Теоретический поиск и исследование магнитных фаз силицидов марганца на поверхности кремния (001)

Теоретический поиск и исследование магнитных фаз силицидов марганца на поверхности кремния (001)

Автор: Лубкова Т.А., Бычек А.А., Попов З.И., Чепкасов И.В., Высотин М.А.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Технологические процессы и материалы

Статья в выпуске: 4 т.18, 2017 года.

Бесплатный доступ

Необходимость уменьшения массы и размеров электронных приборов и вместе с тем увеличения их быст- родействия и энергоэффективности наиболее остро выражена в сфере космического приборостроения. Один из возможных путей развития электроники в этом направлении - переход к устройствам, базирующимся на новых физических принципах, таких как манипулирование спином электрона. Поиск новых материалов для таких устройств требует привлечения новых подходов в рамках современного материаловедения, включая использование методов теоретического предсказания соединений для их дальнейшего экспериментального син- теза и изучения. Перспективная для спинтроники система Mn-Si является серьёзным вызовом для теоретических исследо- ваний из-за своей запутанной фазовой диаграммы с большим количеством метастабильных фаз, многие из которых обнаруживаются только в определённых наноразмерных системах, таких как тонкие пленки. Представлен поиск и исследование новых фаз силицидов марганца, образование которых возможно при эпитаксиальном росте на поверхности кремния (001). Исследование проводилось при помощи квантово- химического моделирования с использованием эволюционного алгоритма поиска стабильных структур и расчетов в рамках теории функционала электронной плотности. Из всего разнообразия обнаруженных фаз наибольшим магнитным моментом - 0,71 μB на атом марганца, обладает тетрагональная P4/mmm-фаза дисилицида мар- ганца. Для этой фазы были рассмотрены различные конфигурации интерфейсов с кристаллическим кремнием, определены их электронные и магнитные свойства. Высокое значение спиновой поляризации на уровне Ферми (-66 %) говорит о перспективности пленок такого силицида для спинтронных устройств. Выявлено влияние конечной толщины плёнки на магнитные моменты атомов марганца, вплоть до исчезновения спиновой поляри- зации. Показано, что наличие интерфейса с кремниевой подложкой существенно сказывается только на бли- жайшем к нему слое силицида, в то время как оборванные связи на поверхностном слое силицида распростра- няют свое влияние на электронную структуру 2-3 слоев вглубь силицида, что позволяет говорить о сохране- нии магнитных свойств пленок найденного силицида при их малой толщине, начиная с нескольких нанометров.

Еще

Силициды, квантово-химические расчеты, спинтроника, силициды марганца, интерфейс, эпитаксиальный рост

Короткий адрес: https://sciup.org/148177782

IDR: 148177782

Список литературы Теоретический поиск и исследование магнитных фаз силицидов марганца на поверхности кремния (001)

  • Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники//Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 12. С. 1336-1348.
  • Грюнберг П. А. От спиновых волн к гигантско-му магнетосопротивлению и далее//Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 12. С. 1349-1358.
  • Semiconducting silicide-silicon heterostructures: growth, properties and applications/J. Derrien //Applied surface science. 1992. Vol. 56. P. 382-393.
  • "Nanoparticle-in-Alloy" approach to efficient thermoelectrics: silicides in SiGe/N. Mingo //Nano letters. 2009. Vol. 9, No. 2. P. 711-715.
  • Senthilarasu S., Sathyamoorthy R., Lalitha S. Synthesis and characterization of β-FeSi2 grown by thermal annealing of Fe/Si bilayers for photovoltaic applications//Solar energy materials and solar cells. 2004. Vol. 82, No. 1. P. 299-305.
  • Brief observe on iron silicide growth on amorphous silicon/A. S. Gouralnik //Physica status solidi (c). 2013. Vol. 10, No. 12. P. 1742-1745.
  • Eschrig M. Spin-polarized supercurrents for spin-tronics: a review of current progress//Reports on Progress in Physics. 2015. Vol. 78, No. 10. P. 104501.
  • Моргунов Р. Б., Дмитриев А. И. Спиновая динамика в наноструктурах магнитных полупроводников (обзор)//Физика твердого тела. 2009. Т. 51, № 10. С. 1873-1889.
  • Odkhuu D., Yun W. S., Hong S. C. Magnetocrystal-line anisotropy energy and spin polarization of Fe3Si in bulk and on Si (001) and Si (111) substrates//Thin Solid Films. 2011. Vol. 519, No. 23. P. 8218-8222.
  • Naito M., Ishimaru M. Early stage of the crystallization in amorphous Fe-Si layers: formation and growth of metastable α-FeSi2//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2009. Vol. 267, No. 8. P. 1290-1293.
  • Structural asymmetry of Si/Fe and Fe/Si interface in Fe/Si multilayers/S. R. Naik //Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. Vol. 41, No. 11. P. 115307.
  • Magnetic properties and nonmagnetic phases formation in (Fe/Si)n films/S. N. Varnakov //Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 104, No. 9. P. 094703.
  • Above room temperature ferromagnetism in Mn-ion implanted Si/M. Bolduc, //Physical Review B. 2005. Vol. 71, No. 3. P. 033302.
  • Структура, электрические и магнитные свойства и природа ферромагнетизма при комнатной температуре в кремнии, имплантированном марганцем/А. Ф. Орлов //Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009. Т. 136, № 4. С. 703-710.
  • Hortamani M., Kratzer P., Scheffler M. Density-functional study of Mn monosilicide on the Si (111) surface: Film formation versus island nucleation//Physical Review B. 2007. Vol. 76, No. 23. P. 235426.
  • Formation of higher manganese silicide films on silicon/T. S. Kamilov //Technical physics. 2005. Vol. 50, No. 8. P. 1102-1104.
  • Geisler B., Kratzer P. Strain stabilization and thickness dependence of magnetism in epitaxial transition metal monosilicide thin films on Si (111)//Physical Review B. 2013. Vol. 88, No. 11. P. 115433.
  • Formation and characterization of manganese silicide on Si (111) and Si (100) substrates/K. H. Kim //Journal of the Korean Physical Society. 2007.Vol. 51, No. 3. P. 1032.
  • Initial growth stages of manganese films on the Si (100) 2×1 surface/S. N. Varnakov //Physics of the Solid State. 2014.Vol. 56, No. 2. P. 380-384.
  • Interface structure and stabilization of metastable B2-FeSi/Si (111) studied with low-energy electron diffraction and density functional theory/S. Walter //Journal of Physics: Condensed Matter. 2003. Vol. 15, No. 30. P. 5207.
  • Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals//Physical Review B. 1993. Vol. 47, No. 1. P. 558.
  • Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium//Physical Review B. 1994. Vol. 49, No. 20. P. 14251.
  • Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set//Physical review B. 1996. Vol. 54, No. 16. P. 11169.
  • Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas//Physical review. 1964. Vol. 136, No. 3B. P. B864.
  • Kohn W., Sham L. J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects//Physical review. 1965. Vol. 140, No. 4A. P. A1133.
  • Blöchl P. E. Projector augmented-wave method//Physical review B. 1994. Vol. 50, No. 24. P. 17953.
  • Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method//Physical Review B. 1999. Vol. 59, No. 3. P. 1758.
  • Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple//Physical review letters. 1996. Vol. 77, No. 18. P. 3865.
  • Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations//Physical review B. 1976. Vol. 13, No. 12. P. 5188.
  • Oganov A. R., Glass C. W. Crystal structure prediction using ab initio evolutionary techniques: Principles and applications//The Journal of chemical physics. 2006. Vol. 124, No. 24. P. 244704.
  • Oganov A. R., Lyakhov A. O., Valle M. How Evolutionary Crystal Structure Prediction Works and Why//Accounts of chemical research. 2011. Vol. 44, No. 3. P. 227-237.
  • New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX/A. O. Lyakhov //Computer Physics Communications. 2013. Vol. 184, No. 4. P. 1172-1182.
  • Faken D., Jónsson H. Systematic analysis of local atomic structure combined with 3D computer graphics//Computational Materials Science. 1994. Vol. 2, No. 2. P. 279-286.
  • Magnetism in bcc and fcc manganese/G. Fuster //Physical Review B. 1988. Vol. 38, No. 1. P. 423.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp