Оглавление
Список сокращений..............................................................5
Введение.......................................................................7
1 Магнитно-резонансные и магнитооптические методы исследования магнитных структур. Магнитно-резонансные и магнитооптические свойства бинарных сплавов кремния и германия с Зб-элементами группы железа и сплавов Гейслсра (обзор литературы).......................................................................13
1.1 Введение.............................................................13
1.2 Ферромагнитный резонанс..............................................13
1.2.1 Общие сведения о явлении ферромагнитного резонанса..............13
1.2.2 Ферромагнитный резонанс в многослойных структурах с непрерывными слоями..................................................................15
1.2.3 Ферромагнитный резонанс в многослойных структурах с прерывистыми слоями..................................................................18
1.3 Магнитооптический эффект Керра.......................................20
1.4 Бинарные сплавы......................................................21
1.4.1 Магнитный резонанс в бинарных сплавах...........................21
1.4.2 Магнитооптический эффект Керра в бинарных сплавах...............23
1.5 Сплавы Гейслера......................................................26
1.5.1 Магнитный резонанс в сплавах Гейслсра...........................28
1.5.2 Магнитооптический эффект Керра в сплавах Гейслера...............32
1.6 Заключение. Постановка задачи........................................35
2 Методика получепия и исследования свойств магнитных структур.............36
2.1 Методика получения магнитных структур................................36
2.1.1 Метод импульсного лазерного осаждения в вакууме.................36
2.1.2 Метод магнеіронного распыления..................................42
2.2 Методика исследования свойств магнитных структур.....................43
2.2.1 Магнитно-рсзонансныс измерения..................................43
2.2.2 Магнитооптические измерения.....................................46
2.2.3 Магнитотранспортные измерения.................................47
2.2.4 Транспортные измерения........................................49
2.2.5 Другие методы исследования.................................. 49
3 Свойства наноразмерных слоев сплавов кремния и германия с ЗсГметаллами и сплавов Гейслера, полученных осаждением из лазерной плазмы и магнетронным распылением....................................................................51
3.1 Введение..........................................................51
3.2 Наноразмерныс слои РМП Сс:(Мп, А1), полученные осаждением из лазерной плазмы при пониженной температуре.........................................52
3.2.1 Ферромагнитный резонанс.......................................53
3.2.2 Магнитотранспортные свойства..................................56
3.2.3 ЛСМ и МСМ поперечного скола...................................58
3.2.4 Сопоставление результатов измерений...........................58
3.3 Наноразмерные слои сплава Со81, полученные осаждением из лазерной плазмы....................................................................59
3.3.1 Магнитотранспортные свойства..................................60
3.3.2 Ферромагнитный резонанс.......................................62
3.3.3 Магнитооптический эффект Керра................................63
3.3.4 АСМиМСМ.......................................................64
3.3.5 Сопоставление результатов измерений...........................64
3.4 Наноразмерныс слои сплава Гейслера СогМпБГ полученные осаждением из лазерной плазмы и магнетронным распылением................................65
3.4.1 Рентгенография и элементный состав............................65
3.4.2 АСМиМСМ.......................................................68
3.4.3 Ферромагнитный резонанс.......................................70
3.4.4 Магнитооптический эффект Керра................................75
3.4.5 Магнитотранспортные свойства..................................78
3.5 Наноразмерныс слои сплава Гейслера Ре2Сг81, полученные осаждением из лазерной плазмы...........................................................81
