Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния



Скачать 270.74 Kb.
страница1/3
Дата27.04.2013
Размер270.74 Kb.
ТипАвтореферат диссертации
  1   2   3
Российский научный центр «Курчатовский институт»


на правах рукописи
НИКОЛАЕВ Сергей Николаевич


Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния

01.04.07 – физика конденсированного состояния


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико- математических наук
Москва

2009 г.

Работа выполнена в Институте молекулярной физики Российского научного центра «Курчатовский институт»


Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук Рыльков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук Веденеев Александр Сергеевич

кандидат физ.-мат. наук Пудонин Федор Алексеевич

Ведущая организация Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «__» ________ 20__ г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 520.009.01 в РНЦ «Курчатовский институт» (123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, д. 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан «__» _________ 20__ г.
Ученый секретарь

диссертационного совета А.В. Мерзляков

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 Mn, 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 Mn. 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 MnxSi1-x [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 низкой растворимостью в Si переходных 3d металлов и высокой химической активностью кремния, обусловливающей формирование различных типов силицидов. В этом случае Mn, например, уже при достаточно малых содержаниях может занимать как положения замещения (акцепторные) кристаллической решетки, так и ее межузельные (донорные) положения, причем при низких температурах роста слоев (≈ 300 оС) образовывать различные типы силицидов (MnSi, Mn4Si7 и др.). Другими словами, магнитные системы на основе кремния являются сильно неупорядоченными объектами, беспорядок которых обусловлен не только флуктуациями кулоновского и обменного взаимодействий как в обычных РМП, но и сильными структурными флуктуациями их состава. Понимание электрофизических свойств таких систем находится в настоящее время в зачаточном состоянии. Поэтому исследования спин-зависящих эффектов в их электронном транспорте являются актуальной научно и практически значимой задачей.

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

Целью работы являлось экспериментальное исследование спин-зависящих эффектов в электронном транспорте Si магнитных систем (многослойных Co0.45Fe0.45Zr0.1/(a-Si) структур и MnxSi1-x слоев) методами магнетосопротивления, аномального и планарного эффектов Холла.

При достижении поставленной цели решены следующие задачи:

  • Создана экспериментальная методика прецизионных измерений транспортных характеристик неупорядоченных объектов в диапазоне температур 5 – 300 K в полях до 3 Тл, которая, в частности, апробирована на примере исследований планарного эффекта Холла в напряженных двухслойных структурах на основе Со и антиферромагнетика Cr, а также в поликристаллических пленках силицида Fe3Si.

  • Изучены магнитополевые, температурные и концентрационные зависимости эффекта Холла (включая ПЭХ) и магнетосопротивления: 1) в многослойных Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si структурах с различной толщиной a-Si (ds = 0.7-3.5 нм) и металла (dm = 2.5-3.5 нм); 2) в MnxSi1-x слоях с повышенным содержанием Mn (около 35 ат. %).


Научная новизна работы

1. Исследованы эффект Холла и магнитосопротивление в двухслойных пленках Сr(5нм)/Со(20нм), полученных ионным распылением на кремниевую подложку. В этих структурах выявлен планарный эффект Холла (ПЭХ), который в отличие от обычно наблюдаемого ПЭХ, является симметричным по знаку изменения угла поворота магнитного момента в плоскости пленки. На основе измерений петель гистерезиса намагниченности при различных ориентациях поля и ПЭХ при наложении слабого продольного поля показано, что симметричный ПЭХ связан с многодоменным состоянием пленки Сo в двухслойных структурах Cr/Co.

  1. Исследованы многослойные (с чилом бислоев 100) структуры Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si, полученные путем ионно-лучевого распыления на ситалловые подложки при комнатной температуре. Показано, что при уменьшении толщины металла dm от 3 до 1.3 нм проводимость структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при dmdmc  2.2 нм, сопровождаемый экспоненциальным 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 Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si температурная зависимость сопротивления подчиняется закону вида , типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.

  2. 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.

  3. Показано, что при T = 300 K и ориентации поля вдоль плоскости структуры Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si отношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения в структурах с ds  1 нм составляет Mr/Ms  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 Hs, наблюдаемых в достаточно толстых аморфных пленках. Отношение Mr/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 T = 300 K.

  4. Предложена качественная модель для описания обнаруженных особенностей многослойных структур Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-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 Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si характеризует в первую очередь эффекты поворота магнитного момента величиной  0.7 Ms и определяется эффектом АМС.

