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 МОСТ) (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 группНижегородский 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.

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. 62 025 (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. 75 209 (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//.