Исследование природы ферромагнетизма в диоксиде титана (TiO2), имплантированном ионами переходной группы железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

АЧКЕЕВ АНДРЕИ АЛЕКСЕЕВИЧ

Исследование природы ферромагнетизма в диоксиде титана (ТЮ2), имплантированном ионами переходной группы железа

01.04.11 - Физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 НОЯ 2013

Казань-2013

005539964

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится

доктор физико-математических наук, профессор Тагиров Ленар Рафгатович кандидат физико-математических наук, с.н.с. Хайбуллин Рустам Ильдусович доктор физико-математических наук, зав. кафедрой высшей математики КНИТУ, профессор

Жихарев Валентин Александрович

доктор физико-математических наук, профессор каф. «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО КГЭУ Голенищев-Кутузов Вадим Алексеевич ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

е

2013 г. в /У

¿о

часов

на заседании диссертационного совета Д 002.191.01 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН по адресу: 420029, Казань, Сибирский тракт, 10/7.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.

Автореферат разослан ¿ЯОпуСЪ^ЗК 2013 года.

И. о. ученого секретаря диссертационного совета, д.ф.-м.н.

Файзрахманов И.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В 2005 году авторитетный научный журнал "Science" в специальном номере опубликовал 125 важнейших вопросов из всех областей знаний, которые стоят перед Наукой в целом и требуют своего решения в ближайшие двадцать пять лет [1]. Один из вопросов, относящихся к физическому материаловедению, был озвучен следующим образом: Можно ли создать магнитный полупроводник, который бы работал при комнатной температуре? Магнитный полупроводник -это материал, обладающий как свойствами ферромагнетика, так и свойствами полупроводника. Столь высокий интерес к магнитным полупроводникам обусловлен тем, что они являются наиболее перспективными материалами для использования в полупроводниковой спинтронике. Такие материалы могут служить эффективными инжекторами спин-поляризованного тока в полупроводниковые структуры, и использованы при конструировании новых интегральных микросхем и электронных приборов, обладающих наиболее высокой производительностью.

Одним из кандидатов на роль магнитного полупроводникового материала является диоксид титана (ТЮ2), легированный Зё-элсментами, который относится к новому классу магнитных полупроводников — магниторазбавленным оксидным полупроводникам (МРОП). Первое сообщение об экспериментальном наблюдении ферромагнетизма в диоксиде титана, легированном примесью кобальта, относится к работе [2]. После этой пионерской работы 2001 г. в научной литературе появилось более 1000-и статей [3], в которых было показано, что Ti02 и ряд других оксидных полупроводников, легированных Зс1-магнитными элементами, могут проявлять ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Однако максимальная температура, при которой в образцах сохранялся достаточно большой спонтанный магнитный момент, не превышала 400 К, чего недостаточно для нормального функционирования электроники. К тому же, отмечается высокая чувствительность магнитных свойств экспериментальных образцов МРОП к методу и физико-химическим условиям их синтеза. Это означает, что на данный момент не существует магнитного полупроводника, пригодного для применения в промышленной электронике.

В данной работе мы сосредоточимся на рассмотрении особенностей ионно-лучевой имплантации для синтеза МРОП, как наиболее универсальной методики с точки зрения формирования наноструктурированных композиций практически любого химического элемента в любой твердотельной подложке, в том числе и композиций любого 3^металла с желаемой концентрацией в оксидном полупроводнике ТЮ2. К тому же, данная методика идеально приспособлена к интегрированию с современной кремниевой планарной технологией производства основных элементов микроэлектроники и СБИС.

Существуют две проблемы понимания высокотемпературного ферромагнетизма, наблюдаемого в МРОП: это природа его возникновения и механизмы обеспечения дальнего магнитного порядка. Спектроскопические исследования [3] показывают, что Зё-примесь может находиться либо в форме магнитных наночастиц, либо в форме твердого раствора, когда парамагнитные ионы Со2+, Бе3*, Сг3+, Мп2+ и др., изоморфно замещают "домашние" катионы металлов в структуре оксидного полупроводника. До сих пор не ясно, в какой степени явление ферромагнетизма обусловлено наночастицами магнитной примеси, и в какой - фазой твердого раствора ионов примеси? Этот вопрос относится к природе ферромагнетизма. Наряду с этим встает вопрос о механизмах магнитного упорядочивания. В случае, когда примесь находится в форме магнитных наночастиц ЗсЬметаллов, механизм упорядочения понятен (обмен, как в магнитном материале), в случае же, когда ферромагнетизм обусловлен твердым раствором ионов примеси, механизм его возникновения до конца не установлен и является предметом острых научных дискуссий.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью исследования является установление природы ферромагнетизма и механизмов его возникновения в диоксиде титана (Т1О2), имплантированном магнитными ионами Зскэлементов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) Анализ совокупности экспериментальных данных, касающихся магнетизма в легированном Зс1-элементами диоксиде титана.

2) Построение физической модели, описывающей природу ферромагнетизма в магнитных полупроводниках, полученных на основе монокристаллического

ТЮ2 со структурой рутила методом ионно-лучевой имплантации.

4

3) Описание и интерпретация с помощью модели совокупности экспериментальных данных по исследованию элементно-фазового состава и магнитных свойств монокристаллических пластин рутила, имплантированных ионами кобальта или железа.

4) Проведение моделирования глубинных профилей концентрации Зс1-примеси, имплантированной в ТЮ2 при различных режимах и параметрах ионного облучения.

5) Построение модели дальнего магнитного порядка, которая бы качественно описывала имеющиеся результаты экспериментальных исследований магнетизма в легированном 3с1-элементами диоксиде титана.

Научная новизна

Новизна и научная ценность данной работы заключается во всестороннем теоретическом исследовании природы ферромагнетизма и механизмов его возникновения в имплантированном Зс1-элементами диоксиде титана.

