Эпитаксиальная интеграция пленок EuO с кремнием и свойства полученных гетероструктур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Аверьянов, Дмитрий Валерьевич

• Аверьянов, Дмитрий Валерьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Аверьянов, Дмитрий Валерьевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Методики формирования объемных кристаллов и тонких пленок EuO

1.2 Кристаллическая структура EuO

1.3 Зонная структура EuO

1.4 Магнитные свойства EuO

1.5 Транспортные свойства

1.6 Проблемы эпитаксиальной интеграции EuO с кремнием

Глава 2. Экспериментальные методы изготовления и исследования образцов

2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Механизмы эпитаксиального роста

Дизайн и основные элементы установки МЛЭ

Система стабилизации давления кислорода

2.2 Метод in situ контроля - дифракция быстрых электронов

Осцилляции интенсивности рефлексов ДБЭ

2.3 Просвечивающая электронная микроскопия

Процедура приготовления поперечных срезов

2.4 Рентгеновские дифрактометрия и рефлектометрия

2.5 СКВИД-магнитометрия

2.6 Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением

2.7 Гальваномагнитные измерения

2.8 Обратное резерфордовское рассеяние

Каналирование

Глава 3. Формирование гетероструктур EuO/Si и исследование их структурных и магнитных свойств

3.1 Использованные подложки и их подготовка

3.2 Выращивание EuO на Si с использованием поверхностной фазы 1x2 Eu

Формирование поверхностной фазы 1x2 Eu

Формирование пленок EuO

Формирование защитного слоя Eu2O3

Исследование свойств структуры EuO/Si: просвечивающая электронная микроскопия

3.3 Поиск лучших вариантов защиты поверхности подложки: исследование поверхностных фаз Eu и Sr на Si

3.4 Выращивание EuO на Si с использованием поверхностной фазы 1x5 Eu

Режимы формирования пленок EuO и их влияние на структурные и магнитные свойства пленок

Исследование структурных свойств границы раздела EuO/Si: просвечивающая электронная микроскопия

3.5 Альтернативные способы формирования слоев EuO

3.6 Формирование пленок EuO, легированных Gd

3.7 Исследование образцов SiO/EuO/Si с помощью комбинированного анализа рентгеновских дифрактометрии и рефлектометрии

Параметризация модели

Процедура оптимизации

Результаты и их обсуждение

Глава 4. Исследование электронных свойств границы раздела ЕиО/Б1 и

транспортных свойств пленок Eub.Gd.rO

4.1 Исследование электронных свойств границы раздела ЕиО/Б1 с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением

4.2 Исследование транспортных свойств пленок EubxGd.rO. Наблюдение аномального эффекта Холла в пленках Eu1-.Gd.rO

Заключение

Сокращения

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эпитаксиальная интеграция пленок EuO с кремнием и свойства полученных гетероструктур»

Введение

Актуальность темы

Последние десятилетия без преувеличения можно назвать уникальной эпохой развития микроэлектроники, приведшей к многократному увеличению производительности полупроводниковых приборов. Однако непрерывно растущие потребности в быстродействии, энергоэффективности и информационной емкости диктуют необходимость создания новых устройств с более совершенными характеристиками. Вместе с тем, традиционная электроника, основанная на транспорте, манипулировании и хранении электрического заряда столкнулась с фундаментальными физическими ограничениями. Продолжавшийся на протяжении последнего времени значительный прогресс был обеспечен в первую очередь масштабированием элементов логики и памяти. На данный момент размеры элементов близки к достижению фундаментального предела, и дальнейшее их уменьшение при использовании в работе тех же физических принципов невозможно.

Исследования в области физики конденсированного состояния дали возможность значительно приблизиться к уровню, необходимому для производства устройств, задействующих в своей работе новые механизмы. Одно из центральных мест среди них занимает спинтроника [1], использующая эффекты, связанные с наличием у электрона не только заряда, но и спина.

Спинтроника на основе металлических наноструктур уже широко используется в устройствах хранения информации [2]. Принцип их работы основан на эффекте гигантского магнетосопротивления. Однако, общим недостатком для всех устройств, построенных на металлических структурах, является невозможность усиливать сигналы - это прерогатива полупроводниковых приборов.

Кремний - основа современной электроники, и особенно важной представляется разработка элементов кремниевой спинтроники [3]. Особенностью кремния являются слабое спин-орбитальное взаимодействие и большое время жизни спина. Но кремний немагнитен, и, следовательно, спин-поляризованные электроны в нем должны быть либо оптически сгенерированы, либо электрически инжектированы. Оптическая генерация спиновой поляризации в кремнии очень неэффективна. Электрическая инжекция приводит к лучшим результатам, но рассогласование проводимостей между стандартным ферромагнитным металлическим контактом-инжектором и кремнием препятствует эффективной прямой инжекции спинов [4, 5]. Возможный вариант решения, заключающийся в использовании туннельного барьера между ферромагнетиком и кремнием, увеличивает уровень инжекции, однако не делает его достаточным для создания устройств спинтроники.

Другой возможный метод инжекции спинов основан на «горячих» электронах с большой кинетической энергией [6]. Когда энергия электронов существенно превышает энергию Ферми, проблемы рассогласования проводимостей не возникает. Но, несмотря на демонстрацию спинового транспорта на макроскопические расстояния [7] и достижение значительной спиновой поляризации (вплоть до 50 %), данный метод малоперспективен ввиду сложности установки, значительных энергетических затрат и исключительно малого отношения токов в кремнии и инжекторе.

Наиболее перспективный способ инжекции спин-поляризованных электронов в кремний состоит в создании инжектирующих контактов с использованием ферромагнитных полупроводников. Данный подход также позволяет избежать проблемы рассогласования проводимостей. В этом контексте EuO считается одним из лучших кандидатов. Известно, что ЕиО -единственный магнитный бинарный оксидный полупроводник, который может быть термодинамически стабильным в контакте с кремнием [8]. Он обладает практически 100 % поляризацией по спину [9, 10], демонстрирует

гигантское магнетосопротивление (до 8 порядков величины) и переход изолятор-металл ниже температуры Кюри с величиной изменения сопротивления до 13 порядков. Как и материал обладает кубической кристаллической решеткой. В отличие от разбавленных магнитных полупроводников, EuO является однородным материалом.

Однако выращивание эпитаксиальных пленок EuO на кремнии крайне осложнено ввиду значительного рассогласования решеток (5,6 %), а также тенденции к образованию нежелательных фаз (Eu2O3, Eu3O4, БЮ., EuSi2) на начальных этапах роста, сильно влияющих на эффективность спиновой инжекции. Несмотря на многочисленные попытки ведущих научных групп во всем мире, прямой эпитаксиальной интеграции EuO с Si достигнуто не было. Все это обуславливает необходимость проведения исследований, посвященных изучению различных режимов выращивания и свойств прямых гетероэпитаксиальных структур EuO/Si.

Целью работы являлись разработка методик синтеза монокристаллических пленок ферромагнитного полупроводника EuO, напрямую эпитаксиально сопряженных с кремнием, методом молекулярно-лучевой эпитаксии, а также характеризация кристаллического качества, электронной структуры границы раздела, структурных, магнитных и транспортных свойств полученных гетероструктур.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи

• Создана автоматическая прецизионная система формирования стабильного потока кислорода (погрешность не более 3 %).

• Разработана методика защиты поверхности кремния от окисления при последующем выращивании оксидных слоев с помощью поверхностной фазы 1x5 Eu.

• Исследовано влияние основных ростовых параметров на свойства получаемых образцов Eu0/Si(001), найдены оптимальные условия синтеза пленок.

• Отработана технология создания слоев EuO с металлической проводимостью путем их легирования атомами Gd.

• Получены и проанализированы данные исследований структуры, состава, магнитных, электронных и транспортных свойств образцов, выращенных в оптимальных условиях.

Научная новизна

• Впервые получены монокристаллические пленки ферромагнитного полупроводника EuO, эпитаксиально сопряженные с Si(001) и обладающие резкой границей раздела, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии с помощью разработанной методики, использующей поверхностную фазу 1*5 Eu.

• Впервые определены структуры поверхностных фаз 1*2, 1*5 Eu и 1*5 Sr на Si(001), имеющих потенциал применения в качестве сверхструктур для выращивания функциональных оксидов на кремнии.

