдля-40радиационных-80приведены-120-10000-500005000частичногодефектов.петлиудаленияНагистерезисаРис. 8прикомнатной температуре для одного и того10000Магнитное поле [Э]же образца, измеренные до и после отжига.Коэрцитивная сила и поле насыщения вРис.
7. Петли гистерезиса образца нитрида галлия,имплантированного хромом, при 80 и 300 К.результате отжига уменьшились до 100 Э и3 кЭ, соответственно, что является следствием уменьшения количества радиационныхдефектов в материале.Следует отметить, что наличие значительной коэрцитивной силы (порядкасотни эрстед) является важным критерием годности магнитного полупроводниковогоматериала для применения в спинтронике.Величинамагнитногомоментапослетермообработкиизмениласьнезначительно, что указывает на то, что ферромагнитное упорядочение некомнатнойтемпературенамагниченность этого материала достигаетзначительнойвеличины25 Гс.Важноотметить, что такое значение превышаетбольшинство из известных на данный моментрезультатовдляпленокGaNпридопировании другими элементами, хотя и неявляется максимальным [9].Момент на атом Cr достигает значения1.1 µВприкомнатнойтемпературе3Приструктурных150100После отжига-6дефектов.наличиемМагнитный момент [10 Гс*см ]обусловлено500До отжига-50-100-150-16000-80000800016000Магнитное поле [Э]Рис.
8. Петли гистерезиса для GaN:Cr прикомнатной температуре – до и после отжига.–рекордное значение для магнитных полупроводников с аналогичной температуройКюри.153,090-3ЭЭК, *10 (E=1.69 эВ)Магнитный момент (H=800 Э)2,580603Магнитный момент [10 Гс*см ]1,51,00,55080-6ЭЭК, *10-3702,04060460 K403020201000,0200300400Температура [K]100200105003000400-63Магнитный момент [10 Гс*см ]Температурная зависимость магнитного момента представлена на Рис.
9.Рис. 9.Температурныезависимостиэкваториального эффекта Керра имагнитного момента для образца GaN:Cr.На вставке – температурный ходмагнитного момента GaN:Cr и кривая,рассчитанная в приближении молекулярного поля для ферромагнетиков.Температура [К]Видно, что температура Кюри материала значительно превышает комнатную.Данные об изменении момента с температурой, полученные методом вибрационноймагнитометрии,полностьюсовпадаютстемпературнойзависимостьюэкваториального эффекта Керра. Анализ зависимости проводился в рамкахприближения молекулярного поля, которое позволило приблизительно оценитьтемпературу Кюри для данного материала – полученное значение составило 460 K.Магнитооптическая спектроскопия выявила25сильный отклик в диапазоне энергий менее 2.1 эВ,новыхспин-поляризованных состояний в запрещенной зоне GaNпри ионной имплантации Cr.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
