Ферромагнетизм при комнатной температуре полупроводников на основе кремния и диоксида титана (1105056)
Текст из файла
На правах рукописиКУЛЕМАНОВ ИВАН ВАСИЛЬЕВИЧФЕРРОМАГНЕТИЗМ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕПОЛУПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ ИДИОКСИДА ТИТАНАСпециальность 01.04.10 – «Физика полупроводников»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2012Работа выполнена в ОАО «Государственный научно-исследовательский и проектныйинститут редкометаллической промышленности «Гиредмет» ГНЦ РФНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЮрий Николаевич ПархоменкоОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорЯков Моисеевич Муковский, НИТУ «МИСиС»кандидат физико-математических наук,начальник лабораторииБорис Аронович АронзонНИЦ «Курчатовский институт»Ведущая организация:Казанский Физико-Технический Институтимени Е.К. Завойского Российской Академии НаукЗащита состоится “21“ июня 2012 г. в 17.30 на заседании диссертационного советаД 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.
Ломоносовапо адресу: 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, МГУим. М.В. Ломоносова, ЦКП физического факультета, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «21» мая 2012 г.Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылатьпо вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессор2Г.С. ПлотниковОбщая характеристика работыВведениеСовмещение полупроводниковых и ферромагнитных свойств материала являетсяактуальной материаловедческой задачей и позволит реализовать на практике новыеустройства, использующие для функционирования спин-зависимые эффекты иотличающиесякомпактностью,большейфункциональностьюиэнергонезависимостью при хранении данных.
Основной материаловедческой задачейдля полупроводниковой спинтроники является создание ферромагнитногополупроводника обладающего собственной намагниченностью при температуре вышекомнатной. Ранее теоретически было обосновано, что такая задача может бытьрешена легированием магнитными примесями немагнитных полупроводников, тоесть путем введения переходных элементов в матрицу кристалла. При этом крайнежелательным является совмещение новых материалов с кремниевой литографическойтехнологиейизготовленияприборов.Настоящаяработапосвященасовершенствованиютехнологииполученияразбавленныхмагнитныхполупроводников (РМП) и исследованию их структурных, магнитных иэлектрических свойств. Экспериментально применялись технологические методыполучения материалов и широкий комплекс современных структурных,магнитометрических, электроизмерительных, магнитооптических, синхротронных имикрозондовых методов исследования.Актуальность темыДля значительного увеличения функциональности, быстродействия икомпактности электроники необходимы приборы работающие на новых принципах.Полупроводниковая спиновая электроника поможет существенно улучшить этихарактеристики, при условии решения проблемы инжекции поляризованных по спинуносителей заряда в обычные немагнитные полупроводники, желательно кремний, темсамым сохраняя преемственность приборных технологий.
Полученные к настоящемувремени на основе AIIIBV:Mn приборы демонстрируют множество спин-зависимыхэффектов, но имеют низкую температуру Кюри для практической реализации.Недавние теоретические работы подтверждали возможность создания РМП,пригодного для применения без дополнительного охлаждения, на основе кремния,легированного переходными элементами. Преимущество по величине магнитногомомента отдавалось марганцу. К моменту постановки исследовательских задачнастоящей работы имелись противоречивые данные об источнике возникновенияферромагнитного сигнала в кремнии легированном марганцем Si:Mn. Публикации поэтой теме описывали наличие зависимости от типа проводимости, отжига иконцентрации носителей для намагниченности образцов Si:Mn, показывая, чтомеханизм возникновения ферромагнитного упорядочения через косвенный обменносителей заряда идентичен ранее изученному для AIIIBV:Mn.
Сообщалось также онаблюдении второй фазы в виде кластерных включений, обогащенных примесью Mn.3Более поздние работы показали, что высокая концентрация радиационных дефектов вматериале без магнитной примеси может создавать упорядочение, получившееобозначение «квазиферромагнетизм». Таким образом, наблюдаемые дляферромагнитного Si:Mn эффекты легирования являются малоизученными ипредставляют интерес для получения материала спиновой электроники.Следуя теоретическому предсказанию существования высокой температурыКюри в РМП на основе широкозонных полупроводников, в работе также быливыполнены исследования по получению собственного ферромагнитногополупроводника на основе диоксида титана.
Данный материал находит все большеновых областей высокотехнологичных применений и сравнительно мало изучен прилегировании. Для TiO2 наблюдается взаимосвязь между магнитным моментом иконцентрацией носителей, которые создаются при отклонении от стехиометриисоединения вследствие образования собственных дефектов — вакансий кислорода,что не требует введения электрически активных примесей. Высокая диэлектрическаяпроницаемость и прозрачность TiO2 помогут объединить на его основе магнитные иоптические приложения для создания управляемых устройств магнитооптики.Целью работы являлось:Комплексное исследование и установление источника ферромагнетизма прикомнатной температуре в кристаллическом кремнии легированном марганцем иполучение собственного РМП с высокой намагниченностью при комнатнойтемпературе на основе полупроводниковых слоев диоксида титана.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.
