Особенности магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе Si, InAs, GaN и ZnO тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Семисалова, Анна Сергеевна

• Семисалова, Анна Сергеевна
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Семисалова, Анна Сергеевна

Введение.

Глава 1 Разбавленные магнитные полупроводники - свойства, методы получения и исследования.

1.1 Разбавленные магнитные полупроводники - материалы спинтроники.

1.1.1 История открытия.

1.2 Теоретические модели для описания свойств разбавленных магнитных полупроводников.

1.2.1 Модель Зинера.

1.2.2 Модель связанных магнитных поляронов.

1.2.3 Модель примесной донорной зоны.

1.2.4 (1° магнетизм.

1.2.5 Роль беспорядка и формирования кластеров.

1.3 Типы материалов.

1.3.11пМпАв.

1.3.2 ОаЫ.

1.3.3 Сплавы БМп.

1.3.4 2пО:Со.

1.4 Методы получения.

1.4.1 Химическое осаэвдение из газовой фазы.

Глава 2 Описание экспериментальных методик и исследуемых образцов.

2.1 Вибрационная магнитометрия.

2.1.1 Вибрационный магнитометр Lake Shore.

2.1.2 Методика обработки результатов.

2.2 Исследуемые образцы.

2.2.1 InMnAs.

2.2.2 SiMn — ионная имплантация.

2.2.3 SiMn — импульсное лазерное осаждение.

2.2.4 GaN:Cr.

2.2.5 ZnO:Co, ZnO.

Глава 3 Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.1 InMnAs.

3.2 SiMn - ионная имплантация.

3.3 SiMn - Импульсное лазерное осаждение.

3.4 ZnO, ZnO:Co - MOCVD.

3.4.1 Исследование образцов ZnO:Co.

3.4.2 Образцы без допирования.

3.5 GaN - ионная имплантация.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе Si, InAs, GaN и ZnO»

В материалах, обладающих магнитным упорядочением, наблюдается неравновесная плотность спиновых состояний - среди носителей зарядов преобладает выделенное направление спина, спиновая поляризация. В основе спинтроники лежит идея использования спиновой поляризации для реализации новых устройств и приборов, использующих создание неравновесной спиновой плотности в материале, управление ориентацией спинов и спин-поляризованными токами внешними полями и детектирование образующегося спинового состояния.

Использование спина наряду с зарядом для реализации спинтронных устройств дает ряд преимуществ по сравнению с современной микроэлектроникой. Для переворота электронного спина магнитным полем требуется значительно меньше энергии, и происходит он быстрее перемещений электронных зарядов под действием электрического поля. Поэтому можно рассчитывать, что управление спиновыми состояниями позволит создавать в будущем сверхмалые логические элементы и компьютерные компоненты большой информационной емкости с огромным быстродействием и малым энергопотреблением [1]. Кроме того, спинтроника открывает возможности для реализации принципиально новых функциональных устройств - оптических и квантовых компьютеров.

В настоящее время ферромагнитные полупроводники рассматриваются в качестве материалов для инжекторов спин-поляризованных носителей заряда в устройствах полупроводниковой спиновой электроники, а также для разработки нового поколения элементов магнитной памяти [2]. Наиболее перспективными классами ферромагнитных полупроводников для этой цели являются широкозонные соединения АщВу и полупроводниковые оксиды, допрованные переходными металлами. Преимущества соединений АщВу заключаются в их лучшей совместимости со стандартными полупроводниковыми технологиями. Кроме того, безусловно, интерес представляет ферромагнитный полупроводниковый материал на основе кремния.

Важной особенностью в разбавленных магнитных полупроводниках является возможность контролировать магнитный порядок через концентрацию носителей, которая легко меняется напряжением на затворе [3], и возможность перемагничивать слои посредством спин-поляризованных токов с много меньшей плотностью, по сравнению с традиционными ферромагнитными металлами [4].

Актуальность представленной работы определяется важностью вопросов, касающихся природы и причин возникновения ферромагнетизма при комнатной температуре в полупроводниковых материалах (полупроводниках группы АщВу, IV а также оксидах). Вследствие своей уникальности данные материалы представляют собой чрезвычайный интерес как для фундаментальной науки, так и для прикладной - на их основе возможно создание нового поколения устройств спинтроники, использующих спиновую степень свободы наряду с зарядовой. Сочетание ферромагнитного состояния при температурах, превышающих комнатную, и полупроводниковых свойств, таких как чувствительность к допированию и внешним электрическим полям в этих материалах является увлекательной и одновременно весьма сложной задачей, решение которой, кроме того, ограничено необходимостью превосходной совместимости подобных материалов с существующими технологиями полупроводниковой электроники. В настоящее время ведется активный поиск материалов, удовлетворяющих этим требованиям, и анализируются факторы, являющимися ключевыми в формировании магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников.

