Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния

• Автор: Николаев, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Содержание.
№
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Особенности транспортных свойств ферромагнитных материалов

1.1.1. Эффекты гигантского и анизотропного магнетосопротивления в магнитных материалах

1.1.2. Эффект Холла в магнитных пленках

1.2 Основные понятия теории перколяционной проводимости

1.3 Имеющиеся результаты исследований магнитных систем на основе кремния

Глава 2. Экспериментальная методика и ее апробация

2.1 Экспериментальная установка

2.2 Апробация экспериментальной методики
2.2.1 Исследования двухслойных пленок Сг/Со
2.2.2 Исследования поликристаллических пленок Fe3Si
Глава 3. Транспортные и магнитные свойства многослойных наноструктур Coo.4sFeo.45Zro.i/(e-Si)
3.1 Методика получения образцов
3.2 Зависимости сопротивления от толщины слоев металла и температуры
3.3 Магнетосопротивление
3.4 Намагниченность. '
3.5 Эффект Холла
Глава 4. Транспортные и магнитные свойства пленок MnvSii_v
4.1 Методика получения образцов
4.2 Структурные свойства
4.3 Намагниченность
4.4 Магнитотранспортные свойства
4.5. Модель ферромагнитного упорядочения
Заключение
Список литературы

Введение.
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 (MC) [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 Мп, 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 ipyimbi (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/(ö-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 Мп. 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 MnxSi|._t [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. Приютом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. G 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. MnvSii-j; 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 Мл, например, уже при; достаточно малых содержаниях может занимать как положения замещения, (акцепторные) кристаллической решетки, так и ее междоузельные (донорные) положения, причем при низких температурах роста слоев; (~ 300 °С) образовывать различные типы силицидов (MnSi, MipSi? 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 нх 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

-2-10 1 2 Н, кОе
ь) Н, кОе
Рис.2.2.1.4. Зависимость холловского сопротивления от магнитного поля, определяемая перпендикулярной (а) и продольной (Ь) компонентами намагниченности.