В работе собран и проанализирован большой пласт разнообразных экспериментальных данных исследования системы ТЮ2:Зс1-примесь, которые включают спектроскопию обратного резерфордовского рассеяния, электронную микроскопию, мессбауэровскую спектроскопию, ЭПР спектроскопию, магнитные и термомагнитные измерения. На основе анализа экспериментальных данных, построена двухфазная физическая модель, описывающая природу явления ферромагнетизма в имплантированном Зс1-элементами ТЮ2 и учитывающая особенности метода ионно-лучевой имплантации. Модель не только объясняет совокупность наблюдаемых данных, но и позволяет предсказать, какой магнитный отклик будет у системы в зависимости от режимов и параметров ионно-лучевого синтеза.

Двухфазная физическая модель обосновывается математическим описанием (моделью) процессов глубинного распределения и преципитации примеси в ТЮ2 во время ионно-лучевого синтеза. В отличие от классических решений задачи распределения примеси, таких как алгоритмы БШМ, ТИУБУМ и О УК А, предлагаемая модель впервые одновременно учитывает три важнейших для ионно-лучевой синтеза процесса: распыление поверхности образца, быструю диффузию примеси и образование наноразмерных фаз примеси на различной глубине. Положения данной математической модели тесно сопряжены с

экспериментальными данными исследования структурных свойств ТЮ2, имплантированного ионами кобальта или железа.

Предложен новый механизм зарождения дальнего магнитного порядка в дефектном диоксиде титана, легированном ионами Зс)-элементов, который проясняет многие свойства исследуемых образцов. В частности, независимость температуры Кюри от концентрации примеси; «спусковой» пороговый характер возникновения ферромагнетизма; наличие в некоторых случаях гигантских магнитных моментов; зависимость величины спонтанного магнитного момента от концентрации кислородных вакансий; слабую зависимость параметров ферромагнетика от типа внедряемой Зс1-примеси.

Научная и практическая значимость

Предложенная в работе двухфазная модель природы ферромагнетизма в системе (Со, Ре):ТЮ2 может также применяться к системам, в которых существенную роль оказывают процессы анизотропной диффузии примеси и фазового расслоения материала на нанометрическом масштабе. Развитая модель распределения примеси строится на достаточно универсальных положениях, что позволяет применять ее к широкому классу систем, синтезируемых методом ионно-лучевой имплантации. Предложенный механизм зарождения дальнего магнитного порядка в диоксиде титана, легированном ионами Зс1-элементов, может также применяться к МРОП на основе других оксидных материалов, зонная структура которых схожа со структурой рутила.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи, строгостью математических преобразований, воспроизведением из общих выражений предельных и частных случаев, известных из научной литературы, хорошим согласием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными. Положения предложенных моделей основываются на существующих проверенных теориях и концепциях, а также хорошо сопрягаются с достоверными экспериментальными данными. Основные результаты неоднократно обсуждались на конференциях и семинарах, а также прошли рецензию в печатных изданиях.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Двухфазная физическая модель природы ферромагнетизма в диоксиде титана со структурой рутила, имплантированном ионами ¡(¡-элементов. Модель основана на экспериментальном наблюдении формирования двух магнитных фаз: наночастиц и твердого раствора ионов примеси в облученной матрице оксидного полупроводника. Модель на качественном уровне проясняет природу наблюдаемого ферромагнетизма, который реализуется при конкретных параметрах ионного синтеза магнитных полупроводников на основе рутила. Согласно модели, магнитный отклик в ионно-синтезированной системе ТЮ2:Зс1-примесь может быть обусловлен либо наночастицами примеси, либо твердым раствором легирующего Зс1-элемента, либо, наиболее часто реализуемый случай на практике, комбинацией двух магнитных фаз.

2. Модель распределения имплантированной примеси по глубине материала подложки, учитывающая распыление облучаемого материала, быструю одномерную диффузию примеси вдоль структурного канала в рутиле и преципитацию внедряемой примеси на разных глубинах. Модель позволяет разделять примесь на две основные компоненты - фазу наноразмерных преципитатов и фазу твердого раствора, а также позволяет описывать «аномальные» профили (двухпиковые профили, профили с пиком на поверхности образца и т.п.) распределения имплантированной примеси, наблюдаемые в эксперименте.

3. Механизм зарождения ферромагнетизма в дефектном нестехиометрическом по кислороду рутиле для случая, когда магнитные ионы примеси распределяется в образце в форме твердого раствора. Ферромагнетизм, реализующийся посредством такого механизма, обусловлен магнитным фазовым переходом в матрице дефектного оксидного полупроводника, и его параметры определяются, в первую очередь, особенностями дефектной структуры, а не параметрами магнитной примеси. Последняя играет лишь роль «спускового крючка», эффективность которого зависит от сорта внедряемого 3<1-иона.

Личное участие автора

Автором проведен тщательный анализ и интерпретация совокупности

экспериментальных данных, касающихся ферромагнетизма (У3+, Мп4+, Сг3+, Ре2,3+,

7

Co2+, Ni2+,4+):TiC>2 систем. Сформулирована и обоснована (совместно с Хайбуллиным Р.И.) физическая модель двухфазной природы ферромагнетизма в системах Co:Ti02 и Fe:Ti02, формируемых методом ионно-лучевой имплантации. Построена математическая модель глубинного распределения примеси и фазообразования в анизотропной матрице рутила в процессе ионно-лучевого синтеза, а также предложен и математически обоснован новый механизм зарождения ферромагнетизма в МРОП на основе рутила, содержащего твердый раствор ионов Зс1-элементов. Кроме этого, автор также принимал активное участие в постановке экспериментов, внес основной вклад в написание статей по теме диссертации.