• Охарактеризована кристаллическая структура интерфейса Eu0/Si(001).

• Впервые определена электронная структура интерфейса Eu0/Si(001).

• Охарактеризованы магнитные свойства эпитаксиальных пленок EuO, выращенных на Si(001).

• Впервые обнаружен аномальный эффект Холла в пленках EuO, легированных Gd.

Практическая значимость

Разработанные методики формирования монокристаллических эпитаксиальных пленок EuO на кремнии решают проблему создания спин-инжекционных контактов для устройств кремниевой спинтроники. В перспективе, при решении задачи повышения температуры ферромагнитного перехода в системах на основе EuO до комнатных значений, гетероструктуры EuO/Si имеют потенциал применения и для создания рабочих устройств. Проведенные исследования свидетельствуют о принципиальной

возможности использования контакта Eu0/Si для спиновой инжекции и целесообразности проведения дальнейших исследований.

Отдельные подходы, использовавшиеся при формировании пленок, в частности, для стабилизации давления кислорода, а также для защиты поверхности кремния, могут применяться для выращивания других оксидов на кремнии.

Часть результатов, полученных в ходе выполнения работ, защищена патентами Российской Федерации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Определенные структуры поверхностных фаз 1x2 и 1x5 Ей на Si(001), а также 1x5 Sr на Si(001), позволяющие сделать вывод о большей потенциальной пригодности фаз 1x5 для использования в качестве защиты поверхности кремния при выращивании оксидных слоев.

2. Разработанная методика, решающая проблему прямого выращивания эпитаксиальных пленок Eu0 на Si(001) с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и позволяющая получать гетероструктуры с атомно-резким интерфейсом.

3. Установленные зависимости кристаллических и магнитных свойств пленок Eu0, а также структурного качества границы раздела Eu0/Si(001) от соотношения потоков Eu и 02 в процессе роста пленок.

4. Определенная картина изменения кристаллических параметров на интерфейсе Eu0/Si(001). Релаксация решетки Eu0 происходит при достижении толщины 3 нм.

5. Определенная зонная структура интерфейса Eu0/Si(001). Установленное расстояние между потолками валентных зон Eu0 и Si ЛЕу ~ 0,8 эВ и оцененное расстояние между зонами проводимости для Eu0 в ферромагнитном состоянии ЛЕС ~ 1,0 эВ.

6. Обнаруженный аномальный эффект Холла в пленках Eu1-.Gd.rO, свидетельствующий о наличии спин-поляризованных электронов в пленке.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена использованием комплекса современных экспериментальных методов исследований, детальным рассмотрением процессов формирования слоев EuO на кремнии и свойств изготовленных гетероструктур. Результаты, полученные разными методами, согласуются между собой, а также не противоречат данным, известным из литературы.

Личный вклад соискателя

Соискатель провел полный цикл работ по разработке технологии, поиску и отладке режимов выращивания структур. Разработал систему, позволяющую в автоматическом режиме поддерживать неизменным один из основных ростовых параметров - давление кислорода. Осуществлял лично либо принимал прямое участие в исследованиях изготовленных образцов с помощью различных экспериментальных методов, обработке полученных результатов, их анализе и интерпретации. Непосредственно участвовал в апробации результатов и подготовке публикаций по теме диссертации.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 148 страницах, содержит 68 рисунков и список цитируемой литературы из 1 46 наименований.

Апробация результатов работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: 2015 International Conference on Advanced Materials Engineering (Гуанчжоу, Китай, 2015 г.); Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2014 г.); 5-я и 6-я Научно-практические конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (Москва, Россия, 2014 и 2015 гг.); XXVI Российская конференция по электронной микроскопии (Москва, Россия, 2016 г.); XIX Российский симпозиум по

растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, Россия, 2015 г.); VI Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" (Красноярск, Россия, 2016 г.); 11-ая и 12-ая Курчатовские молодежные научные школы (Москва, Россия, 2013 и 2014 гг.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 работ в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций и симпозиумов, в том числе 6 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ.

Диссертация организована в следующем порядке

В первой главе приведен обзор различных способов, использовавшихся многими научными группами для формирования тонкопленочных и объемных монокристаллических образцов EuO, изложены концепции ростовых процессов, позволяющие получать стехиометрические пленки и контролируемым образом модифицировать их свойства. Описаны основные физические свойства EuO и их корреляция с режимами роста. Рассмотрены принципиальные проблемы прямой эпитаксиальной интеграции EuO с Si, а также подходы, ранее безуспешно применявшиеся для их решения.

Вторая глава содержит описание основных экспериментальных методик, использовавшихся в рамках работы для изготовления и исследования образцов: молекулярно-лучевой эпитаксии, дифракции быстрых электронов, просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновских дифрактометрии и рефлектометрии, СКВИД-магнитометрии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, обратного резерфордовского рассеяния, гальваномагнитных измерений.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты по выращиванию и исследованию тонкопленочных слоев EuO. Детально описаны процедуры формирования пленок EuO на Si методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием поверхностных фаз 1*5 и 1^2 Eu на кремнии, изложены результаты исследования кристаллической

структуры поверхностных фаз 1*5 и 1*2 Eu и Sr на Si. Показано, что применение поверхностной фазы 1*5 Ей для защиты поверхности Si позволяет получать эпитаксиальные стехиометрические пленки ЕиО с атомно-резким интерфейсом ЕиО^. Рассмотрена зависимость кристаллических, структурных и магнитных свойств пленок ЕиО, а также качества границы раздела ЕиО^ от использовавшихся условий синтеза. Приведены результаты исследования процесса релаксации механических напряжений на границе раздела, а также изменений параметров кристаллического качества вдоль толщины пленки.

В четвертой главе изложены результаты исследования электронных свойств границы раздела EuO/Si с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Изучены транспортные свойства пленок EuO, легированных Gd, продемонстрировано наличие в них аномального эффекта Холла.

Глава 1. Обзор литературы

С самого момента открытия в 1961 г. [11] EuO привлек к себе внимание многочисленных исследователей как материал, относящийся к весьма немногочисленному классу ферромагнитных полупроводников. С тех пор была проделана огромная работа, посвященная развитию методов его формирования и контролируемой модификации его характеристик, всестороннему экспериментальному изучению его свойств и теоретическому объяснению наблюдаемых эффектов. Поскольку, как оказалось, многие свойства материала, будь то в форме объемных монокристаллов или тонкопленочных слоев, сильно зависят от условий синтеза, рассмотрим сначала основные методики, применявшиеся для его формирования.

1.1 Методики формирования объемных кристаллов и тонких пленок ЕиО

Объемные кристаллы EuO выращиваются в запаянных тиглях из расплава смеси Eu с Eu2Oз или EuзO4 в диапазоне температур T = 1355^1965 °С [12, 13, 14, 15]. Во избежание формирования включений EuзO4 и Eu2Oз исходная смесь должна иметь в своем составе избыток Eu. Фазовая диаграмма бинарной системы Eu-O (рис. 1) была получена авторами работы [15]. Она является ключом к выращиванию монокристаллов EuO с заданными транспортными свойствами, напрямую зависящими от степени отклонения состава от стехиометрического. Из диаграммы следует, что этот параметр у выращиваемых кристаллов может задаваться путем подбора соотношения Eu-O в расплаве и соответствующей температуры роста: области I и II соответствуют кристаллам с избытком кислорода, область III -стехиометрическому EuO, области IV и V - кристаллам, обогащенным Eu. Другим способом изменения свойств EuO является его легирование редкоземельными элементами. Чаще всего оно осуществляется путем добавления в исходную смесь элемента в чистом виде [16] или его оксида [17].

£

Н 1400

CL

О

Ей

гооо

1600

1700

1300

1900

1500

1800

50 ЕиО

Ох удеп

Oxygen mol.%

Рис. 1. Фазовая диаграмма бинарной системы Еи-0 [15].

Процесс развития методик формирования пленок EuO можно условно разделить на три этапа.

Первый этап связан с использованием различных низковакуумных методов переноса вещества на поверхность подогретой подложки. В частности, в самых первых попытках, предпринятых авторами работы [18], для формирования слоев Еи0 применялось электронно-лучевое напыление. Было опробовано несколько вариантов: распыление стехиометрической мишени ЕиО, одновременное распыление мишеней Еи203 и Еи, а также распыление Еи в атмосфере кислорода. В последующих экспериментах использовалось магнетронное распыление [19], термическое испарение Еи в атмосфере кислорода [20, 21], а также окисление предварительно сформированной пленки Еи [21].

