ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И МАГНИТООПТИЧЕСКИХ
СПЕКТРОВ МАГНИТНЫХ СИЛИЦИДОВ Ге5813 И Ее381 МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОЙ МАГНИТОЭЛЛИПСОМЕТРИИ
С. А. ЛященкоаК 3. И. Попова'ь, С. Н. ВарнаковаЬ, Е. А. Попов М. С. Молокеевь^, И. А. Яковлев а >ь, А. А. Кузубовь'с, С. Г. Овчинникова>ь>с, Т. С. Шамирзаев'1, А. В. Латышевй, А. А. Саранинс
а Сибирский государственный аэрокослшческий университет им. академика М. Ф. Решетнева
660014, Красноярск, Россия
ь Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук
660036, Красноярск, Россия.
€ Сибирский федеральный университет 660041, Красноярск, Россия.
'1 Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
630090, Новосибирск, Россия.
''Институт автоматики и процессов управления. Дальневосточного отделения. Российской академии наук
69004-1, Владивосток, Россия.
1 Дальневосточный государственный университет путей сообщения 680021, Хабаровск, Россия.
Поступила в редакцию 27 октября 2014 г.
Исследованы оптические, магнитооптические и магнитные свойства поликристаллической Fo.jSIa/SIOa/Si( 100) и эпитаксиальной F03Si/Si(111) пленок методом спектральной магнитоэллип-сометрии. Методом многоугловой спектральной эллипсометрии измерена дисперсия комплексного коэффициента преломления пленки Fo.jSis в диапазоне 250-1000 нм. Определены дисперсии комплексных магнитооптических параметров Фохта Q для Fo.jSis и FosSi в диапазоне 1.6-4.9 эВ. Спектральная зависимость магнитного кругового дихроизма для обоих силицидов выявила наличие серий резонансных пиков. Энергии обнаруженных пиков соответствуют межзонным переходам электронов для рассчитанных из первых принципов спин-поляризованных плотностей электронных состояний (DOS) объемных кристаллов Fo.jSis и FosSi.
DOI: 10.7868/S004445101505016X
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что многослойные структуры ферромагнетик/ полупроводник могут использоваться для создания спинового транзистора, в котором, управляя состояниями намагниченности ферромагнитных слоев, можно изменять значение спинового тока и, тем самым, создать токовый вентиль. Обычно высокий коэффициент спиновой инжекции в таких устройствах проявляется при наличии резкой
* E-mail: lsa'ffliph.krasn.ru
границы между ферромагнетиком и полупроводником [1], которую достаточно сложно реализовать технологически. Традиционным решением проблемы создания резкого интерфейса является эпитак-сиальный рост тонких пленок ферромагнетика на полупроводнике. В роли полупроводникового слоя в устройствах спинтроники хорошо зарекомендовал себя кремний в связи с малой величиной его спин-орбитального взаимодействия, большим периодом спиновой релаксации и преобладанием кремниевых технологий в современной микроэлектронике [2]. В роли ферромагнитного слоя традиционно
используются З^-металлы [3], в частности, железо. Большое количество работ посвящено исследованию транспортных, структурных и магнитных свойств систем Fe /Si, в том числе богатых железом ферромагнитных силицидов FesSis и FesSi.
Силицид FesSi обладает высоким коэффициентом спиновой поляризации электронов [4,5] и может быть выращен эпитаксиально на монокристалле Si(lll) [6,7]. В свою очередь, силицид FesSis, имплантированный в кремний, демонстрирует эффект гигантского магнитосопротивления — 2400% [1], но в объемном состоянии при комнатной температуре термодинамически неустойчив [8].
В настоящее время остается малоизученной электронная структура пленочных силицидов FesSÍ3 и FesSi, которая формирует их оптические и магнитооптические свойства. Изучение электронной структуры и спектральных оптических свойств FesSi подробно проводилось только в двух работах [6,9]. Анализ же спектральных магнитооптических свойств FesSÍ3 и FesSi в литературе не приводится, за исключением измерений вращения Фарадея в поликристаллической пленке FesSis [10].
Обычно для анализа электронных и магнитных свойств применяется оптическая спектроскопия, СКВИД-магнитометрия, ядерный магнитный резонанс. При этом такой комплекс измерений может занимать много времени и неудобен для тонкопленочных образцов с развитой поверхностью или малым количеством ферромагнитного материала. Данная работа показывает, что измерения спектральной дисперсии тензора диэлектрической проницаемости с помощью совмещенной техники спектральной эллипсометрии и магнитооптического эффекта Керра позволяют в едином цикле измерений получать информацию об электронных свойствах структуры ферромагнетик/полупроводник.
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эпитаксиальная пленка FesSi получена методом соосаждения Fe и Si в сверхвысоком вакууме на поверхность Si( 111)7 х 7 на модернизированной установке молекулярно-лучевой эпитаксии «Ангара» [11]. Метод подготовки поверхности подложки и получения данной структуры подробно описан в работе [7]. Интегральная толщина слоя FesSi по данным спектральной эллипсометрии составила около 27 нм. В работе [6] также приведены результаты определения спектральной зависимости комплексного коэффициента преломления N для FesSi по данным многоугловой спектральной эллипсометрии.
