Исследование природы ферромагнетизма в диоксиде титана (TiO2), имплантированном ионами переходной группы железа

• Автор: Ачкеев, Андрей Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Магнитноразбавленные оксидные полупроводники как новый класс магнитных полупроводников

1.2 Структура и основные физические свойства диоксид титана с примесью Зо-

ЭЛЕМЕНТОВ

1.2.1 Кристаллическая структура

1.2.2. Электронная структура и электрические свойства

1.2.3 Оптические свойства чистого и легированного диоксида титана

1.2.4 Магнитные свойства

1.3 Ионная имплантация как способ легирования тонкого приповерхностного слоя
1.4 Основные теоретические модели ферромагнетизма в магниторазбавленных полупроводниках
1.5 Выводы по главе
ГЛАВА 2. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ТЮ2, ИМПЛАНТИРОВАННОМ ИОНАМИ КОБАЛЬТА И ЖЕЛЕЗА
2.1 Введение
2.2 Результаты экспериментальных исследований как основа для построения модели
ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ТЮ2, ИМПЛАНТИРОВАННОМ ЗО-ЭЛЕМЕНТАМИ
2.2.1 Эксперимент
2.2.2 Структурные измерения
2.2.3 Магнитные измерения и магнитно-фазовый состав образцов
2.3 ПОСТРОЕНИЕ ДВУХФАЗНОЙ МОДЕЛИ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ИМПЛАНТИРОВАННОМ РУТИЛЕ
2.3.1 Случай «холодной» подложки
2.3.2 Случай «горячей» подложки
2.4 Модель распределения примеси в процессе ионно-лучевого синтеза
2.4.1 Постановка задачи. Математическая модель процесса имплантации
2.4.2 Аналитическое решение модели без учета процесса преципитации имплантабЗ
2.4.3 Численное решение модели с учетом процессов преципитации примеси.
2.5 Сравнение с экспериментом

2.5.1 Случай имплантации кобальтом
2.5.2 Случай имплантации железом
2.6 Выводы по главе
ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДАЛЬНЕГО МАГНИТНОГО ПОРЯДКА В ТЮ2, ИМПЛАНТИРОВАННОМ ИОНАМИ ЗЦ-ЭЛЕМЕНТОВ
3.1 Введение
3.2 Физические основы механизма возникновения ферромагнетизма..
3.3 Критерий возникновения ферромагнитного состояния
3.4 Обсуждение полученных расчетов и сравнение с экспериментом.
3.5 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ И РАСПЫЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА НА КОНЕЧНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ

Введение
Актуальность темы
В 2005 году авторитетный научный журнал “Science” в честь своего 125-летия опубликовал 125 важнейших вопросов из всех областей знаний, которые стоят перед наукой в целом и требуют своего решения в ближайшие двадцать пять лет [1]. Один из вопросов, относящийся к физическому материаловедению, был озвучен следующим образом: Можно ли создать магнитный полупроводник (МП), который бы работал при комнатной температуре? Магнитный полупроводник - это материал, обладающий как свойствами ферромагнетика, так и свойствами полупроводника одновременно. Столь высокий интерес к этому классу магнитных материалов обусловлен тем, что он является наиболее перспективным материалом для применения в спинтронике и магнитной оптоэлектронике. Такие материалы могут служить эффективными инжекторами спин-поляризованного тока в новых интегральных микросхемах и магнитоэлектронных приборах. Необходимые свойства ферромагнитных полупроводников для спинтроники - это высокая температура ферромагнитного упорядочения (выше 500 К), удовлетворяющая стандартам промышленного и бытового использования, и проводимость, близкая к проводимости обычных легированных полупроводников, например кремния, с которыми они могут быть объединены в гетероструктуры. Кроме того, для эффективной работы полупроводниковых спиновых гетероструктур необходимо, чтобы ферромагнитный полупроводниковый инжектор был однороден по элементнофазовому составу, т.е. представлял собой твердый раствор магнитной примеси в полупроводниковой матрице, и обладал высокими значениями как величины намагниченности насыщения, так и остаточной намагниченности и коэрцитивного поля при комнатной температуре. К настоящему времени нет прибора основанного на магнитном полупроводниковом материале, работающем при
Недостатком всех этих программ является то, что они не учитывают кристаллическую структуру облучаемой подложки, диффузионное перераспределение примеси по объему кристалла во время ионного облучения, а также возможное зарождение новых фаз.
Процесс ионного легирования полупроводников (ионная имплантация) донорной или акцепторной примесью давно и широко применяется в микроэлектронике при создании функциональных элементов и СБИС [38, 39]. Этот метод широко используется при создании полупроводниковых приборов с помощью планарной технологии. В этом качестве ионная имплантация применяется для образования в приповерхностном слое полупроводника областей с содержанием донорных или акцепторных примесей с целью создания р-п-переходов и других гетеропереходов, а также низкоомных контактов. В настоящее время, в научной литературе широко обсуждаются возможности метода ионной имплантации для получения ферромагнитных полупроводников путем внедрения в кристаллическую структуру полупроводника магнитных ионов 36- или 41-примеси с высокой концентрацией и при условиях, обеспечивающих дальний магнитный порядок и высокую температуру Кюри [40-42]. Впервые перспективы ионной имплантации для синтеза магнитных полупроводников на основе ТЮ2 с примесью Зй-элементов были продемонстрированы в работах конца 2003 - начала 2004 гг. [43, 44, 45]. В этих работах было показано, что в зависимости от режимов ионного облучения и последующего термического отжига имплантированные образцы оксидных материалов проявляют либо суперпарамагнитный отклик, либо ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Проведенные структурные исследования показали, что имплантированная примесь 3-с1 элементов может находиться либо в форме наноразмерных магнитных частиц, либо в форме парамагнитных ионов, замещающих “домашние” структурообразующие катионы металлов. Кроме того, проявилась специфика ионной имплантации как одного из перспективных методов синтеза магнитных полупроводников. В частности, в работе [46] впервые было показано, что имплантированные кобальтом монокристаллические