Апробация работы

Основные выводы и результаты работы обсуждались на семинарах кафедры физики твердого тела КФУ, докладывались на двух всероссийских и трех международных конференциях: II Всероссийская конференция "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" ФФХИО-2008 (Казань, 2008), Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2008) (Москва, 2008), 10-th International Conference on Computer Simulations of Radiation Effects in Solids (COSIRES2010) (Krakow, 2010), 3rd International Workshop on Statistical Physics and Mathematics for Complex Systems SPMCS'2012 (Казань, 2012), IV Всероссийская конференция "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" ФФХИО-2012 (Новосибирск, 2012).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Из них 4 статьи в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, 5 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 121 странице, включая 37 рисунка, 2 таблицы, список цитируемой литературы, содержащий 96 наименований, и список публикаций по теме диссертации.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, затрагиваемой в настоящей диссертационной работе, сформулированы цель и задачи исследования, описаны научная новизна и практическая значимость представляемой работы.

Первая глава посвящена краткому обзору последних достижений в области синтеза ферромагнитных полупроводниковых материалов. Особое внимание уделено предметам исследования - диоксиду титана и методу ионно-лучевой имплантации. В главе дается обзор большого количества экспериментальных работ, посвященных ферромагнетизму легированного Зс1-элементами диоксида титана, а также обзор теоретических моделей ферромагнетизма в МРОП.

Вторая глава [Al, А2, А5-А7] посвящена исследованию физической природы явления магнетизма в монокристаллических (100)- и (001)- пластинках рутила имплантированных однозарядными ионами кобальта и железа с энергией 40 кэВ в широком диапазоне доз (0.1-1.5)х10|7ион/см2 при комнатной и повышенной температуре облучаемой подложки (от 300 °К до 900 °К).

В первой части главы, на основании анализа совокупности экспериментальных данных, строится двухфазная модель ферромагнетизма в имплантированном кобальтом или железом рутиле. Согласно модели, ферромагнетизм, наблюдаемый в ионно-синтезированной системе Ti02:3d-примесь, обусловлен формированием в рутиле двух магнитных фаз: наночастиц примеси и твердого раствора легирующего Зс1-элемента в матрице ТЮ2. Предложенная физическая модель не только объясняет и обобщает совокупность экспериментальных данных, но и, на качественном уровне, позволяет предсказать какая из двух фаз будет доминировать в магнитном отклике монокристаллического рутила, имплантированного Зс1-элементами.

Анализ экспериментальных результатов исследования магнитных измерений показывает, что образцы могут проявлять парамагнитные, суперпарамагнитные и ферромагнитные свойства. При этом тип магнетизма сильно зависит от условий и параметров ионно-лучевой имплантации: дозы, времени имплантации, плотности ионного пучка, температуры подложки во время имплантации или последующего отжига, ориентации монокристаллической пластинки по отношению к пучку ионов. Магнитные измерения свидетельствуют о том, что в случае ферромагнитного отклика в системе могут присутствовать две магнитные фазы с

температурами магнитного упорядочения ТС\ ~ 850 °С и Тсг ~ 700 °С. Данные мессбауэровской спектроскопии и данные электронной микроскопии показывают, что примесь может распределяться в образце как в форме твердого раствора, так и в форме наночастиц. При этом образование твердого раствора характерно при имплантации в (001)- пластинки рутила при повышенной температуре подложки, в то время как образование наночастиц характерно для имплантации при пониженной температуре подложки. Этот факт подтверждается данными спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния (ОРР). Рассчитанные из спектров ОРР профили распределения примеси по глубине соответствуют более равномерному распределению примеси по глубине в случае имплантации в «горячую» (001)- пластинку, что говорит о формировании твердого раствора в данном случае, чего нет в случае имплантации при комнатной температуре.

Двухфазная модель ферромагнетизма выделяет два случая имплантации: имплантация в «холодную» подложку (300 °К) и имплантация в «горячую» (температура около 900 °К) подложку вдоль (001) направления.

В случае имплантации в «холодную» подложку, при дозах ниже 0.3 х1017 ион/см2 имплантируемая примесь кобальта и железа распределяется в образце в виде твердого раствора, что соответствует слабому парамагнетизму. Начиная с дозы 0.3 хЮ'7 ион/см2 и выше, имплантация ведет к зарождению и росту наноразмерных магнитных частиц металлического кобальта в приповерхностном слое рутила, которые проявляют суперпарамагнитные свойства при комнатной температуре. При этом часть внедренной примеси диффундирует вглубь подложки рутила и посредством парамагнитных ионов Fe2+,3+ или Со2+ замещают изоморфным образом катионы Ti4+ в матрице ТЮ2. Таким образом, в имплантированном рутиле формируется второй (более заглубленный) слой, обогащенный примесью. С последующим ростом дозы размер наночастиц кобальта растет. Магнитный вклад от наночастиц металлической примеси в полную намагниченность насыщения композитной (Co/Fe):Ti02 системы анизотропен и доминирует над намагниченностью области твердого раствора.

При имплантации в нагретую выше 875 К подложку величина коэффициента диффузии примеси кобальта и железа в рутиле вдоль (001)-направления резко возрастает, а его анизотропия достигает колоссальной величины: Аоо„/А,оо,~Ю3 [4]. Согласно нашим расчетам, имеет место интенсивный

диффузионный отток внедряемой примеси вдоль (001)-оси из имплантируемого слоя в объем облучаемой подложки. Отток примеси препятствует ее накоплению в приповерхностном слое и росту наночастиц. В этом случае слой твердого раствора простирается в подложку значительно глубже, и его намагниченность доминирует в общей намагниченности, определяя изотропный ферромагнитный отклик образца.

