МИКРОСТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, ИМПЛАНТИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗОМ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ 7
ГЛАВА 2. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 12
2.1 Мёссбауэровская спектроскопия конверсионных электронов 12
2.1.1 Магнитно-ориентационная мёссбауэровская спектроскопия 13
2.2 Измерения магнитной восприимчивости на переменном токе (ACMS-
измерения) и магнетосопротивления 14
2.2.1 Описание экспериментальной установки 14
2.2.2 LDC1000 — преобразователь индуктивности в цифру от Texas
Instruments 16
2.2.3 Измерение сопротивления и индуктивности с LDC1000 19
2.3 Методика измерения магнитной восприимчивости 22
2.4 Объекты исследования 24
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ТМП ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗОМ 27
3.1 Мёссбауэровские измерения 27
3.2 Измерения магнитной восприимчивости на переменном токе 32
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
ЛИТЕРАТУРА 42
ПРИЛОЖЕНИЕ
Купить

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