Синтез и магнитные свойства композитных пленок Zn3As2 - MnAs
Автор: Маренкин Сергей Федорович, Кочура Алексей Вячеславович, Изотов Александр Дмитриевич, Шелякин Алексей Алексеевич, Риль Алексей Игоревич
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 4-1 т.19, 2017 года.
Бесплатный доступ
Целью работы было получение тонких ферромагнитных пленок с температурой Кюри выше комнатной, перспективных для устройств спинтроники. Композитные пленки Zn3As2 - MnAs, состоящие из частиц размером 2-3 нм, были получены методом вакуумно-термического испарения на кремниевых и лейкосапфировых подложках. В качестве прекурсора использовались сплавы композита, полученные путем прямого сплавления диарсенида цинка с марганцем. Пленки имели толщину 0,7-0,9 мкм и состояли из глобул размером 5-150 нм. Распределение Zn, As и Mn было равномерным. Глобулы состояли из магнитных кластеров, размеры которых были установлены с помощью методов АСМ, МСМ и уточнялись с помощью малоуглового Х-рассеяния. Исследование магнитных свойств показало, что пленки являются мягкими ферромагнетиками и имеют температуру Кюри выше комнатной (~ 320 ° K).
Полупроводники, ферромагнитные пленки, метод вакуумно-термического испарения, магнитные кластеры
Короткий адрес: https://sciup.org/148205287
IDR: 148205287 | УДК: 548.4;548.73;548.735.6
Synthesis and magnetic properties of the composite films Zn3As2 - MnAs
Purpose - Obtaining the thin ferromagnetic films, which possess high Curie temperatures, for creating the devices of spintronics. Zn3As2 - MnAs composite films on silicon and leucosapphire substrates was obtained by the method of vacuum thermal evaporation. The films consisted from the particles with the size of 2-3 nm of the preliminarily synthesized composite, obtained by the direct alloying of diarsenide zinc with manganese, were used as the precursor. The films were 0.7-0.9 µm thick and had a globular structure. Size of globules was 5-150 nm. The distribution of the elements Zn, As and Mn was uniform. Globules consisted of magnetic clusters, the size of which has been established by the methods of the AFM, MFM, and small-angle X-ray scattering. The Zn3As2-MnAs films were ferromagnetic with Tc ~ 320 ° K.
Текст научной статьи 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.
Список литературы Синтез и магнитные свойства композитных пленок Zn3As2 - MnAs
- Синтез магнитогранулированных структур в системах полупроводник-ферромагнетик/С.Ф. Маренкин, А.Д. Изотов, И.В. Федорченко, В.М. Новоторцев//Журнал неорганической химии. 2015. Т.60. №3. С. 343-348.
- Marenkin S.F., Trukhan V.M., Fedorchenko I.V. Magnetic and Electrical Properties of Zn3P2 + MnP Materials//Inorganic materials. 2013. V. 58. № 6. P. 545-549.
- Marenkin S.F., Trukhan V.M., Fedorchenko I.V., Trukhanov S.V., Shoukavaya T.V. Magnetic and electrical properties of Cd3As2 + MnAs composite//Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. V.59. No 4. P. 355-359.
- Kochura A.V., Marenkin S.F., Ril A.I., Zheludkevich A.L., Abakumov P.V., Knjazev A.F., Dobromyslov M.B. Growth and characterization of Cd3As2//Journal of Nano-and Electronic Physics. 2015. V. 7. Iss. 4. P. 04079.
- Маренкин С.Ф., Трухан В.М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия. Минск. Изд. «Вараскин А.Н.», 2010. 224 c.
- Юрьев Г.С., Маренкин С.Ф., Жалилов Н.С. Рентгенографическое изучение тонких пленок полупроводниковых соединений AIIBV//Неорганические материалы. 1992. Т.28. №6. C.1298-1302.
- Синтез и исследование физико-химических свойств магнитных пленок Zn3As2+MnAs/Кочура А.В., Маренкин С.Ф., Изотов А.Д., Васильев П.Н., Абакумов П.В., Кузьменко А.П.//Неорганические материалы. 2015. Т. 51. №8. С. 823-828.
