Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния Николаев Сергей Николаевич

Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния
<
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния
>

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Николаев Сергей Николаевич. Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.07 / Николаев Сергей Николаевич; [Место защиты: Рос. науч. центр "Курчатов. ин-т"].- Москва, 2009.- 109 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/1203

Введение к работе

Актуальность темы

В последнее время интенсивно развивается новая область микроэлектроники -спиновая электроника или спинтроника, изучающая явления и устройства, в которых существенную роль играет спиновая поляризация носителей заряда [1].

Обнаружение в 1988 г. в слоистых системах Fe/Cr эффекта гигантского магнетосопротивления (МС) [2], возникающего из-за спин-зависящего рассеяния электронов на межслоевых границах раздела, положило начало широкому исследованию магнитных гибридных систем не только на основе металлов, но и диэлектриков и полупроводников. Толчком к интенсивному изучению последних послужило также обнаружение в 1992 г. ферромагнетизма в III-V полупроводниках [3], сильно легированных Мл, с температурой Кюри достигающей в настоящее время около 200 К в случае GaMnAs. Полупроводниковые магнитные системы могут обеспечить эффективную спиновую инжекцию в немагнитные полупроводники и потому представляют особый интерес ввиду их возможного использования при создании новых устройств спинтроники (спиновых светодиодов и транзисторов, магниторезистивной памяти с произвольным доступом) [4]. Однако, исследования данных систем выполнены в настоящее время в основном на примере III-Mn-V полупроводников и слоистых III-V/Mn структур (типа дискретных сплавов) на их основе [5]. Значительно меньшее число работ посвящено исследованию транспортных свойств магнитных систем на основе полупроводников IV группы (Si и Ge), хотя эти системы наиболее интересны для практических применений, поскольку легко интегрируемы в существующую микроэлектронную технологию.

Среди кремниевых магнитных систем достаточно подробно изучены слоистые структуры типа Fe/(a-Si), что связано с обнаруженным в них достаточно сильным эффектом обменного взаимодействия ферромагнитных слоев железа через аморфную полупроводниковую прослойку Si [6]. Однако, в основном эти работы были направлены на исследование магнитных свойств данной системы, тогда как изучению в них спин-зависящих эффектов в электронном транспорте (отрицательному магнетосопротивлению и его анизотропии, аномальному и планарному эффектам Холла) практически не уделялось внимание. Между тем, эти эффекты определяются спиновой поляризацией носителей, а исследование особенностей электронного транспорта в этих условиях и составляет основной интерес спинтроники. Похожая ситуация имеет место и при исследованиях магнитных систем на основе Si и Мп. В частности, в недавних работах сообщалось о наблюдении ферромагнетизма, инициированного носителями заряда (carrier-mediated ferromagnetism), с температурой Кюри Тс~ 250 К для однородно легированных слоев MnxSi|.j. [7] и с Тс > 300 К в случае Si/Mn дискретных сплавов [8]. Эти наблюдения основаны на изучении только намагниченности объектов, которая может однозначно указывать на наличии спиновой поляризации носителей лишь в однофазных разбавленных магнитных полупроводниках (РМП) в условиях непрямого обмена магнитных примесей посредством носителей заряда. На примере III-Mn-V полупроводников установлено (см. [9] и ссылки там), что при наличии второй фазы (ферромагнитных нанокластеров MnAs или MnSb) гистерезис в намагниченности может наблюдаться при температурах выше комнатной. При этом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. С другой стороны, в однофазных РМП существенную роль играет аномальный эффект Холла (АЭХ), который пропорционален намагниченности и определяется спиновой поляризацией носителей. В III-Mn-V полупроводниках вклад АЭХ оказывается доминирующим до температур, превышающих температуру Кюри в 2-3 раза, и потому его исследования играют ключевую роль в установлении ферромагнитного состояния данных систем [5]. Между тем, в случае Si-Mn систем данные по исследованию АЭХ при повышенных температурах к моменту настоящей работы отсутствовали.

