Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур [Co45Fe45Zr10/Z-Si:H]n и [(Co45Fe45Zr10)35(Al2On)65/Z-Si:H]n Королёв Константин Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы

В последнее время искусственно созданные наномультислойные структуры - многослойные магнитные пленки металл - полупроводник (диэлектрик) с толщинами слоев нанометрового диапазона представляют большой интерес как для фундаментальной физики, так и для различных применений Практический интерес связан с обнаруженным в них достаточно сильным обменным взаимодействием между металлическими слоями, которое изменяется от ферромагнитного к антиферромагнитному при изменении топщины прослойки, и открытию в них гигантского магнитосопро-тивления Научный интерес к мультислойным структурам обусловлен тем, что уменьшение размеров функциональных устройств современной электроники привело к ряду проблем, которые связаны не только с технологическими ограничениями, но и с тем, что при этом «включаются» новые физические явления, характерные для наномира В частности, малый размер слоев в таких системах приводит к квантовым эффектам в транспортных явлениях (проводимости, эффекте Холла, термоэдс, магнитосопротивлении)

В настоящее время актуальной научной проблемой является разработка на основе существующих технологий новых методик получения на-номатериалов с новым составом и функциональными характеристиками, установление новых физических закономерностей и построение новых физических моделей для их адекватного описания В связи с этим не вызывает сомнений актуальность исследований, направленных на установление более глубокого понимания физических механизмов переноса носителей заряда в многослойных наносистемах металл-полупроводник

Тема данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1 2 - «Физика конденсированного состояния вещества», подраздел 1 2 5 - «Физика твердотельных наноструктур, мезоскопика») Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 1 4 06 «Природа электронного транспорта в твердотельных гетероструктурах с различной размерностью», а также по гранту РФФИ № 06-02-81035-Бела «Нелинейные явления в композитных и мультислойных магнитных наноструктурах при воздействии внешних полей»

Цель работы

Экспериментально исследовать механизмы электронного транспорта в многослойных системах [Co^FeasZru/a-Si Н]_п в интервале температур 80-300 К и высокочастотные магнитные свойства многослойных гетерострук-тур [(Co^Fe^Zr,,,)^AI₂O_n)₍,s/a-Si H]_n

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

методом ионно-лучевого распыления получить многослойные наноструктуры [Co₄₅Fe45Zrio/a-Si Н]_п и [(Co₄5Fe₄,Zr,o)35(Al₂O_n)₆5/a-Si Н]„,

исследовать квантовые механизмы электропереноса в полученных многослойных наноструктурах в интервале температур 80-300 К,

изучить высокочастотные магнитные свойства многослойных наноструктур [(Co₄₅Fe4₅Zrio)35(Al₂O_n)₆₅/a-Si Н]„

Научная новизна. В работе впервые

1. Исследованы механизмы проводимости многослойной структуры [Co₄5Fe₄5Zrio/a-Si Н]₅₄ перпендикулярно плоскости при толщинах металлического слоя -11 нм и полупроводниковой прослойки -14 нм в интервале 80-300 К Экспериментально установлено, что режим неупругого резонансного туннелирования по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми в исследуемых структурах реализуется в интервале температур от 150 до 220 К после прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка, но раньше прыжковой проводимости между ближайшими локализованными состояниями

2. Из экспериментальных данных определены значение плотности состояний на уровне Ферми для полученной гетероструктуры [Co₄₅Fe₄₅Zr,o/a-Si Н]₅₄ в области проводимости с переменной длиной прыжка, которое составило g(E_F)~3 29x10²⁰ эВ"¹ см"³, и энергия активации прыжка W = 0 080±0 005 эВ - в области термоактивированной прыжковой проводимости между ближайшими соседними состояниями

3. Изучены транспортные и магнитные свойства многослойных на-носистем [(Co₄₅Fe45Zr_I0)35(Al2O_n)₆5/a-Si Н]₃₀ с аморфной структурой Установлено, что при толщинах полупроводниковой прослойки 1-2 нм наблюдается сильное изменение изучаемых характеристик, связываемое с образованием бесконечной сетки проводящих каналов между металлическими гранулами слоя нанокомпозита, разделенных полупроводниковой прослойкой Показано, что в интервале температур 80-300 К в исследуемых многослойных структурах доминирует прыжковый механизм проводимости с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми По результатам исследований температурных зависимостей электрической проводимости была сделана оценка эффективной плотности локализованных состояний на уровне Ферми, которая изменяется в интервале g(E_f) = (3 51-25 07)х10²⁰ эВ"' см" при увеличении толщины полупроводниковой прослойки от 0 45 до 1 2 нм

4. В многослойных структурах [(Co₄₅Fe₄,Zr|₀)₁s(Al₂O_n)₆5/a-Si Н]-,₀ обнаружен переход от суперпарамагнитного состояния фанулированного композита к ферромагнитному упорядочению многослойной структуры при толщине полупроводниковой прослойки -1 1 нм, связанный с возникнове-

нием эффективного обменного взаимодействия между ферромагнитными гранулами Co₄₅Fe₄₅Zrio через прослойки аморфного гидрогенизированного кремния

Практическая значимость работы

Исследования высокочастотных магнитных свойств многослойных наноразмерных систем [(Co^FcsZriohstAhOnWa-Si Н]_п с аморфной структурой показали, что изменяя толщину полупроводниковой прослойки, можно изменять в широких пределах действительную и мнимую части комплексной магнитной проницаемости и использовать данные структуры в качестве магнитно-мягких ферромагнитных материалов в ВЧ диапазоне Результаты работы могут быть использованы при разработке технологий получения новых материалов для спинтроники и высокочастотной электроники

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

5. Механизмы электропереноса в аморфных многослойных наноструктурах [Co₄₅Fe₄₅Zrio/a-Si Н]_п и [(Co₄₅Fe₄5Zr_]0)35(AbO_n)65/a-Si Н],₀ в интервале температур 80-300 К

6. Влияние толщины слоев на электрические свойства многослойных систем [Co₄₅Fe₄₅Zr₁₀/a-Si Н]„ с аморфной структурой

7. Высокочастотные магнитные свойства аморфной многослойной наноструктуры [(Co^Fe^ZriobsCAbOnWa-Si Н]_яо

8. Образование межгранульной полупроводниковой прослойки a-Si Н в мультислойной структуре [(Co₄5Fe₄₅Zr_l0)35(Al2O_n)₆5/a-Si Н]-,₀ приводит к возникновению эффективного обменного взаимодействия между ферромагнитными гранулами Co₄₅Fe₄5Zr|₀

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных конференциях II Научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству 2005» (Фря-зино, 2005), Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2006, 2007), The Fifth International Seminar on Ferroelastics (Voronezh, 2006), XX Международной юбилейной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2006), III Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Санкт-Петербург- Хило-во. 2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1-9] - подготовка к эксперименту, [1-9] - получение и анализ экспериментальных данных, [1-9] - обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 112 наименований Основная часть работы изложена на 118 страницах, содержит 46 рисунков и 2 таблицы

Похожие диссертации на Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур [Co45Fe45Zr10/Z-Si:H]n и [(Co45Fe45Zr10)35(Al2On)65/Z-Si:H]n

Получение и свойства гетероструктуры n-InSb-SiO2-p-SiГригорова Виталина Валерьевна

Атомные распределения, сверхтонкие взаимодействия и магнитные свойства сплавов -Mn-Sn-FeВиноградова, Анна Сергеевна

Электронные свойства неупорядоченных систем на основе n-Ge и YBaCuO-керамики, компенсированных облучением быстрыми нейтронами реактора Назаркин Игорь Владимирович

Закономерности влияния электронного строения на свойства кубических соединений элементов группы железа с B, C, N, OМосквичев Андрей Юрьевич

Электронные свойства и моделирование разбавленных магнитных полупроводников: Ga_(1-x)Mn_(x)N, Ga_(1-x)Mn_(x)As, Ge_(1-x)Mn_(x)Титов Андрей Анатольевич

Теоретические исследования физических свойств наноструктур на поверхности медиКлавсюк Андрей Леонидович

Оптические свойства наноструктур A3B5 : многослойные квантовые точки, нитевидные нанокристаллыШтром, Игорь Викторович

Теоретическое исследование процессов формирования и физических свойств наноструктур на поверхности металловСтепанюк Олег Валерьевич

Размерные эффекты и магнитные свойства аморфных наноструктур на основе полупроводников и металловПудонин, Федор Алексеевич

Моделирование строения и свойств новых наноструктур методом функционала плотностиСорокин Павел Борисович