Исследование магнитных поверхностей и напряженных структур методами спектроскопии поляризованных электронов Галактионов, Михаил Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы. Пучки поляризованных по спину электронов находят широкое применение в различных областях физики, таких как атомная физика, физика высоких энергий, исследование магнетизма поверхностей и тонких пленок. В атомной физике активно развивается область исследований, основанная на экспериментах по спин-зависимому неупругому рассеянию электронов на атомах. В физике высоких энергий источники поляризованных электронов (ИПЭ) используются, в частности, для исследования явления нарушения четности при рассеянии поляризованных электронов, при изучении параметров слабого взаимодействия и нейтральных токов. В физике твердого тела интерес концентрируется в основном на изучении магнитных свойств. Фотоэлектронная спектроскопия с разрешением по энергии, углу и спину, спектроскопия спин-поляризованных электронов наряду со спин-поляризационной инверсной фотоэмиссией являются наиболее мощными инструментами при исследовании поверхностного магнетизма, а также магнетизма тонких пленок. С одной стороны, это связано с развитием технологий, позволяющих создавать магнитные системы с^: контролируемой точностью и возможностью их практического использования в микроэлектронике, с другой - с открытием новых физических закономерностей, приводящих к иному взгляду на саму природу магнетизма. Данная работа посвящена совершенствованию методов получения и регистрации поляризованных электронов и анализу магнетизма поверхности монокристалла БеМз-

Целями работы являются: 1) экспериментальное исследование фотокатодов с напряженными слоями GaAs, GaAsP, AlInGaAs с различными составами и толщинами рабочего слоя с целью создания высокоэффективных эмиттеров для источника поляризованных электронов; 2) исследование намагниченности поверхности (110) монокристалла FeNi3 в широком диапазоне температур методом спектроскопии поляризованных электронов. В связи с этим, в данной работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать спектральные зависимости поляризации и квантового выхода фотоэмиттеров с напряженными гетероструктурами различных типов: GaAs/GaAsP; GaAs_t-_xP_x/GaAsi__yP_y; InGaAs/GaAs; AlInGaAs/AlGaAs с варьируемыми составами и толщинами рабочего слоя.

2. Создать экспериментальную установку, позволяющую в условиях сверхвысокого вакуума: а) обеспечивать и контролировать чистоту поверхности твердотельных образцов; б) исследовать поверхностную намагниченность различных материалов методом электронной спектроскопии с анализом по спину.

3. Разработать и изготовить компактный высоковольтный анализатор
поляризации электронов - детектор Мотта, совместимый с серийной
сверхвысоковакуумной установкой УСУ-4.

4. Создать теоретическую модель, позволяющую рассчитывать
асимметрию, возникающую при многократном рассеянии поляризованных
электронов на поликристаллической мишени.

5. Исследовать намагниченность поверхности (ПО) монокристалла
FeNi3 в широком диапазоне температур методом спин-поляризационной
вторично-электронной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

- исследована фотоэмиссия поляризованных электронов из
напряженных слоев GaAsP и AlInGaAs. Установлено, что GaAsP
структуры позволяют изготавливать фотокатоды с поляризацией
электронного пучка до 84% и высоким квантовым выходом при комнатной
температуре. Четверные слои AlInGaAs дают уникальную возможность
независимо изменять как ширину запрещенной зоны, так и степень
напряжения в слое;

разработана теоретическая модель упругого рассеяния поляризованных электронов на поликристаллической мишени (с учетом многократных столкновений), позволяющая рассчитывать возникающую при таком взаимодействии асимметрию рассеяния;

- предложен новый способ самокалибровки высоковольтных
анализаторов спиновой поляризации электронов без задерживающего
поля, работающих с поверхностно-барьерными детекторами;

методом вторично-электронной спектроскопии с анализом по спину исследована намагниченность поверхности (ПО) монокристалла FeNi3 в широком температурном диапазоне;

установлено, что намагниченность поверхности в определенном диапазоне температур меняет свое направление и возникает антиферромагнитное упорядочение поверхности относительно объема;

- предложена качественная модель, описывающая магнитные
свойства поверхности (НО) БеМз, основанная на ферримагнитном
взаимодействии подрешеток Fe и Ni.

