Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ Открытие семейства кластеров Мп,2 в 90 - ые годы привело к развитию физики высокоспиновых молекул Интерес к ним велик как в фундаментальной науке (необычные мезоскопические магнитные свойства в масштабе одной молекулы), так в практическом применении (спинтроника, квантовые компьютеры) В настоящее время одним из наиболее активно развивающихся направлений в молекулярном магнетизме является дизайн гибридных материалов, магнитные свойства которых зависят от электрического тока, пропускаемого через образец, или освещенности образца Для решения задачи синтеза гибридных функциональных соединений в лаборатории профессора ЭБ Ягубского ИПХФ РАН был использован комбинаторный подход, который заключается в сочетании в одной кристаллической решетке молекулярных строительных блоков, ответственных за электропроводность (оптическую активность) и магнетизм В качестве магнитной подсистемы использованы высокоспиновые кластере Mn!2 Электропроводящую подрешетку образуют молекулы тетраметилтетратиафульвалена (TMTTF) Оптически активную -нитрозильные комплексы рутения Нами впервые были исследованы магнитные свойства этих соединений
Очевидные трудности интегрирования вышеупомянутых образцов в современную полупроводниковую электронику (легкоплавкость, гигроскопичность, трудности в изготовлении омических контактов) стимулируют поиск альтернативных функциональных неорганических полупроводниковых твердых тел В качестве таких материалов в течение последнего десятилетия рассматривались полупроводники III, V групп, легированные переходными металлами Из недавних обзоров на эту тему следует, что, например, GaN или GaAs Мп, хотя и обладают нужными на практике свойствами (магнитосопротивлением, переключением магнитных состояний электрическим током и тл), но демонстрируют магнитное упорядочение при весьма низких температурах 2 - 100 К Поэтому в последние годы исследователи обратились к полупроводникам IV группы (Si и Ge) [1-3] Как правило, основной вклад в магнитную восприимчивость таких полупроводников дают кластеры сплавов, которые образуются в полупроводниках при высоких концентрациях примеси Магнетизм такого рода давно известен и хорошо изучен
Для решения проблемы агрегации примесных атомов переходных металлов в кластеры были развиты два пути Использование ионной имплантации, позволяющей избежать диффузии примеси в кластеры, и создание наноструктур, поверхностная энергия которых вносит существенный вклад в баланс межатомных взаимодействий и кинетику диффузии Эти два метода открывают дополнительные возможности для регулирования условий кластерообразования и его подавления в Si и Ge [4, 5] Конечно, эти методы имеют и самостоятельный интерес для развития наноэлектроники «цифровых» сплавов и новой области наноструктур магнитных полупроводников Кроме того, наноструктурирование германия увеличивает растворимость примеси переходных металлов в его кристаллической решетке до желаемых I - 2 %, обеспечивающих магнитоупорядоченное состояние В нанопроволоках германия, легированного переходными элементами, температура Кюри становится высокой ~ 320 К [6] Детальные исследования таких наноструктур показывают, что в них возможны новые типы магнитных возбуждений, новые
закономерности переноса электрического заряда и спина и, главное, взаимосвязанное поведение намагниченности и проводимости, обеспечивающее эффекты переключения намагниченности электрическим током [7] В связи с этим практическая важность наноструктур высокотемпературных ферромагнитных полупроводников не вызывает сомнений В настоящее время имеются лишь предварительные попытки экспериментального исследования магнитных свойств легированных полупроводников на основе кремния и германия Поэтому экспериментальное исследование магнитных свойств таких материалов позволит приблизиться к пониманию физической природы высокотемпературного магнитного упорядочения в наноструктурах магнитных полупроводников и причин влияния ограничений размерности на их магнитные свойства и электропроводность
ЦЕЛЬ РАБОТЫ установление взаимосвязи между спиновой динамикой и высокочастотными магнитными и электрическими свойствами новых гибридных молекулярных магнетиков на основе высокоспиновых кластеров марганца и германиевых наноструктур (пленок Ge, имплантированного Мп, и нанопроволок Ge, легированного Мп, Со) Обнаружение влияния ограничений размерности на магнитные и электрические свойства полупроводниковых наноструктур
Исследования были сосредоточены на решении следующих задач
разделение вкладов локализованных спинов и спинов носителей заряда в магнитную восприимчивость нанопроволок германия, легированного марганцем и кобальтом,
анализ роли размерности наноструктур магнитных полупроводников в их магнитных и электропроводящих свойствах,
поиск магниторезистивных эффектов в наноструктурах германия, легированного переходными металлами,
определение коэрцитивной силы, высоты потенциального барьера между спиновыми состояниями, обусловленного расщеплением спиновых уровней в нулевом поле и времени релаксации намагниченности гибридных молекулярных магнетиков на основе высокоспиновых комплексов марганца, а также выявление роли его окружения (молекулы TMTTF, нитрозильные комплексы Ru)
