Введение к работе
Актуальность темы
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 (МС) [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 Мл, 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 группы (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/(a-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|.j. [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. При этом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. С 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 Si-Mn 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 низко растворимостью в Si переходных 3d металлов и высокой химической активность кремния, обусловливающей формирование различных типов силицидов. В этом случае Мп например, уже при достаточно малых содержаниях может занимать как положени замещения (акцепторные) кристаллической решетки, так и ее межузельные (донорные положения, причем при низких температурах роста слоев (= 300 С) образовыват различные типы силицидов (MnSi, Mn4Si7 и др.). Другими словами, магнитные системы н основе кремния являются сильно неупорядоченными объектами, беспорядок которы. обусловлен не только флуктуациями кулоновского и обменного взаимодействий как обычных РМП, но и сильными структурными флуктуациями их состава. Понимани электрофизических свойств таких систем находится в настоящее время в зачаточно\ состоянии. Поэтому исследования спин-зависящих эффектов в их электронном транспорт являются актуальной научно и практически значимой задачей.
Сложный характер Si магнитных систем потребовал комплексного подхода исследованиях, а также развитие экспериментально методического аппарата прецизионны измерений не только магнетосопротивления и АЭХ, но и планарного эффекта Холл (ПЭХ), который оказался весьма чувствительным к анизотропии отрицательного МС многодоменному состоянию пленок.
Цель работы
Целью работы являлось экспериментальное исследование спин-зависящих эффекто в электронном транспорте Si магнитных систем (многослойных Co0.45Feo.45Zro.i/(a-Si структур и MntSii.^ слоев) методами магнетосопротивления, аномального и планарног эффектов Холла.
При достижении поставленной цели решены следующие задачи:
Создана экспериментальная методика прецизионных измерений транспортны характеристик неупорядоченных объектов в диапазоне температур 5 - 300 К в полях д 3 Тл, которая, в частности, апробирована на примере исследований планарного эффект Холла в напряженных двухслойных структурах на основе Со и антиферромагнетика Сг а также в поликристаллических пленках силицида Fe3Si.
Изучены магнитополевые, температурные и концентрационные зависимости эффект Холла (включая ПЭХ) и магнетосопротивления: 1) в многослойных Coo.45Feo.45Zro.|/a-S структурах с различной толщиной a-Si (ds = 0.7-3.5 нм) и металла (dm = 2.5-3.5 нм); 2) Mn^Sii.^ слоях с повышенным содержанием Мп (около 35 ат. %).
Научная новизна работы
Исследованы эффект Холла и магнитосопротивление в двухслойных пленка Сг(5нм)/Со(20нм), полученных ионным распылением на кремниевую подложку. В эти структурах выявлен планарный эффект Холла (ПЭХ), который в отличие от обычн наблюдаемого ПЭХ, является симметричным по знаку изменения угла поворот магнитного момента в плоскости пленки. На основе измерений петель гистерезис намагниченности при различных ориентациях поля и ПЭХ при наложении слабог продольного поля показано, что симметричный ПЭХ связан с многодоменным состояние пленки Со в двухслойных структурах Сг/Со.
Исследованы многослойные (с чилом бислоев 100) структуры Co0.45Feo.45Zro.|/a-Si полученные путем ионно-лучевого распыления на ситалловые подложки при комнатно температуре. Показано, что при уменьшении толщины металла dm от 3 до 1.3 н\ проводимость структур испытывает перколяционный переход от металлической туннельной проводимости при d„
ростом сопротивления. Металлический характер проводимости при толщинах слоя металла выше 2.2 нм подтверждается измерениями аномального эффекта Холла. Установлено также, что dm > 2.5 нм в многослойных структурах Co0.45Feo.45Zro.i/a-Si температурная зависимость сопротивления подчиняется закону вида R^ к -logГ, типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.
Впервые для нанокомпозитов подобного типа вблизи перколяционного перехода обнаружен эффект анизотропного магнетосопротивления (АМС), а также планарный эффект Холла (ПЭХ). Выявлена связь АМС и ПЭХ с поперечным (между холловскими зондами) магниторезистивным эффектом, достигающим по величине 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния ds < 1 нм помимо АМС обнаружено изотропное по характеру отрицательное магнетосопротивление (МС) порядка 0.15 %, обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними ферромагнитными слоями при антиферромагнитном характере обменного взаимодействия между ними.
Показано, что при Т = 300 К и ориентации поля вдоль плоскости структуры Coo.45Feo.45Zro.i/a-Si отношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения в структурах cds « 1 нм составляет MJMS « 0.7, тогда как в гранулированных слоях в окрестности перколяционного перехода это отношение < 0.5 [10]. При этом поле насыщения намагниченности Hs превышает 3 кЭ, что заметно больше значений Н„ наблюдаемых в достаточно толстых аморфных пленках. Отношение M/Ms « 0.7 объясняется преобладанием вклада биквадратичного взаимодействия, стремящегося выстроить магнитные моменты соседних слоев ферромагнетика перпендикулярно друг другу, над антиферромагнитным (билинейным) обменом, который, однако, в структурах Fe/a-Si является доминирующим при Т= 300 К.
Предложена качественная модель для описания обнаруженных особенностей многослойных структур Coo.45Feo.45Zr0 і/я-Si, основанная на перколяционных представлениях о проводимости металлических слоев и локальной связи между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы перколяционной сетки. При этом случайный характер пересечения мертвых концов приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия в исследуемых структурах, а также к появлению изотропного по характеру отрицательного (спин-зависящего) МС, который определяется полевым изменением магнитного момента системы от 0.7 Ms до Ms. В то же время ПЭХ в слоистых структурах Coo.45Feo.45Zro.i/a-Si характеризует в первую очередь эффекты поворота магнитного момента величиной ~ 0.7 Ms и определяется эффектом АМС.