Вслед за этим были предприняты попытки модифицировать свойства выращиваемых пленок путем добавления легирующих примесей с концентрацией в пределах нескольких процентов, вносившихся либо при помощи их замешивания в материал исходной мишени, либо посредством синхронного осаждения из дополнительной мишени. С применением этих способов были сформированы пленки Eu0, допированные Gd, Ш, La,

Y [22], Fe [23, 24], а также слои, одновременно содержащие избыток Еи и легированные Ag [25] и Fe [26].

Главным итоговым результатом этого этапа можно считать формирование тонких слоев EuO, основные характеристики которых (магнитные и транспортные) были подобны проявляемым объемными образцами. В то же время, общее качество пленок оставляло желать лучшего. Вакуумные условия при росте были посредственными (10-6^10-5 торр), что неминуемо приводило к загрязнению пленок посторонними примесями. Хотя по некоторым образцам удалось отследить зависимость их свойств от вариантов синтеза, все же основная проблема заключалась в использовании неустойчивых условий роста: контроль основного, сильно влияющего на свойства выращиваемых пленок параметра - стехиометрии - осуществлялся напрямую за счет подбора относительной интенсивности потоков атомов Еи и О, слабые изменения этих потоков тут же приводили либо к формированию EuзO4 и Еи^з, либо к образованию включений недоокисленного Eu. Вероятно, по этим причинам рентгеновские методы исследования кристаллической структуры указывали на поликристалличность слоев, независимо от типа используемых подложек. Недостаточная величина намагниченности насыщения говорила о присутствии в объеме пленок побочных немагнитных фаз. Вместе с тем, большое количество дефектов приводило к сдвигу температуры ферромагнитного перехода. Добавление легирующих примесей хотя и позволило существенно изменить свойства EuO (например, в работах [23, 24] температура ферромагнитного перехода была повышена более, чем в два с половиной раза), процесс их внесения также был слабо контролируем.

Второй этап формирования слоев EuO был ознаменован значительным усовершенствованием методик создания вакуума и широким распространением метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) формирования слоистых структур. Принципиально метод мало отличается от использовавшихся ранее термического испарения или электронно-лучевого

напыления: в работах данного этапа рост пленок также производился либо путем простого нагрева ячейки с материалом EuO [27, 28, 29], либо осаждением Eu, испаряемого стандартным нагревом [30, 31] или с помощью электронного луча [30], в атмосфере кислорода. Однако были и определенные преимущества. Использование технически более совершенных инструментов создания атомных потоков и их измерения давало большую степень их контроля. Лучший вакуум (10"10^10"9 торр) гарантировал более высокую степень чистоты пленок от примесных атомов. Инструменты in situ мониторинга кристаллического качества выращиваемых пленок, которыми, как правило, комплектуются машины МЛЭ, также существенно облегчали задачу поиска правильных режимов роста и слежения за надлежащим их ходом.

В результате, впервые был продемонстрирован эпитаксиальный рост пленок EuO на имеющих близкие параметры решетки подложках оксида циркония (ZrO2), стабилизированных оксидом иттрия (Y2O3) - YSZ(001) [27], а также на сапфире с использованием буферного слоя V [27]. Использовались и другие подложки: CaF2(111) и Mg0(001) [30], Si(001) и кварцевое стекло [31], результатом роста на которых были поликристаллические пленки EuO.

Несмотря на все это, основная трудность ростового процесса - контроль стехиометрии - так и не была преодолена: магнитные измерения показывали наличие в пленках включений нежелательных фаз.

Значительный прогресс в освоении методики формирования пленок EuO, достигнутый авторами работ [32, 33], явился началом третьего этапа. Пленки выращивались путем осаждения испаряемого термически металлического Eu в атмосфере кислорода. В качестве подложек использовались монокристаллические пластины MgO и SrTiO3 [32], а также SrTiO3 с буферным слоем BaO [33]. Температура подложек в процессе роста составляла 300 °С. Исследовалась зависимость качества образцов от используемого отношения потоков кислорода и европия Joxy/Jeu. Было

обнаружено, что имеется достаточно широкий диапазон изменений /0Ху//Еи, в котором удается вырастить стехиометрические эпитаксиальные пленки Еи0 с моментом насыщения на атом Еи равным 7 цв (максимально возможный момент, служащий признаком отсутствия переокисленных фаз). В то же время, при выходе за верхнюю границу этого диапазона происходит резкое ухудшение кристаллических и магнитных свойств получаемых пленок за счет формирования в их объеме включений Еи304 и Еи203.

Суть происходящего можно понять из приводимой авторами зависимости коэффициента прилипания атомов Еи (КЕи) от отношения потоков /0Ху//Еи (рис. 2). При сильном преобладании потока Ей ЯЕи низок -атомы Еи реиспаряются с поверхности. По мере увеличения /0Ху//Еи коэффициент прилипания ЯЕи пропорционально растет. Когда удвоенный (по причине содержания двух атомов в молекуле) поток кислорода начинает превосходить поток Еи, ЯЕи выходит на плато - подавляющее большинство атомов Еи остается на поверхности. Примечательно, что при доминирующем потоке Ей создаются идеальные условия для формирования Еи0: образования переокисленных фаз Еи не происходит из-за его избыточного содержания на поверхности, в то же время, его накопление в объеме пленки также исключено за счет реиспарения избыточных атомов с поверхности. Таким образом, стехиометрия Еи0 соблюдается автоматически.

1.2 1.0 0.8 »-б 0.4 0.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

^сш' Ли

Рис. 2. Зависимость коэффициента прилипания атомов европия при выращивании пленки Еи0 от отношения потоков кислорода и европия [32].

Дальнейшее развитие данного подхода изложено в работе [34], в которой, кроме всего прочего, автор исследовал интенсивность хода процесса реиспарения Ей при различной температуре подложки. Так, на рис. 3 показана временная зависимость силы тока, текущего через структуру, состоявшую из предварительно выращенной пленки ЕиО и дополнительного слоя Еи, формировавшегося по мере осаждения соответствующих атомов из потока. Температура слоя ЕиО при этом варьировалась в диапазоне 400^280 °С. При высоких температурах ток через структуру не менялся -все атомы Еи из потока десорбировались. Однако при ее уменьшении ниже порогового значения 340 °С ток начинал постепенно расти за счет уменьшения скорости реиспарения Еи и интенсификации процесса формирования проводящего слоя Еи. Как видно на вставке рис. 3, скорость роста силы тока с уменьшением температуры все больше увеличивалась, указывая на все ускоряющееся накопление Еи на поверхности.

001—,—|—,—|—;—|—:—|—,—|—,—|—,—

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

1(5)

Рис. 3. Изменение силы тока, текущего через предварительно выращенную пленку ЕиО толщиной 10 нм, при осаждении на нее Еи при различной температуре подложки. Серым

цветом показана кривая при простом охлаждении пленки ЕиО. Первые пять ступеней поднятия температуры подложки на 10 °С показаны вертикальными линиями. На вставке показана скорость изменения тока через пленку при различной температуре, а также

оценочная скорость роста пленки Еи [34].

Путем осаждения Еи в атмосфере кислорода с использованием аналогичного режима роста в избыточном потоке Еи при температурах

подложки Т > 350 °С, автору впервые удалось получить эпитаксиальные пленки Еи0 на подложках и MgO, не показывающие перехода

изолятор-металл при ферромагнитном переходе, что говорит о высокой степени их стехиометричности. В то же время, при использовании более низких температур роста переход изолятор-металл наблюдался - Еи начинал накапливаться в пленке и образовывались вакансии кислорода.

Здесь все же стоит отметить, что при очень сильном преобладании потока Еи, отклонения стехиометрии пленки могут наблюдаться даже при достаточных для процесса реиспарения температурах подложки - атомы Ей просто не успевают десорбироваться. Однако оптимальный диапазон потока более чем достаточен для устойчивого формирования стехиометрических пленок.

