Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния (стр. 1 )

Российский научный центр «Курчатовский институт»

на правах рукописи

НИКОЛАЕВ Сергей Николаевич

Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико - математических наук

Москва

2009 г.

Работа выполнена в Институте молекулярной физики Российского научного центра «Курчатовский институт»

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

кандидат физ.-мат. наук

Ведущая организация Московский Государственный Университет им.

Защита состоится «__» ________ 20__ г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 520.009.01 в РНЦ «Курчатовский институт» (123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, д. 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан «__» _________ 20__ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Актуальность темы

В последнее время интенсивно развивается новая область микроэлектроники – спиновая электроника или спинтроника, изучающая явления и устройства, в которых существенную роль играет спиновая поляризация носителей заряда [1].

Обнаружение в 1988 г. в слоистых системах Fe/Cr эффекта гигантского магнетосопротивления (МС) [2], возникающего из-за спин-зависящего рассеяния электронов на межслоевых границах раздела, положило начало широкому исследованию магнитных гибридных систем не только на основе металлов, но и диэлектриков и полупроводников. Толчком к интенсивному изучению последних послужило также обнаружение в 1992 г. ферромагнетизма в III-V полупроводниках [3], сильно легированных Mn, с температурой Кюри достигающей в настоящее время около 200 К в случае GaMnAs. Полупроводниковые магнитные системы могут обеспечить эффективную спиновую инжекцию в немагнитные полупроводники и потому представляют особый интерес ввиду их возможного использования при создании новых устройств спинтроники (спиновых светодиодов и транзисторов, магниторезистивной памяти с произвольным доступом) [4]. Однако, исследования данных систем выполнены в настоящее время в основном на примере III-Mn-V полупроводников и слоистых III-V/Mn структур (типа дискретных сплавов) на их основе [5]. Значительно меньшее число работ посвящено исследованию транспортных свойств магнитных систем на основе полупроводников IV группы (Si и Ge), хотя эти системы наиболее интересны для практических применений, поскольку легко интегрируемы в существующую микроэлектронную технологию.

Среди кремниевых магнитных систем достаточно подробно изучены слоистые структуры типа Fe/(a-Si), что связано с обнаруженным в них достаточно сильным эффектом обменного взаимодействия ферромагнитных слоев железа через аморфную полупроводниковую прослойку Si [6]. Однако, в основном эти работы были направлены на исследование магнитных свойств данной системы, тогда как изучению в них спин-зависящих эффектов в электронном транспорте (отрицательному магнетосопротивлению и его анизотропии, аномальному и планарному эффектам Холла) практически не уделялось внимание. Между тем, эти эффекты определяются спиновой поляризацией носителей, а исследование особенностей электронного транспорта в этих условиях и составляет основной интерес спинтроники. Похожая ситуация имеет место и при исследованиях магнитных систем на основе Si и Mn. В частности, в недавних работах сообщалось о наблюдении ферромагнетизма, инициированного носителями заряда (carrier-mediated ferromagnetism), с температурой Кюри Тс ≈ 250 К для однородно легированных слоев MnxSi1-x [7] и с Тс ≥ 300 К в случае Si/Mn дискретных сплавов [8]. Эти наблюдения основаны на изучении только намагниченности объектов, которая может однозначно указывать на наличии спиновой поляризации носителей лишь в однофазных разбавленных магнитных полупроводниках (РМП) в условиях непрямого обмена магнитных примесей посредством носителей заряда. На примере III-Mn-V полупроводников установлено (см. [9] и ссылки там), что при наличии второй фазы (ферромагнитных нанокластеров MnAs или MnSb) гистерезис в намагниченности может наблюдаться при температурах выше комнатной. При этом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. С другой стороны, в однофазных РМП существенную роль играет аномальный эффект Холла (АЭХ), который пропорционален намагниченности и определяется спиновой поляризацией носителей. В III-Mn-V полупроводниках вклад АЭХ оказывается доминирующим до температур, превышающих температуру Кюри в 2-3 раза, и потому его исследования играют ключевую роль в установлении ферромагнитного состояния данных систем [5]. Между тем, в случае Si-Mn систем данные по исследованию АЭХ при повышенных температурах к моменту настоящей работы отсутствовали.

Магнитные системы на основе Si обладают более сложным характером беспорядка, чем на основе III-V полупроводников, что связано с существенно более низкой растворимостью в Si переходных 3d металлов и высокой химической активностью кремния, обусловливающей формирование различных типов силицидов. В этом случае Mn, например, уже при достаточно малых содержаниях может занимать как положения замещения (акцепторные) кристаллической решетки, так и ее межузельные (донорные) положения, причем при низких температурах роста слоев (≈ 300 оС) образовывать различные типы силицидов (MnSi, Mn4Si7 и др.). Другими словами, магнитные системы на основе кремния являются сильно неупорядоченными объектами, беспорядок которых обусловлен не только флуктуациями кулоновского и обменного взаимодействий как в обычных РМП, но и сильными структурными флуктуациями их состава. Понимание электрофизических свойств таких систем находится в настоящее время в зачаточном состоянии. Поэтому исследования спин-зависящих эффектов в их электронном транспорте являются актуальной научно и практически значимой задачей.

Сложный характер Si магнитных систем потребовал комплексного подхода в исследованиях, а также развитие экспериментально методического аппарата прецизионных измерений не только магнетосопротивления и АЭХ, но и планарного эффекта Холла (ПЭХ), который оказался весьма чувствительным к анизотропии отрицательного МС и многодоменному состоянию пленок.

Цель работы

Целью работы являлось экспериментальное исследование спин-зависящих эффектов в электронном транспорте Si магнитных систем (многослойных Co0.45Fe0.45Zr0.1/(a-Si) структур и MnxSi1-x слоев) методами магнетосопротивления, аномального и планарного эффектов Холла.

При достижении поставленной цели решены следующие задачи:

·  Создана экспериментальная методика прецизионных измерений транспортных характеристик неупорядоченных объектов в диапазоне температур 5 – 300 K в полях до 3 Тл, которая, в частности, апробирована на примере исследований планарного эффекта Холла в напряженных двухслойных структурах на основе Со и антиферромагнетика Cr, а также в поликристаллических пленках силицида Fe3Si.

·  Изучены магнитополевые, температурные и концентрационные зависимости эффекта Холла (включая ПЭХ) и магнетосопротивления: 1) в многослойных Co0.45Fe0.45Zr0.1/a-Si структурах с различной толщиной a-Si (ds = 0.7-3.5 нм) и металла (dm = 2.5-3.5 нм); 2) в MnxSi1-x слоях с повышенным содержанием Mn (около 35 ат. %).

Научная новизна работы

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 помимо АМС обнаружено 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 в структурах с ds » 1 нм составляет Mr/Ms » 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.