НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2013, том 49, № 1, с. 8-16
УДК 548.4;537.611.2
КОНЦЕПЦИЯ ПРИМЕСНОГО ДИСЛОКАЦИОННОГО МАГНЕТИЗМА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ AIIIBV © 2013 г. В. П. Саныгин*, Э. А. Тищенко**, Дау Хьеу Ши***, А. Д. Изотов*
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва **Институт физических проблем им. П.Л. Капицы Российской академии наук, Москва ***Российский университет дружбы народов, Москва e-mail: sanygin@igic.ras.ru; izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 07.06.2012 г.
Свойство дислокаций притягивать к себе атомы примеси рассмотрено с точки зрения возможности формирования линейно протяженных магнитных структур в диамагнитных матрицах полупроводниковых соединений AIIIBV, легированных ^-элементами. Для понимания возможных механизмов формирования и ожидаемых свойств таких структур проанализирован целый ряд экспериментальных работ, направленных на исследование особенностей преципитации атомов магнитно-неактивных элементов на краевых дислокациях в металлах и полупроводниках. Выявленные закономерности использованы при анализе свойств магнитно-активных атомов, локализованных вокруг дислокаций. Рассмотрена возможность создания принципиально новых магнитных полупроводников, в которых ячейками магнитной памяти служат дислокации, легированные ^-элементами. Направление исследований, изложенное в работе, определено как концепция примесного дислокационного магнетизма в полупроводниковых соединениях AIIIBV.
Б01: 10.7868/80002337X13010144
ВВЕДЕНИЕ
Разработка эффективных способов синтеза высокотемпературных ферромагнитных полупроводников (ВТФП) с оптимальным набором транспортных и магнитных свойств является актуальной проблемой спиновой электроники.
В настоящее время интенсивная исследовательская активность направлена на создание ВТФП на основе полупроводниковых соединений АШВУ, легированных атомами ^-элементов [1]. Исследования показали [2—4], что повышение температуры ферромагнитного перехода в разбавленных магнитных полупроводниках (РМП) происходит с ростом концентрации магнитных примесей. Однако твердые растворы на основе этих полупроводников имеют чрезвычайно узкие области гомогенности [5], что ограничивает возможность растворения атомов примеси в достаточных количествах без кластеризации или преципитации [6, 7]. Попытки расширить границы твердых растворов ^-элементов в соединениях АШВУ путем закалки расплавов резко увеличивают концентрацию различных случайных дефектов и поэтому ведут к неконтролируемой более интенсивной преципитации примесных атомов на этих дефектах.
Среди дефектов кристаллической решетки в полупроводниковых соединениях АШВУ дислокации благодаря своим исключительным свойствам — яр-
ко выраженной анизотропии деформации решетки и способности сегрегировать на себе атомы примеси — занимают особое место. Настоящая работа посвящена оценке перспектив создания принципиально новых ВТФП для спинтроники на базе соединений АШВУ, легированных ^-эле-ментами, в которых основными функциональными магнитными элементами являются линейно протяженные и одинаково направленные дислокационные структуры на основе контролируемых преципитатов из атомов ^-примеси.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе [8] обнаружено многократное повышение температуры Кюри (Тс) в молекулярном магнетике М1Ь2(С2И5ОИ)2 после его локальной пластической деформации. Кристаллы №Ь2(С2И5ОИ)2, выращенные из раствора, до деформирования имели Тс ~ 5 К. После локальной деформации алмазным индентором на их поверхности образовывалась ямка размером =100 мкм. Магнитные свойства материала в зоне пластической деформации сильно изменялись. Это было установлено с помощью сканирующего СКВИД-магнетомет-ра, позволяющего регистрировать неоднородности магнитного поля, измеряя его индукцию с пространственным разрешением = 20 мкм. После
пластической деформации при температуре 77 К можно было наблюдать магнитный диполь, существующий в отсутствие внешнего магнитного поля (рис. 1а). Остаточная намагниченность указывает на то, что в зоне сильной пластической деформации материал обладает ферромагнитными свойствами при температуре, на порядок более высокой, чем исходная Тс.
Согласно [9], дислокации — дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Механические свойства кристаллов — прочность и пластичность — в значительной мере обусловлены существованием дислокаций и их движением. Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая.
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край "лишней" полуплоскости (рис. 1б). Ее образование можно описать при помощи следующей операции: надрезать кристалл по плоскости АВСБ, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки Ь в направлении, перпендикулярном к АВ, а затем вновь сблизить атомы на противоположных краях разреза внизу. Вектор Ь, длина которого равна величине сдвига, называют вектором Бюргерса. Плоскость, проходящая через вектор Ь и линию (ось) дислокации, называют плоскостью скольжения. Дислокации образуются преимущественно в определенных кристаллографических направлениях. В решетках полупроводниковых соединений АШВУ, кристаллизующихся в структуре сфалерита, наиболее распространены краевые 60-градусные дислокации, оси которых вытянуты по направлениям (110) [10].