30° 35° 40° 45° 50° 55° 29
Рис. 1. Рентгенограмма образца FesSis/SiCh/S^lOO)
Поликристаллическая пленка FesSis также была получена на модернизированной установке моле-кулярно-лучевой эпитаксии «Ангара» [11] методом поочередного осаждения субнанометровых слоев Fe и Si на поверхность SÍO2/Si(100) при температуре подложки 50 °С в сверхвысоком вакууме. Слой SÍO2 толщиной около 13.6 нм был сформирован методом термического окисления подложки Si (100) в среде О2 + НС1 при температуре 1000 °С. После окисления подложка обезжиривалась по методу, предложенному в работе [7], помещалась в сверхвысокий вакуум и отжигалась при температуре 250 °С.
Поочередное осаждение 36 слоев Fe и Si проводилось термическим испарением из эффузионных ячеек Кнудсена. Толщина для каждого слоя железа и кремния составляла 0.5-0.8 нм. Суммарная толщина структуры Fe-Si составила около 27 нм в пересчете на плотность массивных чистых материалов или 10.7 =Ь 0.6 мкг/см2 для Fe и 3.1 =Ь 0.1 мкг/см2 для Si. После осаждения образец отжигался в сверхвысоком вакууме при температуре 450° С в течение 30 мин. Для идентификации кристаллической структуры полученного слоя проводился рентгено-структурный анализ образца на порошковом ди-фрактометре D8 ADVANCE (К oíi 2-излучение Си, Ni-фильтр) с линейным детектором VANTEC, который показал наличие фазы FesSis (рис. 1). Присутствие других кристаллических фаз не установлено по причине либо их незначительной объемной доли относительно FesSis, либо нахождения в высокодисперсном состоянии с размерами кристаллитов менее 2-3 нм. Поликристаллическая пленка FesSis имеет преимущественную ориентацию кристаллитов в плоскостях (002) и (112).
Для анализа электронной структуры ферромагнетика по данным спектральных магнитооптических измерений необходима информация обо всех элементах тензора диэлектрической проницаемости материала е. В случае оптически изотропного ферромагнетика (со слабым гиромагнитным вкладом) диагональные компоненты е определяются через комплексный коэффициент преломления материала Лг = п + ¿к в размагниченном состоянии как Лг2 = = ет, а не диагональные компоненты е характеризуются комплексным магнитооптическим параметром Фохта С} = С}\ + гС}-2'-
И I
Сtub) = 21Л
U + /|
(3)
т Q
о
о
(1)
При воздействии внешнего магнитного поля на ферромагнитный материал у него изменяются поляризационные свойства ионов по отношению к право-или лево-циркулярио поляризованной внешней электромагнитной волне, что, в свою очередь, приводит к различным коэффициентам преломления для двух состояний линейной поляризации света при его прохождении через образец.
Мнимая компонента комплексной величины эффекта Фарадея, или магнитный круговой дихроизм (МКД), который удобен для анализа спин-поляри-зованных межзоииых переходов электронов, равен
фР = -lm(NQ),
(2)
где А длина волны падающего излучения [12,13].
Измерение спектральной зависимости комплексного магнитооптического параметра С) в данной работе проводилось на быстродействующем спектральном эллипсометре Эллипс-1891 с приложением к образцу внешнего магнитного поля. В экспериментальной установке была реализована схема измерения экваториального магнитооптического эффекта Кер-ра [14], где измеряемой величиной является относительное изменение интенсивности отраженного от образца линейно-поляризованного света после прохождения анализатора эллипсометра [15]:
где Ц и интенсивности падающего на фотоприемник излучения при перемагиичиваиии образца, а ¿1 и 1-2 углы поворота поляризатора и анализатора эллипсометра относительно плоскости падения света. Величина 61/1 характеризует изменение отражающих свойств поверхности ферромагнетика при его перемагиичиваиии.
В работе [16] был предложен алгоритм расчета С) по результатам спектральных измерений величины 61/1 при различных положениях поляризатора и анализатора. Данный алгоритм был разработан для модели полубесконечной ферромагнитной среды или для поглощающей пленки в случае, когда свет, отраженный от лежащих ниже слоев, не достигает фотоприемника. При наличии отражения от нижних немагнитных слоев в структуре, помимо эффекта Керра, в магнитооптическом сигнале 61/1 появляется вклад и эффекта Фарадея, который вносит изменения в итоговый рассчитанный параметр Фохта С) преимущественно в ннзкоэнергетнческой области спектра. Такой вклад оказывает влияние на амплитуду С). При этом основные пики в МКД по энергии не смещаются, а только изменяют свою форму тем сильнее, чем в более низких энергиях были обнаружены.
Согласно работе [16] расчет С} проводится по формуле
■ I г, .В2 — В\Въ \
С>-\В1-'7Ш=Щ)Х
х [Бт(2(ро) — ят(2(у?1)] БШ^О + ) СОБ^ ) х
х {соб(/5) 5т(2(у?о) ят2^)} 1, (4)
где <ро и углы падения и преломления све-
та, 3 угол намагниченности образца относительно плоскости падения света, а В\ е вещественные коэффициенты, которые находятся из измерений 61/1. Угол намагниченности 3 определяется как
[Bi - В3В6 + 1В3 В5 - B'l ) cos(i^o - <Pi)
3 = SR { arctg ( --*---7 , } I • (5)
2 eos(^i
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.