УДК 548.4;548.73;548.735.6
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК КОМПОЗИТА Zn3As2 + MnAs
© 2015 г. А. В. Кочура*, С. Ф. Маренкин**, ***, А. Д. Изотов**, П. Н. Васильев**, ***,
П. В. Абакумов*, А. П. Кузьменко*
*Юго-западный государственный университет, Курск **Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва ***Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Москва
e-mail: marenkin@rambler.ru Поступила в редакцию 04.12.2014 г.
Методом вакуумно-термического испарения получены пленки композита Zn3As2 + MnAs толщиной 0.7—0.9 мкм на кремниевых и лейкосапфировых подложках. Согласно данным СЭМ, пленки имели глобулярную структуру с размером глобул 5—150 нм и отличались равномерным распределением элементов Zn, As и Mn. Глобулы состояли из магнитных кластеров, размер которых установлен с помощью методов АСМ, МСМ и малоуглового рентгеновского рассеяния и составлял менее 10 нм.
DOI: 10.7868/S0002337X15080114
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые магнитные материалы интенсивно изучаются в связи с возможностью применения в устройствах спинтроники для управления как зарядовыми, так и спиновыми степенями свободы электронов. Использование спина электрона в качестве носителя информации приведет к существенному снижению энергопотребления и увеличению быстродействия вычислительных приборов [1, 2]. Совершенствованием технологии получения легированных 3^-металла-ми полупроводников удалось достичь температуры Кюри (Тс) около 200 К в Оа1 _хМпхЛ5 [3]. Более высокие значения Тс были обнаружены в композитных структурах [4—7], в которых в качестве матриц использовали такие полупроводники, как
кремний, соединения ЛпБ1УС2у , ЛШБ2 и ЛПБ2, а в качестве ферромагнитных нанокластеров использовали соединения 81 с Мп (Тс - 300 К) [4, 5], а также пниктиды: МпР (Тс = 290 К) [6], МпЛз (Тс = 320 К) [8] и Мп8Ь (Тс - 580 К) [9-14]. Однако наряду с этими исследованиями, в которых магнетизм обусловлен суперпарамагнитными включениями, следует упомянуть теоретические расчеты моделей разбавленных магнитных полупроводников в работах [15,16].
В работах [6, 8] были получены объемные образцы композитов с высокими значениями маг-нетосопротивления, в которых в качестве матриц использовали полупроводниковые соединения ЛПБ2 — фосфиды и арсениды цинка и кадмия, а в качестве ферромагнитных нанокластеров - МпР и МпЛз соответственно. Одной из важных особенностей фосфидов и арсенидов цинка и кадмия
является их конгруэнтный характер испарения [17], что делает возможным получение пленок этих соединений путем вакуумно-термического испарения [18].
Арсениды цинка обладают р-типом проводимости с концентрацией дырокр ~ 1024 м-3 (для Zn3Лs2) и 1022 м-3 (для ZnЛs2) [17—19] и подвижностью носителей заряда цр ~ 10—3 м2/(В с) при 300 К. Интерес к ZnЛs2 и Zn3Лs2 также обусловлен тем, что они являются прямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны около 1 эВ и могут быть использованы для создания оптоэлектрон-ных устройств [19]. Магнитные свойства сплавов ZnЛs2 и Zn3Лs2 с Мп исследовались ранее на объемных образцах [20—22]. При х < 0.14 в кристаллах ^п1— хМпх)3Лз2 между атомами Мп наблюдалось обменное взаимодействие, приводящее к антиферромагнитному упорядочению, и поведение намагниченности объяснялось наличием состояния спинового стекла при низких температурах (Т < 10 К). В работе [21] показано, что температурная зависимость магнитной структуры ^п1— хМпх)3Лз2 при 0.08 < х < 0.13 является сложной. Наблюдалась еще одна температура замерзания при Т ~ 200 К. Позже было установлено, что вторая магнитная фаза образована суперпарамагнитными включениями МпЛз с размером около 3 нм [22]. Аналогичные включения с размерами 1.7—3.3 нм были обнаружены с помощью измерений зависимостей намагниченности в объемных образцах Zn1 — хМпхЛ52, выращенных методом Бриджмена и обладающих Тс вблизи 320 К [23].
Состав пленок композита Zn3As2 + MnAs на подложках Si (К) и Al2O3 (Л)
Пленка
К
Л
Образец
Состав, ат. %
Zn
31.1 31.6 30.1
32.0
30.1 31.8
As
57.7
55.6
57.8 58.1
57.7 58.4
Mn
11.3 12.8 12.1 9.9 12.2 9.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Процессы роста пленок и последующего напыления на них медных контактов проводился с помощью установки вакуумного напыления ВУП-5. Давление остаточных паров было не более 1 х 10-4 Па. В качестве материала мишени использовали порошки размером 2—3 мкм предварительно синтезированного композита, полученного непосредственным сплавлением диарсенида цинка с марганцем. Соотношение компонентов выбиралось так, чтобы происходило образование композита Zn3As2 + МпАз. Композит был ферромагнетиком с Тс ~ 320 К. В качестве подложек бы-
Рис. 1. Поверхность пленки композита Zn3As2 + MnAs.
ли использованы полированные пластины из лейкосапфира и кремния ориентацией (001). Коэффициенты термического расширения Zn3As2 и a-Al2O3 отличаются незначительно, и ранее при получении пленок AnBV было установлено, что подложка из a-Al2O3 оказывает ориентирующее воздействие на их рост. Монокристаллический Si также является подходящим материалом для использования в качестве подложки при получении пленок соединений Zn с As, поскольку параметр решетки кремния (a = 5.4307 Â), взятый кратно, менее чем на 10% отличается от параметров решетки Zn3As2 (a = 11.7786 Â, c = 23.6432 Â, пр. гр. I4lcd) [17].