Практическое значение работы.

1. Результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных слоев GaAsP позволили создать фотоэмигтеры с поляризацией 84% и высоким квантовым. выходом при комнатной температуре. Четверные соединения AlInGaAs позволяют независимо варьировать степень напряжения в рабочем слое и ширину запрещенной зоны, что дает возможность подстраиваться под длину волны коммерческих лазеров. GaAsP фотокатод, используемый на ускорителе МАМІ (Mainz Microtron, Майнц, Германия) в экспериментах по физике высоких энергий, позволил получить электронный пучок с поляризацией 75% и током 20 мкА при времени жизни более 1000 часов.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая выполнять широкий класс исследований методами спектроскопии поляризованных электронов.

3. Разработан, сконструирован и изготовлен высокоэффективный 60 кВ анализатор поляризации электронов без задерживающего поля с высокой стабильностью измеряемой асимметрии рассеяния как во времени, так и по отношению к положению входного анализируемого электронного пучка. Данный поляриметр позволяет в условиях сверхвысокого вакуума проводить экспериментальные исследования твердотельных образцов методами электронной спектроскопии со спин-поляризационным анализом.

4. Предложенная методика самокалибровки детектора Мотта может быть использована в аналогичных высоковольтных детекторах спиновой поляризации электронов без задерживающего поля, работающих с поверхностно-барьерными детекторами.

5. Экспериментальные данные, полученные при исследовании
монокристалла FeNi₃, имеют важное значение для понимания природы
магнетизма поверхности бинарных соединений. Подобная информация,
получаемая методом спектроскопии поляризованных электронов, может
быть использована для совершенствования технологии изготовления
тонких пленок для систем магнитной записи.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Напряженные слои GaAsP и AlInGaAs являются эффективными и стабильными фотокатодами с варьируемыми параметрами.

2. Экспериментальная установка, оснащенная компактным 60 кВ детектором Мотта, позволяющая в условиях сверхвысокого вакуума проводить исследования магнитных свойств поверхности различных образцов методами электронной спектроскопии с анализом по спину.

3. Методика самокалибровки высоковольтного детектора Мотта без задерживающего поля, оснащенного поверхностно-барьерными детекторами, позволяет определять эффективную функцию Шермана подобных поляриметров. С увеличением уровня дискриминации значение измеряемой асимметрии стремится к своему теоретическому значению для данной геометрии и энергии рассеяния.

4. Теоретическая модель упругого взаимодействия поляризованных электронов с неупорядоченной немагнитной мишенью, позволяющая в приближении малоуглового многократного рассеяния рассчитывать возникающую при таком взаимодействии асимметрию рассеяния. Расчет, выполненный для случая упругого рассеяния поляризованных электронов поликристаллическим золотом при энергии 63 кэВ.

5. Экспериментальные данные по магнетизму поверхности (ПО)
FeNi₃ в широком температурном диапазоне и качественная модель,
описывающая поведение намагниченности поверхности FeNi₃.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Х1-Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Чебоксары, 1991), конференции "Оксидные магнитные материалы, элементы, устройства и применение" (С.-Петербург, 1992), I Российской конференции по физике полупроводников (Н. Новгород, 1993), на международных конференциях: "Int. Workshop on Polarized beams and Polarized Gas Targets" (Кельн, Германия, 1995), European Research Conference "Polarization in electron scattering" (Санторин, Греция, 1995), "9th International Vacuum Microelectronics Conference" (Санкт-Петербург, Россия, 1996), "9-th International Conference of Solid Surfaces" (Йокогама, Япония, 1995), "16-th European Conference on Surface Science - ECOSS 16" (Генуя, Италия, 1996), "17-th European Conference on Surface Science -ECOSS 17" (Енхеде, Голландия, 1997), "Low Energy Polarized Electron Workshop LE-98" (С.-Петербург, Россия,1998), "18-th European Conference on Surface Science - ECOSS 18" (Вена, Австрия, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации составляет 133 страницы, включая 38 рисунков и список цитируемой литературы из 118 наименований.