Магнитные системы на основе Si обладают более сложным характером беспорядка чем на основе III-V полупроводников, что связано с существенно более низко растворимостью в Si переходных 3d металлов и высокой химической активность кремния, обусловливающей формирование различных типов силицидов. В этом случае Мп например, уже при достаточно малых содержаниях может занимать как положени замещения (акцепторные) кристаллической решетки, так и ее межузельные (донорные положения, причем при низких температурах роста слоев (= 300 С) образовыват различные типы силицидов (MnSi, Mn4Si7 и др.). Другими словами, магнитные системы н основе кремния являются сильно неупорядоченными объектами, беспорядок которы. обусловлен не только флуктуациями кулоновского и обменного взаимодействий как обычных РМП, но и сильными структурными флуктуациями их состава. Понимани электрофизических свойств таких систем находится в настоящее время в зачаточно\ состоянии. Поэтому исследования спин-зависящих эффектов в их электронном транспорт являются актуальной научно и практически значимой задачей.

Сложный характер Si магнитных систем потребовал комплексного подхода исследованиях, а также развитие экспериментально методического аппарата прецизионны измерений не только магнетосопротивления и АЭХ, но и планарного эффекта Холл (ПЭХ), который оказался весьма чувствительным к анизотропии отрицательного МС многодоменному состоянию пленок.

Цель работы

Целью работы являлось экспериментальное исследование спин-зависящих эффекто в электронном транспорте Si магнитных систем (многослойных Co0.45Feo.45Zro.i/(a-Si структур и MntSii.^ слоев) методами магнетосопротивления, аномального и планарног эффектов Холла.

При достижении поставленной цели решены следующие задачи:

Создана экспериментальная методика прецизионных измерений транспортны характеристик неупорядоченных объектов в диапазоне температур 5 - 300 К в полях д 3 Тл, которая, в частности, апробирована на примере исследований планарного эффект Холла в напряженных двухслойных структурах на основе Со и антиферромагнетика Сг а также в поликристаллических пленках силицида Fe3Si.

Изучены магнитополевые, температурные и концентрационные зависимости эффект Холла (включая ПЭХ) и магнетосопротивления: 1) в многослойных Coo.45Feo.45Zro.|/a-S структурах с различной толщиной a-Si (ds = 0.7-3.5 нм) и металла (dm = 2.5-3.5 нм); 2) Mn^Sii.^ слоях с повышенным содержанием Мп (около 35 ат. %).

Научная новизна работы

  1. Исследованы эффект Холла и магнитосопротивление в двухслойных пленка Сг(5нм)/Со(20нм), полученных ионным распылением на кремниевую подложку. В эти структурах выявлен планарный эффект Холла (ПЭХ), который в отличие от обычн наблюдаемого ПЭХ, является симметричным по знаку изменения угла поворот магнитного момента в плоскости пленки. На основе измерений петель гистерезис намагниченности при различных ориентациях поля и ПЭХ при наложении слабог продольного поля показано, что симметричный ПЭХ связан с многодоменным состояние пленки Со в двухслойных структурах Сг/Со.

  2. Исследованы многослойные (с чилом бислоев 100) структуры Co0.45Feo.45Zro.|/a-Si полученные путем ионно-лучевого распыления на ситалловые подложки при комнатно температуре. Показано, что при уменьшении толщины металла dm от 3 до 1.3 н\ проводимость структур испытывает перколяционный переход от металлической туннельной проводимости при dmc я 2.2 нм, сопровождаемый экспоненциальны

ростом сопротивления. Металлический характер проводимости при толщинах слоя металла выше 2.2 нм подтверждается измерениями аномального эффекта Холла. Установлено также, что dm > 2.5 нм в многослойных структурах Co0.45Feo.45Zro.i/a-Si температурная зависимость сопротивления подчиняется закону вида R^ к -logГ, типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.

