НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 10, с. 1103-1109
УДК 548.4;620.186
ДИСЛОКАЦИИ В InSb, ЛЕГИРОВАННОМ МАРГАНЦЕМ © 2012 г. В. П. Саныгин, А. В. Филатов, А. Д. Изотов, О. Н. Пашкова
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва
e-mail: sanygin@igic.ras.ru; izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 04.04.2012 г.
По данным электронно-зондового микроанализа закаленных образцов InSb(Mn), большая часть марганца расходуется на легирование дислокаций в решетке полупроводника. Дислокации в InSb, легированные марганцем, в основном определяют магнитные и электрические свойства образцов при комнатной температуре и выше. При этом, согласно результатам магнитных исследований, происходит образование нескольких магнитных фаз. Солегирование InSb марганцем и цинком, предпринятое для нейтрализации одной из магнитных фаз, позволило получить ферромагнитный полупроводник с температурой Кюри 320 К.
ВВЕДЕНИЕ
Создание материалов для спиновой электроники в виде идеальных твердых растворов ^-элемен-тов в полупроводниковых соединениях Аш—Ву — разбавленных магнитных полупроводников (РМП) — является важным направлением развития современного материаловедения [1].
Вместе с тем непринятие в расчет элементов реальной структуры синтезируемого материала часто приводит к ошибочным представлениям о механизмах формирования его магнитных свойств. Например, в [2] сообщалось о получении РМП с температурой Кюри Тс > 300 К в поликристаллических образцах 1п8Ъ(Мп) с содержанием марганца не более 2 ат. %. Однако факт получения высокотемпературного РМП в данном случае был опровергнут результатами электронно-зондового микроанализа, согласно которым закаленные образцы 1п8Ъ(Мп) содержали многочисленные включения с повышенным содержанием примесного элемента размером 1 мкм и менее, расположенные как в самих зернах, так и на границах между зернами [3].
Позднее на образцах 1п8Ъ(Мп) с повышенным содержанием марганца (2—6 ат. %) было установлено, что основой этих микровключений являются ферримагнитный Мп28Ъ и ферромагнитный Мп8Ъ с температурами Кюри 550 и 587 К соответственно [4]. Наличие РМП в образцах 1п8Ъ(Мп) с содержанием марганца не более 2 ат. % все-таки было обнаружено, но с температурой Кюри 21 К и, следовательно, нулевым вкладом в намагниченность образцов при комнатных температурах [5].
Таким образом, согласно проведенному анализу литературных данных, при формировании свойств высокотемпературных магнитных полупроводников микровключения в закаленных образцах 1п8Ъ(Мп) играют ведущую роль. В настоя-
щей работе проводится идентификация дефектов кристаллической решетки 1п8Ъ, способствующих образованию микровключений, и анализируется влияние особенностей их строения на формирование магнитных свойств образцов 1п8Ъ(Мп) с содержанием марганца не более 2 ат. %, синтезированных в неравновесных условиях.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Синтез магнитных полупроводников 1п8Ъ(Мп), а также методики исследований свойств полученных образцов подробно описаны в [3, 5—7], поэтому рассмотрим результаты их исследований.
При проведении РФА полную дифракционную картину давали только образцы, размолотые в порошок; при этом порошкограммы состояли исключительно из рефлексов 1п8Ъ. В то же время РФА пластин, вырезанных из синтезированных слитков поперечно их осям, выявлял только немногие отдельные отражения от кристаллографических плоскостей 1п8Ъ, что свойственно крупноблочным поликристаллам.
Данные РФА о крупноблочности закаленных слитков совпадали с результатами визуального наблюдения. По данным оптической микроскопии образцов, вырезанных поперек осям слитков, кристаллизация расплава протекала по дендритному механизму в направлении от стенки кварцевой ампулы к ее оси. В результате в закристаллизованных слитках приповерхностные области глубиной 2—3 мм имели столбчатую микроструктуру, а микроструктура внутренних областей характеризовалась полиэдрической морфологией. При этом, как следует из рис. 1а, приповерхностные области образцов имели многочисленные выходы дислокаций на поверхность, в то время как плотность дислокаций центральных областей бы-
1п
ЯЬ
Мп
Ь, мкм
9
(г)
(е)
Рис. 1. Результаты электронно-зондового микроанализа образца 1пЯЬ + 1 ат. % Мп:
а — внешняя область образца, х500; б — внутренняя область образца, х500; в — выход дислокации на поверхность образца; г — распределение элементов поперек дислокации; д, е — содержание Мп в 1пЯЬ между дислокациями в области углов отражения излучения эталонного Мп.
ла намного меньше плотности дислокаций периферии (рис. 1б).