Разницу в контрасте верхней и нижней частей рис. 1а, очевидно, следует объяснить асимметрией в расположении краевых дислокаций вокруг отпечатка индентора на поверхности кристалла (рис. 1в), подробно описанной в [10]. Здесь же следует подчеркнуть, что изменение общей намагниченности образца вызвано алгебраической суммой изменений намагниченности решетки вокруг отдельных дислокаций. Авторы эксперимента [8] считают, что в кристалле №1з(С2Н5ОН)2 наблюдается дислокационный магнетизм, вызванный сильными искажениями кристаллической решетки вокруг каждой из многочисленных дислокаций, образовавшихся в результате деформации.
Дислокационный магнетизм является одной из сторон магнитопластического эффекта. Согласно обзору [11], прямой магнитопластический эффект обусловлен влиянием магнитных полей на движение дислокаций в твердых телах и делится на эффект в слабых (цВВ <§ кТ) и сильных (цВВ > кТ) магнитных полях, где цВ — магнетон Бора, В — ин-
(а)
0.8
0.7
0.6
0.4
0.3
0.2
0.1
-0.0
-0.2
1.5 2.5
X, мм
(б)
Бг, мкТл
(в)
Рис. 1. Усиление намагниченности кристалла №Ь2(С2Н5ОН)2 введением дислокаций: а — распределение индукции магнитного поля вблизи отпечатка индентирования на поверхности кристалла №Ь2(С2Н5ОН)2 после отключения внешнего магнитного поля при Т = 77 К (по данным [8]); б — схема образования краевой дислокации (по данным [9]); в — схема асимметрии розетки дислокаций вокруг отпечатка индентора (по данным [10]).
дукция магнитного поля, к — постоянная Больц-мана, Т — температура. Вместе с тем только небольшая группа авторов в своих исследованиях ставили обратную задачу и пытались обнаружить сам факт, а затем установить закономерности влияния пластической деформации и дислокационной структуры на магнитные свойства полупроводников [12], переходных металлов [13] и ионных кристаллов [14].
Это направление магнитопластики получило название "дислокационный магнетизм" и было введено авторами [15], впервые экспериментально установившими, что в пластически деформированных кристаллах переходных парамагнитных металлов наблюдается переход в антиферромагнитное состояние при некоторой температуре Т0. Возникающий антиферромагнетизм связывается ими с образованием дислокаций. Предполагается, что из-за изменения межатомных расстояний в ядрах дислокаций и их окрестностях изменяются величина и знак межатомного обменного взаимодействия. В итоге в цилиндрических областях магнитного упорядочения, коаксиальных осям дислокаций, возникает дислокационный магнетизм.
Для обсуждения рассматриваемой проблемы важно знать свойства и механизмы взаимодействия дислокаций с примесными атомами, в том числе и магнитными.
Согласно [16], в зоне полуплоскости краевой дислокации решетка находится в состоянии избыточного гидростатического давления, тогда как с противоположной стороны плоскости скольжения имеется гидростатическое разрежение. Это свойство краевых дислокаций отчетливо проявляется при исследовании кристаллов методом фотоупругости. На рис. 2а показаны поля упругих напряжений вокруг краевых дислокаций в кристалле кремния, которые пронизывают пластинку кремния перпендикулярно к плоскости рисунка [9]. Если кристалл находится при достаточно высоких температурах, когда подвижность элементов решетки велика, атомы примеси с большим атомным радиусом, чем у атомов основного кристалла, перемещаются в область гидростатического разрежения, потому что благодаря этому достигается самое благоприятное распределение напряжений. В свою очередь атомы с меньшим атомным радиусом мигрируют в область избыточного гидростатического давления. Таким образом, в области дислокационной линии происходит избирательное накопление определенных атомов с образованием облака Коттрелла [17]. При этом осевшие на дислокации примеси блокируют ее движение, как бы "пришпиливая" или, иначе, "пиннингуя" линию дислокации в некоторых точках [18]. Рассмотрим механизмы образования и свойства облаков Коттрелла из
магнитно-неактивных элементов в металлических сплавах и полупроводниковых соединениях.
На рис. 2б, 2г в качестве примера образования облака примеси вокруг дислокации дано 3^-изоб-ражение результата диффузии атомов бора к краевой дислокации в металлическом сплаве FeAl, полученное методом атомного зонда [19], а в [20] измерен диаметр этого облака Коттрелла, оказавшийся равным 3 нм. Позднее в [21] были замечены значительные отклонения от модели облака Коттрелла как равномерного распределения атомов примеси по цилиндрическим слоям, коаксиальным оси дислокации. Экспериментальные данные последних лет [22] однозначно указывают на прерывистый характер сегрегации углерода вдоль оси дислокации в мартенсит
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.