Диссертация (1145326), страница 15
Текст из файла (страница 15)
[329].59Рис. 1.20: Геометрия тока, протекающего в образце GaAs, относительно магнитного поляB и осцилляции тока в поле B = l00 mT [338].60ратурах. Одним из способов создания магнитоуправляемого барьера является напылениена полупроводник гранулированной пленки с ферромагнитными наночастицами. В этомслучае магнитоуправляемый спин-зависимый барьер формируется в обогащенном электронном слое в полупроводнике вблизи интерфейса [161, 162, 365].В [99, 100, 161] исследовался электронный транспорт и магнитосопротивление в гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs, TiO2 (Co)/GaAs и SiO2 (Co)/Si, где SiO2 (Co) (TiO2 (Co)) –гранулированная пленка SiO2 (TiO2 ) с наночастицами Co. В SiO2 (Co)/GaAs наблюдалсяэффект гигантского положительного магнитосопротивления (IMR), когда электроны инжектировались из пленки в полупроводник.
Эффект IMR обладал температурно-пиковымхарактером. Температурная локализация эффекта зависела от концентрации Co и могласдвигаться приложенным электрическим полем. Для гетероструктуры SiO2 (Co)/GaAs с71 at.% Co магнитосопротивление достигало 1000 (105 %) при комнатной температурепри развитии лавинного процесса в GaAs. В противоположность этому, для гетероструктур SiO2 (Co)/Si и TiO2 (Co)/GaAs значения магнитосопротивления были малы (4% дляSiO2 (Co)/Si), а для пленок SiO2 (Co) магнитосопротивление имело отрицательные значения. IMR эффект в гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs объясняется спин-зависимым барьером, управляемым магнитным полем.
Спин-зависимый потенциальный барьер формируется вблизи интерфейса благодаря обменному взаимодействию между электронами вобогащенном слое в полупроводнике и d-электронами Co [161,162]. Большие значения IMRпри лавинном процессе объясняются тем, что ударная ионизация, вызываемая инжектируемыми электронами, проходящими через потенциальный барьер, рождает дырки, которые, двигаясь, скапливаются в области потенциального барьера и понижают его высоту.Уменьшение высоты барьера повышает электронный ток, текущий через барьер, и увеличивает лавинообразование. Благодаря дыркам формируется положительная обратнаясвязь и малые изменения высоты барьера приводят к большим изменениям тока.
Приложенное магнитное поле увеличивает высоту и понижает прозрачность барьера. Из-засуществования обратной связи малые изменения барьера подавляют наступление ударнойионизации. Существование локализованных спин-поляризованных электронных состоянийв обогащенном слое приводит к температурно-пиковой зависимости высоты барьера, чтопроявляется на температурной зависимости IMR.Положительное магнитосопротивление, достигающее 320000 % в магнитном поле 2 kOeпри комнатной температуре, наблюдалось на гетероструктуре полуизолирующий GaAs /островковая пленка MnSb с покрытием Sb (Рис. 1.21) [286, 288]. Наночастицы MnSb представляли собой ферромагнитный металл с температурой Кюри 600 K.
Магнитное полеприкладывалось параллельно току и поверхности пленки. Наибольшая величина магнитосопротивления (MR) наблюдалась при определенной удельной концентрации островковMnSb на поверхности GaAs тогда, когда гетероструктура переходила из высокоомного состояния в низкоомное, т.е. развивался лавинный процесс.
Магнитное поле подавляло ток61и наблюдавшиеся в отсутствии поля гистерезисные явления. При увеличении толщиныостровковой пленки островки MnSb соединялись между собой. При толщине 5 молекулярных слоев пленка MnSb становилась сплошной и эффект магнитосопротивления пропадал.В [288] исследовалось влияние света на магнитосопротивление гетероструктуры полуизолирующий GaAs / островковая пленка MnSb с 20 nm покрытием GaAs. Найдено, что светвлияет на величину MR в том случае, если энергия падающего фотона больше ширинызапрещенной зоны GaAs и в зоне проводимости GaAs появляются фотоиндуцированныеэлектроны.Эффект магнитосопротивления исследовался на гетероструктурах полуизолирующийGaAs / гранулированная пленка GaAs с нанокластерами MnAs (сокращенно GaAs / GaAs(MnAs)) [289].
Нанокластеры MnAs представляли собой ферромагнитный металл с температурой Кюри 313 K. Гранулированная пленка GaAs(MnAs) обладала отрицательныммагнитосопротивлением порядка 1.5 % в магнитном поле 1 T [290]. В противоположностьэтому, в гетероструктуре GaAs / GaAs(MnAs) наблюдалось положительное магнитосопротивление более 600 % в поле 1 T при комнатной температуре. Эффект наблюдался вобласти развития лавинного процесса. Действие магнитного поля приводило к подавлениютока и гистерезиса.Положительное магнитосопротивление, превышающее 105 % в магнитном поле 0.8 Tпри комнатной температуре, наблюдалось в структуре полуизолирующий GaAs / GaAs(10 nm) / Au, имеющей барьер Шоттки [287].
Магнитное поле приводило к подавлению начала развития лавинного процесса. По-видимому, механизм подавления магнитным полемлавинного процесса связан с изменением состояния магнитных ионов Cr, используемых вкачестве глубокой примеси в полуизолирующем GaAs. Действие магнитного поля можетприводить к изменению s- и d-оболочек Cr и к изменению дифференциального сечениярассеяния носителей тока на примеси. В других гетероструктурах этот механизм магнитосопротивления может работать одновременно с механизмом магнитосопротивления,рассмотренным выше и обусловленным магнитоуправляемым потенциальным барьером вобласти начала развития лавинного процесса.Напыление на полупроводник гранулированной пленки с ферромагнитными наночастицами создает обогащенный электронный слой в полупроводнике вблизи интерфейса,который формирует не только магнитоуправляемый барьер, но и обменно-расщепленныеспин-поляризованные уровни. Эти уровни могут быть использованы для эффективнойинжекции спин-поляризованных электронов в полупроводник.