В комплексе исследовать структурные, магнитные и электрическиехарактеристики полупроводникового кремния легированного методом ионнойимплантации марганцем.2. Стабилизировать процесс осаждения полупроводниковых слоев TiO2.3. Исследовать возможность получения РМП на основе TiO2 без включениймагнитной фазы путем изменения концентрации собственных дефектов.4. Исследовать взаимосвязь удельного сопротивления и намагниченности вполупроводниковом соединении TiO2:V.5. С целью определения источника ферромагнитного сигнала в TiO2:V,проанализировать химическое состояние примеси, структуру, проводимость имагнитные свойства этого соединения.Научная новизнаНаучная новизна работы заключается в следующем: Определена природа ферромагнетизма в полупроводниковом кремнии прикомнатной температуре.4 Впервые на широкой номенклатуре пластин полупроводникового кремнияустановлено электрическое поведение Mn в кремнии легированномэлектрически активными примесями. Экспериментальнопоказанавозможностьполучениясобственногоферромагнитного полупроводника TiO2:Co при высоком уровне легированияпримесью (8 ат.
% Co). Впервые показано, что для TiO2:V собственный ферромагнетизм наблюдается вшироком интервале удельного сопротивления и это соединение проявляетвысокую намагниченность.Достоверность результатов обеспечена обоснованностью используемых вработе экспериментальных методов, сопоставлением с экспериментальными даннымии теоретическими работами в области создания РМП, а также корреляциейрезультатов, полученных при исследовании на различных образцах.
Во многомдостоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсявзаимнойнепротиворечивостью результатов, полученных с использованием разных методов.Результаты исследований докладывались на специализированных международныхконференциях по физике полупроводников и магнитным явлениям.Положения, выносимые на защиту:1. Новые экспериментальные данные об особенностях амфотерного поведенияпримеси Mn в имплантированном Si: компенсация доноров в низкоомномкремнии n-типа и акцепторов в высокоомном кремнии p-типа.2.
При комнатной и выше температурах ферромагнитное упорядочение в Si,имплантированном Mn, при содержании примеси Mn в пределах несколькихпроцентов обусловлено дефектами кристаллической структуры кремния,образующимися в процессе имплантации.3. Метод создания состояния собственного ферромагнетизма в полупроводникеTiO2 при высоком содержании легирующей магнитной примеси, на примере Co.4. Высокие для оксидных РМП значения намагниченности – до 42 эме·см-3 – могутбыть получены для соединения TiO2:V, являющегося собственнымферромагнитным полупроводником.Практическая значимость результатов работы:1.
Установлено, что ферромагнетизм при комнатной температуре наблюдаемый вкремнии, имплантированном ионами 3d- переходных металлов (по крайней мере, присодержании примеси не более единиц процентов), обусловлен дефектамикристаллической структуры, возникающими при имплантации, и поэтому такойматериал не может быть использован для создания спиновых приборов.2. Разработан способ получения полупроводниковых пленок TiO2:Co обладающихсобственным ферромагнетизмом (в которых отсутствуют магнитные кластеры иферромагнитной является сама полупроводниковая матрица), что необходимо дляэффективной поляризации носителей в применениях спиновой электроники.53. Синтезирован пленочный собственный ферромагнитный полупроводник наоснове TiO2:V, проявляющий рекордную для оксидных РМП намагниченностьнасыщения при комнатной температуре до 42 эме·см-3.4. Проанализированы результаты магнитных и электрических исследованийразбавленного магнитного полупроводника на основе TiO2:V, что позволилообосновано связать наблюдаемые особенности с моделью связанного магнитногополярона.5.
Материалы диссертации могут быть использованы для разработки и полученияструктур спиновой электроники на основе соединения TiO2:V.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующихконференциях:Международнаянаучно-техническаяконференция«Микроэлектроника и наноинженерия – 2008», (Зеленоград, 25-27 ноября 2008г.);9-я Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники-2009»,(Новосибирск–Томск, 28.09 - 03.10.09г.); International Magnetics Conference «Intermag2009» (Sacramento, California 04-08 May 2009); XXI Международная конференция«Новое в магнетизме и магнитных материалах», НМММ XXI (Москва, 28 июня - 4июля 2009г.); Annual International Student’s Conference «Study and achieve!» (Moscow,23-29 March 2009); 11-я Международная конференция по атомно-контролируемымповерхностям, интерфейсам и наноструктурам «ACSIN 2011» (Санкт-Петербург, 3-7октября 2011г.); Moscow International Symposium on Magnetism «MISM-2011»(Moscow, 20-25 June 2011); 64-е и 65-е дни науки в НИТУ «МИСиС» и семинарахкафедры «Материаловедения полупроводников и диэлектриков» НИТУ «МИСиС».ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе в ведущихроссийских изданиях, из них 10 – в журналах и сборнике трудов конференции.Список приведен в конце автореферата.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
