МАГНИТОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКСИДА МАГНИЯ, ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ ЖЕЛЕЗА
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 17
2.1 Ионная имплантация 17
2.2 Методы исследования свойств образцов 19
2.2.1 Мессбауэровская спектроскопия конверсионных электронов (МСКЭ)19
2.2.2. Вибрационная магнитометрия 22
2.2.3 Ферромагнитный резонанс 23
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
БЛАГОДАРНОСТИ 46
ЛИТЕРАТУРА 47
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 17
2.1 Ионная имплантация 17
2.2 Методы исследования свойств образцов 19
2.2.1 Мессбауэровская спектроскопия конверсионных электронов (МСКЭ)19
2.2.2. Вибрационная магнитометрия 22
2.2.3 Ферромагнитный резонанс 23
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
БЛАГОДАРНОСТИ 46
ЛИТЕРАТУРА 47
Еще в годы стремительного развития традиционной электроники, основанной на контактных явлениях в полупроводниках материалах - кремнии и германии, высказывались предположения об ограниченности полупроводниковой электроники в технологии записи-чтения и хранения информации. К концу XX столетия стало понятно, что этот предел близок. Начался поиск новых концепций для дальнейшего развития технологий. Возникло много научных направлений, такие как валлейтроника, стрейнтроника, спинтроника. Последняя привлекает очень большое внимание ученых в последнее время благодаря открывающимся новым уникальным возможностям.
Концепция спинтроники (спиновая электроника) предполагает использования спиновой степени свободы носителей вместе (а иногда и отдельно) с их зарядом. Спинами электронов можно управлять с помощью магнитных полей, внешних и внутренних. Разумеется, для создания устройств спинтроники должны использоваться материалы, проявляющие ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Для создания логических элементов, сходных с классической кремниевой, нужно иметь два класса материалов: проводники и полупроводники.
Известны достаточно много магнитных металлов с температурами Кюри выше комнатной, с разными значениями коэрцитивных полей, с разной спиновой поляризацией. Однако большой научной проблемой является создание магнитных полупроводников, работающих при комнатной температуре. Данная проблема заняла свое оправданное место среди 125 главных проблем человечества по версии журнала Science, которые должны быть решены в ближайшее время [2].
На начальном этапе поиска перспективных материалов большой интерес ученых привлекали магнитные полупроводники, такие как халькогениды европия. Действительно, эти материалы проявляли магнитные свойства и являлись одновременно полупроводниками. Однако эти соединения имеют большой недостаток - температура перехода в магнитоупорядоченное состояние (температура Кюри) у этих соединений много ниже комнатной и находится в области гелиевых температур. Так, например, для EuS Тс < 20 К [3]. Кроме того, нет никаких предпосылок для увеличения температур перехода [1]. Очевидно, что использование таких материалов в практических устройствах нецелесообразно.
В связи с этим внимание ученых стали привлекать материалы, называемые разбавленными магнитными полупроводниками (РМП). Под ними понимаются полупроводники, в структуру которых введены магнитные атомы. Первые РМП были синтезированы еще в 90-е годы прошлого столетия. Так, например, арсенид индия (GaAs) и арсенид индия (InAs), легированные марганцем (Ми), проявляли ферромагнитные свойства при температурах -150 К [4, 5]. К настоящему времени, благодаря улучшению технологий получения образцов, удалось повысить температуру магнитного упорядочения в этих соединениях до -200 К [6].
Однако эти температуры достаточно далеки от комнатных. Поэтому ведется поиск РМП с температурой Кюри выше комнатной. В теоретической работе [7] было показано, что широкозонные полупроводники, легированные марганцем, могут проявлять ферромагнитные свойства при температурах даже выше комнатной. Позднее, в работе [8] было подтверждено, что данные теоретические предположения верны и для других легирующих 3d элементов, в том числе и для железа.
Данные теоретические работы послужили основой для экспериментальных исследований. Действительно, сообщалось о получении магнитных свойств в РМП на основе оксида цинка и других широкозонных оксидах [9, 10]. Однако, в то же время, некоторые исследователи обнаруживали антиферромагнитные [11], парамагнитные [12] свойства, а также состояния спинового стекла [13]. Поэтому до сих пор остаются невыясненными полностью причины возникновения магнитных свойств в этих соединениях.
