МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 2, с. 98-102
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
УДК 537.633.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАОРДИНАРНОГО ЭФФЕКТА ХОЛЛА ПЛАНАРНЫХ АНСАМБЛЕЙ НАНОЧАСТИЦ Co, ВСТРОЕННЫХ В МАТРИЦЫ AU И W
© 2007 г. В. Т. Волков, В. И. Левашов, В. Н. Матвеев
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской АН
E-mail: vtvolkov@ipmt-hpm.ac.ru, villev@rambler.ru Поступила в редакцию 10.07.2006 г.
Исследован экстраординарный эффект Холла (ЭЭХ) для ансамбля наночастиц Co, встроенного в матрицы W и Au. Показано, что величина сигнала ЭЭХ зависит от средневзвешенных толщин как наночастиц Co, так и обволакивающих их матриц. Максимальное значение ЭЭХ получено для средневзвешенных толщин наночастиц Co 0.3-0.6 нм. Величина сигнала ЭЭХ увеличивается также при уменьшении толщины пленки матриц вплоть до нарушения электрической сплошности получаемых структур. В системе Co-W получены структуры с чувствительностью S = AU/IAH = 32 Q/T, что открывает возможность создания ферромагнитных датчиков для локальной магнитометрии, работающих при комнатной температуре.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффект Холла в магнитных материалах обычно описывается следующим уравнением
Ун = рн/ё = (Я 0 В + Я5М)1 /ё, (1)
где Ун - напряжение Холла, рн - удельное сопротивление Холла; В - магнитная индукция; М - намагниченность; / - приложенный ток; ё - толщина пленки; Я0 - ординарный коэффициент Холла, связанный с силой Лоренца, действующей на движущийся заряд; Я3 - экстраординарный коэффициент Холла, связанный с нарушением симметрии левого и правого рассеяния носителей в магнитных материалах в процессе их спин-орбитального взаимодействия. Я3 может быть гораздо больше Я0 и имеет сильную зависимость от намагниченности материала. В этом случае говорят об экстраординарном эффекте Холла [1], а холловское напряжение Ун может быть использовано для прямого измерения намагниченности. Действительно, согласно формуле (1), при Я0 <§ Я8 напряжение Ун = кМ, где к - коэффициент пропорциональности, и, измеряя напряжение Холла, можно определять зависимость намагниченности от приложенного магнитного поля М(Н).
ЭЭХ изучали для систем, в которых ферромагнитные частицы были погружены в диэлектрическую [2], или различные металлические матрицы [3-5]. ЭЭХ очень чувствителен к локальным магнитным моментам индивидуальных наночастиц и к их взаимодействию на границах раздела с окружающей матрицей и с подложкой, на которую осаждались ферромагнитные частицы.
В последние годы интерес к экстраординарному эффекту Холла растет в связи с тем, что измеренный ЭЭХ для ультратонких пленок никеля и пленок Fe50Pt50 [3] оказался на два-три порядка больше нормального эффекта Холла для металлов (Au, Cu) и по порядку величины сравним с эффектом Холла в полупроводниках (чувствительность полупроводниковых пленочных датчиков фирмы Bell Technologies Inc 260 Ц/T) и даже превосходит последний. Большая величина экстраординарного эффекта Холла позволяет отделить собственно эффект, связанный с нарушением право-левой симметрии при спин-орбитальном взаимодействии, и нормальный эффект Холла, который позволяет определять число носителей в пленке. Интерес к ЭЭХ заметно увеличился и в связи с тем, что данный эффект может быть использован в качестве простого и эффективного инструмента для изучения магнитных характеристик тонких пленок и наноскопических магнитных объектов.
Цель данной работы - исследование экстраординарного эффекта Холла в планарных ансамблях наночастиц Co, встроенных в матрицы вольфрама и золота на подложках SiO2 и SiO; изучение влияния подложки и границ раздела с материалами матрицы на величину экстраординарного эффекта Холла. В качестве матриц были выбраны Au и W, для которых знак нормального эффекта Холла противоположен. В массивных W и Au основными носителями являются дырки и электроны, соответственно.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Образцы тонких пленок Co-Au получали методом электронно-лучевого испарения (ЭЛИ), а
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАОРДИНАРНОГО ЭФФЕКТА ХОЛЛА
99
Рис. 1. Ансамбли частиц Со средневзвешенной толщины: а - 1.2 нм; б - 1.8 нм; в - 3.0 нм.
пленки Со^ - высокочастотным диодным распылением. Вакуумирование рабочей камеры осуществляли турбомолекулярным насосом, остаточное давление перед началом осаждения пленок металлов было не хуже 1 X 10-4 Па. Толщину осаждаемых пленок контролировали с помощью кварцевого резонатора. В качестве подложек использовали окисленный кремний двух типов: с толщиной окисла SiO2 около 0.3 мкм и с толщиной субокисла SiO около 0.2 мкм. Первоначально на подложки осаждали пленку Со (частицы) средневзвешенной толщины 0.3 нм, 0.4 нм, 1.2 нм, 1.8 нм, затем сверху наносили слой Аи или W толщиной 5 нм. Осаждение проводили при комнатной температуре через маску из алюминиевой фольги с открытой частью в виде креста с шириной дорожек 1 мм. Напряжение Холла измеряли в магнитном поле, перпендикулярном плоскости пленки, при комнатной температуре.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для получения максимального сигнала при измерении ЭЭХ исследуемых структур необходимо, чтобы матрица как можно меньше шунтировала прохождение тока через ансамбль частиц Со, таким образом, следует стремиться к минимальной толщине пленки матрицы, при условии сохранения ее электрической сплошности. Очевидно, что при прочих равных условиях величина сигнала ЭЭХ для планарного ансамбля частиц Со в матрице W будет больше, чем в матрице Аи в силу большего удельного сопротивления W (по величине приближающегося к удельному сопротивлению Со), и, следовательно, меньшей способности шунтировать прохождение тока.
