Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время развивается новое направление твердотельной электроники, связанное с возможностью переноса ориентированного по спину электрона из ферромагнетика в немагнитный полупроводник, что позволит создавать одноэлектронные логические структуры и спин-информационные системы, в которых ячейкой памяти служит спин электрона: один спин - один бит информации. Использование в качестве эмиттеров поляризованных по спину электронов ферромагнитных (ФМ) металлов дает степень спиновой поляризации не более 10%. При криогенных температурах более высокая степень поляризации до 100% получается в структурах полупроводник-EuO и полупроводник-халькогенидные кадмий-хромовые шпинели (магнитные полупроводники). Однако приборы, работающие при криогенных температурах, не удобны для практических приложений. Кроме того, возникают большие технологические трудности создания низкоомного электрического контакта ферромагнетик и полупроводник. Считается, что получить хороший электрический контакт и высокую степень поляризации электронов, можно созданием разбавленного магнитного полупроводника (РМП) с точкой Кюри выше комнатной, структурно сочетаемого с известными полупроводниками. В качестве наиболее перспективного варианта создания (РМП), считается вариант допирования d-элементами (Mn, Cr, Fe) традиционных полупроводников. Лучшие результаты были получены на нанопленках Gai_xMnxAs, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Эти пленки были ферромагнитны с температурой Кюри Тс, < 170К [1]. Для спинтроники нужны РМП с Тс выше комнатной. Недавно при допировании марганцем халькопиритов AnBIVCV2, в частности CdGeAs2 и ZnGeAs2, были получены Тс соответственно 355 и 367 К [2,3].
В настоящей работе исследуется другое соединение из группы полупроводников AnBIVCv2 - диарсенид кремния и цинка (ZnSiAs2). В пользу выбора этого соединения в качестве объекта исследования можно отметить, что ZnSiAs2 более структурно совместим с Si, несмотря на то, что эти соединения кристаллизуются в разных сингониях, по плоскости (001) разница в параметрах кристаллических решёток ZnSiAs2 и Si составляет менее 2%. Это делает возможным их эпитаксиальное наращивание. В работе рассматривается возможность получения магниточувствительной гетероструктуры Si/ZnSiAs2
Цель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка физико-химических основ получения высокотемпературного разбавленного магнитного полупроводника на основе ZnSiAs2 и синтез магниточувствительной гетероструктуры Si/ZnSiAs2
Провести анализ бинарных граничных систем и выбрать квазибинарные разрезы тройной системы Zn-Si-As, в которых образуется ZnSiAs2 и экспериментально исследовать разрез Si-ZnAs2;
Разработать оптимальные условия синтеза соединения ZnSiAs2;
Определить растворимость Мп в ZnSiAs2 при температурах близких к температуре плавления ZnSiAs2 и приготовить образцы ZnSiAs2
Измерить в широких интервалах температур и магнитных полей магнитные и электрические свойства ZnSiAs2 с различным содержанием марганца;
Разработать способ получения гетероструктуры Si/ZnSiAs2
Научная новизна
Разработаны физико-химические основы синтеза нового разбавленного магнитного полупроводника с температурой Кюри выше комнатной.
Комплексом методов физико-химического анализа исследован разрез Si-ZnAs2 тройной фазовой диаграммы Zn-Si-As. Было показано, что этот разрез является квазиравновесным, в котором образуется конгруэнтно плавящееся соединение ZnSiAs2, окруженное эвтектиками Si + ZnSiAs2 и ZnSiAs2 + ZnAs2. Координаты эвтектик: 1283 -45 мол.% ZnAs2 и 1003 К~ 93 мол.% ZnAs2. Растворимость компонентов в ZnSiAs2 не превышала 1 мол.%.
Разработаны технологические условия синтеза пересыщенных твердых растворов ZnSiAs2 с Мп и показано, что растворимость марганца при температурах близких к температуре плавления ZnSiAs2 достигает ~3 масс.%. Образование твердых растворов происходит путем замещения Zn и Si в катионной подрешетке ZnSiAs2 на атомы марганца.
Проведено измерение электрических и магнитных свойств ZnSiAs2 с Мп в широких интервалах температур и магнитных полей 5-^-350 К и 100-50000 Э, соответственно. Установлено, что температурная зависимость намагниченности имеет сложный характер. При Т>15К в образцах преобладает спонтанная намагниченность, при этом Тс возрастет с увеличением содержания марганца от 327 до 335 К. При Т < 50 К при понижении температуры наблюдается резкое возрастание намагниченности. Такое возрастание намагниченности связано с наличием суперпарамагнитной или парамагнитной фаз в образцах. Эти результаты подтверждали работы теоретиков о возможности возникновения парамагнитной фазы при замещении марганцем элементов второй группы, и образованием ферромагнитной фазы при замещении элементов А11 и В^в катионной подрешетки А'^^С^ на атомы марганца.
Показана возможность синтеза магниточувствительной гетероструктуры Si/ZnSiAs2
Практическая ценность
Построен разрез Si-ZnAs2 фазовой диаграммы состояния Zn-Si-As. Разработан метод синтеза кристаллов ZnSiAs2 допированных Мп с температурами Кюри выше комнатной, перспективных в качестве материалов для создания устройств спинтроники. Вакуумно-термическим напылением пленок ZnAs2 и Мп на монокристаллические кремниевые подложки с последующим их отжигом разработана возможность синтеза магниточувствительной гетероструктуры Si/ZnSiAs2
Основные положения, выносимые на защиту
-
Изучение разреза Si-ZnAs2 тройной фазовой диаграммы Zn-Si-As.
-
Методика синтеза ZnSiAs2 взаимодействием ZnAs2 и Si.
-
Определение растворимости Мп в при температурах близких к температуре плавления ZnSiAs2. Получение ферромагнитных образцов пересыщенных твердых растворов ZnSiAs2 с марганцем с Тс выше комнатной.
-
Результаты измерений электросопротивления, постоянной Холла и магнитной восприимчивости в интервалах температуры от 5 до 350 К и магнитных полях (0,1-50 кЭ).
-
Синтез магниточувствительной гетероструктуры Si/ZnSiAs2
.
Личный вклад автора заключался в выборе методов и объектов исследования с учетом их специфики, планировании эксперимента, приготовлении образцов для исследования магнитных и электрических
свойств, написании статей, подготовке докладов, формулировке выводов и написании диссертации.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на V Российско-японском семинаре «Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения микро- и наноэлектроники», г. Саратов 18-19 июня 2007 г.; IV Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний -2007», г. Москва, МИСиС, 3-6 июля 2007 г.; Молодежной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии», г. Москва, МИТХТ, 16-18 октября 2007 г.; Международном семинаре «Магнитные фазовые переходы», г. Махачкала, республика Дагестан, 12-15 сентября 2007 г.; Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ-2007), г. Минск, республика Беларусь, 23-26 октября 2007 г.; «Московском интернациональном симпозиуме по магнетизму» (MISM 2008), г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова физ.фак., 20-25 июня 2008 г.; «16-ой международной конференции по тройным и многокомпонентным соединениям» (ICTMC-16), г. Берлин, Германия, 15-19 сентября 2008 г; «Интернациональной конференции по суперпроводимости и магнетизму» (ICSM-2008), г.Анталия, Турция, 25-29 августа 2008 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемых журналах входящих в перечень изданий ВАК РФ, 10 тезисов докладов на российских и международных конференциях. Получен патент №2305723 от 10.09.2007 г.
Структура и объем работы
