НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2014, том 50, № 9, с. 968-972
К ЮБИЛЕЮ АКАДЕМИКА В.Б. ЛАЗАРЕВА
УДК 548.4;548.73;548.735.6
МИКРОСТРУКТУРА ЗАКАЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ЛЕГИРОВАННОГО InSb © 2014 г. В. П. Саныгин*, Н. Н. Лобанов**, А. Д. Изотов*, О. Н. Пашкова*, А. В. Филатов*
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва **Российский университет дружбы народов, Москва e-mail: sanygin@igic.ras.ru; izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г.
По данным магнитной диагностики, закаленные в воду от температуры расплава образцы InSb, легированные марганцем, марганцем и цинком, марганцем и кадмием, являются магнитными полупроводниками. По данным микроструктурных исследований, для металлографических шлифов этих материалов характерно упорядочение по поверхности: зерна имеют форму клиньев, направлены от края к центру, занимают практически всю поверхность шлифов и образуют малоугловые границы с выходами дислокаций на поверхность образцов. По данным РФА, закаленные образцы легированного InSb не содержат посторонних фаз и имеют преимущественные кристаллографические ориентации. На основании анализа экспериментальных данных делается вывод о том, что поверхности шлифов легированного InSb являются сечениями текстур, ориентация которых при одних и тех же условиях закалки зависит от состава легирующей примеси.
Б01: 10.7868/80002337X14090139
ВВЕДЕНИЕ
Разработка эффективных способов синтеза высокотемпературных ферромагнитных полупроводников с оптимальным набором транспортных и магнитных свойств является актуальной проблемой спиновой электроники. В настоящее время интенсивная исследовательская активность направлена на создание магнитных полупроводников на основе соединений АШВУ, легированных атомами ^-элементов [1].
Однако твердые растворы на основе этих полупроводников имеют чрезвычайно узкие области гомогенности [2], что ограничивает возможность растворения атомов примеси в достаточных количествах без кластеризации или преципитации. Попытки расширить границы твердых растворов ^-элементов в соединениях АШВУ путем закалки расплавов увеличивают концентрацию дефектов, что приводит к неконтролируемой и интенсивной преципитации и кластеризации на них легирующих примесей.
Методом электронно-зондового микроанализа установлено, что при закалке от температуры расплава легирование образцов полупроводникового 1п8Ъ сводится к легированию дефектов кристаллической решетки полупроводника [3—5].
Впоследствии было определено, что в закаленных образцах 1п8Ъ(Мп) большая часть марганца расходуется на легирование дислокаций в решетке полупроводника, которые в основном определяют магнитные и электрические свойства образцов при комнатной температуре и выше.
При этом, согласно результатам магнитных исследований, на дислокациях происходит класте-
ризация марганца с образованием магнитных соединений. Предложена модель легированной дислокации в виде ядра из кластеров ферримагнитно-го Мп^Ъ и ферромагнитного Мп8Ъ, окруженного оболочкой из твердых растворов 1п1 _ хМп^Ъ [6].
На дислокациях в 1п8Ъ проведена реакция замещения марганца в ферримагнетике Мп^Ъ цинком до состава MnZnSb. Синтезирован новый магнитомягкий ферромагнитный полупроводник с температурой Кюри Тс = 320 К [7—9].
Учитывая, что легированные дислокации в материалах для спиновой электроники, получаемых закалкой расплавов, играют ключевую роль, в целях установления степени их упорядочения были проведены микроструктурные исследования образцов закаленного легированного антимонида индия. В настоящей работе приводятся и обсуждаются результаты проведенных исследований.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследовали образцы 1^Ъ, + 0.5 ат. % Мп, + 0.8 ат. % Мп + 3.9 ат. % Zn и + + 1.1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Zn, а также + + 1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Сё.
Образцы синтезировали прямым сплавлением антимонида индия с легирующими элементами в вакуумированных кварцевых ампулах в изотермических условиях по всей длине ампулы при 800°С в течение нескольких часов с последующей закалкой в воду. Образцы изготавливали по технологической схеме синтеза.
В качестве исходных компонентов использовали монокристаллический Т^Ъ и-типа марки
МИКРОСТРУКТУРА ЗАКАЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ЛЕГИРОВАННОГО ТпЯЬ
969
ИСЭ-2"в" с концентрацией и подвижностью электронов при 77 К, равными 2 х 1015 см-3 и 5 х х 105 см2/(В с) соответственно; марганец; цинк и кадмий — чистотой 99.9 мас. %.
Для наблюдения микроструктуры из закаленных слитков изготавливали металлографические шлифы. Для этого вырезанные пластины полировали пастой ГОИ, а приповерхностные слои, нарушенные механической обработкой, удаляли универсальным химическим травителем СР-4. Исследования микроструктуры проводили на оптических микроскопах МССО и БИОЛАМ-М. Изображения микроструктур регистрировали с помощью микроскопической цифровой камеры Levenhuk С-8ейе8.
Рентгенофазовый анализ шлифов проводили на автоматическом рентгеновском дифрактомет-ре для поликристаллических материалов ДРОН-7 в режиме пошагового сканирования. Интервал углов 29 от 4° до 90°, шаг сканирования Д29 = 0.02°, время экспозиции в точке 3 с. Использовали Си^а-излучение (№-фильтр, X = 1.5418 А), которое при обработке спектров раскладывалось на К - и К -составляющие.