Открытый авторами публикаций [32, 33] и развитый в работе [34] режим роста стехиометрических образцов, называемый режимом дистилляции, впоследствии был использован для выращивания эпитаксиальных слоев Еи0 на множестве подложек. Формировались как чистые пленки Еи0 (на [35], Мв0 [36], ОаЛ [37], ЬаЛ103 [38], УЛЮ3 [39]) так и легированные:

• Оё на [40], на УЛ103[41, 42],

• Ьа на УЛ103 [42, 43], и ОаК [43], на 8гТЮ3 [44],

• Ьи на УЛ103 [42].

Именно такие высококачественные пленки наряду с монокристаллическими образцами в подавляющем большинстве использовались для определения фундаментальных характеристик материала. Краткий обзор основных свойств ЕиО приведен ниже.

1.2 Кристаллическая структура ЕиО

Еи0 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру решетку типа №С1 (рис. 4) с параметром 0,5144 нм, уменьшающимся до 0,5127 нм при температуре ниже 10 К [45]. С добавлением легирующих примесей

параметр решетки также меняется. В частности, калибровочные кривые для случая допирования Оё можно найти в работе [46].

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла ЕиО.

1.3 Зонная структура ЕиО

Еи имеет электронную конфигурацию \Xe\4f5cP6s1 и проявляет две степени окисления +2 и +3. В соединении ЕиО связь Еи-О имеет в основном ионный характер, т.е. 6s2 электроны переходят на р-орбиталь атома кислорода. ЕиО является полупроводником. Существует несколько подходов к интерпретации зонной диаграммы материала. В первом из них считается, что валентная зона формируется р орбиталями О2-, в то время как зона проводимости состоит из свободных 6s и 5й орбиталей Еи2+. Энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в этом случае составляет 4,3 эВ (рис. 5). Вместе с тем, полузаполненные 4/7-орбитали также образуют зону, лежащую внутри этой энергетической щели. Однако, из-за того, что эти орбитали являются внутренними и имеют меньший радиус, их взаимодействие слабо, и образуемая ими зона оказывается узкой (рис. 5): согласно теоретическим расчетам, ее дисперсия составляет только ~0,3 эВ [47] (но несмотря на небольшую величину, ее удалось наблюдать и экспериментально с помощью метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением [48, 49]). В данном подходе эту зону рассматривают скорее как остовный уровень. Во втором варианте интерпретации, напротив, ее считают валентной зоной. Тогда ширина запрещенной зоны имеет

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аверьянов, Дмитрий Валерьевич, 2016 год

Список литературы

1. Spintronics [Text] / Bader S. D., Parkin S. S. P. // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. - 2010. - V. 1. - P. 71-88.

2. Nobel lecture: origin, development, and future of spintronics [Text] / Fert A. // Rev. Mod. Phys. - 2008. - V. 80. - P. 1517-1530.

3. Silicon spintronics [Text] / Jansen R. // Nature Mater. - 2012. - V. 11 - P. 400408.

4. Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor [Text] / Schmidt G., Ferrand D., Molenkamp L. W. // Phys. Rev. B. - 2000. - V. 62, 2. - P. R4790-R4793.

5. Spintronics: fundamentals and applications [Text] / Zutic I., Fabian J., Das Sarma S. // Rev. Mod. Phys. - 2004. - V. 76. - P. 323-410.

6. Electronic measurement and control of spin transport in silicon [Text] / Appelbaum I., Huang B., Monsma D. J. // Nature. - 2007. - V. 447. - P. 295-298.

7. Coherent spin transport through a 350 micron thick silicon wafer [Text] / Huang B., Monsma D.J., Appelbaum I. // Phys. Rev. Lett. - 2007. - V. 99. - 177209-1177209-2.

8. Thermodynamic stability of binary oxides in contact with silicon [Text] / Hubbard K. J., Schlom D. G. // J. Mater. Res. - 1996. - V. 11, 11. - P. 2757-2776.

9. Transport properties of the europium chalcogenides [Text] / von Molnar S. // IBM J. Res. Develop. - 1970. - V. 14. - P. 269-275.

10. Exchange splitting and charge carrier spin polarization in EuO [Text] / Steeneken P. G., Tjeng L. H., Elfimov I., Sawatzky G. A., Ghiringhelli G., Brookes N. B., Huang D. J. // Phys. Rev. Lett. - 2002. - V. 88, 4. - P. 047201-1047201-4.

11. Ferromagnetic interaction in EuO [Text] / Matthias B. T., Bozorth R. M., Van Vleck J. H. // Phys. Rev. Lett. - 1961. - V. 7, 5. - P. 160-161.

12. Growth of europous oxide (EuO) single crystals [Text] / Guerci C. F., Shafer M. W. // J. Appl. Phys. - 1966. - V. 37, 20. - P. 1406-1407.

13. Growth of EuO crystal by a solution sintering process [Text] / Fischer K. J., Köbler U., Stroka B., Bickman K., Wenzl H. // J. Crystal Growth. - 1993. - V. 128. - P. 946-851.

14. Growth of EuO, EuS and EuTe single crystals [Text] / Reed T. B., Fahey R. E. // J. Crystal Growth. - 1971. - V. 8. - P. 337-340.

15. Relationship of crystal growth parameters to the stoichiometry of EuO as determined by I.R. and conductivity measurements [Text] / Shafer M. W., Torrance J. B., Penny T. // J. Phys. Chem. Solids. - 1972. - V. 33. - P. 2251-2266.

16. Magnetic properties of Gd doped EuO single crystals [Text] / Mauger A., Escorne M., Gobart C., Desfours J., Achard J. // J. de Phys. - 1980. - V. 41. - P. 263-265.

17. Studies of Curie-point increases in EuO [Text] / Shafer M. W., McGuire T. R. // J. Appl. Phys. - 1968. - V. 39, 2. - P. 588-590.

18. Preparation and properties of EuO films [Text] / Ahn K. Y., Suits J. C. // IEEE Trans. Magn. - 1967. - V. MAG-3, 3. - P. 453-455.

19. Reduction of ferromagnetic exchange with lattice dilation in EuO [Text] / Lee K., Suits J. C. // J. Appl. Phys. - 1970. - V. 41, 3. - P. 954-956.

20. Transport properties of europium oxide thin films [Text] / Paparoditis C., Suryanarayanan R., Llinares C., Monteil E., Bordure G. // Solid State Commun. -1971. - V. 9. - P. 1871-1876.

21. Effect of high nonstoichiometry on EuO properties [Text] / Massenet O., Capiomont Y., Dang N. V. // J. Appl. Phys. - 1974. - V. 45, 8. - P. 3593-3599.

22. Magnetic and Magneto-optic properties of EuO films doped with trivalent rare-earth oxide [Text] / Ahn K. Y., McGuire T. R. // J. Appl. Phys. - 1968. - V. 39, 11. - P. 5061-5065.

23. Increase of Curie temperature in EuO films by Fe doping [Text] / Ahn K. Y. // Appl. Phys. Lett. - 1970. - V. 17, 8. - P. 347-349.

24. Preparation and structure of Fe-doped EuO films [Text] / Ahn K. Y., Tu K. N., Reuter W. // J. Appl. Phys. - 1971. - V. 42, 4. - P. 1769-1770.

25. Enhanced ferromagnetic exchange in EuO films doped with Eu and nonmagnetic ions [Text] / Lee K., Suits J. C. // Phys. Lett. - 1971. - V. 34A, 3. - P. 141-142.

26. Annealing study of EuO films doped with iron and europium [Text] / Suits J. C., Lee K., Winters H. F., Phips P. B. P., Kyser D. F. // J. Appl. Phys. - 1971. - V. 42, 4. - P. 1777-1778.

27. Epitaxial multilayers of ferromagnetic insulator with nonmagnetic metals and superconductors [Text] / Roesler G. M., Jr., Filipkowski M. E., Broussard P. R., Idzerda Y. U., Osofsky M. S., Soulen R. J., Jr. // Superconducting Superlattices and Multilayers. - 1994. - V. 2157. - P. 285-290.

28. Resistivity anomaly in nonmagnetic metals with ferromagnetic insulator proximity layers [Text] / Roesler G. M., Jr., Idzerda Y. U., Broussard P. R., Osofsky M. S. // J. Appl. Phys. - 1994. - V. 75, 10. - P. 6679-6681.