Во второй части второй главы, для обоснования двухфазной природы ферромагнетизма, разрабатывается математическая модель глубинного распределения и фазообразования примеси в рутиле, имплантированном ионами Зс1-элементов. Разработанная модель позволила объяснить и смоделировать наблюдаемые в эксперименте аномальные профили^аспределения концентрации примеси кобальта и железа по глубине в монокристаллическом рутиле, а также провести количественную оценку величины соотношения между двумя магнитными фазами - наночастицами и твердым раствором примеси, формирующимися при различных режимах ионно-лучевого синтеза.

Модель глубинного распределения концентрации примеси учитывает распыление поверхности пластинки рутила во время облучения, быструю одномерную диффузию Зс1-примеси вдоль структурного канала в рутиле, а также ее преципитацию на различных центрах преципитации. Согласно предлагаемой модели считается, что вся внедренная примесь может быть разделена на диффундирующую фазу Ит(х,() и фазу, которая "выпала" из процесса

диффузии, N ргес(х,1) - фазу преципитатов. При этом полагается, что фаза

преципитатов не влияет на процесс диффузии диффундирующей фазы, а суммарная концентрация этих двух фаз и будет результирующим профилем распределения примеси.

Для случая одного центра преципитации модель может быть формализована следующей системой дифференциальных уравнений:

дх2 Ы2кЯр 2 8Яр

- диффундирующая часть примеси. NргеДх,0 - доля преципитатов.

Источник ионов (второе слагаемое правой части первого уравнения) имеет Гауссову форму, где Кр - величина среднего проецированного пробега иона, а Шр

11

- величина стандартного отклонения от среднего пробега. Плотность ионного тока у считается величиной постоянной во времени и однородной по поверхности подложки. Уравнения записаны в неподвижной системе координат, поэтому источник равномерно движется из-за распыления поверхности слева направо со скоростью V. Величина /ргес(,х>*) в обоих уравнениях - скорость преципитации.

В случае отсутствия преципитации /ргес(х,0 = 0 уравнение диффузии из системы (1) может быть решено аналитически (уравнение записано в системе координат, связанной с конечным положением поверхности):

, пуЫ , Л , ехГ)( р)1 ч

шх л = } Г Р 23Яр(\+2Рт/бЯр) РУ гаду+гриаф* ^ }

+ 2Ит / дЯ2р

Формула 2 позволяет оценить степень размытия профиля за счет диффузии импланта, а также позволяет оценить долю распыленной примеси и долю примеси, которая диффундировала вглубь подложки и поэтому не видна в спектрах ОРР. Решение (2) воспроизводит известные ранее частные случаи, когда отсутствует либо диффузия имплантируемых ионов, либо распыление поверхности облучаемой подложки.

Однако модель без учета преципитации не позволяет объяснить сдвиг концентрационного максимума вглубь подложки при повышении ее температуры во время имплантации, а также аномальные двухпиковые профили, которые наблюдаются в наших экспериментах по имплантации рутила кобальтом и железом (рисунок 1).

Рисунок 1 - Глубинные профили распределения ионов кобальта в монокристаллических пластинках рутила (001)-ориентации (а) и (ЮО)-ориентации (Ь), имплантированных при разной температуре подложки во время имплантации. Символами отмечены экспериментальные профили, полученные методом ОРР, сплошными линиями - модельные кривые.

Для описания экспериментальных профилей использовалась система уравнений (1), т.е. модель с преципитацией примеси fpric(x,t)* 0. По аналогии с законом действующих масс для химических реакций [5], согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, была записана функция для скорости преципитации:

fPrJx,t) = hNdlff(x,t)Nc(x,t), (3)

где h - коэффициент, характеризующий скорость образования новой фазы и зависящий от сорта веществ мищени и примеси, от температуры, дефектов и прочих условий. Nc(x,t) может быть либо концентрацией наночастиц, либо концентрацией какого-то другого вещества или включений, которые могут связывать атомы диффундирующей примеси. В расчетах в качестве Nc(x,t) использовалась функция Гаусса. С учетом этого, скорость преципитации была записана следующим образом:

/,»(*.') = hNdlB(x,t)Na ехр(-(х"2^"/)2), (4)

где Rd - глубина залегания преципитирующего центра, SRd - полуширина его распределения по глубине. Решение системы (1) на полубесконечности проводилось численно с использованием пакета Maple 9.5. В качестве граничных и начальных условий брались нулевой поток диффундирующей примеси через поверхность образца и отсутствие импланта в образце на начало имплантации.

На рисунке 2 показаны расчетные профили для различного по глубине расположения центров преципитации и для разных коэффициентов диффузии D. Рисунок демонстрирует сдерживание размывания профиля за счет диффузии (рисунок 2а), преципитацию на поверхности (рисунок 2Ь), преципитацию на интерфейсе облученная/необлучённая кристаллическая область рутила (рисунок 2с) и непрерывный сдвиг пика распределения вглубь образца (рисунок 2 d).

Применение модели, одновременно учитывающей диффузию примеси и ее преципитацию, позволило описать аномальные экспериментальные профили распределения примеси (рисунок 1). К тому же, при описании экспериментальных профилей удалось разделить всю примесь на фазу твердого раствора и фазу преципитатов. Определенные доли примесей кобальта и железа, находящихся в форме наночастиц и в форме твердого раствора в (100)- и (001)- пластинках рутила, находятся в хорошем согласии с магнитными измерениями, а также с

исследованием образцов методами ОРР и мессбауэровской спектроскопии электронов конверсии (МСЭК) (см. таблицу 1).

х, пт х, пт

Рисунок 2 - Расчетные профили распределения имплантированных ионов по глубине при разных коэффициентах диффузии для трех вариантов расположения слоев преципитации, показанных вертикальными стрелками.

Таблица 1 - Описание образцов, экспериментальные данные и основные результаты

моделирования для различных пластинок рутила, имплантированных ионами железа.