Исследованы транспортные и магнитные свойства слоев Mn^Sii^ с высоким содержанием Мп (около 35 ат.%), полученных методом лазерной эпитаксии при 300 -350С. Впервые в системе на основе Si и Мп обнаружен аномальный эффект Холла (АЭХ), который доминирует над нормальной компонентой эффекта Холла вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до ~ 230 К. Знак АЭХ оказался противоположен дырочному типу проводимости MnxSiKt слоев, концентрация которых в слоях достигает/? ~ 2-Ю22 см'3. Показано, что для образцов, выращенных при температурах роста Tg = 300С, АЭХ определялся механизмом "skew-scattering", тогда как при повышении Tg до 350С и увеличении проводимости образцов наблюдается переход к "side-jump" механизму АЭХ. Большие значения температуры Кюри (Тс > 200К), полученных слоев, невозможно объяснить только формированием силицидов Мп, поскольку их максимальные значения Тс не превышают 50 К.
Показано, что Mn^Sii.r слои обладают металлическим типом проводимости (падени сопротивления при уменьшении Гот 300 до 5 К достигает 2 раз). При этом температурны зависимости сопротивления образцов демонстрируют резкий спад при температурах ниж 40К. В этих условиях обнаружено необычное поведение петли гистерезиса АЭХ - вплот до уменьшения коэрцитивного поля с понижением температуры в образце с минимальных содержанием дефектов.
Установлено, что намагниченность насыщения Mn^Sii^ слоев слабо уменьшается при увеличении температуры до 200 К. Показано, что при Т - 11 К полевая зависимость намагниченности М{В) носит гистерезисный характер. При этом полевая зависимость холловского сопротивления Rf^B) коррелирует с поведением намагниченности М(В), что позволило найти коэффициент аномального эффекта Холла Rs « 1.0-10'8 Ом-см/Гс, который на четыре порядка превышает значение Rs в ферромагнитных металлах.
Свойства Мігшії.* слоев объясняются в рамках модели двухфазной системы, в которой ферромагнитные (ФМ) кластеры, содержащие междоузельные ионы Мп с локализованным спином, встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2.^ (х я 0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ при высокой температуре обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители, концентрация которых в матрице достигает 2-Ю22 см'3, так и обменом через спиновые флуктуации. Об эффекте вымораживания этих флуктуации с понижением температуры свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов ниже 40 К и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ в этих условиях.
Практическая ценность работы
Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния неупорядоченности в системе на характер проводимости и магнитные свойства Si структур. Также показана возможность создания на исследуемых пленочных системах элемента магнитной памяти. Данная идея запатентована (патент на изобретение №2320033, «Элемент магнитной памяти на планарном эффекте Холла», см. в списке работ автора). Результаты работы актуальны для современной микроэлектроники еще и тем, что получены для структур на основе наиболее технологично-значимого материала - кремния.
Основные положения, выносимые на защиту:
Проводимость многослойных Co0.45Feo.45Zro.i/a-Si структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при толщинах Coo.4sFeo.45Zro.i слоев dm < dmc « 2.2 нм. При d„ > 2.5 нм температурная зависимость сопротивления структур подчиняется закону вида R^ ос -logТ, типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.
В отличие от нанокомпозитов в структурах Co0.45Feo.45Zro.i/a-Si вблизи перколяционного перехода наблюдается планарный эффект Холла, который обусловлен эффектом анизотропного магнетосопротивления (МС) и приводит к проявлению поперечного (между холловскими зондами) МС величиной до 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния ds < 1 нм структуры также демонстрируют изотропное отрицательное МС (=0.15 %), обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними антиферромагнитно взаимодействующими магнитными слоями. Причем эти слои локально связаны между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы перколяционной сетки, случайный характер пересечения которых приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия.
В слоях MrijSii.j с высоким содержанием Мп (= 35 ат.%) аномальный эффект Холла (АЭХ) наблюдается вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до « 230 К. При этом коэффициент аномального эффекта Холла Rs на четыре порядка превышает значение Rs в ферромагнитных металлах, а намагниченность насыщения слоев практически не уменьшается до 200К.
При Т < 40 К в образцах Мп^и/А^Оз наблюдается резкое уменьшение их сопротивления и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ (вплоть до уменьшения коэрцитивного поля) в этих условиях. В этой же области температур для Ma,Sii.pt/GaAs образцов наблюдается уменьшение их магнитной восприимчивости.
Ферромагнетизм (ФМ) Mn^Sii.x слоев объясняется в рамках модели двухфазной системы, в которой кластеры с локализованным спином встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2..T (х « 0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ порядок обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители (р = 2-1022 см-3), так и обменом через спиновые флуктуации матрицы, об эффекте вымораживания которых при Т < 40 К свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов и необычное поведение АЭХ в этих условиях.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы были доложены на следующих Российских и международных научных конференциях:
Пятая ежегодная научная конференция ИПТЭ РАН. 31марта-3 апреля 2004г., г. Москва.
Eight International Workshop on Non-Crystalline Solids (IWNCS), Gijon, Spain, June 20-23,2006.
VIII Latino-American symposium on physics of solid state, Puebla, US of Mexico, November 2006.
ICM-2006, Kyoto, Japan, Aug. 20-25, 2006.
Конференция по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению. 26-30 ноября 2007г., г. Москва.
17-ая Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. 18-23 февраля 2008г., гг. Екатеринбург-Новоуральск.
Moscow International Symposium on Magnetism. June 20-25, 2008.
По теме диссертации имеется 10 публикаций в научных журналах и сборниках конференций. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