Предполагаются несколько возможных объяснений возникновения магнитного упорядочения в этих соединениях. Первой возможной причиной является замещение магнитными атомами катионных позиций в матрице полупроводника. Собственно, такая ситуация рассматривалась в теоретической работе [7]. Вторым вариантом рассматривается так называемый "с10-магнетизм"- магнетизм, возникающий вследствие упорядочения дефектов, вакансий, образующихся в большом количестве при легировании образцов [14].
Еще одним возможным вариантом является образование магнитных кластеров из введенных примесей. На эту возможность указывают многие авторы [15]. Очевидно, что такие соединения не являются РМП, а должны быть отнесены к нанокомпозитным системам. Однако отмечается [16], что подобного рода нанокомпозигы ферромагнетик-полупроводник могут найти широкое применение в таких устройствах, как флеш-память, в эффективных лазерах, в источниках одиночных фотонов. Кроме того, возможность контроля формы наночастиц открывают большие возможности для широкого использования данных материалов.
Наночастицы в таких структурах должны быть когерентно встроены в структуру матрицы. В противном случае, на границах раздела будет происходить дополнительное рассеяние, что отрицательно влияет на эффективность устройств. Оксид магния является одним из наиболее "совместимых" материалов для атомов железа - пожалуй, наиболее популярного магнитного материала. Дело в том, что степень рассогласования решеток этих двух материалов мал, и составляет, например, 3.5 % для эпитаксиальных пленок [17].
Актуальностью работы является получение и исследование свойств металлических ферромагнитных наночастиц железа, когерентно встроенных в структуру оксида магния.
Объектом исследования является монокристаллическая подложка оксида магния (100), имплантированная ионами железа с энергией 40 кэВ и с дозой 1.5*10 ионов/см . Исследования проводились методами мёссбауэровской спектроскопии конверсионных электронов, ферромагнитного резонанса, вибрационной магнитометрии.
Целью работы являлось изучение магнитных свойств оксида магния, имплантированного ионами железа с высокой дозой.
Основные задачи, решенные в этой работе:
• изучение магнитного фазового состава полученного образца;
• исследование магнитных и магнитно-анизотропных свойств синтезированного материала.
Научная новизна работы заключается в том, что были детально исследованы магнитные и структурные свойства оксида магния, имплантированного ионами железа с высокой дозой. Впервые была изучена магнитная анизотропия имплантированного железом оксида магния методом спектроскопии ферромагнитного резонанса.
Во введении дипломной работы обоснована актуальность темы исследования имплантированных переходными элементами оксидов, обозначены цель и задачи, решенные в ходе выполнения работы. Также отмечена научная новизна полученных результатов.
В первой главе приводится литературный обзор, в котором кратко охарактеризован оксид магния, а также научные и технические области, где исследуется этот материал. Также проанализированы исследования, связанные с легированием оксида магния различными элементами, в том числе методом ионной имплантации.
Во второй главе кратко описаны методы синтеза и исследования исследуемого образца.
В параграфе 2.1 описаны основные принципы метода и техника ионной имплантации, использованной для создания исследуемого материала, отмечены её важные преимущества; указаны параметры процесса имплантации.
В параграфе 2.2 кратко описаны методы исследования, использованные для характеристики изучаемого образца. Обоснована и приведена краткая теория описания угловых зависимостей сигнала ФМР. Указаны техника и условия проведения экспериментов.
В третьей главе приведены результаты исследований образца разными методами, проведен сопоставительный анализ результатов. Высказаны предположения и доводы, объясняющие причины возникновения магнитных анизотропных свойств в имплантированном атомами железом оксиде магния.
В заключении приведены основные результаты, полученные в рамках проведенной работы, и выводы на их основе. Указаны дальнейшие направления изучения данного материала.
Концепция спинтроники (спиновая электроника) предполагает использования спиновой степени свободы носителей вместе (а иногда и отдельно) с их зарядом. Спинами электронов можно управлять с помощью магнитных полей, внешних и внутренних. Разумеется, для создания устройств спинтроники должны использоваться материалы, проявляющие ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Для создания логических элементов, сходных с классической кремниевой, нужно иметь два класса материалов: проводники и полупроводники.
Известны достаточно много магнитных металлов с температурами Кюри выше комнатной, с разными значениями коэрцитивных полей, с разной спиновой поляризацией. Однако большой научной проблемой является создание магнитных полупроводников, работающих при комнатной температуре. Данная проблема заняла свое оправданное место среди 125 главных проблем человечества по версии журнала Science, которые должны быть решены в ближайшее время [2].
