Сравнение магнитной анизотропии поликристаллической и монокристаллической пленок Fe3Si

Одним из ключевых вопросов для реализации приложений спинтроники является получение качественных эпитаксиальных ферромагнетиков с высокой спиновой поляризацией на полупроводниковых подложках. Гибридные структуры, состоящие из чередующихся металлических и полупроводниковых слоев, представляют большой интерес для современных устройств спинтроники. Важными аспектами пригодности слоистой системы материалов являются стабильный магнетизм вблизи границ раздела и подходящая плотность состояний на уровне Ферми, которые, однако, сильно зависят от структуры интерфейса. Спиновая поляризация указывает на ее качество для использования в транспортных устройствах.

В научном сообществе интерес вызывают и системы на основе железа. Спиновая инжекция более 30 % была измерена для Fe/GaAs (001) [1], а также 10 % для Fe 3 Si/GaAs(001) [2; 3]. Поскольку атомарно чистая поверхность GaAs(110) не реконструируется [4], возможен эпитаксиальный рост как для Fe, так и для квазигейслеровского Fe 3 Si, для которых рассогласование решеток составляет всего 0,1 % [5].

Силицид Fe₃Si – ферромагнитный материал, который может быть многообещающим кандидатом для инжекции спин-поляризованных электронов из ферромагнетика в полупроводник [2]. Для гетероструктур Fe 3 Si/GaAs исследованы структурные, транспортные и магнитные свойства [6–9]. Для эпитаксиальных пленок Fe 3 Si, выращенных на GaAs (001) методом МЛЭ, магнитотранспортные свойства изучались в основном путем подачи тока вдоль трудной оси намагничивания, т. е. по кристаллографической оси [110], которая является направлением легкого скола для GaAs(100) [10].

Множество исследований показывают, что в зависимости от кристаллической структуры пленок интерфейса в слоях у одного и того же материала наблюдаются различные свойства, что определяет их будущее применение, а также разработки технологий их синтеза и обработки. Анизотропное магнитосопротивление для Fe 3 Si показало, что удельное сопротивление в поле, перпендикулярном току, было больше, чем удельное сопротивление в поле, параллельном току. Известно, что в монокристаллах направление тока и намагниченности относительно осей кристалла влияет на поведение магнитосопротивления [11].

Ориентация кристаллов в тонких магнитных пленках тесно связана как с их физическими, так и с магнитными свойствами. Текстурированные магнитные материалы часто демонстрируют гораздо лучшие характеристики, такие как легкое намагничивание, большая магнитострикция и отличная прямоугольность в петле намагничивания B–H , график плотности магнитного потока, B , для различной напряженности магнитного поля, H [12–15]. Эта информация дает возможность создавать устройства микроэлектроники, в том числе и радиосвязи, с более высокой точностью и чувствительностью для практического использования.

В нашей работе были исследована магнитные свойства, в том числе и магнитная анизотропия в плоскости, для пленок силицида Fe 3 Si с поликристаллической и монокристаллической структурой.

Эксперимент

Методом молекулярно-лучевой эпитаксии при совместном осаждении железа и кремния были получены поликристаллические и эпитаксиальные пленки Fe 3 Si. Для полученных пленок изучена магнитная анизотропия методом ферромагинтного резонанса (ФМР), определены вклады однонаправленной, одноосной, кубической и гексагональной анизотропий в результирующее значение, а также высокочастотные (СВЧ) магнитные характеристики всех изучаемых пленок: ширина линии ферромагнитного резонанса, эффективная намагниченность насыщения и значения поля ферромагнитного резонанса для заданной частоты накачки.

Синтез образцов был проведен в сверхвысоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии «Анагара», базовый вакуум в которой составляет 1,3×10–8 Па. Напыление осуществлялось методом термического испарения из эффузионных ячеек Кнудсена из двух источников одновременно, так называемое соосаждение, железа и кремния в атомных пропорциях Fe:Si = 3:1. Процесс формирования пленки контролировался методом дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ).

Кристаллическая структура

В ходе эксперимента была получена поликристаллическая пленка Fe 3 Si толщиной 40 нм. Она была синтезирована при комнатной температуре на подложке Si(111), покрытая слоем оксида SiO 2 толщиной около 1,5 нм. На рис. 1 представлена картина ДОБЭ для данной структуры.