3
3.6 Выводы.............................................................82
4 Наноразмерные слоистые структуры на основе сплавов кремния и германия с 3(1-
металлами.......................................................................84
4.1 Введение...........................................................84
4.2 Нелинейность и гистерезис в продольном транспорте тока в слоях РМП Се:(Мп, А1) и сплава Со81 ...............................................86
4.2.1 Закономерности в транспорте тока в слоях РМП Се:(Мп, Л1).......86
4.2.2 Закономерности в транспорте тока в слоях Со81..................92
4.3 Свойства туннельных структур СогМг^/МйО/СогМпБц полученных осаждением из лазерной плазмы.............................................97
4.3.1 Ферромагнитный резонанс...................................... 98
4.3.2 Поперечный транспорт тока. Магнстосопротивление................99
4.4 Свойства туннельных структур Со2Мп81/МйО/Со2Мп81, полученных магнетронным распылением.................................................103
4.4.1 Ферромагнитный резонанс.......................................104
4.4.2 Магнитооптический эффект Керра................................107
4.4.3 АСМиМСМ.......................................................108
4.4.4 Масс-спектрометрия вторичных ионов............................109
4.4.5 Поперечный транспорт тока. Магнетосопротивление...............113
4.4.6 Сопоставление результатов измерений...........................115
4.5 Выводы............................................................122
Заключение.................................................................124
Основные результаты работы и выводы........................................124
Основные публикации автора по теме диссертации.............................127
Список цитируемой литературы...............................................133
Приложение.................................................................145
4
Список сокращений
ЛСМ атомно-силовая микроскопия
АЦП аналого-цифровой преобразователь
ЛЭХ аномальный эффект Холла
ВАХ вольтамперная характеристика
ВИМС вторично-ионная масс-спектромегрия
ВЧ высокая частота
ГМС гигантское магнетосопротивление
ИЛО импульсное лазерное осаждение
ЛП лазерная плазма
МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия
МОЭК магнитооптический эффект Керра
К- квадратичный
М- меридиональный
П- полярный
Э- экваториальный
МІ* магнетронное распыление
МС магнетосопротивление
МСМ магнитно-силовая микроскопия
МСПС многослойная структура с прерывистыми слоями
МТП магнитный туннельный переход
ОВ обменное взаимодействие
ОДБЭ отражательная дифракция быстрых электронов
ОМС отрицательное магнетосопротивление
ПМФ полумсталличсский ферромагнетик
ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия
РККИ Рудермана-Китгеля-Касуи-Иосиды (взаимодействие)
РМП разбавленный магнитный полупроводник
РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
СВР спин-волновой резонанс
СВЧ сверхвысокая частота
СГ сплав Гейслера
СК спиновый клапан
СКВИД сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик
сом сканирующая Оже-микроскопия
ФМР ферромагнитный резонанс
ЦАП цифро - ан алоговы й преобразователь
ЭОС электронная Оже-спектроскопия
ЭПР электронный парамагнитный резонанс
ЭХ эффект Холла
6
Введение
Актуальность темы исследования
*
В настоящее время ведется интенсивный поиск и исследование новых полупроводниковых и полумсталличсских ферромагнитных материалов с высокой степенью спиновой поляризации носителей заряда с цслыо их применения в устройствах спинтроники [1]. [2], [3]. В отличие от устройств традиционной твердотельной электроники, в спинтронных устройствах используется спин носителей заряда, как дополнительная к их поступательному движению степень свободы и, таким образом, сочетаются преимущества ферромагнитных и полупроводниковых материалов. При этом важную роль играет совмещение технологии получения ферромагнетиков и полупроводников. Значительные усилия были направлены на исследование разбавленных магнитных полупроводников (РМП) на основе соединений 1II-V, кремния и германия в связи с возможностью их интеграции с традиционными полупроводниковыми материалами [4]. Однако основная проблема состоит в повышении их температуры Кюри для