Диссертация (1145326), страница 63
Текст из файла (страница 63)
В соответствии с развитой моделью, ширина пикаобратно пропорциональна коэффициенту поверхностного распределения s частиц Co наинтерфейсе. Уменьшение концентрации Co приводит к уменьшению поверхностного распределения s: от s = 0.52 (x = 71 at.% Co) до s = 0.26 (x = 38 at.% Co).
Это соответствуетнаблюдаемому увеличению ширины пиков с уменьшением содержания Co: от ∆T = 37 K(x = 71 at.% Co) до ∆T = 62 K (x = 38 at.% Co).Локализация температурных пиков IMR изменяется приложенным электрическим полем. Эти сдвиги могут быть объяснены изменением концентрации электронов на интерфейсе под действием электрического поля. Приложенное поле приводит к уменьшениюэлектронов в GaAs на интерфейсе, в результате чего необходимы более высокие температуры для формирования одного обменно-расщепленного локализованного состояния вобогащенном слое. Для учета действия электрического поля в зависимостях для структурыSiO2 (Co)/GaAs с концентрацией Co 71 at.%, представленных на рис. 6.17, использовалисьследующие разности химических потенциалов ∆µ: 0.201 eV (U = 40 V), 0.197 eV (U =50 V), 0.187 eV (U = 60 V и 70 V).Зависимости IMR от магнитного поляНаконец,рассмотримзависимостиIMRотмагнитногополядляструктурSiO2 (Co)/GaAs.
Как видно из рис. 6.13, при малых магнитных полях наблюдается бо-326лее резкий относительный рост коэффициента IMR по сравнению с большими полями.Резкий рост IMR при H < Hsat может быть объяснен изменением доменной структуры, которая пропадает при Hsat = 4 kOe. Медленное увеличение IMR в магнитных поляхH > Hsat обусловлено упорядочиванием спинов различной ориентации частиц Co на интерфейсе (рис. 6.32).
Магнитное поле ориентирует спины по его направлению, что приводит~ 0 , к увеличению высоты барьера W (6.21) с ростом Hк увеличению z-проекции hSz (R)iи к увеличению величины коэффициента IMR (6.47). Происходящее при повышении величины барьера перераспределение электрического поля также способствует росту IMR.Повышение высоты барьера приводит к изменению распределения напряженности электрического поля (рис. 6.28) и к уменьшению электрического поля EC (H) по сравнению сэлектрическим полем EC (0) в отсутствии магнитного поля (рис.
6.31). В результате этогокоэффициент A в (6.47) растет с увеличением магнитного поля.6.3.4Структура гранулированной пленки вблизи интерфейса пленка / полупроводникИзвышеописаннойтеоретическоймоделиIMRэффектавгетероструктуреSiO2 (Co)/GaAs можно заключить, что структура полупроводника и гранулированной пленки вблизи интерфейса играет значительную роль. Интерфейсные слои определяют структуру обогащенного электронного слоя, спин-зависимого барьера и на интерфейсную область приходится максимальное действие электрического поля при развитии лавинногопроцесса. В связи с этим, было проведено исследование этой области методами рефлектометрии поляризованных нейтронов (PNR), малоуглового рассеяния синхротронного излучения в скользящей геометрии (GISAXS) и SQUID [361, 362, 364]. Этими методами определен магнитный профиль гетероструктур SiO2 (Co)/GaAs и найдены их характеристики.Измерения проводились в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF) налинии ID10B (Grenoble, France) [366], в GKSS Forschungszentrum (Geesthacht, Germany)и в Technische Universität Braunschweig (Braunschweig, Germany).
Геометрия экспериментаGISAXS задавалась скользящим (т.е. очень малым) углом падения синхротронного излучения на поверхность образца и двумя углами рассеяния. Эксперименты PNR такжепроводились при малых углах падения.Концентрация x наночастиц Co в SiO2 была равна x = 54 at.% и 75 at.%. Толщинаисследованных гранулированных пленок – 40 nm, 90 nm и 900 nm. Средний размер ферромагнитных частиц кобальта hDi равен 3 nm с гауссовым распределением в пределахот 2.3 nm до 3.7 nm.
Коэффициент отражения синхротронного излучения R от гетероструктуры Au(5.2 nm)/SiO2 (Co 75 at.%)/GaAs в зависимости от компоненты переданногоимпульса Qz , перпендикулярной плоскости пленки, показан на рис. 6.33 [362]. Экспериментальная кривая достаточно хорошо аппроксимировалась моделью, содержащей три слоя и327Рис. 6.33: Рефлектометрия синхротронного излучения от гетероструктуры Au(5.2nm)/SiO2 (Co 75 at.%)/GaAs. Экспериментальные данные показаны точками. Сплошнойлинией представлена расчетная кривая, соответствующая модельному распределениюэлектронной плотности ρ, представленному на вставке с нанесенными значениями электронной плотности для компонентов образца [362].подложку.
Данные GISAXS показывают наличие слоя гранулированной пленки толщинойh2 = 7 nm с меньшей концентрацией наночастиц Co (29 at.%) вблизи интерфейса.В методе PNR исследовались профили плотностей ρ+ = Nn + Nm и ρ− = Nn − Nm ,где Nn и Nm – SLD-плотности (scattering length densities), связанные с рассеянием нейтронов на ядрах и на магнитной структуре, соответственно. Профили плотностей ρ+ и ρ−гетероструктуры Au/SiO2 (Co 75 at.%)/GaAs, полученные методом PNR в магнитном полеH = 2.4 kOe при T = 300 K, представлены на рис.