29. Magnetization-related transport anomalies in metal/ferromagnetic insulator heterostructures [Text] / Roesler G. M., Jr., Flipkowski M. E., Broussard P. R., Osofsky M. S., Idzerda Y. U. // J. Appl. Phys. - 1994. - V. 76, 10. - P. 6437-6439.

30. Preparation and magnetic properties of EuO/MgO multilayered films [Text] / Kawaguchi K., Sohma M., Oosawa Y. // J. Magn. Magn. Mater. - 1995. - V. 148. - P. 80-82.

31. Synthesis and magnetic properties of non-equilibrium Eu-rich EuO thin films [Text] / Konno T. J., Ogawa N., Wakoh K., Sumiyama K., Suzuki K. // Jpn. J. Appl. Phys. - 1996. - V. 35. - P. 6052-6056.

32. Preparation and magnetic properties of EuO thin films epitaxially grown on MgO and SrTiO3 substrates [Text] / Iwata N., Pindoria G., Morishita T., Kohn K. // J. Phys. Soc. Japan. - 2000. - V. 69, 1. - P. 230-236.

33. Preparation and characterization of EuO/BaO bilayer epitaxially grown on SrTiO3 substrate [Text] / Iwata N., Morishita T., Kohn K. // J. Phys. Soc. Japan. -2000. - V. 69, 6. - P. 1745-1750.

34. New light on EuO thin films: preparation, transport, magnetism, and spectroscopy of a ferromagnetic semiconductor [Text] : Ph. D. thesis / Steeneken P. G. - Groningen : University of Groningen, 2002. - 152 p.

35. Epitaxial and layer-by-layer growth of EuO thin films on yttria-stabilized cubic zirconia (001) using MBE distillation [Text] / Sutarto R., Altendorf S. G., Coloru B., Moretti Sala M., Haupricht T., Chang C. F., Hu Z., Schubler-Lengeheine C., Hollmann N., Kierspel H., Hsieh H. H., Lin H.-J., Chen C. T., Tjeng L. H. // Phys. Rev. B. - 2009. - V. 79. - P. 205318-1-205318-9.

36. Heteroepitaxy and ferromagnetism of EuO/MgO (001): a route towards combined soin- and symmetry-filter tunneling [Text] / Caspers C., Gloskovskij A., Drube W., Schneider C. M., Muller M. // Phys. Rev. B. - 2013. - V. 88. - P. 245302-1-245302-6.

37. Epitaxial EuO thin films on GaAs [Text] / Swartz A. G., Ciraldo J., Wong J. J. I., Li Y., Han W., Lin T., Mack S., Shi J., Awschalom D. D., Kawakami R. K. // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V. 97. - P. 112509-1-112509-3.

38. Magnetic oxide heterostructures: EuO on cubic oxides and on silicon [Text] : Ph. D. thesis / Caspers C. - Jülich : Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 2013. -175 p.

39. Adsorption-controlled growth of EuO by molecular-beam epitaxy [Text] / Ulbricht R. W., Schmehl A., Heeg T., Schubert J., Schlom D. G. // Appl. Phys. Lett. - 2008. - V. 93. - P. 102105-1-102105-3.

40. Epitaxy, stoichiometry, and magnetic properties of Gd-doped EuO films on YSZ (001) [Text] / Sutarto R., Altendorf S. G., Coloru B., Moretti Sala M., Haupricht T., Chang C. F., Hu Z., Schubler-Lengeheine C., Hollmann N., Kierspel H., Mydosh J. A., Hsieh H. H., Lin H.-J., Chen C. T., Tjeng L. H. // Phys. Rev. B. - 2009. - V. 80. - P. 085308-1-085308-7.

41. Is there an intrinsic limit to the charge-carrier-induced increase of the Curie temperature of EuO [Text] / Mairoser T., Schmehl A., Melville A., Heeg T., Canella L., Boni P., Zander W., Schubert J., Shai D. E., Monkman E. J., Shen K.

M., Schlom D. G., Mannhart J. // Phys. Rev. Lett. - 2010. - V. 105. - P. 2572061-257206-4.

42. Lutetium-doped EuO films grown by molecular-beam epitaxy [Text] / Melville A., Mairoser T., Schmehl A., Shai D. E., Monkman E. J., Harter J. W., Heeg T., Hollander B., Schubert J., Shen K. M., Mannhart J., Schlom D. G. // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 100. - P. 222101-1-222101-4.

43. Epitaxial integration of the highly spin-polarized ferromagnetic semiconductor EuO with silicon and GaN [Text] / Schmehl A., Vaithyanathan V., Hermberger A., Thiel S., Richter C., Liberati M., Heeg T., Rockerath M., Kourkoutis L. F., Muhlbauer S., Boni P., Muller D. A., Barash Y., Schubert J., Idzerda Y., Mannhart J., Schlom D. G. // Nat. Mater. - 2007. - V. 6. - P. 882-887.

44. La-doped EuO: a rare earth ferromagnetic semiconductor with the highest Curie temperature [Text] / Miyazaki H., Im H. J., Terashima K., Yagi S., Kato M., Soda K., Ito T., Kimura S. // Appl. Phys Lett. - 2010. - V. 96. - P. 232503-1232503-3.

45. Spontaneous magnetoelastic effects in some rare earth compounds [Text] / Levy F. // Physik kondens. Materie - 1969 - V. 10. - P. 71-84.

46. Physical properties of EuO versus electronic concentration [Text] / Godart C., Mauger A., Desfours J. P., Achard J. C. // J. Phys. Colloques. - 1980. - V. 41. - P. C5-205-C5-214.

47. Electronic structure and magneto-optical properties of magnetic semiconductors: europium monochalcohenides [Text] / Ghosh D. B., De M., De S. K. // Phys. Rev. B. - 2004. - V. 70. - P. 115211-1-115211-7.

48. Angle-resolved photoemission study on EuO thin films [Text] / Miyazaki H., Ito T., Ota S., Im H. J., Yagi S., Kato M., Soda K., Kimura S.-I. // Physica B. -2008. - V. 403. - P. 917-918.

49. Direct observation of momentum-dependent exchange interaction in a Heisenberg ferromagnet [Text] / Miyazaki H., Ito T., Im H. J., Yagi S., Kato M., Soda K., Kimura S. // Phys. Rev. Lett. - 2009. - V. 102. - P. 227203-1-227203-4.

50. Optical absorption of ferro- and antiferromagnetic europium chalcogenides [Text] / Busch G., Junod P., Wachter P. // Phys. Lett. - 1964. - V. 12, 1. - P. 1112.

51. Exchange optics in Gd-doped EuO [Text] / Schoenes J., Wachter P. // Phys. Rev. B. - 1974. - V. 9, 7. - P. 3097-3105.

52. Determining exchange splitting in a magnetic semiconductor by spin-filter tunneling [Text] / Santos T. S., Moodera J. S., Raman K. V., Negusse E., Holroyd J., Dvorak J., Liberati M., Idzerda Y. U., Arenholz E. // Phys. Rev. Lett. - 2008. -V. 101. - P. 147201-1-147201-4.

53. Conductivity studies in europium oxide [Text] / Oliver M. R., Dimmock J. O., McWhorter A. L., Reed T. B. // Phys. Rev. B. - 1972. - V. 5, 3. - P. 1078-1098.

54. EuO. I. Resistivity and Hall effect in fields up to 150 kOe [Text] / Shapira Y., Foner S. // Phys. Rev. B. - 1973. - V. 8, 5. - P. 2299-2315.

55. Ultrafast carrier and magnetization dynamics in EuO [Text] : Master thesis / Donker M. C. - Groningen : University of Groningen, 2006. - 101 p.

56. Физика твердого тела [Текст] : в 2 т. / Ашкрофт Н., Мермин Н. - М. : МИР, 1979. - 2 т.

57. The magnetic, optical, and transport properties of representatives of a class of magnetic semiconductors: the europium chalcogenides [Text] / Mauger A., Gobart C. // Phys. Rep. - 1986. - V. 141, 2 & 3. - P. 51-176.

58. Critical magnetic properties and exchange interaction in EuO [Text] / Menyuk N., Dwight K., Reed T. B. // Phys. Rev. B. - 1971. - V. 3, 5. - P. 1689-1698.

59. Faraday rotation near Curie point of EuO [Text] / Huang C.-C., Ho J. T. // Phys. Rev. B. - 1975. - V. 12, 11. - P. 5255-5260.