обеспечения работоспособности спинтронных устройств при комнатной температуре [5], [6], [7]. Высокотемпературные РМП являются метастабильными материалами с аморфной или сильно разунорядоченной кристаллической структурой. В литературе встречаются сведения об интересных свойствах РМП или бинарных сплавов германия с марганцем с наноразмерными включениями ферромагнитной фазы [8], [9]. Интересной и многообещающей альтернативой РМП являются привлекающие все большее внимание полуметаллическис ферромагнитные сплавы кремния и германия с Зё-элементами группы железа и, в частности, сплавы Гейслера (СГ) из-за возможности полной спиновой поляризации носителей заряда на уровне Ферми [10], [11], [12], [13], [14] и высокой температуры Кюри [15], [16], [17]. В магнитных туннельных переходах (МТП) с электродами из таких ферромагнетиков достигнуты большие величины туннельного магнетосонротивления [18], [19], [20], [21], [22]. Вместе с тем в подавляющем большинстве исследований для синтеза РМП применялись молекулярно-лучевая эпитаксия и ионная имплантация, а формирование СГ осуществлялось преимущественно с использованием магнетронного распыления. Имеются лишь единичные сообщения о применении технологии импульсного лазерного осаждения (ИЛО) для синтеза СГ, несмотря на то, что эта технология выгодно отличается простотой, универсальностью и высокой производительностью при нанесении наноразмерных слоев широкого спектра различных материалов [23]. Для исследования свойств слоев СГ часто применялся ограниченный комплекс методов исследования. Нередко о признаках ферромагнетизма судилось исключительно по данным измерений магнитно-полевой зависимости намагниченности. Имеются лишь единичные
7
I
работы, в которых применялся метод ферромагнитного резонанса в сочетании с магнитотранспортными и магнитооптическими методами исследования. Настоящая работа посвящена изучению возможности применения технологии осаждения из лазерной плазмы (ЛП) для формирования наноразмерных слоев сплавов кремния и германия с ЗсГэлементами группы железа, кремниевых и германиевых СГ и наноразмерных слоистых структур на их основе. Для исследования свойств новых материалов в работе применялся комплекс современных магнитно-резонансных, магнитооптических, магнитотранспортных, структурных и микрозондовых методов исследования.
Цель н основные задачи исследования
Цель диссертационной работы состоит в изучении возможности применения технологии осаждения из ЛП для формирования слоев сплавов кремния и германия с Зс1-элементами группы железа, содержащих наноразмерные включения ферромагнитных фаз, кремниевых и германиевых СГ' и наноразмерных слоистых структур на их основе с применением комплекса современных магнитно-резонансных, магнитооптических, # магнитотранспортных, структурных и микрозондовых методов исследования.
Для-достижения данной цели решались следующие задачи:
1) исследование полученных осаждением из ЛП- слоев РМГ1 на основе германия, легированного марганцем, с наноразмерными включениями ферромагнитной-фазы;
2) исследование полученных осаждением из ЛП слоев сплава кобальта с кремнием;
3) исследование полученных, как осаждением из ЛП, так ВЧ магнетронным распылением (МР) слоев кремниевых и германиевых СГ;
4) исследование возможности формирования МТП с электродами из синтезированных в работе ферромагнитных материалов.
Научная новизна работы
Научнаячювизна работы состоит в следующем.
1) Обнаружена аномальная угловая зависимость спектра ферромагнитного резонанса (ФМР) в синтезированных осаждением из ЛП при пониженной температуре (150 °С) слоях РМП Ое:(Мп, А1), связываемая с наноразмерными игольчатыми включениями ферромагнитной фазы Ое^Мп^, ориентированными перпендикулярно к плоскости слоя.
2) Впервые показана возможность лазерного синтеза ферромагнитных слоев сплава СоБГ с точкой Кюри выше комнатной температуры.
3) Показана возможность ферромагнетизма в слоях с элементным составом СГ не только на монокристаллических подложках арсснида галлия и кремния, но и подложках аморфного кварца.
4) Показано, что продольный транспорт тока в слоях Ос:(Мп, А1)/ОаАз и СоЗ^аАв характеризуется существенной нелинейностью и гистерезисом при комнатной температуре и 77 К при сравнительно малых плотностях тока ~ 103-104 А/см2.