Описание образцов Эксперимент Моделирование

Тип пластинки рутила Температура имплантации / отжига, К Доза, ион/см2 ОРР Доза, ион/см2 МСЭК соотношение двух фаз Рэ^/Рпапо Рэо^Рпапо Коэфф-т диффузии, см /с

(100) 300/- 1.5х1017 1.13х1017 0.61 0.79 5*10"15

(100) 300/900 1.5х1017 1.18хЮ17 - 0.81 1хЮ"12

(100) 900/- 1.5x10" 9.9хЮ16 0.11 0.08 1хЮ"12

(001) 300/- 1.5х1017 1.3хЮ17 0.61 0.67 5*Ю"14

(001) 300/900 1.5х10'7 5.7хЮ16 - 0.61 IX Ю-10

(001) 900/- 1.5хЮ17 З.ЗхЮ16 2.45 2.40 1хЮ-10

Третья глава [АЗ, А4, А8, А9] посвящена исследованию механизмов зарождения ферромагнетизма в рутиле, легированном Зс1-примесями, в случае,

когда примесь распределяется в образце в виде твердого раствора. То, что в исследуемых образцах температура Кюри и спонтанный магнитный момент при возникновении ферромегненизма не меняются с увеличением концентрации Зё-примеси (рисунок 3), наталкивает на мысль о том, что механизм ферромагнитного упорядочения носит спусковой характер, аналогично ферромагнетизму в палладиевых сплавах, возникающему по механизму Стонера.

Концентрация примеси (атом. %)

| 0 2 4 6 8 10 12 14 т ____1-х;

Доза х 1017 (ион/см*)

Рисунок 3 - Дозовая зависимость спонтанного магнитного момента (символы) в монокристаллических пластинках рутила (ТЮг), имплантированных ионами кобальта, и теоретическая восприимчивость (сплошная черная кривая), рассчитанная по формуле (9).

В данной работе сделано предположение, что в случае МРОП ферромагнетизм может быть обусловлен спиновым расщеплением дефектной (обусловленной кислородными вакансиями) зоны полупроводника под влиянием магнитной примеси.

Предложенный в третьей главе механизм ферромагнетизма подразумевает наличие достаточно сильного взаимодействия обменного типа I (аналог Стонеровского обменного взаимодействия) в дефектной зоне оксидного полупроводника, а также высокую плотность электронных состояний С(ЕР) на уровне ферми Е,, в этой зоне. Фактически это означает, что классический критерий Стонера для этой зоны близок к выполнению, т.е. Ю(ЕР)-1. Электронные свойства МРОП были формализованы следующим гамильтонианом:

Я = Я1+Я, + Я5_,. (5)

Первое слагаемое Н1 - гамильтониан Стонера для системы коллективизированных электронов в представлении вторичного квантования:

где Ек — энергия состояния свободного электрона с импульсом к, с*(с) — операторы рождения (уничтожения), 1— обменный интеграл, Nс - число электронных состояний в вакансионной зоне. Второе слагаемое На описывает систему электронов, локализованных на примесных атомах [6]:

н„ = . (7)

10- I(Т

здесь Еа — энергия ¿/-уровня примеси, с1^(с1) — операторы рождения (уничтожения), Г/ - параметр кулоновского отталкивания электронов на одной с1-орбитали. Здесь суммирование по г ведется по всем ионам примеси (до величины /V,). Третье слагаемое в гамильтониане (5) относится к э-ё гибридизации локализованных и коллективизированных электронов [7]:

+ «<*,), (8)

¡ка

где Уи — потенциалы гибридизации.

Для анализа магнитных свойств была вычислена динамическая поперечная восприимчивость электронов дефектной зоны:

<2

в(ЕК)(1 +-"" -5")

1 Мс(ЕР-Е,+1/2-ип/2)2

хЧ0,0) =- Л " -, (9)

N.

К

1-Ю^1+МЛЕР-Е;+1/2-ип12Г)

из которой следует критерий возникновения ферромагнетизма в МРОП:

N IV I2

Ю(ЕРХ 1+--) = 1. (10)

Здесь ЕР - энергия состояния свободного электрона на уровне Ферми, Уг — матричные элементы гибридизации для электронов, находящихся на уровне Ферми.

Как следует из выражения (10), величина положительной добавки,

ослабляющей критерий Стонера, зависит от концентрации примеси, определяется

квадратом матричного элемента гибридизации Ур и расположением

16

локализованного уровня примеси (Епо отношению к уровню Ферми ЕР. При определенной критической концентрации примеси Л^ / Ис, восприимчивость неограниченно возрастает, что соответствует спонтанной поляризации электронов в вакансионной зоне (рисунок 3).

Параметры ферромагнетика, получающиеся в результате реализации такого механизма, определяются в первую очередь параметрами узкой вакансионной зоны, а не магнитными параметрами примеси. Именно это и наблюдалось в наших экспериментах, в которых, после преодоления порога по концентрации, как температура магнитного упорядочения (700 К для кобальта), так и величина спонтанной намагниченности (рисунок 3) практически не зависят от концентрации внедренной примеси.

Согласно предложенному механизму, ферромагнетизм может существовать лишь в области перколяции дефектов. Следовательно, увеличение общего количества дефектов будет приводить к увеличению суммарного магнитного момента образца. Это предположение подтверждается экспериментами по инжекции в материал дополнительных кислородных вакансий, при которых магнитный момент насыщения в рутиле может быть увеличен в несколько раз.