Рентгендифракционные профили аппроксимировали с помощью функции Псевдо-Войта. Уточнение проводили пошагово. Процесс качества проведенного уточнения контролировали с помощью статистических критериев. Обработку рентгендифракционных спектров и последующие расчеты проводили с помощью комплекса программ PDWin для рентгендифракционных исследований [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В [11] впервые установлено, что примерно 80% поверхности металлографических шлифов, изготовленных из закаленных образцов антимонида индия, легированных марганцем, заняты зернами столбчатой структуры. Позднее столбчатую структуру наблюдали во всех закаленных образцах легированного 1п8Ъ.
Столбчатая структура является одной из трех зон неравновесной кристаллизации сплавов [12]. На рис. 1а приведена типичная макроструктура металла, полученного в неравновесных условиях, согласно которой наружная зона (1) — тонкая, неориентированная и мелкокристаллическая, образующаяся при непосредственном соприкосновении расплава с холодными стенками — является "тепловой рубашкой", благодаря которой скорость охлаждения расплава резко уменьшается.
В промежуточной зоне (2) — зона ориентированной, столбчатой кристаллизации — рост кристаллов приобретает направленный характер, ориентируясь по внешнему отводу тепла. Образующиеся кристаллиты растут преимущественно в направлении отнятия тепла, отчасти разрастаясь вширь до взаимного соприкосновения и образования сплошной зоны столбчатых кристаллов. Эта зона еще больше замедляет отдачу теплоты наружу, изолирует от внешнего охлаждения внутреннюю область расплава, пока скорость охлаждения последней не станет ничтожной.
Во внутренней зоне кристаллизации (3) расплав всей своей массой медленно охлаждается в таких условиях, что по всему объему начинают возникать центры кристаллизации. При этом ориен-
970
САНЫГИН и др.
111
220
(а)
311
331 422
400 511 440
.±1_Ь_1
511 440 531
¡1_Ь-Л.
(б)
_1_1_I_4-
(в)
ш1_1 1
и_I_!_1-
-и_I
(г)
_1_I_и_1_
(д)
о_I_I—_1_
(е)
24 34 44 54 64
29, град
74
84
Рис. 2. Дифрактограммы порошка (а) и шлифов закаленных (б), + 0.5 ат. % Мп (в), + + 0.8 ат. % Мп+ 3.9 ат. % Zn (г), InSЪ + 1.1 ат. % Мп + + 3.9 ат. % Zn (д), МЪ + 1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Сё (е).
тировка в определенном направлении исчезает и возникает зона неориентированных кристаллов, более крупных, чем в первой зоне кристаллизации, и свободно растущих в расплаве.
На рис. 1б приведена макроструктура шлифа (увеличение х10) закаленного образца легированного 1^Ъ, на которой, как и на рис. 1а, отчетливо видны первая и вторая зоны неравновесной кристаллизации. При этом зерна второй зоны — зоны столбчатой структуры — имеют характерную для нее форму клиньев, направленных от края к центру шлифа, и занимают большую часть поверхности.
Ранее элементы столбчатой структуры наблюдали и в микроструктурах чистого, нелегированного закаленного по той же технологиче-
ской схеме, что и легированные образцы. В [13] для ответа на вопрос, как соотносятся упорядочения по поверхности и по объему, закаленные образцы чистого антимонида индия были исследованы методом РФА. Исследовали как сами шлифы, так и изготовленные из них порошки.
Если интенсивности рентгеновских линий на дифрактограммах порошков практически не отличались от своих табличных значений ICDD PDF-2 (рис. 2а), то на дифрактограммах шлифов они существенно от них отличались (рис. 2б). Было определено, что вследствие геометрических особенностей отвода тепла по разрезу слитка 1^Ъ при закалке верхняя часть и середина слитка являются текстурой [110].
При этом плоскость текстуры совпадала с характерными для полупроводниковых соединений АШВУ плоскостями преимущественного раскалывания (110), вызванного образованием в них скоплений дислокаций. В микроструктурах закаленного слитка 1^Ъ наблюдали образующиеся при этом характерные микротрещины с ямками травления — выходами дислокаций на поверхность шлифов. Увеличение структурных параметров шлифов закаленного 1^Ъ, установленное в [13], было обусловлено, по мнению авторов, высокой плотностью дислокаций в слитке.
По аналогии с [13] методом РФА были исследованы шлифы закаленных образцов легированного антимонида индия. Из рис. 2в—2е следует, что, как и в случае чистого 1^Ъ, интенсивности рентгеновских линий на дифрактограммах шлифов легированного 1^Ъ существенно отличались от своих табличных значений.
Ниже приведены составы исследованных шлифов и их преимущественные ориентации, определенные по максимумам перераспределенных интенсивностей:
Образец Текстура 1^Ъ (110) 1^Ъ + 0.5 ат. % Мп (111) 1^Ъ + 0.8 ат. % Мп + 3.9 ат. % Zn (311) 1^Ъ + 1.1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Zn (311) 1^Ъ + 1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Сё (331)
Из приведенных данных следует, что поверхности металлографических шлифов являются сечениями текстур, ориентация которых при одних и тех же условиях закалки
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.