Испарение проводилось из молибденового цилиндра с отверстиями площадью 7.5 мм2, в который вставлялась лодочка с порошком композита. Использование других видов испарителей было затруднительно, так как процесс испарения проходил из твердой фазы и представлял собой сублимацию. Расстояние между испарителем и подложками выбиралась 8—10 см, температура подложек составляла 300 K. Расположение испарителя и подложек относительно друг друга было осесим-метричное. Скорость испарения определяли по потере веса исходного порошка. Скорость конденсации устанавливали по зависимости толщины пленки от времени испарения. Площадь подложек составляла 2.5 х 1 см2.
Структура пленок, их состав и распределение элементов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Измерения проводили с помощью установки JSM-6610LV (Jeol) с приставкой для энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС) X-MaxN (Oxford Instruments). Сканирующую атомносиловую (АСМ) и магнитосиловую (МСМ) микроскопию проводили с помощью микроскопа AIST-NT в случае МСМ использовали магнитный кантилевер. Голографи-ческую микроскопию выполняли на приборе R2100, Lyncee tecDHM. Исследование малоуглового рентгеновского рассеяния (МРР) пленок проводили с помощью дифрактометра SAXSess mc2 Anton Paar.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные пленки имели толщину 0.7 мкм (К — пленки на кремниевых подложках) и 0.9 мкм (Л —на лейкосапфировых подложках) (таблица). Как показали СЭМ-исследования, поверхность пленок была в целом однородна и состояла из глобул размером 5—150 нм со средним размером =60 нм (рис. 1). Результаты профилометрии поверхности пленок, выполненной с помощью го-лографического микроскопа, также подтвердили глобулярную структуру пленок. Установлено, что среднее арифметическое из абсолютных значе-
ний отклонений профиля пленок в пределах всей поверхности составляет = 60 нм.
Анализ результатов ЭДРС показал, что пленки отличались равномерным распределением Zn, As и Mn. Других элементов в спектрах ЭДРС не обнаружено (рис. 2). В пленках К наблюдались поры площадью около 0.1%, в этих местах фиксировали спектр кремния от подложки (рис. 2в). Состав полученных пленок приведен в таблице. Разброс по составу в различных пленках не превышал точности ЭДРС.
АСМ-изображение поверхности пленки Л приведено на рис. 3. Хорошо видно, что глобулы, из которых состоят пленки, имеют сложную структуру и представляют собой конгломерат отдельных нано-кластеров, размер которых оценивался в = 10 нм.
Анализ результатов МСМ (рис. 4) того же места пленки композита, которое исследовано методом АСМ (рис. 3), показал, что практически все нано-кластеры являются ферромагнитными. Сравнительные данные АСМ и МСМ поверхности пленки композита Zn3As2 + MnAs представлены на рис. 5.
-
V,' _ fb- » ? У
\Ж
| 200 нм |
Рис. 3. АСМ поверхности композита Z^As2 + MnAs.
Zn Ka
Si K „
Mn K
25 мкм (г)|
a1
■ . - ... ...
: ■'-■,'.:::.'■■ ' " .. ■ ,: -' ■ :■
!-:.'■■ ■'■'- ;:.; .:■-..•'■i у /, --i/: ':
. ■' .,,'.■ - ,/.■- • •. ■:-•.;.- ' ■ д;:. ..'■ ■ :. -:
' 1 " „т ti , Г I
1 i ' г.:'. ■
■■":: . ■? -V . I
V' J - V
" , I -- '
■■ - r " < ■
ШЙЬц:' -
■k = О ; .....: ■ -i'i .
25 мкм
! I_I
Рис. 2. Распределение элементов в пленке композита Z^As2 + MnAs на Si-подложке.
30
20
10
10
1, 2
0
нм
Рис. 4. МСМ поверхности композита ZnзAs2 + MnAs.
Рис. 5. Сравнительные данные поверхности пленки композита АСМ (а) и МСМ (б).
Рис. 6. Данные МРР пленки композита Zn3As2 + MnAs.
На рис. 6 представлены данные МРР пленки композита Zn3As2 + MnAs. Анализ интенсивности МРР позволил оценить распределение размеров кластеров (рис. 6), средний размер которых составлял около 7 нм. С учетом того, что АСМ-иссле-дования нанообъектов из-за особенностей взаимодействия кантелевера с поверхностью образца обычно дают завышенные значения их размеров, именно последняя оценка среднего размера магнитных кластеров является наиболее точной.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вакуумно-термическим испарением получены пленки композита Zn3As2 + MnAs. Исследование структуры, состава и распределения элементов с помощью комплекса методов СЭМ, АСМ, МСМ и МРР показало, что пленки имели глобулярную структуру, отличались равномерным распределением элементов, глобулы состояли из магнитных нанокластеров со средним размером около 7 нм.
Исследования проводились при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-03-00125).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новоторцев В.М., Маренкин С.Ф., Федорченко И.В., Кочура А.В. Физико-химические основы синтеза новых ферромагнетиков из халькопиритов
AiiBivcV // ЖНХ. 2010. Т. 55. № 11. С. 1868-1880.
2. Novotortsev V.M., Kochura A.V., Marenkin S.F. New Ferromagnetics Based on Manganese_Alloyed Chal-
copyrites AIIBivc V // Inor
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.