60. Введение в физику твердого тела [Текст] / Киттель Ч. - М. : Наука, 1978. - 791 с.

61. Exchange mechanisms in europium chalcogenides [Text] / Kasuya T. // IBM J. Res. Develop. - 1970. - V. 14. - P. 214-223.

62. Spin-wave analysis of specific heat and magnetization in EuO and EuS [Text] / Dietrich O. W., Henderson A. J., Meyer H. // Phys. Rev. B. - 1975. - V. 12, 7. - P. 2844-2855.

63. Neutron scattering from the Heisenberg ferromagnets EuO and EuS. I. The exchange interaction [Text] / Passell L., Dietrich O. W., Als-Nielsen J. // Phys. Rev. B. - 1976. - V. 14, 11. - P. 4897-4907.

64. Temperature dependence of the spin dynamics of EuO [Text] / Mook H. A. // Phys. Rev. Lett. - 1981. - V. 46, 7. - P. 508-511.

65. Exchange interaction in rare earth compounds [Text] / Kasuya T. // Journal of Alloys and Compounds. - 1993. - V. 192. - P. 11-16.

66. Soft x-ray magnetic circular dichroism study on Gd-doped EuO thin films [Text] / Ott H., Heise S. J., Sutarto R., Hu Z., Chang C. F., Hsieh H. H., Lin H.-J., Chen C. T., Tjeng L. H. // Phys. Rev. B. - 2006. - V. 73. - P. 094407-1-094407-4.

67. Enhanced ferromagnetic exchange in EuO films doped with Eu and nonmagnetic ions [Text] / Lee K., Suits J. C. // Phys. Lett. - 1971. - V. 34A, 3. - P. 141-142.

68. Magnetic and magneto-optical properties of Fe-doped EuO films [Text] / McGuire T. R., Petrich G. F., Olson B. L., Moruzzi V. L., Ahn R. Y. // J. Appl. Phys. - 1971. - V. 42, 4. - P. 1775-1777.

69. Oxygen off-stoichiometry and phase separation in EuO thin films [Text] / Altendorf S. G., Efimenko A., Oliana V., Kierspel H., Rata A. D., Tjeng L. H. // Phys. Rev. B. - 2011. - V. 84. - P. 155442-1-155442-9.

70. Preparation of Gd-doped EuO1-x thin films and the magnetic and magnetotransport properties [Text] / Matsumoto T., Yamaguchi K., Yuri M., Kawaguchi K., Koshizaki N., Yamada K. // J. Phys.: Condens. Matter. - 2004. - V. 16. - P. 6017-6028.

71. Effect of Gd doping and oxygen vacancies on the properties of EuO films prepared via pulsed laser deposition [Text] / Wang X., Liu P., Fox K. A., Tang J.,

Colon Santana J. A., Belashchenko K., Dowben P. A., Sui Yu. // IEEE Trans. Magn. - 2010. - V. 46, 6. - P. 1879-1882.

72. A magnetic polaron model for the enhanced Curie temperature of EuO1-x [Text] / Liu P., Tang J. // J. Phys.: Condens. Matter. - 2013. - V. 25, 125802. - P. 1-6.

73. Prediction of a surface state and a related surface unsulator-metal transition for the (100) surface of stoichiometric EuO [Text] / Schiller R., Nolting W. // Phys. Rev. Lett. - 2001. - V. 86, 17. - P. 3847-3850.

74. Thickness dependence of ferromagnetic- and metal-insulator transition on thin EuO films [Text] / Muller M., Miao G.-X., Moodera J. S. // J. Appl. Phys. - 2009.

- V. 105. - P. 07C917-1-07C917-3

75. Effect of film thickness and biaxial strain on the curie temperature of EuO [Text] / Melville A., Mairoser T., Schmehl A., Birol T., Heeg T., Hollander B., Schubert J., Fennie C. J., Schlom D. G. // Appl. Phys. Lett. - 2013. - V. 102. - P. 062404-1-062404-5.

76. Influence of epitaxial strain on ferromagnetic semiconductor EuO: first-principles calculations [Text] / Ingle N. J. C., Elfimov I. S. // Phys. Rev. B. - 2008.

- V. 77. - P. 121202-1-121202-4.

77. Thickness-dependent magnetic properties of oxygen-deficient EuO [Text] / Barbagallo M., Stollenwerk T., Kroha J., Steinke N.-J., Hine N. D. M., Cooper J. F. K., Barnes C. H. W., Ionescu A., Monteiro P. M. D. S., Kim J.-Y., Ziebeck K. R. A., Kinane C. J., Dalgliesh R. M., Charlton T. R., Langridge S. // Phys. Rev. B.

- 2011. - V. 84. - P. 075219-1-075219-5.

78. Oxygen off-stoichiometry and phase separation in EuO thin films [Text] / Altendorf S. G., Efimenko A., Oliana V., Kierspel H., Rata A.vD., Tjeng L. H. // Phys. Rev. B. - 2011. - V. 84. - P. 155442-1-155442-5.

79. Transport in Gd-doped EuO [Text] / von Molnar S., Shafer M. W. // J. Appl. Phys. - 1970. - V. 41, 3. - P. 1093-1094.

80. Exchange-induced autoionization in Eu-rich EuO [Text] / Petrich G., von Molnar S., Penney T. // Phys Rev. Lett. - 1971. - V. 26, 15. - P. 885-887.

81. EuO. II. Dependence of the insulator-metal transition on magnetic order [Text] / Shapira Y., Foner S., Aggarwal R. L. // Phys. Rev. B. - 1973. - V. 8, 5. - P. 2316-2326.

82. Crystalline oxides on silicon: the first five monolayers [Text] / McKee R. A., Walker F. J., Chisholm M. F. // Phys. Rev. Lett. - 1998. - V. 81, 14. - P. 30143017.

83. The interface phase and the Schottky barrier for a crystalline dielectric on silicon [Text] / McKee R. A., Walker F. J., Buongiorno Nardelli M., Shelton W. A., Stocks G. M. // Science. - 2003. - V. 300. - P. 1726-1729.

84. Role of strontium in oxide epitaxy on silicon (001) [Text] / Reiner J. W., Garrity K. F., Walker F. J., Ismail-Beigi S., Ahn C. H. // Phys. Rev. Lett. - 2008. -V. 101. - P. 105503-1-105503-4.

85. Observation of ordered structures of Sr on the Si(100) surface [Text] / Fan W. C., Wu N. J., Ignatiev A. // Phys. Rev. B. - 1990. - V. 42, 2. - P. 1254-1258.

86. Comparative study of Sr and Ba adsorption on Si(100) [Text] / Hu X., Yu Z., Curless J. A., Droopad R., Eisenbeiser K., Edwards Jr. J. L., Ooms W. J., Sarid D. // Appl. Surf. Sci. - 2001. - V. 181. - P. 103-110.

87. Sr/Si(100)(1x2) reconstruction as a template for the growth of crystalline high-k films on silicon: anomic structure and reactivity [Text] / Kuzmin M., Laukkanen P., Punkkinen M. P. J., Makela J., Yasir M., Dahl J., Tuominen M., Kokko K. // Surf. Sci. - 2016. - V. 646. - P. 140-145.

88. First-principles calculations of strontium on Si(001) [Text] / Ashman C. R., Först C. J., Schwarz K., Blöchl P. E. // Phys. Rev. B. - 2004. - V. 69. - P. 0753091-075309-13.

89. Phase diagram of Sr on Si (001): a first-principles study [Text] / Garrity K., Ismail-Beigi S. // Phys. Rev. B. - 2009. - V. 80. - P. 085306-1-085306-14.

90. Critical issue in the heteroepitaxial growth of alkaline-earth oxide on silicon [Text] / Lettieri J., Haeni J. H., Schlom D. G. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2002. -V. 20. - P. 1332-1340.

91. Changes of the crystal structure and the lattice parameter of SrO at high pressure [Text] / Liu L.-G., Bassett W. A. // J. Geophys. Res. - 1973. - V. 78, 35.

- P. 8470-8473.

92. Epitaxial growth and magnetic properties of EuO on (001) Si by molecular-beam epitaxy [Text] / Lettieri J., Vaithyanathan V., Eah S. K., Stephens J., Sih V., Awschalom D. D., Levy J., Schlom D. G. // Appl. Phys. Lett. - 2003. - V. 83, 5. -P. 975-977.