Для наблюдения топологической структуры тонких пленок в электронном просвечивающем микроскопе ансамбли частиц Со осаждали на специально приготовленную мембрану из SiзN4. На рис. 1 показаны осажденные на мембрану ансамбли частиц Со. Как видно, при увеличении средневзвешенной толщины пленки размер частиц (островков) увеличивается, а при толщине 3.0 нм уже образуется бесконечный кластер, т.е. пленка становится электрически сплошной. Следует отметить, что электрическая сплошность индивидуальных пленок Со и Аи (при их получении методом ЭЛИ) наступает при толщинах около 3.5 и 6 нм, соответственно. Если же сначала осадить 0.2-0.7 нм Со, а затем на него осаждать Аи, то электрическая сплошность наступает уже при толщине осажденного Аи 2 нм. Роль частиц Со и механизм заполнения свободной поверхности подложки золотом, вероятно, аналогичны описанному в [7]. Атомы Аи не осаждаются на частицах Со, а как бы скатываются с них и заполняют свободное пространство вместе с атомами Аи, падающими на свободные места подложки. Такой механизм позволяет получать планарные ансамбли наночастиц Со, встроенные в достаточно тонкую, но электрически сплошную пленку Аи, что позволяет измерять ЭЭХ данных структур.
На рис. 2 показана зависимость сопротивления Холла от приложенного магнитного поля для разных толщин частиц Со в матрице Аи на подложке SiO2. Как видно из рисунка в первом случае Аи практически шунтирует прохождение тока через частицы Со, а во втором случае наблюдается явный, хотя и небольшой по величине ЭЭХ. Типичная зависимость сопротивления Холла от магнитного поля для тонких пленок Со - Аи на подложке
0.020 0.015 0.010 0.005 м 0 -0.005 -0.010 -0.015 -0.020
_ 0.3 нм Со + 5 нм Аи р = 17.4 мкОм см I
- / 0.6 нм Со + 5 нм Аи .г р = 23.5 мкОм см ^ 1111 1111
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
В, Тл
Рис. 2. Зависимость сопротивления Холла от приложенного магнитного поля для ансамблей частиц Со средневзвешенной толщины 0.3 нм и 0.6 нм, встроенных в матрицу Аи толщиной 5 нм на подложке SiO2.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
м
О 0
я -0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
_ у 0.4 нм Со + 5 нм Аи —▲— 1.2 нм Со + 5 нм Аи —•— 1.8 нм Со + 5 нм Аи
1111 1111
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
В, Тл
Рис. 3 Зависимость сопротивление Холла от магнитного поля для пленок (п Со - 5нм Аи) на подложке SiO.
БЮ представлена на рис. 3. Как видно, сопротивление Холла, а, следовательно, и магнитная чувствительность Б = Аи/1АН (й/7) увеличиваются с уменьшением средневзвешенной толщины пленки Со при постоянной толщине пленки Аи равной 5 нм. Дальнейшее уменьшение толщины пленки Со приводит к увеличению расстояния между частицами Со, намагниченность пленки падает и, в конце концов, она становится немагнитной. От-
метим, что преобладающими носителями в пленках Со - Аи являются дырки, тогда как в чистом Аи - электроны.
Чтобы проследить влияние материала подложки на холловские характеристики пленок Со-Аи и Co-W, указанные пленки осаждали на подложки БЮ2 и БЮ. На рис. 4 представлены зависимости сопротивления Холла от величины магнитного поля для пленки 0.3 нм Со - 5 нм Аи на вышеуказанных
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАОРДИНАРНОГО ЭФФЕКТА ХОЛЛА 0.015
0.010
0.005
к
-0.005
-0.010
0.015
0.3 нм Со + 5 нм Аи —о- на ЭЮ —Ф— на ЭЮ2
1111 1111
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
В, Тл
Рис. 4. Зависимость сопротивления Холла от магнитного поля для пленки (0.3 нм Со - 5 нм Аи) на подложках SiO2 и SiO.
0
4 3 2 1
° 0
К
-1 -2 -3 -4
0.3 нм Со + 2.6 нм W —#— на ЭЮ2 А на ЭЮ
1111 0.3 нм Со + 5 нм W —О— на ЭЮ2 —А— на ЭЮ 1111
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
В, Тл
Рис. 5. Зависимость сопротивления Холла от магнитного поля для пленок (0.3 нм Со + 5 нм W и 0.3 нм Со + 2.6 нм W) на подложках SiO2 и SiO.
подложках. Для пленки данного состава на подложке ЭЮ2 наблюдается только нормальный эффект Холла, при котором носителями заряда являются электроны, и коэффициент Холла равен таковому для чистого золота. На подложке ЭЮ наблюдается экстраординарный эффект Холла, однако знак ординарного эффекта Холла (нисходящая ветвь кривой при полях больше 0.2 Т) тот же, что и для пленки на подложке ЭЮ2.
На рис. 5 показана зависимость сопротивления Холла от магнитного поля для пленок (0.3 нм Со -5 нм ^^ и (0.3 нм Со - 2.6 нм ^^ на подложках ЭЮ2 и ЭЮ. Для пленок на подложке ЭЮ2 наблюдается слабый ЭЭХ, в то время как на подложке ЭЮ наблюдается ярко выраженный ЭЭХ. В обоих случаях преимущественными носителями являются дырки. Следует отметить, что при уменьшении толщины матрицы W
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.