Разбавленный магнитный полупроводник на основе ZnSiAs2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Федорченко, Ирина Валентиновна

• Федорченко, Ирина Валентиновна
• кандидат химических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат химических наук Федорченко, Ирина Валентиновна

Введение.

Глава 1 . Литературный обзор.

1.1 Разбавленные магнитные полупроводники на основе соединений AnGeCv2 допированные марганцем.

1.1.1 ZnGeP2 допированный Мп.

1.1.2 CdGeP2 допированный Мп.

1.1.3 ZnGeAs2 допированный Мп.

1.1.4 CdGeAs2 допированный Мп.

1.2 Физико-химические свойства легированного и нелегированного ZnSiAs2.

1.2.1 Электрофизические свойства соединений AnSiCv2.

1.2.2 Параметры элементарной ячейки соединений AnSiCV2.

1.2.3 Получение соединений AnSiCv2.

1.2.4 Область гомогенности соединений AnSiCv2.

1.2.5 Легирование ZnSiAs2.

1.2.6 Физико-химические свойства допированного марганцем ZnSiAs2.

1.2.7 Диссоциация и давление пара над ZnSiAs2.

1.3 Анализ тройной фазовой диаграммы Zn-Si-As2 на основе двойных систем.

1.3.1 Фазовая диаграмма Zn-As.

1.3.2 Фазовая диаграмма Si-As.

1.3.3 Фазовая диаграмма Zn-Si.

1.4 Магнитные и электрические свойства арсенида марганца.

1.4.1 Фазовая диаграмма Mn-As.

1.4.2 Экспериментальная Р-Т диаграмма магнитных и структурных состояний MnAs.

Глава 2 . Методики Эксперимента.

2.1. Рентгенофазовый анализ.

2.2. Дифференциально термический анализ.

2.3. Микроструктурный анализ.

2.4. Рентгеноспектальный анализ.

2.5. Рентгенофлуоресцентный микроанализ.

2.6. Измерения элекропроводности и эффекта Холла.

2.7. Измерения намагниченности в широких интервала темрератур и магнитных полей.

2.8. Методики нанесения тонких пленок ХпАъг и Мп.

Глава 3 Экспериментальная часть.

3.1 Фазовые равновесия в тройной системе.

3.1.1 Триангуляция системы гп-БьАз.

3.1.2 Изучение разреза З^пАэг тройной системы 2п-81-Аб.

Глава 4 Синтез и исследование магнитных и электрических свойств объемных кристаллов гг^АБг с различным содержанием Мп.

4.1 Синтез и идентификация кристаллов 2п81Аб2 с различным содержанием Мп.

4.2 Магнитные и электрические свойства 2п81Аз2 с различным содержанием Мп.

Глава 5 Получение гетероструктуры 81/2п81Аз2 допированной Мп.

5.1 Подготовка кремниевых подложек, приготовление раствор расплава и проведение жидковазной эпитаксии.

5.2 Индентификация, магнитные и электрические свойства гетероструктуры 81/2п81Аз2 допированной Мп.

Выводы.

Список основных публикаций.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разбавленный магнитный полупроводник на основе ZnSiAs2»

В настоящее время перспективным направлением науки являются нанотехнологии. Это связано не только с миниатюризацией, но и с появлением принципиально новых задач, решение которых недоступно на «микро» уровне. В связи с этим, микроэлектроника постепенно уступает свое место наноэлектронике, которая уже успела прижиться в наших домах в считывающих головках жестких дисков, сенсорах магнитного поля, датчиках углового вращения [1]. Создание таких устройств было бы невозможно без развития спинтроники.

Термин «Спинтроника» произошел от англ. spin (верчение, кручение) и electronic, т.е. означает электронику, основой которой является крутящий момент электрона, т.е. спин [2].

Основными предпосылками для развития спинтроники стали очевидные преимущества устройств на её основе [1]:

S Переворот спина практически не требует затрат энергии, т.е. энергетически экономные устройства; S В промежутках между операциями устройство отключается от источника питания, что очень ценно с точки зрения энергонезависимой памяти; S При изменении направления спина, его кинетическая энергия не изменяется, это означает, что устройство практически не греется; •S Скорость переворота спина очень высока, всего несколько пикосекунд, что увеличит быстродействие приборов на основе спинтроники.

Специалисты прогнозируют три основных направления развития спинтроники в ближайшее время,- квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память [1].

Несмотря на то, что устройства спинтроники все активней заменяют привычные электронные микросхемы, основным препятствием, стоящем на пути интеграции спинтронных приборов, является создание ферромагнитных полупроводников с температурой Кюри выше комнатной и изоструктурных уже применяемым материалам.

Использование в качестве эмиттеров поляризованных спинов ферромагнитных (ФМ) металлов дает степень спиновой поляризации не более 10%. При криогенных температурах более высокая степень поляризации до 100% получается в структурах полупроводник-ЕиО и полупроводник-халькогенидные шпинели. Однако приборы, работающие при криогенных температурах, не удобны для практических приложений. Кроме того, возникают большие технологические трудности создания низкоомного электрического контакта ферромагнетик и полупроводник. Считается, что получить хороший электрический контакт и высокую степень поляризации электронов, можно созданием разбавленного магнитного полупроводника (РМП) с точкой Кюри выше комнатной, структурно сочетаемого с известными полупроводниками. В качестве перспективного варианта создания (РМП), считается вариант допирования (1-элементами (Мп, Сг, Ре) традиционных полупроводников. Лучшие результаты были получены на нанопленках ва^ хМпхА8, с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Эти пленки были ферромагнитны с температурой Кюри Тс, < 170К [3]. Однако, в спинтронике нужны РМП с температурой Кюри выше комнатной. Соединения А1ГВ1УСУ2 являются электронным аналогом АШВУ, но в отличие от них, они могут растворять большие количества Мп за счет особенности халькопиритов, как двухкатионных полупроводников, при этом ферромагнитный эффект возникает за счет связанного замещения марганцем в двухкатионных подрешетках [4].

