Тема: МИКРОСТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, ИМПЛАНТИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗОМ

Титанат стронция SrTiO3 (STO) со структурой перовскита обладает уникальным сочетанием физических свойств. Во-первых, это диамагнитный широкозонный полупроводник с отличительными оптическими свойствами: высоким показателем преломления (n=2.5), прозрачностью в видимом диапазоне длин волн и в инфракрасном диапазоне вплоть до длин волн около 5 мкм [1]. Во-вторых, чистый STO - это квантовый ферроэлектрик, однако содержащие изотоп кислорода 18O образцы титаната стронция обнаруживают фазовый переход параэлектрик-ферроэлектрик при температуре около 25 К. На температуру фазового перехода параэлектрик-ферроэлектрик могут оказывать существенное влияние также и механические напряжения. Например, эпитаксиально выращенные сильно напряжённые слои STO проявляют сегнетоэлектрические свойства уже при комнатной температуре. В-третьих, STO и материалы на его основе обладают смешанным электронно-ионно-вакансионным типом проводимости [4], что обуславливает фотокаталитическую активность STO и используется в ряде практических приложений при создании кислородных датчиков [5,6], прототипов мемристоров на основе легированных образцов STO [7]. Наконец, отметим, что кристаллическая структура перовскита удачно подходит для наращивания на поверхности STO эпитаксиальных слоёв высокотемпературных сверхпроводников.
Введение в STO различных примесей рассматривается как способ получения новых свойств, отсутствующих у базового материала. В свете сегодняшних потребностей микроэлектроники и спинтроники наиболее интересными кандидатами на роль примеси являются атомы переходных металлов, в частности, атомы железа. В научной периодике имеется ряд результатов, свидетельствующих о том, что эпитаксиальные слои STO, сильно легированные железом, могут проявлять свойства разбавленного магнитного полупроводника при комнатной температуре [1]. В сочетании с квантовыми
ферроэлектрическими свойствами STO можно ожидать наличия магнитоэлектрического эффекта в легированном железом титанате стронция, по крайней мере, при низких температурах.
Одним из широко используемых способов легирования материалов является ионная имплантация. В основе данного метода легирования лежит процесс принудительного внедрения (имплантации) примеси с любой заданной концентрацией в кристаллическую структуру базового материала путем облучения его поверхности высокоэнергетичными ионами различных химических элементов. Как аргумент для ожидания магнитоэлектрических свойств в имплантированном железом STO при комнатной температуре можно привести оценку давления в 6 ГПа для фазового перехода чистого STO [8], при котором меняется тип кристаллической решётки, аналогично фазовому переходу в STO при атмосферном давлении и температуре 105 К (кубическая- тетрагональная). Сравнимые по величине механические напряжения могут появляться при ионной имплантации [9]. Кроме того, принудительное внедрение ионов железа в STO с концентрацией, превышающей предел растворимости примеси, приводит к её кластеризации [10], что обуславливает формирование нанокомпозитной пленки в имплантированном поверхностном слое STO.
Целью работы было исследование структурных и магнитных свойств тонких магнитных плёнок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в монокристалл титаната стронция. При выполнении работы решались следующие задачи:
• Реализация экспериментальной установки для измерения магнитной восприимчивости на переменном токе (ACMS, Alternative-Current Magnetic Susceptibility) на базе модуля LDC1000EVM — первого интегрального преобразователя индуктивности в цифру.
• Проведение мёссбауэровских исследований тонких пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в титанат стронция методом мёссбауэровской спектроскопии конверсионных электронов (МСКЭ) с элементами магнитно-ориентационной мёссбауэровской спектроскопии (МОМС).
• Измерения магнитной восприимчивости тонких пленок Fe-STO методом ACMS.
Структурно диссертация состоит из трех глав и приложения. В первой главе приводится краткий литературный обзор по системе Fe-STO, в частности, по исследованиям структурных и магнитных свойств тонкопленочных образцов Fe-STO. Во второй главе описываются использованные экспериментальные методы - МСКЭ и метод измерения магнитной восприимчивости на переменном токе. Для метода ACMS показана связь измеряемой величины с магнитными характеристиками образца. В третьей главе содержатся результаты фазового и структурного анализа пленок на основе данных МСКЭ и ACMS для ТМП Fe-STO. В приложении дан расчет характерного размера кластеров a-Fe.
В конце диссертации сформулированы основные выводы по работе.
Купить

Наблюдаемые в работе макроскопические магнитные свойства титаната стронция, имплантированного железом, обусловлены, главным образом, наноразмерными кластерами фазы a-Fe. Спектры низкодозного образца в нулевом внешнем поле и при разных углах падения гамма-квантов на образец идентичны, что говорит об отсутствии выделенного направления для магнитных моментов атомов железа в этом образце. Сравнение спектров высокодозного образца в нулевом поле и в перпендикулярном плоскости образца поле 3 кЭ приводит к оценке эффективного поля плоскостной анизотропии ~10 кЭ, что объясняет отсутствие отклика ACMS-измерений при использовании измерительной катушки в виде спирали Архимеда. Использование измерительной катушки, создающей ориентированное в плоскости образца измерительное поле, позволяет получить кривые перемагничивания как для суперпарамагнитного, так и для ферромагнитного образца, согласующиеся с известными данными. Величина эффективного поля плоскостной магнитной анизотропии свидетельствует о сильном межкластерном взаимодействии. Возможный вклад межкластерного обменного взаимодействия с участием атомов или дефектов подложки STO позволяет ожидать от имплантированных слоёв Fe-STO магнитоэлектрического поведения, не свойственного системам Fe-STO, синтезированным другими методами.
Основные результаты диссертации были опубликованы в [22] и представлены на XIV Международной конференции "Мёссбауэровская спектроскопия и её применения" (г. Казань, 28.09-1.10.2016).

Купить