  1. Впервые для нанокомпозитов подобного типа вблизи перколяционного перехода обнаружен эффект анизотропного магнетосопротивления (АМС), а также планарный эффект Холла (ПЭХ). Выявлена связь АМС и ПЭХ с поперечным (между холловскими зондами) магниторезистивным эффектом, достигающим по величине 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния ds < 1 нм помимо АМС обнаружено изотропное по характеру отрицательное магнетосопротивление (МС) порядка 0.15 %, обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними ферромагнитными слоями при антиферромагнитном характере обменного взаимодействия между ними.

  2. Показано, что при Т = 300 К и ориентации поля вдоль плоскости структуры Coo.45Feo.45Zro.i/a-Si отношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения в структурах cds « 1 нм составляет MJMS « 0.7, тогда как в гранулированных слоях в окрестности перколяционного перехода это отношение < 0.5 [10]. При этом поле насыщения намагниченности Hs превышает 3 кЭ, что заметно больше значений Н„ наблюдаемых в достаточно толстых аморфных пленках. Отношение M/Ms « 0.7 объясняется преобладанием вклада биквадратичного взаимодействия, стремящегося выстроить магнитные моменты соседних слоев ферромагнетика перпендикулярно друг другу, над антиферромагнитным (билинейным) обменом, который, однако, в структурах Fe/a-Si является доминирующим при Т= 300 К.

  1. Предложена качественная модель для описания обнаруженных особенностей многослойных структур Coo.45Feo.45Zr0 і/я-Si, основанная на перколяционных представлениях о проводимости металлических слоев и локальной связи между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы перколяционной сетки. При этом случайный характер пересечения мертвых концов приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия в исследуемых структурах, а также к появлению изотропного по характеру отрицательного (спин-зависящего) МС, который определяется полевым изменением магнитного момента системы от 0.7 Ms до Ms. В то же время ПЭХ в слоистых структурах Coo.45Feo.45Zro.i/a-Si характеризует в первую очередь эффекты поворота магнитного момента величиной ~ 0.7 Ms и определяется эффектом АМС.

  2. Исследованы транспортные и магнитные свойства слоев Mn^Sii^ с высоким содержанием Мп (около 35 ат.%), полученных методом лазерной эпитаксии при 300 -350С. Впервые в системе на основе Si и Мп обнаружен аномальный эффект Холла (АЭХ), который доминирует над нормальной компонентой эффекта Холла вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до ~ 230 К. Знак АЭХ оказался противоположен дырочному типу проводимости MnxSiKt слоев, концентрация которых в слоях достигает/? ~ 2-Ю22 см'3. Показано, что для образцов, выращенных при температурах роста Tg = 300С, АЭХ определялся механизмом "skew-scattering", тогда как при повышении Tg до 350С и увеличении проводимости образцов наблюдается переход к "side-jump" механизму АЭХ. Большие значения температуры Кюри с > 200К), полученных слоев, невозможно объяснить только формированием силицидов Мп, поскольку их максимальные значения Тс не превышают 50 К.

  1. Показано, что Mn^Sii.r слои обладают металлическим типом проводимости (падени сопротивления при уменьшении Гот 300 до 5 К достигает 2 раз). При этом температурны зависимости сопротивления образцов демонстрируют резкий спад при температурах ниж 40К. В этих условиях обнаружено необычное поведение петли гистерезиса АЭХ - вплот до уменьшения коэрцитивного поля с понижением температуры в образце с минимальных содержанием дефектов.

  2. Установлено, что намагниченность насыщения Mn^Sii^ слоев слабо уменьшается при увеличении температуры до 200 К. Показано, что при Т - 11 К полевая зависимость намагниченности М{В) носит гистерезисный характер. При этом полевая зависимость холловского сопротивления Rf^B) коррелирует с поведением намагниченности М(В), что позволило найти коэффициент аномального эффекта Холла Rs « 1.0-10'8 Ом-см/Гс, который на четыре порядка превышает значение Rs в ферромагнитных металлах.