Столбчатая микроструктура образцов была исследована методом электронно-зондового микро-
анализа на установке САМЕВАХ (Франция), сочетающей в себе методы растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального анализа. В данной установке регистрация характеристиче-
ского рентгеновского излучения, возбуждаемого в образцах электронным зондом, производится за счет его отражения от кристаллов-монохромато-ров под углами 9 по закону Вульфа-Брэгга. Основное преимущество данного метода — возможность определения химического состава вещества в локальных областях образца — реализуется благодаря использованию электронного пучка, сфокусированного в зонд. Электроны с энергией от 10 до 30 кэВ проникают в образец на глубину порядка 1 мкм, чем и определяется наименьший анализируемый объем образца. Чувствительность обнаружения элементов в методе электронно-зондо-вого микроанализа — порядка 0.01 мас. % [8].
Элементный анализ столбчатой микроструктуры образцов проводили в следующем порядке. Выбирали один из выходов дислокаций на поверхность образца (рис. 1б). Затем спектрометр поочередно настраивали на максимумы рентгеновских линий ^а-Мп, 1п и 8Ъ, сканировали зондом по линии, проходящей через выход дислокации на поверхность (на рис. 1в показана линия сканирования) и фиксировали распределение интенсивности излучения элементов по линии сканирования (рис. 1г). Далее выбирали точки участков поверхности, свободных от выходов дислокаций, и в этих точках исследовали интенсивность рентгеновского излучения марганца, вращая спектрометр в области углов отражения 9 марганца (рис. 1д). На рис. 1е в том же интервале углов приведена линия Мп^а, полученная от эталона из чистого марганца (интенсивность линии эталона уменьшена в десятки тысяч раз).
Из результатов элементного анализа столбчатой микроструктуры (рис. 1) следует важный вывод о том, что при введении марганца в образцы антимонида индия атомы примеси легируют в основном дислокации. В промежутках между легированными дислокациями полупроводниковая матрица практически свободна от атомов примеси.
Рис. 2. 60-градусные дислокации в структуре сфалерита:
а — полная скользящая; б — полная перетасованная (а- и Р-дислокации имеют один и тот же вектор Бюр-герса и противоположное направление); в — расщепленная скользящая (лента дефекта упаковки соединяет две частичные дислокации Шокли — слева 30-градусная частичная, справа 90-градусная частичная).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При диаметре слитков = 10 мм доля общего объема образцов, приходящаяся на столбчатую структуру, составляет 64—84%, и вклад дислокаций, легированных марганцем, в электрические и магнитные свойства образцов должен быть определяющим. В этой связи рассмотрим основные свойства чистых дислокаций и дислокаций, легированных атомами примеси.
Дислокации определяют структурно-чувствительные свойства кристаллов: прочность, пластичность и др. Например, движением простейших дислокаций — краевой, винтовой, а также смешанных дислокаций, обусловлена пластическая деформация кристалла. Дислокации влияют
также на электрические и оптические свойства кристаллов. Хорошо известны дислокационные модели границ между зернами кристалла. В простейшем случае граница зерна состоит из одного вида дислокаций, например, только из краевых [9]. В структуре сфалерита наиболее распространены краевые 60-градусные дислокации. Наблюдают целый набор дислокаций этого типа: полные а и в (в зависимости от того, атомами какого сорта оканчивается лишняя полуплоскость), полные перетасованного и скользящего наборов (в зависимости от наличия или отсутствия атомов в вершинах лишней полуплоскости) (рис. 2а, 2б). Наиболее сложное строение имеет расщепленная
дислокации (дислокация Шокли), получаемая распадом полной 60-градусной дислокации на 30-и 90-градусную, соединенные тонкой лентой дефекта упаковки (рис. 2в) [10].
Дислокации возникают, как правило, при механической нагрузке кристалла и, будучи местом скопления добавочной энергии в кристалле, являются мощными геттерами по отношению как к собственным точечным дефектам кристалла, так и к атомам легирующей примеси. На практике это свойство дислокаций широко используется для удаления излишней лигатуры из объема металлических сплавов, а также для нормализации концентрации носителей заряда в устройствах микроэлектроники [11]. Скопления атомов примеси вокруг дислокаций носят название облаков Коттрела [12], которые наблюдают различными методами. На рис. 3а, 3б приведены примеры наблюдения методом электронной микроскопии дислокаций в кристаллах KCl, легированных серебром, и MnO, легированных ZrO2, согласно которым поперечный размер легированных дислокаций составляет более 1 мкм [9].
Однако электронно-микроскопические наблюдения не дают представления ни о плотности распределения атомов примеси вокруг дислокаций, ни об их электрической активности. Для оценки этих параметров легированных дислокаций обратимся к результатам их исследований одним из методов локальной спектроскопии. На рис. 3в—3е представлены результаты исследований методом рамановской микроскопии образцов GaAs, полученных вертикальным методом Бриджмена, с общей концентрацией электронов проводимости n = 9 х 1017 см-3 [13]. При добавках кремния и теллура в образцах GaAs наблюдали легирование дислокаций атомами примесей. Из рис. 3д, 3е следует, что распределения легирующих элементов в поперечных сечениях дислокаций, показанных на рис. 3в, 3г, представляют собой плавные кривые с максимумами в центрах дислокаций.
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.