Ферромагнетизм при комнатной температуре полупроводников на основе кремния и диоксида титана (1105056), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Сопоставление полученных профилей, а также анализ с учетомданных о концентрации основной легирующей примеси в использованных пластинахкремния, показали, что только малая часть от полной концентрации Mn вимплантированном слое (не более единиц процентов) входит в кристаллическуюрешетку кремния и является электрически активной после постимплантационногоотжига.Прямые структурные исследования ближнего и дальнего порядка в Si:Mnвыполненные методами рентгеновской дифракции, ПЭМ и абсорбционнойрентгеновской спектроскопии на атомах Mn показывают, что основная частьмарганца в кремнии концентрируется в нанокластерах интерметаллическойтетрагональной фазы Mn15Si26.
Кратковременный постимплантационный отжиг ввакууме при температуре 850 °С резко меняет структурные и электрические свойстваимплантированного слоя, но слабо влияет на намагниченность материала. Измерениямагнитного кругового дихроизма (рис. 1) показали, что марганец вимплантированном кремнии не несет какого-либо неcкомпенсированного магнитногомомента при комнатной температуре. В сумме полученные результаты позволяютзаключить, что причиной наблюдаемого в имплантированном кремнииферромагнетизма при комнатнойтемпературе (по крайней мере,при небольших содержанияхпримеси) являются структурныедефектывкремнии,возникающиевпроцессеимплантации.Этотвыводследует как непосредственно изнаших данных, так и изсравнения их с результатамидругихисследованийпонамагниченности кремния,Рис.
1 - Спектры рентгеновского поглощения на атомах после имплантации ионами ArMn и рентгеновского магнитного кругового дихроизма или Xe, либо подвергнутоговблизи K-края поглощения Mn для Si(Mn) с дозой нейтронному облучению [3].16-22·10 см и отожженного.11Третья главаСодержит описания экспериментального метода синтеза для получениялегированных слоев на основе TiO2, способа его стабилизации для повышениявоспроизводимости и заданного качества слоев, данные о характеристикахиспользованныхподложек.Образцысинтезировалисьнаспециальноспроектированной установке магнетронного распыления оснащенной системойсогласования мощности, цифровыми газовыми натекателями и оптическимспектрометром излучения плазмы с оптической точностью 1 нм. Метод синтезаосновывался на реактивном ВЧ-магнетронном распылении мишени в атмосфереAr + O2, состав которой задавался натекателями в вакуумной камере установки.Мишень изготавливалась сплавлением Ti (99,99%) с добавкой легирующего элемента:Co или V, концентрация которого задавалась в процессе приготовления.Концентрация легирующего элемента в мишенях и их чистота определялись методомэнерго-дисперсионного рентгеновского микроанализа.
Содержание легирующейпримеси в выращенных слоях также проверялось этим методом и соответствовалоконцентрации в мишени.Реактивное магнетронное осаждение TiO2 производилось на согласованные покристаллографической структуре подложки: TiO2 (рутил), SrTiO3 и LaAlO3удовлетворяющие эпитаксиальному росту по величине рассогласования (Δ< 3%). Вкачестве газовой атмосферы использовалась смесь аргона и кислорода.
Удельноесопротивление выращенных слоев TiO2-х зависит от многих факторов: концентрациикислорода, мощности распыления, температуры нагрева подложек, скорости откачкии т.д. Основная сложность при получении полупроводникового TiO2-х заключается втом, что требуется получить материал с заданным отклонением от стехиометрии,которое трудно контролируется в процессе получения. С целью обеспечениястабильности и воспроизводимости получения слоев с заданным диапазономудельного сопротивления был применен метод стабилизации на основе оптическойэмиссионной спектроскопии излучения плазмы магнетронного разряда (рис.
2а, 2б).Рис. 2а – Спектры излучения плазмы при Рис. 2б – Спектр излучения плазмы, полученныйразличных ВЧ-токах в диапазоне 50-250 мА. при токе 105 мА. Показаны теоретические линииИнтенсивность всего спектра пропорциональна Ti с относительной интенсивностью.величине тока.12В процессе получения контролировались линии излучения титана и поинтенсивности этих линий задавалось отклонение от стехиометрии. В итоге,полученные образцы имели меньший разброс удельного сопротивления, чтопозволило получать легированные слои полупроводникового TiO2.Четвертая главаПосвящена исследованию возможности создания собственного ферромагнитногополупроводника на основе TiO2 легированного в высокой концентрации Co. В началеглавы приводится описание двух использованных в работе подходов: закалке извысокотемпературной фазы для фиксации состояния с большей растворимостьюпримеси и метод низкотемпературного отжига, приводящего к диффузии кислорода кповерхности пленки.