Электронный спиновыйтранспорт в гетероструктурах ферромагнетик / полупроводник (FM / SC) с недавнеговремени стал объектом интенсивных научных исследований. Возможность манипулирования спином у носителей тока дает увеличение функциональности электронных приборов,таких как спиновые транзисторы, датчики магнитного поля и ячейки памяти [252,253].
Гетероструктуры FM / SC могут быть использованы в качестве магниторезистивных ячеек и62Рис. 1.21: (a) образец пленки MnSb/GaAs включает островки MnSb на (001) плоскостиGaAs, покрытые слоем Sb толщиной 3 nm. (b) I-V характеристики пленки MnSb/GaAs,снятые при комнатной температуре. Скорость изменения напряжения составляла 1 Vs−1 .Кривые, измеренные при 0 и 15 kOe, представлены сплошной и пунктирной линиями, соответственно.
Стрелки показывают направление изменения напряжения. (c) Уменьшениетока при действии магнитного поля. Измерения сделаны при комнатной температуре принапряжении 80 V. Скорость изменения магнитного поля составляла 50 Oe s−1 [288].63инжекторов спин-поляризованных электронов в полупроводник [254–256]. Для практических применений крайне желательно, чтобы эти свойства реализовывались при комнатнойтемпературе.Хотя получены важные результаты, эффективная спиновая инжекция при комнатнойтемпературе все еще не достигнута. Эти проблемы могут быть решены путем использования гетероструктур FM / SC со спин-зависимым потенциальным барьером, которыйуправляет кинетической энергией инжектированных электронов и наступлением ударнойионизации [99,100,161,162].
В этих гетероструктурах FM является гранулированной пленкой с d (или f ) металлическими наночастицами, а в SC формируются квантовые ямы,содержащие локализованные спин-поляризованные электроны. По сравнению со структурой металл / полупроводник с барьером Шоттки, в которой также возможно управлениеначалом развития лавинного процесса магнитным полем [287, 289, 291, 292], прозрачностьспин-зависимого потенциального барьера, который формируется спин-поляризованнымобогащенным электронным слоем в полупроводнике вблизи интерфейса, характеризуется сильной зависимостью от положительной обратной связи, образованной дырками, иот их концентрации в области барьера и его высота отличается для различных спиновыхориентаций инжектированных электронов.
Величина барьера определяется обменным взаимодействием между d (f ) электронами в FM на интерфейсе и электронами в полупроводнике, которое поляризует электроны обогащенного слоя.В 6 главе изучается магнитосопротивление в гетероструктурах SiO2 (Co)/Si, SiO2 (Co)/GaAs и TiO2 (Co)/GaAs, где SiO2 (Co) (TiO2 (Co)) – гранулированная пленка SiO2 (TiO2 ) снаночастицами Co. Изготовление образцов и экспериментальные результаты представленыв 6.3.1. Эффект является более выраженным, когда электроны инжектируются из гранулированной пленки в полупроводник, в связи с чем, он получил название инжекционногомагнитосопротивления (IMR) [99, 100, 161]. Для гетероструктур SiO2 (Co)/GaAs значениеIMR достигает 1000 (105 %) при комнатной температуре, что на два-три порядка выше максимальных величин GMR в магнитных металлических мультислойных структурах и TMRв структурах MTJ.
С другой стороны, для гетероструктур SiO2 (Co)/Si значения магнитосопротивления очень малы, а собственное магнитосопротивление пленок SiO2 (Co) имеетотрицательную величину. Эффект IMR обладает выраженной температурно-пиковой зависимостью и его температурная локализация может сдвигаться внешним электрическимполем. Большие величины IMR-эффекта в гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs и температурно-пиковая зависимость объясняются в разделах 6.3.2 и 6.3.3, где представлена теоретическая модель управляемого магнитным полем лавинного процесса, начало которого осуществляется электронами, прошедшими через спин-зависимый потенциальный барьер в обогащенном электронном слое в полупроводнике вблизи интерфейса [162]. Структура гранулированной пленки вблизи интерфейса пленка / полупроводник, полученнаяметодами рефлектометрии поляризованных нейтронов (PNR), малоуглового рассеяния64синхротронного излучения в скользящей геометрии (GISAXS) и SQUID, рассмотрена вразделе 6.3.4.
Свойства магнитных сенсоров на основе IMR-эффекта в гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs описаны в разделе 6.3.5. В 6.3.6 представлена гетероструктура FM/ SC с дырочными ловушками и квантовыми ямами, содержащими локализованные спинполяризованные электроны, как структура перспективного спинового инжектора и магнитного датчика, работающего в широком температурном диапазоне. Эта гетероструктураможет быть использована в качестве био-аналитического сенсора, обладающего большейчувствительностью по сравнению с GMR-датчиками [293, 294], и как спиновый инжекторв spin-valve транзисторах и в спиновых полевых (FET) структурах [295–298].65Глава 2Диаграммная техника2.1Постановка задачиДиаграммная техника развита в общем виде для квантовых систем, обладающих внутренней динамикой, которая описывается группой Ли с алгеброй Ли L.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