Основные результаты и выводы работы

1. Предложена двухфазная модель природы ферромагнетизма для интерпретации результатов исследования структурных и магнитных свойств монокристаллических пластинок рутила (ТЮ2), имплантированного ионами Зс1-элементами. Сделан вывод о сосуществовании в имплантированных пластинках рутила двух магнитных фаз: наноразмерных преципитатов магнитной примеси (Со, Ре или Ре3С>4) и твердого раствора имплантированных ионов (У3+, Мп4+, Ре2,3+ или Со24) в структуре ТЮ2. Установлено, что в зависимости от режимов и параметров ионного облучения в имплантированном рутиле могут быть получены либо мелкодисперсные пленки магнитных наночастиц Зс1-примеси, либо твердый раствор магнитных ионов внедренной примеси, либо их комбинация.

2. Построена математическая модель распределения примеси по глубине в процессе ионно-лучевого синтеза, которая учитывает распыление облучаемого материала, быструю одномерную диффузию примеси вдоль структурного

канала в рутиле и преципитацию примеси на разных глубинах. В рамках модели определено количественное соотношение между двумя фазами примеси, твердым раствором и наночастицами, в зависимости от температуры и ориентации монокристаллической пластинки рутила во время ионного облучения. Полученные соотношения находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

3. Описаны и смоделированы аномальные экспериментальные профили глубинного распределения примеси кобальта или железа в имплантированном рутиле, полученные методом обратного резерфордовского рассеяния. Показано, что, в результате быстрой одномерной диффузии и накопления примеси на границе интерфейса между облученной и необлученной частью пластинки ТЮ2 пик максимума в распределении примеси может смещаться вглубь подложки на расстояние, значительно превышающее средний пробег ионов в матрице рутила.

4. В рамках объединенной модели Стонера-Андерсона предложен и математически обоснован новый механизм ферромагнитного упорядочивания в магниторазбавленных (легированных Зс1-элементами) оксидных полупроводниках. Показано, что дальний магнитный порядок в магниторазбавленных образцах рутила может быть вызван электронными корреляциями в узкой зоне, связанной с дефектами (вакансиями) в кислородной подрешетке, а магнитные ионы примеси лишь способствуют возникновению ферромагнитного упорядочения. При этом ключевую роль в формировании дальнего магнитного порядка играют кислородные вакансии, захватившие электроны из зоны проводимости (магнитные поляроны, аналоги Р-центров).

5. Объяснены экспериментально наблюдаемые зависимости ряда магнитных параметров в магниторазбавленных образцах рутила от концентрации и типа внедренной Зс1-примеси. В частности, показано, что величина спонтанного магнитного момента насыщения в магниторазбавленных образцах ТЮг определяется, в основном, электронными параметрами дефектной зоны оксидного полупроводника и концентрацией кислородных вакансий.

Список цитируемой литературы

1. What don't we know? / Editorial staff// Science. - 2005, No 309. - P. 75-102.

2. Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped titanium dioxide / Y. Matsumoto, M. Murakami, T. Shono et al. // Science. - 2001, No 291. -P. 854-856.

3. Janisch, R. Transition metal-doped Ti02 and ZnO - present status of the field / R. Janisch, P. Gopal, N.A. Spaldin // J. Phys.: Condens. Matter. - 2005. - Vol. 17. - P. R657-R689.

4. Sasaki, J. Tracer impurity diffusion in single-crystal rutile (Ti02) / J. Sasaki, N.L. Peterson, K. Hoshino // J. Phys. Chem. Solids. - 1985. - Vol. 46, No 11. - P. 12671283.

5. Комаров, Ф.Ф. Физические процессы при ионной имплантации в твердые тела. / Комаров, А.Ф. Комаров. -Мн.: УП «Технопринт», 2001. - 392 с.

6. Hubbard, J. Electron correlation in narrow energy bands / J. Hubbard // Proc. Roy. Soc. A. - 1963. - Vol. 276. - P. 238-257.

7. Anderson, P.W. Localized magnetic states in metals / P.W. Anderson // Phys. Rev. -1961.-Vol. 124, No 1.-P. 41-53.

Публикации автора по теме диссертации

Al.Ферромагнетизм и две магнитные фазы в рутиле (ТЮг), имплантированном ионами кобальта / Р.И. Хайбуллин, J1.P. Тагиров,..., A.A. Ачкеев, и др.// Учен, зап. Казан, ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2007. - Т. 149, кн. 3. - С . 31-41.

А2.Особенности глубинных профилей распределения имплантированных ионов кобальта в рутиле ТЮ2 / A.A. Ачкеев, Р.И. Хайбуллин, Л.Р. Тагиров и др. // ФТТ. - 2011. - Т. 53, № 3. - С. 508-517.

A3. Ачкеев, A.A. К вопросу о природе ферромагнетизма в оксидных полупроводниках, легированных Зё-элементами / A.A. Ачкеев, И.Р. Вахитов, Р.И. Хайбуллин // Учен. зап. Казан, ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2012. -Т. 154, кн.З.-С. 11-25.

A4. On the nature of ferromagnetism in oxide semiconductors doped with 3d-elements / A.A. Achkeev, I.R. Vakhitov, R.I. Khaibullin and L.R. Tagirov // J. Phys.: Conf. Ser. -2012. - Vol. 394. - P. 012018 (6 pages).

А5.Ачкеев, А.А. Решение задачи о диффузии импланта в процессе ионно-лучевого синтеза ферромагнитных полупроводников на основе диоксида титана / А.А. Ачкеев, Р.И. Хайбуллин, JI.P. Тагиров // Физические и физико-химические основы ионной имплантации: Сборник тезисов II Всероссийской конференции, Казань, Россия, 28-31 октября 2008 г. - Н. Новгород: НГУ, 2008. -С. 113-114.

А6.Ion-beam synthesis of ferromagnetic semiconductor by cobalt implantation of single-crystalline rutile (Ti02) / R.I. Khaibullin, L.R. Tagirov,..., A.A. Achkeev et al. // Moscow International Symposium on Magnetism: Abstracts book, Moscow, Russia, 20-25 June 2008. - Moscow: MSU, 2008. - P. 194.