  3. Свойства Мігшії.* слоев объясняются в рамках модели двухфазной системы, в которой ферромагнитные (ФМ) кластеры, содержащие междоузельные ионы Мп с локализованным спином, встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2.^ (х я 0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ при высокой температуре обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители, концентрация которых в матрице достигает 2-Ю22 см'3, так и обменом через спиновые флуктуации. Об эффекте вымораживания этих флуктуации с понижением температуры свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов ниже 40 К и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ в этих условиях.

Практическая ценность работы

Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния неупорядоченности в системе на характер проводимости и магнитные свойства Si структур. Также показана возможность создания на исследуемых пленочных системах элемента магнитной памяти. Данная идея запатентована (патент на изобретение №2320033, «Элемент магнитной памяти на планарном эффекте Холла», см. в списке работ автора). Результаты работы актуальны для современной микроэлектроники еще и тем, что получены для структур на основе наиболее технологично-значимого материала - кремния.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Проводимость многослойных Co0.45Feo.45Zro.i/a-Si структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при толщинах Coo.4sFeo.45Zro.i слоев dm < dmc « 2.2 нм. При d„ > 2.5 нм температурная зависимость сопротивления структур подчиняется закону вида R^ ос -logТ, типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.

  2. В отличие от нанокомпозитов в структурах Co0.45Feo.45Zro.i/a-Si вблизи перколяционного перехода наблюдается планарный эффект Холла, который обусловлен эффектом анизотропного магнетосопротивления (МС) и приводит к проявлению поперечного (между холловскими зондами) МС величиной до 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния ds < 1 нм структуры также демонстрируют изотропное отрицательное МС (=0.15 %), обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними антиферромагнитно взаимодействующими магнитными слоями. Причем эти слои локально связаны между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы перколяционной сетки, случайный характер пересечения которых приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия.

  1. В слоях MrijSii.j с высоким содержанием Мп (= 35 ат.%) аномальный эффект Холла (АЭХ) наблюдается вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до « 230 К. При этом коэффициент аномального эффекта Холла Rs на четыре порядка превышает значение Rs в ферромагнитных металлах, а намагниченность насыщения слоев практически не уменьшается до 200К.

  2. При Т < 40 К в образцах Мп^и/А^Оз наблюдается резкое уменьшение их сопротивления и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ (вплоть до уменьшения коэрцитивного поля) в этих условиях. В этой же области температур для Ma,Sii.pt/GaAs образцов наблюдается уменьшение их магнитной восприимчивости.

  3. Ферромагнетизм (ФМ) Mn^Sii.x слоев объясняется в рамках модели двухфазной системы, в которой кластеры с локализованным спином встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2..T (х « 0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ порядок обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители = 2-1022 см-3), так и обменом через спиновые флуктуации матрицы, об эффекте вымораживания которых при Т < 40 К свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов и необычное поведение АЭХ в этих условиях.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы были доложены на следующих Российских и международных научных конференциях:

  1. Пятая ежегодная научная конференция ИПТЭ РАН. 31марта-3 апреля 2004г., г. Москва.

  2. Eight International Workshop on Non-Crystalline Solids (IWNCS), Gijon, Spain, June 20-23,2006.

  3. VIII Latino-American symposium on physics of solid state, Puebla, US of Mexico, November 2006.

  4. ICM-2006, Kyoto, Japan, Aug. 20-25, 2006.

  5. Конференция по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению. 26-30 ноября 2007г., г. Москва.

  6. 17-ая Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. 18-23 февраля 2008г., гг. Екатеринбург-Новоуральск.

  7. Moscow International Symposium on Magnetism. June 20-25, 2008.

По теме диссертации имеется 10 публикаций в научных журналах и сборниках конференций. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Похожие диссертации на Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния