Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время быстро развивается новая ветвь электроники – спинтроника. В спинтронных устройствах манипуляции с информацией происходят посредством изменения спина электронов. Поэтому приборы спинтроники будут обладать меньшим тепловыделением, увеличенным быстродействием и большей устойчивостью к ионизирующим излучениям по сравнению с приборами традиционной электроники. Так, получение структур состоящих из слоев с разными магнитными свойствами, чувствительных к внешнему магнитному полю, поляризующими по спину электрический ток, проходящий через них, и обладающими гигантским магнитосопротивлением, позволило резко увеличить плотность записи информации на магнитных носителях. Такие структуры используются в считывающих головках жестких дисков. Их интеграция непосредственно в элементарные ячейки памяти привела к созданию нового типа памяти – магнитной памяти со случайным доступом (MRAM), устройства-прототипы которой показали свою эффективность.
Если прогресс спинтроники в хранении информации очевиден, то создание спинтронных устройств для ее обработки сопряжено с большими трудностями. Предполагается, что в таких устройствах особую роль будут играть материалы, обладающие одновременно полупроводниковыми и ферромагнитными свойствами, что позволит одинаково просто управлять как величиной электрического тока, так и спином электронов. Одним из главных препятствий для активных разработок технологий создания спиновых фильтров, спиновых диодов, различных типов спиновых транзисторов и их широкого распространения служит то, что материалы, используемые в разработанных прототипах, в большинстве случаев имеют низкие значения температуры Кюри (ТC). Поэтому, для сохранения работоспособности при температурах, сопоставимых с комнатной, они требуют охлаждения. Это подчеркивает важность поиска и глубокого исследования полупроводниковых соединений, обладающих ферромагнетизмом с ТC выше комнатной. Кроме того, для обеспечения высокого быстродействия такие материалы должны обладать высокоподвижными поляризованными по спину носителями тока и быть обеспеченными простыми и недорогими технологиями их получения.
Среди всего разнообразия спинтронных материалов пристальный интерес к полупроводникам, обладающим ферромагнетизмом, был вызван после сообщений в начале 90-х годов прошлого века о том, что некоторые разбавленные магнитные полупроводники (РМП), относящиеся к соединениям групп (АIII, Mn)ВV и (АII,Mn)ВVI могут быть ферромагнитными и с увеличением в них концентрации магнитных атомов (Mn) ТC может достичь комнатной температуры [1]. К настоящему времени ТC наиболее перспективного в плане технологии получения соединения (Ga,Mn)As, относящегося к достаточно широко используемых в электронике полупроводниковым материалам группы АIIIBV, достигают 200 К [2]. Эти результаты получены для многослойных наноструктур, выращенных при неравновесных условиях с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Однако использование МЛЭ в широких масштабах затруднено из-за очень высокой стоимости оборудования, его обслуживания, а так же необходимости использования дорогих сверхчистых расходных материалов.
При использовании более дешевых методов для получения (АIII, Mn)ВV были синтезированы материалы с высокими температурами Кюри, однако природа возникновения ферромагнетизма в них до конца не ясна и может быть связана, как с наличием обменного взаимодействия (различных типов) между атомами Mn, так и с образованием микро- и наноразмерных преципитатов ферромагнитных полуметаллов MnBV. Такие гибриды, состоящие из слаболегированной марганцем полупроводниковой матрицы, содержащей ферромагнитные включения MnBV со случайным или упорядоченным распределением, относятся к перспективными материалами спинтроники из-за достаточно высоких значений их ТС [3]. Например, сплавы GaAs:Mn-MnAs обладают TC=320 K. А структуры соединений АIIIВV-MnSb обладают ТС существенно выше комнатной (585 К) [4].
Из всех полупроводниковых соединений АIIIВV подвижность носителей заряда наибольшая у антимонида индия InSb. Этот материал широко используется в устройствах электронной техники и методы его синтеза разработаны достаточно полно, что обуславливает необходимость получения и исследования свойств сплавов InSb с высокими концентрациями примеси Mn.
Цель диссертационной работы
Целью данной диссертационной работы являлось получение сплавов InSb:Mn с растворимостью Mn в них превышающей равновесные значения и исследование их структурных, электрических и магнитных свойств и определения степени влияния на них преципитатов MnSb.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать методику получения InSb:Mn с помощью прямого синтеза исходных элементов из расплава.
2. Комплексными методами исследовать структурные, элементные и фазовые свойства, полученных образцов для определения возможности формирования разбавленного магнитного полупроводника In1-xMnxSb и микро- и нановключений MnSb.
3. Исследовать магнитные свойства в образцах InSb:Mn и построить качественную модель возникновения в них магнитных взаимодействий.
4. Провести комплекс исследований электрических и транспортных свойств InSb:Mn, качественно оценить их взаимосвязь с магнитными свойствами.
Научная новизна работы
1. Разработана методика синтеза объемных полупроводниковых поликристаллов InSb:Mn c почти на один порядок превышенным порогом равновесной растворимости Mn в InSb и температурой Кюри около 600 К, состоящих из двух фаз: основная матрица - РМП In1-xMnxSb, микро- и нановключения - ферромагнитный полуметалл MnSb.
2. Показано, что магнитные свойства полупроводниковых образцов InSb:Mn обусловлены наличием трех подсистем: ферромагнитных и суперпарамагнитных включений MnSb микро- и нанометровых размеров, соответственно, являющихся причиной высокотемпературного ферромагнетизма и сопутствующего ему эффекта Гопкинсона, а также парамагнитных комплексов Mn (преимущественно, димеров), ответственных за возникновение ферромагнитного упорядочения при низких температурах (Т < 5 К) в основной матрице In1-xMnxSb.
3. Установлено, что в образцах InSb:Mn спиновая поляризация носителей заряда достигает 27 % при Т = 1,6 К и при низких температурах возрастает вклад спинзависимого рассеяния носителей заряда (дырок): наблюдается эффект Кондо, отрицательное магнитосопротивление, аномальный эффект Холла, проводимость реализуется за счет двух типов дырок: легких, с малой концентрацией и подвижностью ~ 103 см2/(Вс) и тяжелых с высокой концентрацией и подвижностью ~ 10 см2/(Вс).
Положения, выносимые на защиту
1. Методика синтеза ферромагнитных полупроводниковых кристаллов InSb с повышенной растворимостью Mn, по сравнению с кристаллами полученными равновесными методами, содержащих микро- и нановключения MnSb.
2. Механизм формирования магнитных свойств образцов InSb:Mn в диапазоне температур 3 – 580 К.
3. Результаты исследований электрических и магнитотранспортных свойств в поликристаллах InSb:Mn в диапазоне температур 1,6 – 320 К и магнитных полей до 20 Тл и их анализа с помощью классических моделей проводимости: доминирующий механизм прыжковой проводимости, двух видов носителей заряда одного знака (дырок), спинзависимого рассеяния.
Практическая значимость работы
Режим синтеза полупроводниковых ферромагнитных сплавов InSb:Mn позволил получить объемные кристаллы с повышенным содержанием, растворенного в полупроводниковой матрице InSb марганца, и микро- и нановключениями высокотемпературного ферромагнетика MnSb при этом других фаз системы In-Mn-Sb, к которым относятся ферримагнетики InMn3 и Mn2Sb обнаружено не было. Результаты комплексных исследований магнитных, электрических и магнитотранспортных свойств, показывающие наличие в поликристаллах InSb:Mn высокоподвижных носителей заряда и появление ферромагнитного упорядочения во всей полупроводниковой матрице и высокой спиновой поляризации при низких температурах, позволяют судить о перспективности InSb:Mn как гибридных материалов полупроводник-ферромагнетик для создания спинтронных устройств: спиновых инжекторов и спиновых вентилей при условии совершенствования технологии их получения.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечена обоснованностью используемых методов и воспроизводимостью, проведено на представительном количестве экспериментальных данных, получено с использованием современных методик исследования: конфокальная, сканирующая зондовая, сканирующая электронная микроскопии, энергодисперсионный и рентгенофазовый анализ (в том числе с использованием синхротронного излучения), СКВИД - магнитометрия, исследования электрических и транспортных свойств в импульсных (до 20 Тл) и постоянных (до 6 Тл) магнитных полях в широком диапазоне температур. Экспериментальные результаты, качественные и количественные оценки основных физических параметров объемных поликристаллов InSb:Mn хорошо согласуются с результатами, полученными ранее как для кристаллов, так и для пленок In1-xMnxSb, синтезированных отличными от предложенного в диссертационной работе методами.
Апробация результатов работы: Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических мероприятиях: «Инновационные научно-технические разработки и направления их развития (Инновация - 2010, 2012)» Региональный семинар. Курск, 13-14 апреля 2010 г., 18 – 19 апреля 2012 г., «Moscow International Symposium on Magnetism (MISM - 2011», Международная конференция. Москва, 21 – 25 августа 2011 г., «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2012)» IV всероссийская конференция. Воронеж, 15 – 19 октября 2012 г., «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы (Диагностика - 2013)» III Международная научно-техническая конференция. Курск, 12 – 14 мая 2013 г.
Личный вклад автора.
В постановке и проведении исследований по определению рационального режима синтеза исследуемых материалов, подготовки образцов к исследованиям, планировании экспериментов по исследованию магнитных, электрических и транспортных свойств, исследованию структурных свойств поликристаллов InSb:Mn, анализе экспериментальных результатов и подготовке работы личный вклад автора является определяющим. Все результаты, содержащиеся в данной работе, были получены либо самим автором, либо при его участии. В опубликованных в соавторстве работах его участие было определяющим в той части полученных результатов, которые нашли отражение в диссертации.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Публикации.
В соответствии с областью исследования специальности 01.04.10 «Физика полупроводников» – область фундаментальной и прикладной науки и техники, включающая экспериментальные и теоретические исследования физических свойств полупроводниковых материалов и композитных структур на их основе. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1, 2, 3, 6 и 16 паспорта специальности: «Физические основы технологических методов получения полупроводниковых материалов, композитных структур, структур пониженной размерности и полупроводниковых приборов и интегральных устройств на их основе», «Структурные и морфологические свойства полупроводниковых материалов и композитных структур на их основе», «Примеси и дефекты в полупроводниках и композитных структурах», «Электронный транспорт в полупроводниках и композиционных полупроводниковых структурах» и «Магнитные полупроводники».
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из списка сокращений и обозначений, введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, включая 41 рисунок, 7 таблиц. Список цитируемой литературы включает 122 наименования. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 8 научных трудах, из них 3 - в рецензируемых научных журналах.
