Синтез и магнитные свойства композитных пленок Zn3As2 - MnAs

Полупроводниковые магнитные материалы интенсивно изучаются в связи с возможностью применения в устройствах спинтроники для управления как зарядовыми, так и спиновыми степенями свободы электронов [1]. В работах [2-4] были получены объемные образцы композитов с высокими значениями магнетосопротивления, в которых в качестве матриц использовали полупроводниковые соединения группы AIIBV – фосфиды и арсениды цинка и кадмия, а в качестве ферромагнитных нанокластеров - MnP и MnAs, соответственно. Одной из важных особенностей фосфидов и арсенидов цинка и кадмия является их конгруэнтный характер испарения [5], что делает возможным получение пленок

Шелякин Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Риль Алексей Игоревич, ведущий технолог.

и Минобрнауки (г/з №3.9993.2017/ДААД).

этих соединений путем вакуумно-термического испарения [6]. В работе [7] показана возможность получению пленок Zn3As2-MnAs методом вакуумно-термического испарения. В настоявшей работе проведены магнитометрические исследования пленок Zn3As2 – MnAs в широком диапазоне температур и магнитных полей.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Процессы роста пленок и последующего напыления на них медных контактов проводился с помощью установки вакуумного напыления ВУП-5. Давление остаточных паров было не более 1×10-4 Па. В качестве материала мишени использовали порошки размером 2-3 мкм предварительно синтезированного композита, полученного непосредственным сплавлением диарсенида цинка с марганцем. Соотношение компонентов выбиралось так, чтобы происходило образование композита Zn3As2+MnAs. Исходный композит был ферромагнетиком с TC ~ 320 К. В качестве материалов подложек при напылении пленок были использованы полированные пластины из лейкосапфира и кремния с ориентацией, соответственно [0001] и [001]. Эти материа- лы имеют коэффициенты теплопроводности, близкие к Zn3As2.

Так как испарение проводилось из твердой фазы, в качестве испарителя использовались молибденовые цилиндры с отверстиями, площадью 7,5 мм², в которые вставлялась лодочка с порошком исходного композита, обычные типы испарителей в данном случае не подходили. Расстояние между испарителем и подложками выбиралась 8-10 см, температура подложек составляла 300 К. Расположение испарителя и подложек, относительно друг друга было симметричное. Скорость испарения определяли по потере веса исходного порошка. Скорость конденсации устанавливали по изменению толщины пленки от времени испарения. Площадь подложек составляла 2,5 х 1 см².

Структура пленок, их состав и распределение элементов были исследованы методом сканирующей электронной микроскопией (СЭМ). Поверхность пленок была в целом однородна и состояла из глобул со средним размером ~ 60 нм, которые формировались из отдельных нанокластеров. На рис. 1 (а-г) представлена морфология поверхности пленки композита Zn3As2+MnAs при различном увеличении. Для лучшей передачи объемной контрастности на рис. 1(а-в) показана дефектная часть пленки

Согласно данным энерго-дисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС), пленки отличались равномерным распределением Zn, As и Mn. Других элементов в спектрах ЭДРС обнаружено не было. Сканирующую атомно-силовую (АСМ) и магнитно-силовую (МСМ) микроскопию проводили с помощью микроскопа AIST-NT, в случае МСМ использовали магнитный кантилевер. Изображение поверхности пленки приведено на рис. 2. Глобулы, из которых состоят пленки, имеют сложную структуру и представляют собой конгломерат отдельных нанокластеров, размер которых оценивался ~10 нм. МСМ показал, что нанокластеры являются ферромагнитными. Это также подтверждает магнитометрические исследования

Магнитные свойства были исследованы с помощью СКВИД-магнитометра S600 Cryogenic Ltd. в диапазоне температур 3 – 330 К и индукции магнитного поля до 5 Т. Согласно этим измерением пленки Zn3As2-MnAs были ферромагнитными с Тк~320 °К (рис.3).

Из магнитно-полевых зависимостей намагниченности пленки композита Zn3As2

– MnAs (рис.4) следовало, что пленки являлись мягкими магнетиками с полем насыщения намагниченности ~1Т.

Рис. 1 (а-г) Морфология поверхности пленки композита Zn₃As₂+MnAs при различном увеличении

Рис. 2. Атомно-силовая (а) и магнитно-силовая (б) микроскопия поверхности пленки Zn₃As₂+MnAs

Рис. 3. Температурная зависимость намагниченности пленки композита Zn₃As₂ – MnAs при магнитном поле Н = 100 Э

ВЫВОДЫ

Методом вакуумно-термического испарения были получены пленки композита Zn3As2+MnAs. Исследование структуры, состава и распределение элементов с помощью комплекса методов СЭМ, АЗМ, МСМ показало, что пленки имели глобулярную структуру, отличались равномерным распределением элементов, глобулы состояли из магнитных нанокластеров со средним размером 10 нм и представляли собой мяг- кие ферромагнетики, со сравнительно низкими магнитными полями насыщения, что может представлять интерес для создания устройств спинтроники.