Цели исследования

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на основе кремния, арсенида индия, оксида цинка и нитрида галлия, допированных различными элементами

Задачи исследования

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

Разработка методики исследования магнитных свойств тонких пленок разбавленных магнитных полупроводников с помощью вибрационного магнитометра. Проведение комплексного исследования магнитных свойств при различных температурах образцов РМП на основе 81, 1пАв, ОаИ и ZnO, полученных как физическими, так и химическими методами.

Анализ результатов исследования магнитных свойств с помощью вибрационной магнитометрии, их сопоставление с результатами исследований транспортных, магнитооптических и структурных свойств материалов в рамках существующих теоретических моделей, описывающих ферромагнетизм при комнатной температуре в разбавленных полупроводниковых материалах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Ферромагнетизм при комнатной температуре в пленках 1пМпАб с содержанием марганца от 13 до 26%, полученных методом импульсного лазерного осаждения, обусловлен фазовой неоднородностью материала, а именно, формированием кластеров полуметаллического ферромагнитного арсенида марганца МпАэ.

2. Причиной ферромагнетизма при комнатной температуре, наблюдаемого в кремнии, имплантированном ионами марганца (доза имплантации

1 (\ 9

0.1-5-10 см" ), являются структурные дефекты, возникающие в процессе имплантации и обуславливающие наличие оборванных связей в структуре материала и связанных с ними неспаренных электронов.

3. Ферромагнетизм в пленках Б^.хМпх с концентрацией х = 0.35 -0.55, полученных методом импульсного лазерного осаждения, наблюдаемый вплоть до 380 К, связан с особенностями формирования дефектов с локализованным магнитным моментом и возникающим обменом между этими дефектами, усиленном спиновыми флуктуациями матрицы.

4. Определяющую роль в возникновении ферромагнетизма в недопированных пленках ХпО, а также 7пО:Со, осажденных с использованием пирогидролитического процесса МОС\Т) (с использованием водяного пара в качестве реагента), играют морфология и структурные наноразмерные особенности поверхности пленок, зависящие, в первую очередь, от условий процесса осаждения. Наличие ионов кобальта в допированных пленках 2пО:Со, полученных этим же способом, лишь способствует установлению ферромагнитного состояния, не являясь при этом решающим фактором, определяющим магнитные свойства пленок. Наибольшая величина намагниченности наблюдается в недопированных пленках ZnO (т.н. d° - магнетизм), обладающих высокоразвитой наноструктурированной поверхностью.

5. Использование ионной имплантации позволяет получить собственный ферромагнетизм в GaN:Cr с температурой Кюри более 400 К, коэрцитивной силой ~ 100 Э и намагниченностью ~25Гс при комнатной температуре, что дает основания рассматривать указанный материал в качестве одного из наиболее перспективных на данный момент кандидатов для использования в спиновой электронике.

Научная новизна

Проведенные исследования расширяют существующие представления о разбавленных магнитных полупроводниках различных типов - группы АщВу (InAs, GaN), IV группы (Si), а также оксидных полупроводников (ZnO) - при допировании их примесями переходных металлов.

Достоверность результатов

Результаты, представленные в диссертации, получены на основе экспериментов, проведенных на современном научном оборудовании, с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась комплексом взаимодополняющих экспериментальных методик и подтверждается воспроизводимостью получаемых результатов.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на специализированных российских и международных конференциях.

Практическая значимость

В ходе выполнения работы было показано, что исследованные материалы могут быть использованы для создания устройств спинтроники, например, спиновых свето-излучающих диодов (эрт-ЬЕО) или в качестве спиновых инжекторов в полупроводниковых гетероструктурах.

Методами вибрационной магнитометрии была проведена аттестация магнитных свойств серий образцов на основе ГпАб, ОаИ и ZnO. В работе было продемонстрировано, что вибрационная магнитометрия представляет собой мощный и эффективный способ исследования полупроводниковых материалов для применения в спинтронике (создание устройств, в основе работы которых лежит наличие спиновой поляризации носителей зарядов). В работе отмечается особенная эффективность использования для вышеуказанной цели пары дополняющих друг друга методик - вибрационной магнитометрии и исследования магнитотранспортных свойств (в частности, аномального эффекта Холла).

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на российских и международных конференциях в виде устных и стендовых докладов (тезисы и труды опубликованы в соответствующих сборниках): международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2008, 2010, 2011); Московских международных симпозиумах по магнетизму MISM (Москва, 2008, 2011); международной школе-семинаре «Новое в магнетизме и магнитных материалах» HMMM-XXI (Москва, 2009); международной конференции по магнетизму «International Conference on Magnetism» ICM-2009 (Карлсруэ, Германия, 2009); международном симпозиуме «IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" EASTMAG-2010» (Екатеринбург, 2010); Конкурсе-конференции молодых физиков России, проводимом Московским Физическим Обществом (Москва, 2011); 45-й Школе ПИЯФ РАН по Физике Конденсированного Состояния (Гатчина, Россия, 2011); научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов и их защита в едином экономическом пространстве» («Инновационный проект 2011») (Москва, 2011); XIX Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Новоуральск, 2012); XVI международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2012).