  5. Исследованы транспортные и магнитные свойства слоев MnхSi1-х с высоким содержанием Mn (около 35 ат.%), полученных методом лазерной эпитаксии при 300 – 350oС. Впервые в системе на основе Si и Mn обнаружен аномальный эффект Холла (AЭХ), который доминирует над нормальной компонентой эффекта Холла вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до  230 К. Знак АЭХ оказался противоположен дырочному типу проводимости MnхSi1-х слоев, концентрация которых в слоях достигает p  21022 см-3. Показано, что для образцов, выращенных при температурах роста Tg = 300оС, АЭХ определялся механизмом “skew-scattering”, тогда как при повышении Tg до 350оС и увеличении проводимости образцов наблюдается переход к “side-jump” механизму АЭХ. Большие значения температуры Кюри (Тс > 200К), полученных слоев, невозможно объяснить только формированием силицидов Mn, поскольку их максимальные значения Тс не превышают 50 K.

  6. Показано, что MnхSi1-х слои обладают металлическим типом проводимости (падение сопротивления при уменьшении T от 300 до 5 K достигает 2 раз). При этом температурные зависимости сопротивления образцов демонстрируют резкий спад при температурах ниже 40K. В этих условиях обнаружено необычное поведение петли гистерезиса АЭХ - вплоть до уменьшения коэрцитивного поля с понижением температуры в образце с минимальным содержанием дефектов.

  7. Установлено, что намагниченность насыщения MnхSi1-х слоев слабо уменьшается при увеличении температуры до 200 K. Показано, что при T = 77 K полевая зависимость намагниченности М(B) носит гистерезисный характер. При этом полевая зависимость холловского сопротивления RH(B) коррелирует c поведением намагниченности М(B), 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.

  8. Свойства MnхSi1-х слоев объясняются в рамках модели двухфазной системы, в которой ферромагнитные (ФМ) кластеры, содержащие междоузельные ионы Mn с локализованным спином, встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2-x (x » 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 2×1022 см-3, так и обменом через спиновые флуктуации. Об эффекте вымораживания этих флуктуаций 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 Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при толщинах Co0.45Fe0.45Zr0.1 слоев dmdmc  2.2 нм. При dm ≥ 2.5 нм температурная зависимость сопротивления структур подчиняется закону вида , типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.

2. В отличие от нанокомпозитов в структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/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.

3. В слоях MnхSi1-х с высоким содержанием Mn (≈ 35 ат.%) аномальный эффект Холла (AЭХ) 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.

4. При Т < 40 K в образцах MnхSi1-х/Al2O3 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 MnхSi1-х/GaAs образцов наблюдается уменьшение их магнитной восприимчивости.

5. Ферромагнетизм (ФМ) MnхSi1-х слоев объясняется в рамках модели двухфазной системы, в которой кластеры с локализованным спином встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2-x (x  0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ порядок обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители (p 2×1022 см-3 ), так и обменом через спиновые флуктуации матрицы, об эффекте вымораживания которых при Т < 40 K 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.
  1   2   3

Похожие:

Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния icon01. 04. 07 [Физика конденсированного состояния]
В основу настоящей программы положены основные разделы физики конденсированного состояния, касающиеся основных физических проблем...
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconМесто проведения исследования: кафедра
Явление эффекта Холла, его физическая сущность. Основные физические процессы, связанные с эффектом Холла. Эффект Холла в полупроводниках....
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconПрограмма дисциплины «физика неупорядоченных полупроводников»
Целью курса является знакомство с основами физики неупорядоченных полупроводников, типах неупорядоченных материалов, особенностях...
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconРабочая программа по дисциплине физика конденсированного состояния для специальностей 010400 «Физика», 014000 «Медицинская физика»
«Физика», 014000 – «Медицинская физика», 014200 – «Биохимическая физика» и направления 510400 – «Физика»
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconВзаимосвязь электрических и магнитных свойств в сильно коррелированных электронных системах оксидов и халькогенидов переходных металлов 01. 04. 07 физика конденсированного состояния
...
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconГ. И. Геринг физика конденсированного состояния вещества учебное пособие
Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, специализирующихся в области физики конденсированного...
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconПоверхностная энергия и температура плавления малоразмерных фаз металлических систем 01. 04. 07 физика конденсированного состояния
Работа выполнена на кафедре физики наносистем Кабардино-Балкар­ского государственного университета им. Х. М. Бербекова
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconУчебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности 010701 Физика
Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (Специальность 010701 – физика) к обязательному...
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconДисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика, статистическая физика, физическая кинетика»
Ической механики и физической кинетики и формирование у студентов естественнонаучного мировоззрения и мышления. Курс призван продемонстрировать...
Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния 01. 04. 07 физика конденсированного состояния iconПрограмма вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 01. 04. 07 «Физика конденсированного состояния»
Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 010700 Физика...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org