5) Обнаружена сложная структура спектра ФМР с акустической и оптическими резонансными модами в МТП СозМпЗь^у^О/СогМпЗ! с безгистсрсзисным отрицательным магнетосопротивлением, обусловленная ферромагнитным обменным взаимодействием между магнитными электродами СогМпЗ! и неоднородной структурой этих электродов.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы заключается в следующем.
1) Показано, что лазерный синтез РМП Ос:(Мп, А1) при пониженной температуре приводит к формированию твердого раствора марганца в германии и образованию ферромагнитной фазы ОсдМп^. Эти эксперименты практически полезны в применении сочетания магнитно-резонансных, магнитооптических, магнитотраиспортных и микрозондовых измерений для выявления характера распределения ферромагнитных фаз.
2) Показана возможность лазерного синтеза ферромагнитных слоев сплава СоЭ! с, точкой Кюри выше комнатной температуры и сравнительно: большой коэрцитивной силой.
3) Показано, что лазерная технология позволяет формировать туннельные структуры с электродами из новых ферромагнитных материалов.
4) Для разработки переключаемых собственным током наноразмерных структур представляют практический интерес слои Сс:(Мп, А1)ЛЗаА$ и СоБ^аАя, характеризующиеся существенной нелинейностью и гистерезисом в продольном-переносе тока при комнатной температуре и 77 К при сравнительно малых плотностях тока ~ 103-104 А/см2.
5) Синтезированные МТП Pt/Co2MnSi/MgO/Co2MnSi/Si с безгистерезисным магнетосопротивлением при дальнейшей оптимизации их характеристик могут быть перспективными для разработки приборов спинтроники, в частности, безгистерезисных датчиков магнитного поля.
9
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения.
1) Аномальная угловая зависимость спектра ФМР слоев РМП Ое:(Мп, А1) толщиной 50 нм, осажденных на подложку арсенида галлия при пониженной температуре (150 °С) связана с наличием, кроме твердого раствора марганца в германии, игольчатых включений ферромагнитной фазы СехМп^ ориентированных перпендикулярно плоскости пленки. Такой характер структуры подтверждается температурными измерениями ФМР, аномального эффекта Холла и магнитносиловой микроскопией поперечного скола.
2) Сильпонеравновесная лазерная технология позволяет формировать ферромагнитные слои сплава СоБ1 с точкой Кюри не ниже комнатной температуры, в то время как в объемных силицидах Зс1-псреходных металлов лишь железо с кремнием образует высокотемпературные ферромагнитные сплавы. Такие слои могут быть сформированы на монокристалличсских подложках, как из кремния, так и арсенида галлия.
3) Возможно формирование, как осаждением из ЛП, так и ВЧ МР наноразмерных слоев кремниевых и германиевых СГ СогМп81, СогМиве и ГегСгБ! на монокристалличсских подложках арсенида галлия, кремния и подложках аморфного кварца с ярко выраженными ферромагнитными свойствами и температурой Кюри до 500 К. Ферромагнетизм слоев проявляется в их магнитно-резонансных, магнитотранспортных и магнитооптических свойствах. Оптимальной для получения наилучших магнитных свойств СГ СогМпЯ! является температура около 350 °С. Для слоев этого сплава достигнута величина продольного отрицательного магнетосопротивления ~ 1 % в магнитном поле с индукцией 0,7 'Гл.
4) Лазерная технология применима для получения туннельно-прозрачных структур с диэлектрической прослойкой 1У^О толщиной 2-8 им и электродами из кремниевого СГ СогМпвь В результате изучения поперечного транспорта тока в туннельных структурах с электродами из СГ СогМпЭ! показано, что их вольтамперные характеристики нелинейные, нелинейность связана с дискретным туннелированием сквозь диэлектрик МёО с наноразмерными неоднородностями. Эти туннельные контакты характеризуются величиной магнетосопротивления около 2,5 % в магнитном поле с индукцией 0,38 Тл при комнатной температуре.