A7. Depth distribution of the cobalt in rutile (ТЮ2) implanted to high fluences / A.A. Achkeev, R.I. Khaibullin, L.R. Tagirov et al. // Computer Simulations of Radiation Effects in Solids: Abstract book of 10-th Intern. Conf., 19-23 July 2010, Krakow, Poland. -2010. - P. 107.

A8.Achkeev, A.A. Ferromagnetism in defect oxides doped by transition-metals / A.A. Achkeev, R.I. Khaibullin, L.R. Tagirov // Statistical Physics and Mathematics for Complex Systems: Abstracts book of 3-rd Intern. Workshop SPMCS'2012, 2530 August, 2012, Kazan, Russia. - 2012. - P. 21.

A9. Влияние режимов имплантации ионов железа и последующего термического отжига на магнитный фазовый состав рутила (ТЮ2) / И.Р. Вахитов, А.А. Ачкеев, В.Ф. Валеев и др. // Физические и физико-химические основы ионной имплантации: Сборник тезисов IV Всероссийской конференции, Новосибирск, Россия, 23-23 октября 2012 г. - Новосибирск: ИФП СО РАН, 2012. - С. 62.

Подписано в печать 17.05.2013г. Бумага офсетная Формат 60\84 1/16 Печать ризографическая. Заказ №024 Тираж 100 экз. Печ.л.1,25

Отпечатано в типографии «Первый Печатный Двор» г. Казань, ул. Горького, 28

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

На правах рукописи

04201453086

АЧКЕЕВ АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

Исследование природы ферромагнетизма в диоксиде титана (ТЮг), имплантированном ионами переходной группы

железа

01.04.11 - Физика магнитных явлений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л.Р. Тагиров Научный консультант: кандидат физико-математических наук с.н.с. Р.И. Хайбуллин

КАЗАНЬ-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................13

1.1 магнитноразбавленные оксидные полупроводники как новый класс магнитных полупроводников......................................................................................................................13

1.2 Структура и основные физические свойства диоксид титана с примесью Зб-

элементов...................................................................................................................................15

1.2.1 Кристаллическая структура................................................................................15

1.2.2. Электронная структура и электрические свойства........................................17

1.2.3 Оптические свойства чистого и легированного диоксида титана.................19

1.2.4 Магнитные свойства.............................................................................................26

1.3 Ионная имплантация как способ легирования тонкого приповерхностного слоя .......................................................................................................................................................32

1.4 Основные теоретические модели ферромагнетизма в магниторазбавленных полупроводниках......................................................................................................................36

1.5 Выводы по главе 1..........................................................................................................45

ГЛАВА 2. ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ТЮ2, ИМПЛАНТИРОВАННОМ ИОНАМИ КОБАЛЬТА И ЖЕЛЕЗА......................................................................................47

2.1 Введение...........................................................................................................................47

2.2 Результаты экспериментальных исследований как основа для построения модели ферромагнетизма в ТЮ2, имплантированном Зб-элементами........................................48

2.2.1 Эксперимент...........................................................................................................48

2.2.2 Структурные измерения.......................................................................................49

2.2.3 Магнитные измерения и магнитно-фазовый состав образцов.........................54

2.3 Построение двухфазной модели ферромагнетизма в имплантированном рутиле .......................................................................................................................................................58

2.3.1 Случай «холодной» подложки...............................................................................58

2.3.2 Случай «горячей» подложки..................................................................................59

2.4 Модель распределения примеси в процессе ионно-лучевого синтеза................60

2.4.1 Постановка задачи. Математическая модель процесса имплантации..........60

2.4.2 Аналитическое решение модели без учета процесса преципитации имплантабЗ

2.4.3 Численное решение модели с учетом процессов преципитации примеси........69

2.5 Сравнение с экспериментом........................................................................................72

2.5.1 Случай имплантации кобальтом..........................................................................72

2.5.2 Случай имплантации железом..............................................................................76

2.6 Выводы по главе 2..........................................................................................................79

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДАЛЬНЕГО МАГНИТНОГО ПОРЯДКА В ТЮ2, ИМПЛАНТИРОВАННОМ ИОНАМИ ЗБ-ЭЛЕМЕНТОВ......................................82

3.1 Введение...........................................................................................................................82

3.2 Физические основы механизма возникновения ферромагнетизма.....................83

3.3 Критерий возникновения ферромагнитного состояния.........................................89

3.4 Обсуждение полученных расчетов и сравнение с экспериментом......................93

3.5 Выводы по главе 3..........................................................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................................101

БЛАГОДАРНОСТИ................................................................................................................103

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...................................................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................................105

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ...............................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИИ И РАСПЫЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА НА КОНЕЧНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ......116

Введение

Актуальность темы

В 2005 году авторитетный научный журнал "Science" в честь своего 125-летия опубликовал 125 важнейших вопросов из всех областей знаний, которые стоят перед наукой в целом и требуют своего решения в ближайшие двадцать пять лет [1]. Один из вопросов, относящийся к физическому материаловедению, был озвучен следующим образом: Можно ли создать магнитный полупроводник (МП), который бы работал при комнатной температуре? Магнитный полупроводник - это материал, обладающий как свойствами ферромагнетика, так и свойствами полупроводника одновременно. Столь высокий интерес к этому классу магнитных материалов обусловлен тем, что он является наиболее перспективным материалом для применения в спинтронике и магнитной оптоэлектронике. Такие материалы могут служить эффективными инжекторами спин-поляризованного тока в новых интегральных микросхемах и магнитоэлектронных приборах. Необходимые свойства ферромагнитных полупроводников для спинтроники - это высокая температура ферромагнитного упорядочения (выше 500 К), удовлетворяющая стандартам промышленного и бытового использования, и проводимость, близкая к проводимости обычных легированных полупроводников, например кремния, с которыми они могут быть объединены в гетероструктуры. Кроме того, для эффективной работы полупроводниковых спиновых гетероструктур необходимо, чтобы ферромагнитный полупроводниковый инжектор был однороден по элементно-фазовому составу, т.е. представлял собой твердый раствор магнитной примеси в полупроводниковой матрице, и обладал высокими значениями как величины намагниченности насыщения, так и остаточной намагниченности и коэрцитивного поля при комнатной температуре. К настоящему времени нет прибора основанного на магнитном полупроводниковом материале, работающем при

< ч'4 '-"i ,'V,"

t < I „ IV

¡<¡¡,'4 v^O' *

t

v.!.«,'

к к'

и

1 , '<* ' I ' i' ч /1 1 4 I . . . ' i

Hi «IV t' / "l

; wt.