На начальном этапе поиска перспективных материалов большой интерес ученых привлекали магнитные полупроводники, такие как халькогениды европия. Действительно, эти материалы проявляли магнитные свойства и являлись одновременно полупроводниками. Однако эти соединения имеют большой недостаток - температура перехода в магнитоупорядоченное состояние (температура Кюри) у этих соединений много ниже комнатной и находится в области гелиевых температур. Так, например, для EuS Тс < 20 К [3]. Кроме того, нет никаких предпосылок для увеличения температур перехода [1]. Очевидно, что использование таких материалов в практических устройствах нецелесообразно.
В связи с этим внимание ученых стали привлекать материалы, называемые разбавленными магнитными полупроводниками (РМП). Под ними понимаются полупроводники, в структуру которых введены магнитные атомы. Первые РМП были синтезированы еще в 90-е годы прошлого столетия. Так, например, арсенид индия (GaAs) и арсенид индия (InAs), легированные марганцем (Ми), проявляли ферромагнитные свойства при температурах -150 К [4, 5]. К настоящему времени, благодаря улучшению технологий получения образцов, удалось повысить температуру магнитного упорядочения в этих соединениях до -200 К [6].
Однако эти температуры достаточно далеки от комнатных. Поэтому ведется поиск РМП с температурой Кюри выше комнатной. В теоретической работе [7] было показано, что широкозонные полупроводники, легированные марганцем, могут проявлять ферромагнитные свойства при температурах даже выше комнатной. Позднее, в работе [8] было подтверждено, что данные теоретические предположения верны и для других легирующих 3d элементов, в том числе и для железа.
Данные теоретические работы послужили основой для экспериментальных исследований. Действительно, сообщалось о получении магнитных свойств в РМП на основе оксида цинка и других широкозонных оксидах [9, 10]. Однако, в то же время, некоторые исследователи обнаруживали антиферромагнитные [11], парамагнитные [12] свойства, а также состояния спинового стекла [13]. Поэтому до сих пор остаются невыясненными полностью причины возникновения магнитных свойств в этих соединениях.
Предполагаются несколько возможных объяснений возникновения магнитного упорядочения в этих соединениях. Первой возможной причиной является замещение магнитными атомами катионных позиций в матрице полупроводника. Собственно, такая ситуация рассматривалась в теоретической работе [7]. Вторым вариантом рассматривается так называемый "с10-магнетизм"- магнетизм, возникающий вследствие упорядочения дефектов, вакансий, образующихся в большом количестве при легировании образцов [14].
Еще одним возможным вариантом является образование магнитных кластеров из введенных примесей. На эту возможность указывают многие авторы [15]. Очевидно, что такие соединения не являются РМП, а должны быть отнесены к нанокомпозитным системам. Однако отмечается [16], что подобного рода нанокомпозигы ферромагнетик-полупроводник могут найти широкое применение в таких устройствах, как флеш-память, в эффективных лазерах, в источниках одиночных фотонов. Кроме того, возможность контроля формы наночастиц открывают большие возможности для широкого использования данных материалов.
Наночастицы в таких структурах должны быть когерентно встроены в структуру матрицы. В противном случае, на границах раздела будет происходить дополнительное рассеяние, что отрицательно влияет на эффективность устройств. Оксид магния является одним из наиболее "совместимых" материалов для атомов железа - пожалуй, наиболее популярного магнитного материала. Дело в том, что степень рассогласования решеток этих двух материалов мал, и составляет, например, 3.5 % для эпитаксиальных пленок [17].
Актуальностью работы является получение и исследование свойств металлических ферромагнитных наночастиц железа, когерентно встроенных в структуру оксида магния.
Объектом исследования является монокристаллическая подложка оксида магния (100), имплантированная ионами железа с энергией 40 кэВ и с дозой 1.5*10 ионов/см . Исследования проводились методами мёссбауэровской спектроскопии конверсионных электронов, ферромагнитного резонанса, вибрационной магнитометрии.
Целью работы являлось изучение магнитных свойств оксида магния, имплантированного ионами железа с высокой дозой.
Основные задачи, решенные в этой работе:
• изучение магнитного фазового состава полученного образца;
• исследование магнитных и магнитно-анизотропных свойств синтезированного материала.
Научная новизна работы заключается в том, что были детально исследованы магнитные и структурные свойства оксида магния, имплантированного ионами железа с высокой дозой. Впервые была изучена магнитная анизотропия имплантированного железом оксида магния методом спектроскопии ферромагнитного резонанса.