93. Hetero-epitaxial EuO interfaces studied by analytic electron microscopy [Text] / Mundy J. A., Hodash D., Melville A., Held R., Mairoser T., Muller D. A., Kourkoutis L. F., Schmehl A., Schlom D. G. // Appl. Phys. Lett. - 2014. - V. 104.

- P. 091601-1-091601-5.

94. Chemical stability of the magnetic oxide EuO directly on silicon observed by x-ray photoemission spectroscopy [Text] / Caspers C., Muller M., Gray A. X., Kaiser A. M., Gloskovskii A., Fadley C. S., Drube W., Schneider C. M. // Phys. Rev. B. - 2011. - V. 84. - P. 205217-1-205217-7.

95. Electronic structure of EuO spin filter tunnel contacts directly on silicon [Text] / Caspers C., Muller M., Gray A. X., Kaiser A. M., Gloskovskii A., Fadley C. S., Drube W., Schneider C. M. // Phys. Status Solidi RRL. - 2011. - V. 5. - P. 441443.

96. Ultrathin magnetic oxide EuO films on Si(100) using SiOx passivation -controlled by hard x-ray photoemission spectroscopy [Text] / Caspers C., Flade S., Gorgoi M., Gloskovskii A., Drube W., Schneider C. M., Muller M. // J. Appl. Phys. - 2013. - V. 113. - P. 17C505-1-17C505-3.

97. Interface engineering to create a strong spin filter contact to silicon [Text] / Caspers C., Gloskovskii A., Gorgoi M., Besson C., Luysberg M., Ruschanskii K. Z., Lezaic M., Fadley C. S., Drube W., Muller M. // Sci. Rep. - 2016. - V. 6, 22912. - P. 1-11.

98. Interaction of Ga and As2 molecular beams with GaAs surfaces [Text] / Arthur J. R. // J. Appl. Phys. - 1968. - V. 39. - P. 4032-4034.

99. Transmission electron microscopy. A Texbook for Materials Science [Text] / Williams D. B., Carter C. B. - New York [etc.] : Plenum Press, 1996. - 729 p.

100. Просвечивающая электронная микроскопия [Текст] / Томас Г., Гориндж М. - М. : Наука, 1983. - 320 с.

101. First application of Cc-corrected imaging for high-resolution and energy-filtered TEM [Text] / Kabius B., Härtel P., Haider M., Müller H., Uhlemann S., Loebau U., Zach J., Rose H. // J. Electr. Microsc. - 2009. - V. 58, 3. - P. 147-155.

102. Simulating high-angle annular dark-field STEM images including inelastic thermal diffuse scattering [Text] / Wang Z. L., Cowley J. M. // Ultramicroscopy. -1989. - V. 31. - P. 437-454.

103. Thin film analysis by x-ray scattering [Text] / Birkholz M. - Weinheim : Wiley-VCH, 2006. - xxii, 356 p.

104. Nontrivial role of the resolution function in the formation of double-crystal x-ray rocking curves [Text] / Chuev M. A., Pashaev E. M., Kvardakov V. V., Subbotin I. A. // Cryst. Rep. - 2008. - V. 53, 5. - P. 734-741.

105. Photoelectron spectroscopy [Text] / Hüfner S. - Berlin [etc.] : SpringerVerlag, 1995. - xii, 515 p.

106. Soft-x-ray ARPES facility at the ADRESS beamline of the SLS: concepts, technical realization and scientific applications [Text] / Strocov V. N., Wang X., Shi M., Kobayashi M., Krempasky J., Hess C., Schmitt T., Patthey L. // J. Synchrotron Rad. - 2014. - V. 21. - P. 32-44.

107. High-resolution soft x-ray beamline ADRESS at the Swiss Light Source for resonant inelastic x-ray scattering and angle-resolved photoelectron spectroscopies [Text] / Strocov V. N., Schmitt T., Flechsig U., Schmidt T., Imhof A., Chen Q., Raabe J., Betemps R., Zimoch D., Krempasky J., Wang X., Grioni M., Piazzalunga A., Patthey L. // J. Synchrotron Rad. - 2010. - V. 17. - P. 631-643.

108. Применение методов резерфордовского обратного рассеяния ионов и ионно-индуцированного рентгеновского излучения для анализа элементного состава и структурного совершенства твердых тел [Текст] : учеб.-метод.

пособие / Горшков О. Н., Михайлов А. Н., Васильев В. К. - Н. Новгород : Изд-во ННГУ, 2007. - 59 с.

109. Выращивание гетероэпитаксиальных структур EuO/Si и EuO/SrO/Si методом молекулярно-пучковой эпитаксии [Текст] / Тетерин П. Е., Аверьянов Д. В., Садофьев Ю. Г., Парфенов О. Е., Лихачев И. А., Сторчак В. Г. // Физика и техника полупроводников. - 2015. - Т. 49, 1. - С. 134-137.

110. Пат. №2014137012 РФ. Способ изготовления защитного диэлектрического слоя [Текст] / Аверьянов Д.В., Садофьев Ю.Г., Сторчак В.Г., Тетерин П.Е. -Дата приоритета от 12.09.2014 г.

111. Atomic-scale engineering of abrupt interface for direct spin contact of ferromagnetic semiconductor with silicon [Text] / Averyanov D. V., Karateeva C. G., Karateev I. A., Tokmachev A. M., Vasiliev A. L., Zolotarev S. I., Likhachev I. A., Storchak V. G. // Scientific reports. - 2016. - V. 6. - 22841-1-22841-9.

112. Atomic geometry and electronic structure of the Si(100)2*3-Eu surface phase [Text] / Kuzmin M., Perälä R. E., Laukkanen P., Väyrynen I. J. // Phys. Rev. B. -2005. - V. 72. - P. 085343-1-085343-9.

113. Growth conditions, stoichiometry, and electronic structure of lattice-matched SrO/BaO mixture on Si(100) [Text] / Zachariae J., Pfnür H. // Phys. Rev. B. -2005. - V. 72. - P. 075410-1-075410-10.

114. Stability and structure of rare-earth metal and Ba-induced reconstructions on a Si(100) surface [Text] / Punkkinen M. P. J., Kuzmin M., Laukkanen P., Perälä R. E., Ahola-Tuomi M., Läng J., Ropo M., Pessa M., Väyrynen I. J., Kokko K., Johansson B., Vitos L. // Phys. Rev. B. - 2009. - V. 80. - P. 235307-1-235307-9.

115. Reflection high-energy electron diffraction intensity oscillation during layer-by-layer oxidation of Si(001) surface [Text] / Watanabe H., Baba T. // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 74, 22. - P. 3284-3286.

116. Real-time monitoring of oxidation on the Ti(0001) surface by synchrotron radiation photoelectron spectroscopy and RHEED-AES [Text] / Takakuwa Y.,

Ishidzuka S., Yoshigoe A., Teraoka Y., Yamauchi Y., Mizuno Y., Tonda H., Homma T. // Appl. Surf. Sci. - 2003. - V. 216. - P. 395-401.

117. The interface between silicon and a high-k oxide [Text] / Forst C. J., Ashman C. R., Schwarz K., Blochl P. E. // Nature. - 2004. - V. 427. - P. 53-56.

118. Atomic structure of the epitaxial Ba0/Si(001) interface [Text] / Segal Y., Reiner J. W., Kolpak A. M., Zhang Z., Ismail-Beigi S., Ahn C. H., Walker F. J. // Phys. Rev. Lett. - 2009. - V. 102. - P. 116101-1-116101-4.

119. Atomic structure and thermally induced transformation of the crystalline Ba0/Si(001) junction [Text] / Kuzmin M., Laukkanen P., Punkkinen M. P. J., Yasir M., Tuominen M., Dahl J., Läng J. J. K., Mäkelä J., Kokko K. // Phys. Rev. B. - 2014. - V. 90. - P. 235405-1-235405-7.

120. Direct epitaxial integration of the ferromagnetic semiconductor Eu0 with silicon for spintronic applications [Text] / Averyanov D. V., Sadofyev Yu. G., Tokmachev A. M., Primenko A. E., Likhachev I. A., Storchak V. G. // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2015. - V. 7. - P. 6146-6152.