10
5) Продольный транспорт тока в слоях Ge:(Mn, Al)/GaAs и CoSi/GaAs характеризуется существенной нелинейностью и гистерезисом при комнатной температуре и 77 К при сравнительно малых плотностях тока ~ 103-104 А/см2.
6) Сложная структура спектра ФМР с акустической и оптическими резонансными
, модами в МТП Co2MnSi/MgO/Co2MnSi с гигантским магнетосопротивлснием
обусловлена ферромагнитным обменным взаимодействием между магнитными электродами Co2MnSi и неоднородной структурой этих электродов.
»
Личный вклад автора
Автор внес определяющий вклад в проведение и обработку результатов магнитно-резонансных измерений, а также принимал непосредственное участие в проведении магнитооптических (совместно с к.ф.-м.н. М.В. Сапожниковым) и магнитотранспортных (совместно с С.А. Левчуком) измерений и обработке их результатов. Анализ и интерпретация результатов проводились совместно с научным руководителем. Магнитные структуры были получены к.ф.-м.н. В.В. Подольским, В.П. Лесниковым и Ю.А. Дудиным при участии автора. Микрозондовые измерения выполнены к.ф.-м.н. Б.А. Грибковым и к.ф.-м.н. Д.О. Филатовым. Рентгсноструктуриый анализ проведен- д.ф.-м.н. IO.H. Дроздовым, элементный анализ - к.ф.-м.н. М.Н. Дроздовым, анализ химического состава - к.ф.-м.н.
* Д.Е. Ннколичсвым.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 05-02-17362 и 08-02-01222а), Международного научно-технического центра (грант. G-1335), Министерства образования и науки Российской федерации (проекты № 2.1.1/2833 и №2.1.1/12029 АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (тема НИЧ ННГУ Н-062-0), проект №02.740.11.0672 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (тема ЫИЧ ННГУ Н-263-9)).
Апробация работы
с Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
*
конференциях: XL/XII/XIII/XIV/XV Международный симпозиум «Нанофизика и
наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2007 Г./10-14 марта 2008 Г./16-20 марта 2009 Г./15-19 марта 2010 гЛ4-18 марта 2011 г.); Euro-Asian Symposium “Magnetism on a Nanoscale”, EASTMAG-2007 (Kazan, August 23-26, 2007); International Conference “Spin Electronics: Novcl Phcnomenon and Materials”, “Spin Electronics 07” (Tbilisi, Georgia, October 22-24, 2007); Moscow International Symposium on Magnetism “MISM-2008”/“MISM-2011”
I
(Moscow, June 20-25, 2008/Moscow, August 21-25, 2011); V/VI/V1I Международная
»
11
конференция и IV/V/VI Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2008»/«КРЕМНИЙ-2009»/«КРЕМНИЙ-2010» (Черноголовка, 1-4 июля 2008 г./Ионосибирск, 7-10 июля 2009 г./Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.); 7-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.); П/Ш Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Казань, 28-31 октября 2008 г./Нижний Новгород, 26-29 октября 2010 г.); 14-я/15-я Нижегородская сессия молодых ученых- (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 Г./19-23 апреля 2010 г.); XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», НМММ XXI (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г.); IV Украинская научная конференция по физике полупроводников, УНКФГ1-4 (Запорожье, Украина, 15-19 сентября 2009 г.); II
Международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением», MULTIFERROICS-2 (Ростов-на-Дону-Лоо, 23-28 сентября 2009 г.); Workshop on Nanomagnetism, Spin-Electronics and Quantum Optics, NSEQO 2009 (Rio dc Janeiro, Brazil, November 11-13, 2009).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 33 печатные работы, в том числе 5 статей [А1-А5] в ведущих рецензируемых научных журналах и 28 публикаций [A6-A33J в материалах, международных, всероссийских и региональных конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 145 страниц, содержащих 94 рисунка и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 139 наименований.
12
- Київ+380960830922