Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния (стр. 2 )

5.  Предложена качественная модель для описания обнаруженных особенностей многослойных структур Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si, основанная на перколяционных представлениях о проводимости металлических слоев и локальной связи между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы перколяционной сетки. При этом случайный характер пересечения мертвых концов приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия в исследуемых структурах, а также к появлению изотропного по характеру отрицательного (спин-зависящего) МС, который определяется полевым изменением магнитного момента системы от 0.7 Ms до Ms. В то же время ПЭХ в слоистых структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si характеризует в первую очередь эффекты поворота магнитного момента величиной » 0.7 Ms и определяется эффектом АМС.

6.  Исследованы транспортные и магнитные свойства слоев MnхSi1-х с высоким содержанием Mn (около 35 ат.%), полученных методом лазерной эпитаксии при 300 – 350oС. Впервые в системе на основе Si и Mn обнаружен аномальный эффект Холла (AЭХ), который доминирует над нормальной компонентой эффекта Холла вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до » 230 К. Знак АЭХ оказался противоположен дырочному типу проводимости MnхSi1-х слоев, концентрация которых в слоях достигает p » 2×1022 см-3. Показано, что для образцов, выращенных при температурах роста Tg = 300оС, АЭХ определялся механизмом “skew-scattering”, тогда как при повышении Tg до 350оС и увеличении проводимости образцов наблюдается переход к “side-jump” механизму АЭХ. Большие значения температуры Кюри (Тс > 200К), полученных слоев, невозможно объяснить только формированием силицидов Mn, поскольку их максимальные значения Тс не превышают 50 K.

7.  Показано, что MnхSi1-х слои обладают металлическим типом проводимости (падение сопротивления при уменьшении T от 300 до 5 K достигает 2 раз). При этом температурные зависимости сопротивления образцов демонстрируют резкий спад при температурах ниже 40K. В этих условиях обнаружено необычное поведение петли гистерезиса АЭХ - вплоть до уменьшения коэрцитивного поля с понижением температуры в образце с минимальным содержанием дефектов.

8.  Установлено, что намагниченность насыщения MnхSi1-х слоев слабо уменьшается при увеличении температуры до 200 K. Показано, что при T = 77 K полевая зависимость намагниченности М(B) носит гистерезисный характер. При этом полевая зависимость холловского сопротивления RH(B) коррелирует c поведением намагниченности М(B), что позволило найти коэффициент аномального эффекта Холла Rs » 1.0×10-8 Ом×см/Гс, который на четыре порядка превышает значение Rs в ферромагнитных металлах.

9.  Свойства MnхSi1-х слоев объясняются в рамках модели двухфазной системы, в которой ферромагнитные (ФМ) кластеры, содержащие междоузельные ионы Mn с локализованным спином, встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2-x (x » 0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ при высокой температуре обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители, концентрация которых в матрице достигает 2×1022 см-3, так и обменом через спиновые флуктуации. Об эффекте вымораживания этих флуктуаций с понижением температуры свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов ниже 40 К и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ в этих условиях.

Практическая ценность работы

Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния неупорядоченности в системе на характер проводимости и магнитные свойства Si структур. Также показана возможность создания на исследуемых пленочных системах элемента магнитной памяти. Данная идея запатентована (патент на изобретение № 000, «Элемент магнитной памяти на планарном эффекте Холла», см. в списке работ автора). Результаты работы актуальны для современной микроэлектроники еще и тем, что получены для структур на основе наиболее технологично-значимого материала – кремния.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проводимость многослойных Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при толщинах Co0.45Fe0.45Zr0.1 слоев dm £ dmc » 2.2 нм. При dm ≥ 2.5 нм температурная зависимость сопротивления структур подчиняется закону вида , типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.

2. В отличие от нанокомпозитов в структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si вблизи перколяционного перехода наблюдается планарный эффект Холла, который обусловлен эффектом анизотропного магнетосопротивления (МС) и приводит к проявлению поперечного (между холловскими зондами) МС величиной до 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния ds < 1 нм структуры также демонстрируют изотропное отрицательное МС (≈ 0.15 %), обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними антиферромагнитно взаимодействующими магнитными слоями. Причем эти слои локально связаны между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы перколяционной сетки, случайный характер пересечения которых приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия.

3. В слоях MnхSi1-х с высоким содержанием Mn (≈ 35 ат.%) аномальный эффект Холла (AЭХ) наблюдается вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до » 230 К. При этом коэффициент аномального эффекта Холла Rs на четыре порядка превышает значение Rs в ферромагнитных металлах, а намагниченность насыщения слоев практически не уменьшается до 200К.

4. При Т < 40 K в образцах MnхSi1-х/Al2O3 наблюдается резкое уменьшение их сопротивления и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ (вплоть до уменьшения коэрцитивного поля) в этих условиях. В этой же области температур для MnхSi1-х/GaAs образцов наблюдается уменьшение их магнитной восприимчивости.

5. Ферромагнетизм (ФМ) MnхSi1-х слоев объясняется в рамках модели двухфазной системы, в которой кластеры с локализованным спином встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа MnSi2-x (x » 0.3) с делокализованной спиновой плотностью. Дальний ФМ порядок обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители (p ≈ 2×1022 см-3 ), так и обменом через спиновые флуктуации матрицы, об эффекте вымораживания которых при Т < 40 K свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов и необычное поведение АЭХ в этих условиях.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы были доложены на следующих Российских и международных научных конференциях:

1. Пятая ежегодная научная конференция ИПТЭ РАН. 31марта-3 апреля 2004г., г. Москва.

2. Eight International Workshop on Non-Crystalline Solids (IWNCS), Gijon, Spain, June 20-23, 2006.

3. VIII Latino-American symposium on physics of solid state, Puebla, US of Mexico, November 2006.

4. ICM-2006, Kyoto, Japan, Aug. 20-25, 2006.

5. Конференция по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению. 26-30 ноября 2007г., г. Москва.

6. 17-ая Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. 18-23 февраля 2008г., гг. Екатеринбург-Новоуральск.

7. Moscow International Symposium on Magnetism. June 20-25, 2008.

По теме диссертации имеется 10 публикаций в научных журналах и сборниках конференций. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 91 пункта. Объем диссертации составляет 109 страниц, включая 50 рисунков и 2 таблицы.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и выбор объектов исследования, формулируются цели и задачи работы, её научная новизна и выносимые на защиту положения, её практическая значимость и основные результаты.

В первой главе дается обзор литературы посвященной исследованию магнитотранспортных свойств систем на основе переходных 3d переходных металлов и полупроводников.

В разделе 1.1 главы дано краткое описание явлений анизотропного (АМС) и гигантского магнетосопротивлений (ГМС) в магнитных структурах.

Во втором разделе изложены основные положения теоретического рассмотрения эффекта Холла в магнитных полупроводниковых системах, в частности, аномального эффекта Холла (АЭХ) и планарного эффекта Холла (ПЭХ), обусловленного эффектом АМС. Описана также методика анализа поведения намагниченности магнитных систем с использованием эффекта Холла.

Далее рассмотрена теория перколяционной проводимости разупорядоченных структур и механизмов проводимости в перколяционных структурах.

В заключительной части главы приведены недавние результаты, полученные в других экспериментальных группах, которые проводили исследования систем подобных тем, которые рассматриваются в данной работе, и сформулированы задачи работы.

Во второй главе описана методика комплексных исследований транспортных свойств разбавленных магнитных полупроводников (РМП), включающая измерения магнетосопротивления и эффекта Холла, в том числе исследования планарного эффекта Холла ПЭХ при ориентации магнитного поля в плоскости образца.

В разделе 2.1 приведены схемы основных узлов автоматизированной установки для гальваномагнитных измерений на базе ПК, цифрового мультиметра HP 3457А, HP-IB контроллер и компактной вакуумной вставки со сверхпроводящим соленоидом, погружаемой в транспортный гелиевый сосуд Дьюара. Установка позволяет производить измерения в диапазоне температур 4.2 – 300 К, в магнитных полях до 3 Тл с различной ориентацией относительно плоскости образца и широком диапазоне сопротивлений (1010 – 1 Ом). При исследованиях ПЭХ измерения проводились в криостате, размещенном в электромагните на 1 Тл, что совместно с соленоидом позволяло получать наклонные магнитные поля (по отношению к пропускаемому через образец току) и управлять поворотом магнитного момента объектов исследования.