121. Magnetic ordering in Eu304 and EuGd204 [Text] / Holmes L., Schieber M. // J. Appl. Phys. - 1966. - V. 37, 3. - P. 968-969.

122. Magnetism of rare-earth disilicides [Text] / Labroo S., Ali N. // J. Appl. Phys. - 1990. - V. 67, 9. - P. 4811-4813.

123. Epitaxial growth of magnetic semiconductor EuO on silicon by molecular beam epitaxy [Text] / Averyanov D. V., Teterin P. E., Sadofyev Yu. G., Likhachev I. A., Primenko A. E., Tokmachev A. M., Storchak V. G. // Crystal Research & Technology. - 2015. - V. 50, 3. - P. 268-275.

124. Пат. №2014121314 РФ. Способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия на кремнии [Текст] / Аверьянов Д.В., Садофьев Ю.Г., Сторчак В.Г., Тетерин П. Е. - Дата приоритета от 27.05.2014 г.

125. Anomalous Hall effect in the prospective spintronic material Eu1-xGdx0 integrated with Si [Text] / Parfenov 0. E., Averyanov D. V., Tokmachev A. M.,

Taldenkov A. N., Storchak V. G. // J. Phys.: Condens. Matter. - 2016. - V. 28. - P. 226001-1-226001-6.

126. Structural coupling across the direct EuO/Si interface [Text] / Averyanov D. V., Tokmachev A. M., Likhachev I. A., Lobanovich E. F., Parfenov O. E., Pashaev E. M., Sadofyev Yu. G., Subbotin I. A., Yakunin S. N., Storchak V. G. // Nanotechnology. - 2016. - V. 27. - P. 045703-1-045703-7.

127. Dynamical scattering of x-rays in crystals [Text] / Pinsker Z. G. - Berlin [etc.] : Springer-Verlag , 1978. - xii, 514 p.

128. Principles of optics [Text] / Born M., Wolf E. - Cambridge : Cambridge University Press, 1999. - 985 p.

129. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография [Текст] / Боуэн Д. К., Таннер Б. К. - СПб : Наука, 2002. - 274 с.

130. Combined EUV reflectance and X-ray reflectivity data analysis of periodic multilayer structures [Text] / Yakunin S. N., Makhotkin I. A., Nikolaev K. V., van der Kruijs R. W. E., Chuev M. A., Bijkerk F. // Optics express. - 2014. - V. 22, 17. - P. 20076-20086.

131. Fitting with differential evolution: an introduction and evaluation [Text] / Björck M. // Journal of Applied Crystallography. - 2011. - V. 44, 6. - P. 11981204.

132. Unusual strain relaxation in SiGe/Si heterostructures [Text] / Lyakas M., Parnis D., Kaplan W. D., Zolotoyabko E., Eizenberg M., Demuth V., Strunk H. P. // Appl. Phys. Lett. - 1997. - V. 70, 10. - P. 1287-1289.

133. On the structural features of cadmium-mercury telluride heterocompositions grown by molecular-beam epitaxy [Text] / Yakunin S. N., Dremova N. N. // JEPT Lett. - 2008. - V. 87, 9. - P. 494-497.

134. Exploring the XPS limit in soft and hard x-ray angle-resolved photoemission using a temperature-dependent one-step theory [Text] / Braun J., Minar J., Mankovsky S., Strocov V. N., Brookes N. B., Plucinski L., Schneider C. M., Fadley C. S., Ebert H. // Phys. Rev. B. - 2013. - V. 88. - P. 205409-1-205409-8.

135. SiO2 film thickness metrology by x-ray photoelectron spectroscopy [Text] / Lu Z. H., McCaffrey J. P., Brar B., Wilk G. D., Wallace R. M., Feldman L. C., Tay S. P. // Appl. Phys. Lett. - 1997. - V. 71, 19. - P. 2764-2766.

136. Temperature-dependent Eu 3d-4f x-ray absorption and resonant photoemission study of the valence transition in EuNi2(Si0,2Ge0,8)2 [Text] / Yamamoto K., Horiba K., Taguchi M., Matsunami M., Kamakura N., Chainani A., Takata Y., Mimura K., Shiga M., Wada H., Senba Y., Ohashi H., Shin S. // Phys. Rev. B. - 2005. - V. 72. - P. 161101(R)-1-161101(R)-4.

137. Angle-resolved resonant photoemission as a probe of spatial localization and character of electron state [Text] / Molodtsov S. L., Richter M., Danzenbächer S., Weiling S., Steinbeck L., Laubschat C. // Phys. Rev. Lett. - 1997. - V. 78, 1. - P. 142-145.

138. Unveiling the impurity band induced ferromagnetism in the magnetic semiconductor (Ga,Mn)As [Text] / Kobayashi M., Muneta I., Takeda Y., Harada Y., Fujimori A., Krempasky J., Schmitt T., Ohya S., Tanaka M., Oshima M., Strocov V. N. // Phys. Rev. B. - 2014. - V. 89. - P. 205204-1-205204-8.

139. Limits on fundamental limits to computation [Text] / Markov I. L. // Nature. -2014. - V. 512. - P. 147-154.

140. Insulator-metal transition and long-range magnetic order in EuO [Text] / Peney T., Shafer M. W., Torrance J. B. // Phys. Rev. B. - 1972. - V. 5, 9. - P. 3669-3674.

141. Hall e.m.f. and intensity magnetization [Text] / Pugh E. M., Lippert T. W. // Phys. Rev. - 1932 - V. 42. - P. 709-713.

142. Topological Hall effect in thin films of the Heisenberg ferromagnet EuO [Text] / Ohuchi Y., Kozuka Y., Uchida M., Ueno K., Tsukazaki A., Kawasaki M. // Phys. Rev. B. - 2015. - V. 91. - P. 245115-1-245115-5.

143. Anomalous Hall effect [Text] / Nagaosa N. // Rev. Mod. Phys. - 2010. - V. 82. - P. 1539-1592.

144. Observation of anomalous Hall effect in EuO epitaxial thin films grown by a pulse laser deposition [Text] / Yamasaki T., Ueno K., Tsukazaki A., Fukumura T., Kawasaki M. // Appl. Phys. Lett. - 2011. - V. 98. - P. 082116-1-082116-3.

145. Observation of anomalous Hall effect in thin film EuS [Text] / Guilaran I. J., Read D. E., Kallaher R. L., Xiong P., von Molnar S. // Phys. Rev. B. - 2003. - V. 68. - P. 144424-1-144424-6.

146. Quantum transport theory of anomalous electric, thermoelectric, and thermal Hall effects in ferromagnets [Text] / Onoda S., Sugimoto N., Nagaosa N. // Phys. Rev. B. - 2008. - V. 77. - P. 165103-1-165103-20.

Благодарности

Данная диссертация была выполнена с участием коллег по научной работе. Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность:

• Моему научному руководителю Сторчаку В. Г. за возможность работать в лаборатории, идеально созданные условия для проведения исследований, полезные обсуждения, конструктивную критику, общую помощь и поддержку;

• Садофьеву Ю. Г., Тетерину П. Е., научившим меня основам метода молекулярно-лучевой эпитаксии роста гетероструктур;

• Токмачеву А. М. за помощь в подготовке публикаций, продуктивные дискуссии, полезные замечания;

• Парфенову О. Е. за помощь в проведении гальваномагнитных измерений, разъяснение непонятных моментов;

• Каратееву И. А., Каратеевой К. Г., Васильеву А. Л. за помощь в исследованиях методом электронной микроскопии;

• Талденкову А. Н., Применко А. Э. за помощь в проведении магнитных измерений, приятную рабочую атмосферу;

• Лихачеву И. А., Кондратьеву О. А., Якунину С. Н., Субботину И. А., Тихомирову С. А. за помощь в исследованиях рентгеноструктурными методами;

• Льву Л. Л. за помощь в проведении и обработке измерений методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением;

• Золотареву С. И. за помощь в программировании;

• Лобановичу Э. Ф. за постоянный интерес к работе и ее поддержку;

• Зенкевичу А. В. за поддержку на первых шагах моей научной деятельности. Отдельно хочу поблагодарить моих родителей: Аверьянова В. И. и Аверьянову Н. Е. за заботу и понимание.