Во введении дипломной работы обоснована актуальность темы исследования имплантированных переходными элементами оксидов, обозначены цель и задачи, решенные в ходе выполнения работы. Также отмечена научная новизна полученных результатов.
В первой главе приводится литературный обзор, в котором кратко охарактеризован оксид магния, а также научные и технические области, где исследуется этот материал. Также проанализированы исследования, связанные с легированием оксида магния различными элементами, в том числе методом ионной имплантации.
Во второй главе кратко описаны методы синтеза и исследования исследуемого образца.
В параграфе 2.1 описаны основные принципы метода и техника ионной имплантации, использованной для создания исследуемого материала, отмечены её важные преимущества; указаны параметры процесса имплантации.
В параграфе 2.2 кратко описаны методы исследования, использованные для характеристики изучаемого образца. Обоснована и приведена краткая теория описания угловых зависимостей сигнала ФМР. Указаны техника и условия проведения экспериментов.
В третьей главе приведены результаты исследований образца разными методами, проведен сопоставительный анализ результатов. Высказаны предположения и доводы, объясняющие причины возникновения магнитных анизотропных свойств в имплантированном атомами железом оксиде магния.
В заключении приведены основные результаты, полученные в рамках проведенной работы, и выводы на их основе. Указаны дальнейшие направления изучения данного материала.
В работе приведены результаты комплексного исследования магнитных свойств оксида магния, имплантированного ионами железа с дозой 1,5*10 ионов/см . Результаты вибрационной магнитометрии показывают, что образец проявляет ферромагнитные свойства при комнатной температуре. При этом присутствует существенный парамагнитный вклад, подчиняющийся закону Кюри. Методом мёссбауэровской спектроскопии в геометриях пропускания и регистрации электронов конверсии показано, что имплантированная примесь железа оказывается в разных фазовых и валентных состояниях. Одна часть примеси формирует фазы металлического железа и феррита магния в виде наночастиц. Было предположено, что ферромагнитные частицы покрыты оксидной оболочкой, антиферромагнитной при низких температурах (~10 К). Такая конфигурация проявляется в виде обменного сдвига петли магнитного гистерезиса при охлаждении в поле насыщения. Другая часть железа в двух- и трехвалентных состояниях замещает катионные позиции в структуре оксида магния. Парамагнитная примесь трехвалентного железа, как было показано по результатам магнитного резонанса, образует комплексы с анионными вакансиями Fe3++V0. Парамагнитная часть примеси распределена относительно равномерно по всей глубине облученного слоя, тогда как частицы сконцентрированы ближе к имплантированной поверхности.
В спектре магнитного резонанса присутствует полоса поглощения ферромагнитного резонанса, обусловленная частицами металлического железа. Большая ширина полосы связана с разбросом этих частиц по размерам. Показано наличие кубической анизотропии ферромагнитного сигнала в имплантированной плоскости. На основании этого было сделано заключение, что частицы металлического железа когерентно встроены в матрицу оксида магния. Относительно небольшой вклад одноосной анизотропии в той же плоскости связано с асимметрией формы частиц. Также показано наличие сильной магнитной анизотропии в направлении, перпендикулярном имплантированной плоскости. Это связано с возникновением сильного размагничивающего поля вдоль нормали к плоскости имплантированного слоя. Получены эффективные значения намагниченности и константы кубической магнитокристаллической анизотропии для ферромагнитных частиц железа. Детальное изучение парамагнитных ионов требует дальнейших исследований.
В спектре магнитного резонанса присутствует полоса поглощения ферромагнитного резонанса, обусловленная частицами металлического железа. Большая ширина полосы связана с разбросом этих частиц по размерам. Показано наличие кубической анизотропии ферромагнитного сигнала в имплантированной плоскости. На основании этого было сделано заключение, что частицы металлического железа когерентно встроены в матрицу оксида магния. Относительно небольшой вклад одноосной анизотропии в той же плоскости связано с асимметрией формы частиц. Также показано наличие сильной магнитной анизотропии в направлении, перпендикулярном имплантированной плоскости. Это связано с возникновением сильного размагничивающего поля вдоль нормали к плоскости имплантированного слоя. Получены эффективные значения намагниченности и константы кубической магнитокристаллической анизотропии для ферромагнитных частиц железа. Детальное изучение парамагнитных ионов требует дальнейших исследований.