Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния (стр. 4 )

В разделе 4.4 представлены результаты транспортных исследований MnхSi1-х слоев, выращенных на Al2O3 и GaAs подложках при температурах роста Tg = 300 и 350оС. Исследования выполнены в диапазоне температур T = 5-300 K в магнитных полях B до 2.5 Tл.

Далее представлены результаты исследований эффекта Холла, которые подтверждают высокие температуры Кюри MnхSi1-х слоев. Полученный сигнал эффекта Холла носит гистерезисный характер в условиях доминирующей роли его аномальной компоненты над нормальной компонентой (рис.3.). Знак аномального эффекта Холла (отрицательный) оказался противоположен дырочному типу проводимости MnхSi1-х. Найденная из этих измерений концентрация дырок достигает в образцах величины p » 2×1022 см-3, что отвечает сильному вырождению дырочного газа и свидетельствует о существенной его роли в ферромагнитном упорядочении.

Полученный коэффициент аномального эффекта Холла достигает величины на четыре порядка превышающей значение этого коэффициента в ферромагнитных металлах. Анализ параметрической зависимости сопротивления АЭХ от продольного сопротивления образцов показал, 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 scattering” механизму АЭХ.

В разделе 4.5. 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.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в работе.

Основные результаты.

1.  Исследованы эффект Холла и магнитосопротивление в двухслойных пленках Сr(5нм)/Со(20нм), полученных ионным распылением на кремниевую подложку. В этих структурах выявлен планарный эффект Холла (ПЭХ), который в отличие от обычно наблюдаемого ПЭХ, является симметричным по знаку изменения угла поворота магнитного момента в плоскости пленки. На основе измерений петель гистерезиса намагниченности при различных ориентациях поля и ПЭХ при наложении слабого продольного поля показано, что симметричный ПЭХ связан с многодоменным состоянием пленки Сo в двухслойных структурах Cr/Co.

2.  Исследованы многослойные (с чилом бислоев 100) структуры Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si, полученные путем ионно-лучевого распыления на ситалловые подложки при комнатной температуре. Показано, что при уменьшении толщины металла dm от 3 до 1.3 нм проводимость структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при dm £ dmc » 2.2 нм, сопровождаемый экспоненциальным ростом сопротивления. Металлический характер проводимости при толщинах слоя металла выше 2.2 нм подтверждается измерениями аномального эффекта Холла. Установлено также, что dm ≥ 2.5 нм в многослойных структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si температурная зависимость сопротивления подчиняется закону вида , типичному для металл-диэлектрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.

3.  Впервые для нанокомпозитов подобного типа вблизи перколяционного перехода обнаружен эффект анизотропного магнетосопротивления (АМС), а также планарный эффект Холла (ПЭХ). Выявлена связь АМС и ПЭХ с поперечным (между холловскими зондами) магниторезистивным эффектом, достигающим по величине 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния ds < 1 нм обнаружено помимо АМС изотропное по характеру отрицательное магнетосопротивление (МС) порядка 0.15 %, обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними ферромагнитными слоями при антиферромагнитном характере обменного взаимодействия между ними.

4.  Показано, что при T = 300 K и ориентации поля вдоль плоскости структуры Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si отношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения Mr/Ms в структурах с ds » 1 нм составляет » 0.7, тогда как в гранулированных слоях в окрестности перколяционного перехода это отношение £ 0.5 [10]. При этом поле насыщения намагниченности Hs превышает 3 кЭ, что заметно больше значений Hs, наблюдаемых в достаточно толстых аморфных пленках. Отношение Mr/Ms » 0.7 объясняется преобладанием вклада биквадратичного взаимодействия, стремящегося выстроить магнитные моменты соседних слоев ферромагнетика перпендикулярно друг другу, над антиферромагнитным (билинейным) обменом, который, однако, в структурах Fe/a-Si является доминирующим при T = 300 K.

5.  Предложена качественная модель для описания обнаруженных особенностей многослойных структур Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si, основанная на перколяционных представлениях о проводимости слоев, локально связанных 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.

Цитируемая литература

1.  I. Žutić, О. Fabian, S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004).

2.  M. N. Baibich, J. M. Brote, A. Fert et al. Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).

3.  H. Ohno, H. Munekata, T. Penney et al., Phys. Rev. Lett. 68, 2664 (1992).

4.  D. D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth (Eds.), Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Springer, 2002.

5.  T. Jungwirth, Jairo Sinova, J. Mašek et al., Rev. Mod. Phys. 78, 809 (2006).

6.  D. E. Burgler, M. Buchmeier, S. Cramm et al., J. Phys.: Condens. Matter 15, S443 (2003).

7.  X. C. Liu, Z. H. Lu, Z. L. Lu et al., J. Appl. Phys. 100, 073903 (2006).

8.  S. H. Chiu, H. S. Hsu, J. C. A. Huang, J. Appl. Phys. 103, 07D110 (2008).

9.  , , и др., ЖЭТФ 127, 838 (2005).

10.  B. A. Aronzon, S. V. Kapelnitsky and A. S. Lagutin, Transport and Magnetic Properties of Nanogranular Metals, in: PHYSICO-CHEMICAL PHENOMENA IN THIN FILMS AND AT SOLID SURFACES, v.34 (Ed. L. Trakhtenberg, S. Lin, O. Ilegbusi), Elsiever 2007.

11.  B. Dieny, S. Sankar, M. R. McCartney et al. J. Magn. Magn. Mater. 185, 283 (1998).

12.  A. Gerber, A. Milner, M. Karpovsky et al. J. Magn. Magn. Mater. 242-245, 90 (2002).

13.  T. R. McGuire, R. I. Potter. IEEE Trans. Magn. 11, 1018 (1975).

14.  U. Gottlieb, lpice, B. Lambert-Andron, O. Laborde. J. Alloys Comp. 361, 13 (2003).

Список работ автора.

1. , , . Особенности эффекта Холла в двухслойных пленках Cr/Co. Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 8, 1441-1445.

2. , , . Особенности эффекта Холла в двухслойных пленках Cr/Co. Сборник тезисов докладов пятой ежегодной научной конференции ИПТЭ РАН. 31марта-3 апреля 2004г., г. Москва.

3. , , . Планарный эффект Холла и анизотропное магнетосопротивление в слоистых структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/(a-Si) с перколяционной проводимостью. ЖЭТФ, 2006, том 130, вып. 1(7), с. 127-136.

4. , , . Магнетосопротивление и планарный эффект Холла в многослойных структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/(a-Si). Радиотехника и радиоэлектроника, 2007, том 52, № 52, с.605-612.

5. , , . Магнетосопротивление и планарный эффект Холла в многослойных структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/(a-Si). Сборник тезисов докладов конференции по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению. 26-30 ноября 2007г., г. Москва.

6. , , . Элемент памяти на планарном эффекте Холла. Патент на изобретение № 000. Приоритет изобретения 26.10.2006. Опубликовано 20.03.2008. Бюл.№8.

7. , , . Магнетосопротивление и планарный эффект Холла в многослойных структурах Co0.45Fe0.45Zr0.1/(a-Si). Сборник тезисов докладов 17-ой Уральской международной зимней школы по физике полупроводников. 18-23 февраля 2008 г., Екатеринбург-Новоуральск.

8. V. V. Rylkov, B. A. Aronzon, A. S. Lagutin, S. N. Nikolaev, V. V. Podolskii, V. P. Lesnikov, N. S. Perov. Magnetotransport and Magnetic Properties of SiMn Layers with the High Mn Content. Abstracts of Moscow Int. Symposium on Magnetism. Moscow, June 20-25, 2008, p.606-607.

9. E. S. Demidov, B. A. Aronzon, S. N. Gusev, V. V. Karzanov, A. S. Lagutin, V. P. Lesnikov, S. A. Levchuk, S. N. Nikolaev, N. S. Perov, V. V. Podolskii, V. V. Rylkov, M. V Sapozhnikov, A. V. Lashkul. High-temperature ferromagnetism in laser-deposited layers of silicon and germanium doped with manganese or iron impurities. JMMМ. 321, 690 (2009).

10. , , . Аномальный эффект Холла в слоях Si, сильно легированных Mn. Письма в ЖЭТФ, том 89, вып 12, с. 707-712 (2009).