Недавно, при допировании Мп халькопиритов АПВ1УСУ2, в частности СсЮеАэг и 2пОеАБ2, были получены Тс соответственно 355 и 367К [5, 6, 7], что стимулировало интерес к поиску новых ферромагнитных полупроводников на основе других соединений из этой группы халькопиритов лучше структурно совместимых с кремнием.

В настоящей работе, на основе анализа литературные данные, была поставлена цель получить РМП, структурно совместимый с с Тс выше комнатной, поэтому в качестве объекта исследования из группы полупроводников АПВ1УСУ2 был выбран диарсенид кремния и цинка (2п81А82). В пользу выбора этого соединения можно отметить, несмотря на то что 2п81Аз2 и 81, кристаллизуются в разных сингониях, по плоскости (001) разница в параметрах кристаллических решёток ZnSiAs2 и 81 составляет менее 2%, это делает возможным их эпитаксиальное наращивание. В работе также рассматривается возможность получения магниточувствительной гетероструктуры 81/гп81А52<Мп> с помощью жидко-фазной эпитаксии.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Федорченко, Ирина Валентиновна

Выводы

1. Разработаны физико-химические основы синтеза нового разбавленного магнитного полупроводника на основе 2п81Аб2 с температурой Кюри выше комнатной.

2. Комплексом методов физико-химического анализа исследован разрез Бь 2пАб2 тройной фазовой диаграммы 2п-81-Аб. Было показано, что этот разрез является квазиравновесным, в котором образуется конгруэнтно плавящееся соединение 2п81Аз2, окруженное эвтектиками 81 + 2п81Аб2 и 2п81Аб2 + 2пАб2. Координаты эвтектик: 1298К, ~45 мол.% 2пАб2 и 998К, ~93 мол.% 2пАб2. Растворимость компонентов в 2п81Аб2 не превышала 1 мол.%.

3. Разработаны технологические условия синтеза пересыщенных твердых растворов 2п81Аз2 с Мп и показано, что растворимость марганца при температурах близких к температуре плавления 2п81Аб2 достигает ~ 3 масс.%., образование твердых растворов происходит преимущественным замещением элементов в катионной подрешетке 2п81Аб2 на атомы Мп.

4. Проведено измерение электрических и магнитных свойств 2п81Аб2 с Мп в широких интервалах температур и магнитных полей 5-К350 К и 0,1-50 кЭ -установлено, что температурная зависимость намагниченности имеет сложный характер. При Т >15 К преобладает спонтанная намагниченность с температурой Кюри выше комнатной, Тс возрастает с увеличением содержания марганца. При Т < 50 К с понижением температуры наблюдается резкое возрастание намагниченности, которое можно интерпретировать как дополнительный вклад от суперпарамагнитной или парамагнитной фазы. Эти результаты подтверждали работы теоретиков о возможности возникновения парамагнитной фазы при замещении марганцем элементов второй группы и ферромагнитной фазы при одновременном замещении элементов катионной подрешетки АПВ1УСУ2 на атомы марганца.

5. Показана возможность получения магниточувствительной гетероструктуры 81/2п81Аз2, методом жидкофазной эпитаксии с помочью синтеза раствор расплавов 2п81Аб2 с допированных Мп на монокристаллические кремниевые подложки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Федорченко, Ирина Валентиновна, 2008 год

1. Новоторцев В.М., Федорченко И.В., Куприянова Т.А., Королева Л.И., Шимчак Р., Маренкин С.Ф., Новый ферромагнитный материал на основе ZnSiAs2 с марганцем, // Химическая технология, 2007, Т. 8, № 9, С. 385-388.

2. Федорченко И.В., Куприянова Т.А., Маренкин С.Ф., КочураА.В., Разрез Si-ZnAs2 тройной системы Zn-Si-As, // Ж. Неорганической химии, 2008, Т. 53, №7, С. 1224-1228.

3. Королева Л.И., Защиринский Д.М., Хапаева Т.М., Маренкин С.Ф., Федорченко И.В., Шимчак Р., Крзуманска Б., Добровольский В., Киланский Л., Новый материал спинтроники халькопирит ZnSiAs2, легированный марганцем, //Физика твердого тела, 2009, Т.51., вып. 2.

4. Федорченко И.В., Моллаев А.Ю., Королева Л.И., Шимчак Р., Маренкин С.Ф., Новый ферромагнитный материал на основе ZnSiAs2{Mn}, // XIII Международный семинар «Магнитные фазовые переходы», г. Махачкала, 12-15 сентября 2007, с. 105-107.

5. Федорченко И.В., Киланский Л., Новый высокотемпературный ферромагнитный полупроводник ZnSiAs2<Mn>, // II Молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии», 16-18 октября 2007, Москва, МИТХТ, с. 82.

6. Новоторцев B.M., Маренкин С.Ф., Королева Л.И., Федорченко И.В., Аминов Т.Г., Кузнецов Н.Т., Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура // Патент № 2305723, 10 сентября 2007 г.