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 23 печатных работах, в том числе, в 5 реферируемых российских и зарубежных журналах, принадлежащих перечню ВАК, а также в 18 трудах и тезисах докладов, представленных на всероссийских и международных конференциях. Кроме того, две печатные работы приняты к публикации в российском и зарубежном журналах, принадлежащих перечню ВАК.

Личный вклад автора

Данная работа выполнялась в рамках нескольких совместных исследовательских проектов, направленных на получение и изучение ферромагнитных при комнатной температуре полупроводниковых материалов, интересных с точки зрения создания устройств спинтроники, и осуществлялась большим коллективом, состоящим из нескольких исследовательских групп -Нижегородский Государственный Университет им. Н.И. Лобачевского, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет», Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН, Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова и Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова. Личный вклад автора состоит в проведении комплексного исследования магнитных свойств методами вибрационной магнитометрии, обработке, сопоставлении и анализе результатов измерений в рамках существующих теоретических моделей, совместном обсуждении результатов и подготовке публикаций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания исследовавшихся образцов, экспериментальных методик и методов обработки результатов измерений, экспериментальной части и главы с изложенными результатами, их обсуждением, заключения и выводами, а также списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 130 страниц, включая 48 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 160 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Семисалова, Анна Сергеевна

Основные результаты и выводы

Проведено комплексное исследование магнитных свойств тонких пленок разбавленных полупроводниковых материалов на основе 1пАз, ZnO и ваИ с помощью вибрационной магнитометрии в магнитном поле до 16 кЭ при температурах 80 - 400 К.

Ферромагнетизм при комнатной температуре в пленках ЬтМпАэ с содержанием марганца от 13 до 26%, полученных методом импульсного лазерного осаждения, обусловлен фазовой неоднородностью материала, а именно, формированием кластеров полуметаллического ферромагнитного арсенида марганца МпАв.

Причиной ферромагнетизма при комнатной температуре, наблюдаемого в кремнии, имплантированном ионами марганца (доза имплантации 0.1

1 с

5-10 см"), являются структурные дефекты, возникающие в процессе имплантации и обуславливающие наличие оборванных связей в структуре материала и связанных с ними неспаренных электронов.

Ферромагнетизм в пленках с концентрацией х = 0.35 - 0.55, полученных методом импульсного лазерного осаждения, наблюдаемый вплоть до 380 К, связан с особенностями формирования дефектов с локализованным магнитным моментом и возникающим обменом между этими дефектами, усиленном спиновыми флуктуациями матрицы.

Определяющую роль в возникновении ферромагнетизма в недопированных пленках ЪьО, а также 2пО:Со, осажденных с использованием пирогидролитического процесса МОСУБ (с использованием водяного пара в качестве реагента), играют морфология и структурные наноразмерные особенности поверхности пленок, зависящие, в первую очередь, от условий процесса осаждения. Наличие ионов кобальта в допированных пленках 2пО:Со, полученных этим же способом, лишь способствует установлению ферромагнитного состояния, не являясь при этом решающим фактором, определяющим магнитные свойства пленок. Наибольшая величина намагниченности наблюдается в недопированных пленках 7пО (т.н. й/° - магнетизм), обладающих высокоразвитой наноструктурированной поверхностью.

Использование ионной имплантации позволяет получить собственный ферромагнетизм в ОаК:Сг с температурой Кюри более 400 К, коэрцитивной силой ~100Э и намагниченностью ~25Гс при комнатной температуре, что дает основания рассматривать указанный материал в качестве одного из наиболее перспективных на данный момент кандидатов для использования в спиновой электронике.

Список публикаций по результатам, представленным в диссертации

1. Yu. Danilov, Yu. Drozdov, A. Kudrin, O. Vikhorova, B. Zvonkov, M. Sapozhnikov,

L. Fetisov, A. Semisalova and N. Perov. Room-temperature ferromagnetic behaviour of InMnAs films grown by laser ablation technique// Journal of Physics: Conference Series 200, 6 (2010) art. 062025 (4 pages).

2. А.Ф. Орлов, И.В. Кулеманов, Ю.Н. Пархоменко, Н.С. Перов, А.С. Семисалова. Разработка ферромагнитных полупроводников для применения в спиновой электронике: состояние и перспективы// Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники 3 (2011) стр. 4-12.

3. В.A. Aronzon, V.V. Rylkov, S.N. Nikolaev, V.V. Tugushev, S. Caprara, V.V. Podolskii, V.P. Lesnikov, A. Lashkul, R. Laiho, R.R. Gareev, N.S. Perov and A.S. Semisalova. Room-temperature ferromagnetism and anomalous Hall effect in Si!.xMnx (x *0,35) alloys// Physical Review В 84, 7 (2011) art. 075209 (10 pages).

4. A.C. Семисалова, Н.С. Перов, E.A. Ганыпина, А.Д. Рубачева, А.Ф. Орлов,

A.В. Марков, И.В. Кулеманов, Ю.А. Агафонов, В.И. Зиненко,

B.В. Сарайкин. Ферромагнитный GaN.Cr - материал полупроводниковой спинтроники//