ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 60, № 3, с. 343-348
^ ФИЗИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 548.4;548.73;548.735.6
СИНТЕЗ МАГНИТОГРАНУЛИРОВАННЫХ СТРУКТУР В СИСТЕМАХ ПОЛУПРОВОДНИК-ФЕРРОМАГНЕТИК
© 2015 г. С. Ф. Маренкин*, **, А. Д. Изотов*, И. В. Федорченко*, В. М. Новоторцев*
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва **Национальный исследовательский технологический университет (МИСиС), Москва E-mail: marenkin@rambler.ru, izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 10.09.2014 г.
Сформулированы требования, предъявляемые к магнитогранулированным структурам, обладающим эффектом ГМС в системах полупроводник—ферромагнетик. Показано, что системы полупроводник—ферромагнетик AIIBIVCJ —Mn(CV), AIIICV—Mn(CV), A^cJ —Mn(CV) относятся к системам
эвтектического типа и перспективны для получения гранулированных структур с высокими значениями магнетосопротивления. Синтезированы магнитогранулированные структуры в системах Zn(Cd)GeAs2-MnP(As), Zn(Cd)3P(As)2-MnP(As) и (Al,Ga,In)Sb-MnSb и показано, что природа формирования в них магнетосопротивления определяется структурой кластеров ферромагнетика Mn(CV).
Б01: 10.7868/80044457X15030149
Термин "магнитогранулированные структуры" широко используется в зарубежной литературе и означает композит, состоящий из ферромагнитных нанокластеров в немагнитной матрице. Интерес к таким структурам определяется возможностью создания материалов, обладающих значительным магнетосопротивлением. В настоящее время в качестве материалов устройств спинтроники используют сверхрешетки, состоящие из магнитных и немагнитных нанослоев. На основе таких сверхрешеток создают спиновые вентили, обеспечивающие магнитную операционную память (МЯЛМ). Эти устройства основаны на эффектах гигантского магнетосопротивления (ГМС) или туннельного магнетосопротивления (ТМС), которые могут быть получены также и на однослойной композиционной (гранулированной) структуре. В настоящее время широко исследуются однослойные нано-композиты систем диэлектрик—ферромагнетик, например оксиды алюминия, титана или кремния (диэлектрики) в качестве матрицы и сплавы кобальта с железом (ферромагнетики) [1]. Впервые эффект ГМС в гранулированной структуре был получен в работе [2] в системе металл-ферромагнетик. В качестве немагнитной матрицы использовали медь, а для формирования ферромагнитных кластеров — кобальт.
На рис. 1 представлена схема образования маг-нетосопротивления в гранулированной структуре. Магнитные моменты ферромагнитных кластеров в отсутствие магнитного поля ориентированы произвольно. При приложении магнитного поля магнитные моменты ферромагнитных кла-
стеров выстраиваются вдоль магнитного поля. Это приводит к уменьшению рассеяния спин-по-ляризованных электронов и обеспечивает увеличение проводимости. Величина магнетосопро-тивления зависит от концентрации магнитных кластеров и угла направленности их магнитных моментов. Для выбора компонентов магнитогра-нулированных структур [3] важно, чтобы композит состоял из немагнитной матрицы и нанокла-стеров ферромагнетика, при этом ферромагнетик должен обладать достаточно высокой температурой Кюри. Граница раздела ферромагнетика должна быть стабильной, не зависящей от температуры и состава. В гранулированной структуре расстояние между ферромагнитными нанокластерами должно соответствовать гейзенберговому обменному взаимодействию. Желательно, чтобы маг-нитогранулированная структура относилась к мягким магнетикам, т.е. обладала бы малой величиной коэрцитивной силы, что позволяло бы обеспечить быстродействие и малые тепловые потери при переключении направленности магнитного поля. Анизотропия магнетосопротивле-ния гранулированной структуры должна быть незначительной, что позволяет создавать поперечные или продольные устройства спинтроники.
Эти требования не отражают полностью тех сложных задач, которые необходимо решать при создании конкретных материалов устройств спин-троники. Однако они полезны для поиска и синтеза эффективных гранулированных структур. В качестве матриц таких структур нам представилось интересным рассмотреть полупроводники, кото-
000000000 _ мнуме
0 0 щр
ООО
ОЙООООООО
ой{)о ой^во
000000000 ОООО0О000
Н = 0
я
н * о
г
Рис. 1. Схема образования магнетосопротивления в гранулированной структуре.
рые отличаются высокой подвижностью носителей заряда и более инертным взаимодействием с ферромагнитными фазами.
Исходя из этих положений и опираясь на экспериментальные результаты [4—8], в качестве систем полупроводник—ферромагнетик, перспективных для синтеза гранулированных структур, были изучены системы, образованные, с одной стороны, такими полупроводниками, как тройные полупроводники группы ЛПБ1У С, двойные
полупроводники АШВУ и А^Б^ и, с другой стороны, ферромагнетиками — соединениями марганца МпР, МпАз, Мп8Ъ.
Исследование этих систем методами физико-химического анализа позволило установить, что они относятся к системам эвтектического типа с
малой взаимной растворимостью компонентов. Координаты эвтектик представлены в таблице.
Основываясь на работах Я.Б. Зельдовича о за-родышеобразовании, в этих системах в условиях значительных пересыщений мы синтезировали композиты с нанокластерами ферромагнетиков. Магнитные и электрические свойства композитов определяли нанокластеры ферромагнитных соединений - МпР, МпАз, Мп8Ъ с ТС = 290-600 К. Из этих результатов наиболее интересны данные о зависимости сопротивления от магнитного поля.