НАУЧНАЯ НОВИЗНА в данной работе проведены исследования статических и высокочастотных динамических магнитных и электропроводящих свойств наноструктур германия, легированного переходными металлами (квазиодномерных нанопроволок и квазидвумерных тонких пленок) одинакового состава и с одинаковым количеством примесных ионов Анализ данных, полученных в данной работе, и их сравнение с литературными данными позволили установить, что ограничение размерности ведет к увеличению температуры ферромагнитного упорядочения в наноструктурах германия, легированного переходными металлами Кроме того, обнаружено, что при переходе от квазидвумерной к квазиодномерной системе Ge Мп происходит подавление микроволнового магнитосопротивления, что свидетельствует о влиянии
ограничений размерности на спин - зависимое рассеяние носителей заряда в системе GeMn
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ В настоящее время актуален поиск путей развития электроники, предусматривающих миниатюризацию (наноэлектроника) и новые принципы работы ее элементов (спинтроника) Практический интерес к молекулярным магнетикам на основе высокоспиновых кластеров переходных металлов обусловлен их замечательным свойством - молекулярной бистабильностью Это означает, что магнитная молекула может находиться в двух состояниях с противоположным направлением магнитного момента Переходы между этими состояниями могут быть индуцированы магнитным полем Т е такая молекула представляет собой естественный запоминающий элемент Для характерного расстояния между молекулами ~ 10 нм плотность записи информации в такой молекулярной памяти составляла бы десятки Тбит/см2 Интерес к молекулярным наномагнетикам для практических применений (молекулярная магнитная наноэлектроника, квантовые компьютеры, устройства записи и хранения информации) [8] ограничивается проблемой записи и считывания информации, которую, казалось бы, можно решить, если химически связать кластер с фотохромным или электропроводящим блоком Но даже если удастся решить проблему записи и считывания информации, остается еще одна трудность -конечное время хранения информации При температуре 1,5 К время магнитной релаксации в системе Мп,2, достигая 108 с, все же оказывается недостаточным для современных компьютеров Коммерческие образцы магнитных дисков могут хранить информацию ~ 100 лет (109 - 1010с)
Высокую плотность записи информации могут обеспечить также германиевые нанопроволоки в диэлектрических мембранах, совместимые с существующей электроникой Корреляция магнитных и электропроводящих свойств, обнаруживаемая в таких материалах, позволит перейти к MRAM - памяти (magnetice random-access memory - магниторезистивная память с произвольным доступом), в которой отсутствуют механически движущиеся элементы, что позволяет сократить скорость чтения и записи информации На основе нанопроволок могут быть созданы сверхчувствительные электрометрические и тензометрические элементы и т д Обнаруженные в нанопроволоках и тонких пленках явления распространения спиновых волн могут служить физической основой для создания спинтронных приборов нового поколения, основанных на размерных эффектах
результаты исследований нанопроволок, тонких пленок германия, легированного переходными металлами и гибридных молекулярных магнетиков методом электронного спинового резонанса,
результаты определения статических магнитных характеристик (температуры Кюри, коэрцитивной силы, намагниченности насыщения) нанопроволок, тонких пленок германия, легированного переходными металлами и гибридных молекулярных магнетиков методом СКВИД - магнетометрии,
результаты измерений микроволнового магнитосопротивления нанопроволок и тонких пленок германия, легированного переходными металлами в резонаторе ЭПР - спектрометра
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА Автором диссертационной работы были проведены измерения температурных и полевых зависимостей намагниченности образцов на СКВИД - магнетометре, получены спектры электронного спинового резонанса образцов на ЭПР - спектрометре, обработаны и проанализированы экспериментальные данные в программных пакетах Origin, Mathematica, WmEPR Подготовлены публикации по теме диссертации
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы докладывались на XXIV и XXV Всероссийских симпозиумах по химической кинетике (г Москва, 2006, 2007), XVIII и XIX Всероссийских симпозиумах «Современная химическая физика», (г. Туапсе, 2006, 2007), III Международной конференции «Высокоспиновые молекулы и молекулярные магнетики» (г Иваново, 2006), International conference on magnetism (Kyoto, Japan, 2006), International conference on magneto-science (Hiroshima, Japan, 2007), I и II Русско-Японских симпозиумах «Магнитные явления в физикохимии молекулярных систем» (г Оренбург, 2006, 2007), VII Voevodsky conference «Physics and chemistry of elementary chemical processes» (г Черноголовка, 2007), 3rd International Conference «Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields» (Tokyo, Japan, 2008), Международной научной конференции «Ломоносов-2008» (Москва, 2008)
Автор диссертации является призером конкурса молодых ученых, проводимого в рамках XXV Всероссийского симпозиума по химической кинетике и I Всероссийской олимпиады по нанотехнологиям «Нанотехнологии - прорыв в будущее», организованной МГУ
ПУБЛИКАЦИИ По теме диссертации опубликовано 5 статей в отечественных и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК и 14 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 1 таблицу и 67 рисунков Текст диссертации состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части и трех глав, содержащих описание и обсуждение результатов, завершается выводами и списком литературы (191 источник)