По величине энергии процесс удаления кислорода споверхности требует меньших затрат, чем из объема, поэтому применим к объектам ввиде тонких пленок. Исследования, выполненные магнитно-силовой микроскопиейпоказали, что использование процедуры фиксации высокотемпературной фазызакалкой образцов приводит к появлению магнитных включений на поверхности.Далее описан метод использующий различие скоростей диффузии вакансийкислорода и ионов Co. Технологически метод заключается в полученииполуизолирующих слоев TiO2:Co методом магнетронного напыления с содержаниемпримеси Co 8 ат.% и последующим низкотемпературным отжигом при 440 °С.Поскольку метод получения является неравновесным, то концентрация введенного Coпревышает предел растворимости.
Изначально полученные образцы со структуройрутила имели величину удельного электрического сопротивления 103-104 Ом∙см инизкую концентрацию вакансий кислорода, так как были получены в режиме близкомк получению стехиометрического TiO2. Измерения кривой намагниченности образцовпосле получения не имели признаков гистерезиса. После отжига образцы меняливеличину удельного сопротивления до характерных значений для полупроводника 310 Ом∙см и при комнатной температуре магнитный момент приобретал величину 2,2 х10-4 эме (см. рис.
3а). Заметная 3d-намагниченность ионов Со была выявленаэлементо-селективной кривой, полученной методом XMCD для энергии 778,7 эВ прикомнатной температуре (рис. 3б).С целью выяснения микроскопической природы валентного состояния Со вматериале был использован элементно-селективный и объемно-чувствительныйметод исследования XANES при энергии вблизи L3 и K –края поглощения Co.Полученные спектры XANES подтверждают ионное (неметаллическое) состояниеатомов Со.
В конце главы на основе экспериментальных результатов отмеченаведущая роль кислородных вакансий в организации ферромагнитного обмена вTiO2:Co.13Рис. 3а. Кривая намагничивания для образца Рис. 3б.Криваяэлементно-селективногоTiO2:Co после низкотемпературного отжига. магнитного гистерезиса для энергии CoL3 – края поглощения образца 10 Ом∙см послеотжига 1 ч.Пятая главаСодержит результаты изучения структурных, магнитных, магнито-оптических итранспортных свойств слоев TixV1-xO2-δ при различной концентрации ванадия,полученных реактивным магнетронным напылением на подложках рутила TiO2 (001)и LaAlO3 ориентации (001) и (100) с односторонней полировкой под эпитаксию илидвухсторонней полировкой, если в дальнейшем предполагались магнитооптическиеизмерения. Приведены данные о шероховатости поверхности подложек ивыращенных слоев.
С целью выявления корреляций между усилением магнитногообмена и концентрацией ионов примеси в работе использовались различныеконцентрации примеси V: 3, 10 и 18 ат.%. В сравнении с результатами на основеTiO2:Co описанными ранее, а также известными, для данного материала впервыеустановлены следующие отличия:1.- наблюдается высокая намагниченность для образцов с удельным сопротивлениемизолятора, при том, что концентрация свободных носителей крайне низкая, аоптическая прозрачность в видимой области спектра остается высокой;2.- увеличение концентрации ванадия не приводит к увеличению намагниченности, втом числе при использовании скоростной закалки для увеличения числа ионовванадия в катионных позициях при замещении титана;3.- наблюдаемая максимальная намагниченность в 42 Гс является рекордной поданным для оксидных РМП.Во введении приводится подробный анализ растворимости ванадия в решеткеTiO2 исходя из оценки геометрического фактора ионных радиусов, полуэмпирическихправил оборазования твердых растворов примесью, известных данных и анализастроения фазовых диаграмм: для бинарной системы Ti – V и изотермическогосечения многокомпонентной диаграммы Ti – O – V.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