В композитах ZnGeЛs2 + МпАз обнаружен эффект гигантского отрицательного магнитного сопротивления (ОМС), который достигал >50% при температуре 1.45 К [9]. Для композитов CdGeЛs2 + + МпАз наблюдался эффект положительного магнетосопротивления (ПМС), который составлял >250% при 210 К [10]. Различие в знаках магне-
Координаты эвтектик в исследованных системах
Система Координаты эвтетик Литература
состав, мол. % температура плавления, °С
ZnGeAs2—MnAs 46 МпА 760 [4]
CdGeAs2-MnAs 28 МпА 620 [4]
Zn0.9Cd0.1GeAs2—MnAs 43 МпА 756 [3]
Zn0.1Cd0.9GeAs2—MnAs 24 МпА 615 [3]
ZnSnAs2-MnAs 45 МпА 650 [3]
GaSЪ-MnSЪ 41 Мп8Ъ 632 [9]
1п£Ь-Мп£Ь 6.5 Мп8Ъ 515 [14]
Zn3As2—MnAs 25 МпА 735 [3]
Cd3As2-MnAs 47 МпА 650 [12]
30
20
о
Г
^ 10 -
100 200 300 400 500 600 700
т, к
Рис. 2. Микроструктура композита СдОеЛБ2 + мплб.
Рис. 3. Температурная зависимость удельной намагниченности композита Оа8Ъ + Ми8Ъ при В = 0.1 Т
0
тосопротивления, по-видимому, обусловлено особенностями микроструктур композитов ZnGeAs2 и СёОеЛз2 с MnЛs. Композит CdGeЛs2 + MnЛs, в отличие от ZnGeAs2 + MnЛs, обладал игольчатой микроструктурой (рис. 2).
Для композита ZnGeAs2 + MnЛs ферромагнитная фаза выделялась в виде отдельных глобул. По-видимому, в системах с игольчатой структурой возникала перколяция, связанная с одновременным присутствием в структуре композита кластеров и изолированных наногранул, характеризующихся разными величинами магнитной анизотропии и наличием диполь-дипольного взаимодействия, что приводило к появлению ПМС. Аналогичные явления наблюдались в гранулированных структурах, композиты которых состояли из оксидов алюминия, титана или кремния и сплавов кобальта с железом [1]. Возникновение перколяционных явлений подтверждали результаты исследований композитов твердых растворов на основе Zn0.9Cd0.1GeAs2 и Zn0.1Cd0.9GeЛs2, содержащих 15 мол. % MnЛs. Знак магнетосопро-тивления не изменялся, но значения ОМС и ПМС уменьшались по сравнению с таковыми для композитов ZnGeAs2 + MnЛs и CdGeЛs2 + MnЛs соответственно.
Гранулированные структуры систем ЛП^Ъ-мп8ъ, где Л111 = Л1, Ga, 1п, были также получены в условиях значительных пресыщений. Средний размер ферромагнитных кластеров мп8ъ в гранулированной структуре 1п8ъ + мп8ъ составлял 24 нм [11—14], а в гранулированной структуре
GaSb + мп8ъ--40 нм [11]. Температуру Кюри
~600 К определяли кластеры М^Ъ для все трех систем лп^ъ-м^ъ (рис. 3).
Анализ результатов исследований магнетосо-противления на примере композита GaSb + М^Ъ показал, что зависимость сопротивления в маг-
нитном поле имеет сложный характер. При малых значениях магнитного поля, до 0.8 Т, сопротивление резко падает, а при больших медленно растет, т.е. в малых магнитных полях (до насыщения) наблюдается отрицательное магнетосопро-тивление, а при больших — положительное. Такое поведение магнетосопротивления наблюдалось как при низких температурах (5 К), так и при комнатных (300 К) (рис. 4).
Следует отметить, что изменение магнетосо-противления с отрицательного на положительное наблюдалось в магнитном поле, при котором происходит насыщение удельной намагниченности (рис. 5). Такой характер зависимости сопротивления от магнитного поля, по-видимому, объясняется изменением механизма рассеяния носителей заряда. В малых магнитных полях преобладает рассеяние, связанное со спин-зависимыми эффектами, а в больших полях магнетосопротивление определяет лоренцев магниторезистивный эффект.
В дальнейшем объемные образцы композитов систем AIIISb—MnSb использовали в качестве мишеней при получении пленок импульсным лазерным осаждением с механической сепарации капель [16]. Пленки были синтезированы на лейкосапфи-ровых подложках. Толщина пленок 80—130 нм. Согласно данным электронной и атомно-силовой микроскопии, пленки однородны. Электрические свойства пленок зависели от технологических условий, в основном от температуры подложки. Лучшие образцы имели удельное сопротивление 7 х 10—3 Ом см, обладали дырочным типом проводимости, при 300 К имели концентрацию 8.1 х х 1019 см-3 и подвижность носителей заряда 102см2 в-1 с-1. Изменение сопротивления пленок в магнитном поле совпадало с характером поведения объемных образцов композита GaSb + М^Ъ и отличалось лишь по величине (рис. 6). Измене-
Я, Ом 0.00124 0.00123 0.00122 0.00121 0.00120 0.00119 0.00118
(а)
6
В, Т
Я, Ом
0.00378
(б)
4
В, Т
Рис. 4. Зависимость сопротивления композита Оа8Ъ + Мп8Ъ от величины магнитного поля при Т = 5 (а) и 300 К (б).
0
1
2
3
0
1
2
3
4
5
ние направленности ОМС на ПМС в пленках совпадало с величинами насыщения на кривых намагниченности в магнитном поле ~1 х 10-1 Т.
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.