6.34 [364]. Из полученных зависимостейвидно, что вблизи интерфейса существует слой GF3 гранулированной пленки SiO2 (Co)толщиной порядка 5-7 nm с меньшей концентрацией Co и, соответственно, с меньшей намагниченностью по сравнению с основным объемом гранулированной пленки.Использование комбинации экспериментов по малоугловому рассеянию в скользящейгеометрии GISAXS и рефлектометрии PNR, позволяет предложить трехмерную модельструктуры исследованных гранулированных пленок SiO2 (Co) на подложке GaAs, схематически показанную на рис.
6.35 для гетероструктуры с концентрацией наночастиц Cox = 75 ат.% [364]. Согласно представленным в работе [362] данным, для гетероструктурыSiO2 (Co)/GaAs с концентрацией наночастиц Co x = 54 ат.% в основном объеме пленкихарактерное расстояние lb между гранулами кобальта в любом пространственном направлении в среднем составляет 7 nm. В то же время, расстояние li между гранулами в интерфейсном слое существенно больше – порядка 30 nm.
При этом, толщина hi интерфейсного328Рис. 6.34: Профили плотностей ρ+ (сплошная линия) и ρ− (штриховая линия) гетероструктуры Au/SiO2 (Co 75 at.%)/GaAs, полученные методам рефлектометрии поляризованныхнейтронов в магнитном поле H = 2.4 kOe при T = 300 K. Штрих-пунктирная линиясоответствует профилю при H = 0 [364].слоя равна размеру одной гранулы вдоль направления, перпендикулярного к поверхностипленки, и составляет порядка 5-7 nm независимо от толщины hb основной пленки. В этойсвязи, существенное значение имеет вопрос о конкретной геометрической форме гранулинтерфейсного слоя, и особенно об их латеральном размере, так как особенности строения именно интерфейсного слоя ответственны за существование IMR эффекта.
Исходяиз рефлектометрических данных, показывающих объемное содержание кобальта в интерфейсном слое на уровне 30%, можно предположить, что латеральный размер гранулы может достигать величины порядка di /2. Найдено, что концентрация наночастиц кобальтана интерфейсе SiO2 (Co)/GaAs значительно понижена по сравнению с их концентрациейв основном объеме SiO2 (Co), в то время как расстояние между гранулами существенноувеличено.Таким образом, анализ данных GISAXS показывает, что в пленке SiO2 (Co) около интерфейса существует слой толщиной 7-7.5 nm, отличный от основного объема пленки.Этот слой формируется уплощенными наночастицами Co, которые в поперечном направлении дальше отстоят друг от друга по сравнению с наночастицами в основном пленочномобъеме.
Используя данные PNR, найдено, что на границе раздела сред SiO2 (Co)/GaAsдополнительный слой пленки SiO2 (Co) обладает меньшей намагниченностью и меньшейконцентрацией наночастиц Co по сравнению с областями пленки SiO2 (Co), расположенными вдали от интерфейса. Температурно-зависимый PNR и измерения намагниченности,проведенные при помощи SQUID, также показывают существование двух типов слоев с329Рис.
6.35: Модель структуры пленок SiO2 (75 ат.% Co) на подложке GaAs, полученная наоснове комбинации экспериментов по малоугловому рассеянию в скользящей геометрииGISAXS и нейтронной рефлектометрии PNR [364].магнитными наночастицами, имеющими разные намагниченности и температуры блокировки.6.3.5Магнитные сенсорыБольшие величины инжекционного магнитосопротивления IMR в гетероструктурахSiO2 (Co)/GaAs, достигающих 1000 (105 %) в лавинном режиме в больших магнитных полях (H = 19 kOe) при комнатной температуре, дают основание применить эти гетероструктуры в качестве магнитных сенсоров для измерения магнитных полей малой величины. Всвязи с этим, в этом разделе будут представлены исследования магнитосопротивления вSiO2 (Co)/GaAs в малых магнитных полях.Зависимости инжекционного магнитосопротивления IMR от приложенного магнитногополя H малой величины для гетероструктуры SiO2 (Co)/GaAs с 71 at.
% Co при разныхподаваемых на гетероструктуру напряжениях представлены на рис. 6.36. Толщина пленки SiO2 (Co) составляла 95 nm. Магнитное поле ориентировалось параллельно поверхностипленки. Измерения проводились при комнатной температуре. Зависимости IMR от магнитного поля H имели линейный вид.Кривая инжекционного магнитосопротивления как функция от приложенного напряжения обнаруживает тонкую структуру, которая не проявляется в больших магнитныхполях и при отсутствии лавинного процесса. На рис. 6.37 показаны зависимости IMR отнапряжения U для гетероструктур SiO2 (Co)/GaAs с 71 at.
% Co и с 54 at. % Co в магнитном330Рис. 6.36: Зависимости инжекционного магнитосопротивления IMR от приложенного магнитного поля H для гетероструктуры SiO2 (Co)/GaAs с 71 at. % Co при разных напряжениях на образце.поле H = 6.25 Oe. Толщины пленок SiO2 (Co) составляли 95 nm и 90 nm, соответственно.Лавинный процесс в данных гетероструктурах начинается при напряжениях 66 - 67 V.Пиковый характер зависимостей объясняется существованием локализованных уровней в обогащенном электронном слое (двумерной квантовой яме) в полупроводнике вблизиинтерфейса SiO2 (Co) (рис. 6.19) [161, 162].
Положение уровней определяется поперечнымразмером квантовой ямы. Кроме этого, локализованные электронные уровни расщепленыобменным взаимодействием между электронами обогащенного слоя GaAs и d-электронамиCo. Электроны туннелируют через барьер с этих уровней и запускают лавинный процесс.При низких напряжениях, соответствующих началу лавиного процесса, электроны туннелируют с вышележащего уровня.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