Рис. 1. Картина ДОБЭ от пленки Fe3Si на SiO2/ Si(111)

Fig. 1. RHEED pattern on Fe 3 Si/SiO 2 / Si(111)

На полученной дифрактограмме присутствуют рефлексы в виде концентрических колец Дебая, а также секторов колец. Такая геометрия дифракционной картины соответствует поликри-сталлической структуре с некоторой текстурой.

На рис. 2 представлена картина дифракции отраженных быстрых электронов от пленок Fe3Si толщиной 40 нм, полученной на подложке Si(111)7×7 при комнатной температуре.

Рис. 2. Картина ДОБЭ от пленки Fe 3 Si/Si(111)7×7

Fig. 2. RHEED pattern on Fe 3 Si/Si(111)7×7

На данной дифрактограмме присутствуют рефлексы в виде точек, вытянутых в вертикальном направлении. Такая геометрия картины соответствует монокристаллической структуре пленки с островковой морфологией поверхности. Анализ дифракционных данных также показывает, что пленки Fe 3 Si на Si(111)7×7 формируются эпитаксиально.

Исследование магнитной анизотропии

Для обеих пленок была исследована магнитная анизотропия методом ферромагнитного резонанса. На рис. 3 представлены угловые зависимости поля ферромагнитного резонанса, полученные на сканирующем спектрометре ферромагнитного резонанса на частоте накачки 3,329 ГГц [16].

б

Рис. 3. Угловые зависимости поля ферромагнитного резонанса для поликристаллической пленки Fe₃Si ( а ); монокристаллической пленки Fe₃Si ( б ) (круг – экспериментальные данные, линия – расчетная кривая)

Fig. 3. The angular dependences of the ferromagnetic resonance field for polycrystalline Fe 3 Si film ( a );

a single-crystal Fe 3 Si film ( b ) (circle – experimental data, line – calculated curve)

По этой зависимости, исходя из феноменологической модели, по итерационной методике [17] были рассчитаны следующие характеристики для полученной пленки (табл. 1): эффективная намагниченность насыщения M S , поле однонаправленной анизотропии H k1 , поле одноосной H _k2 и поле кубической H _k4 анизотропии. Из данных ферромагнитного резонанса также определена ширина линии ФМР в направлении оси легкого намагничивания Δ H ОЛН (табл. 1).

Магнитные характеристики пленок Fe3Si

Таблица 1

	Fe 3 Si/SiO 2 /Si(111)	Fe 3 Si/Si(111)7×7
	поликристалл	монокристалл
M S, Гс	1235,5	1227,2
H k1 , Э	0,48	0,17
H k2 , Э	13,42	73,16
H k4 , Э	0,23	310,58
Δ H ОЛН, Э	33,5	7,7

Из анализа данных установлено, что поликристаллическая пленка характеризуется, в большей степени, только одноосной анизотропией, которая примерно в 28 раз выше других составляющих. Формирование преимущественно одноосной анизотропии вызвано, скорее всего, напылением материала под углом к поверхности подложки, так называемое «косое» напыление [18].

Для монокристаллической пленки Fe 3 Si на Si(111)7×7 были определены такие же, как и для поликристаллических образцов, магнитные характеристики (табл. 1), но по методике [19], адаптированной для монокристаллических структур.

Из полученных данных (табл. 1) видно, что у монокристаллической пленки преобладает кубическая магнитная анизотропия Hk4, которая более чем в 4 раза больше одноосной состав- ляющей Hk2. Этот факт показывает и подтверждает то, что наша пленка имеет монокристаллическую структуру. В свою очередь, одноосная анизотропия для монокристаллического Fe3Si более чем в 5 раз сильнее, чем для поликристаллического образца. Для установления точной природы таких различий требуются дополнительные исследования структурных и магнитных свойств всех элементов нашего образца. Но, скорее всего, это вызвано наложением нескольких факторов: разориентации поверхности подложки, «косое» напыление и внутренние силы в монокристалле.

Заключение

Методом молекулярно-лучевой эпитаксии были получены поли- и монокристаллическая пленки силицида Fe 3 Si на подложках Si(111). Методом ферромагнитного резонанса изучена магнитная анизотропия. Установлено, что поликристаллическая пленка характеризуется одноосной магнитной анизотропией, которая составляет 13,42 Э и формируется вследствие «косого» напыления. А магнитная анизотропия для монокристаллической пленки Fe 3 Si формируется в большей степени внутренними магнитокристаллическими силами. Представленные результаты показывают, что варьируя кристаллическую структуру одного материала можно изменять его магнитные свойства и, следовательно, использовать в различных приложениях, к примеру, в устройствах спинтроники или датчиках слабых магнитных полей.