<1 у "V1"

'" Lr Л 1

(V

у At1 fi ViW'i и ' I. \ 1 4 1 м vVi','m ; U

if"гЛлЛ? Л * 4 V^ ^ ^ f i: Л'

комнатной температуре, так как нет магнитного материала, удовлетворяющего всем описанным выше требованиям.

На данный момент, функционирование большинства магнитно-электронных устройств основано на металлических материалах, таких как Бе, Со, № и их сплавы, в которых магнитный момент возникает благодаря наличию неспаренных электронов в электронной Зй?-оболочке атомов этих металлов. Ферромагнитные металлы являются системой с высокой степенью спиновой поляризации свободных электронов и обладают высокой намагниченностью. Именно с этой точки зрения они представляют интерес для применения в спинтронике. Однако следует отметить, что хотя на базе «металлической» спинтроники удалось создать переключатели сигналов, но получить усиление сигнала, как при использовании транзистора, на ферромагнитных металлах нельзя, для этого необходимо иметь такое свойство как полупроводимость (возможность изменять сопротивление на несколько порядков). Поэтому настоящий выигрыш в мультифункциональности приборы спинтроники получат только в случае применения полупроводниковой базы.

Одними из кандидатов на роль магнитного полупроводникового материала являются оксидные полупроводники (ТЮ2, ЪпО, 8п02, СиО и др.), легированные магнитными 3 (¿-элементами, которые получили распространенное в литературе название - магниторазбавленные оксидные полупроводники (МРОП). Первые сообщения об экспериментальном наблюдении ферромагнетизма в широкощелевых оксидных полупроводниках относились к системам ТЮ2 и ЪпО, легированным примесью Со и Мп [2, 3]. После этих двух пионерских работ 2001 года в литературе появилось более 1000-и научных статей [см. например обзоры 4-6], в которых было показано, что различные оксидные полупроводники, легированные Зс1- магнитными элементами, могут проявлять ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Однако максимальная температура, при которой в образцах сохранялся достаточно большой спонтанный магнитный момент, не превышала 400 К, чего не достаточно для нормального функционирования электроники. Ряд методик, которыми получали МРОП,

достаточно широк: молекулярно-лучевая эпитаксия, магнетронное или лазерное распыление композитных мишеней, золь-гель синтез и другие методы [4-6]. При этом отмечается высокая чувствительность магнитных свойств получаемых образцов к методу и конкретным физико-химическим условиям синтеза МРОП. Учитывая сильную зависимость от метода синтеза, в данной работе мы сосредоточимся на рассмотрении особенностей ионно-лучевой имплантации МРОП как наиболее универсальной с точки зрения формирования наноструктурированных композиций практически любого химического элемента в практически любой твердотельной подложке, в том числе и тонкопленочных твердых растворов или нанокомпозитов любого Зс1-металла в оксидных полупроводниках. К тому же, данная методика идеально приспособлена к интегрированию с современной кремневой планарной технологией производства основных элементов микроэлектроники и СБИС.

Существуют две проблемы понимания наблюдаемого ферромагнетизма в магниторазбавленных оксидных полупроводниках: это природа его возникновения и механизмы обеспечения дальнего магнитного порядка. Эксперименты показывают [7-10, А1], что примесь может находиться в двух состояниях - в форме магнитных наночастиц металлической примеси и в форме твердого раствора, когда парамагнитные ионы примеси (Со , Бе , Сг , Мп и др.), изоморфно замещают "домашние" катионы металлов в структуре оксидного полупроводника. До сих пор не ясно, в какой степени ферромагнетизм обусловлен наночастицами и твердым раствором примеси. Этот вопрос относится к природе ферромагнетизма. Наряду с этим встает вопрос о механизмах возникновения ферромагнетизма. В случае, когда примесь находится в фазе мелкодисперсных наночастиц, механизмы упорядочения понятны (обмен, как в магнитном материале), в случае же, когда ферромагнетизм обусловлен твердым раствором примеси, механизм его возникновения до конца неясен. Отсюда вытекают цели и задачи данной исследовательской работы.

?1 »

>. и Н>»11. ' Д!. к.У . г

с г

•с

г

Цели и задачи диссертационной работы

Целью исследования является установление природы и механизмов возникновения ферромагнетизма в диоксиде титана (ТЮ2), имплантированном магнитными ионами Зё-элементов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1) Анализ литературных данных, относящихся к наблюдению высокотемпературного магнетизма в легированном Зс1-элементами диоксиде титана.

2) Построение физической модели, описывающей природу ферромагнетизма в магнитных полупроводниках, полученных на основе монокристаллического диоксида титана со структурой рутила методом ионно-лучевой имплантации.

3) Теоретическая интерпретация с помощью модели совокупности экспериментальных данных по исследованию элементно-фазового состава и магнитных свойств монокристаллических пластин рутила, имплантированных ионами кобальта или железа.

4) Математическое моделирование глубинных профилей концентрации имплантированной примеси в зависимости от режимов и параметров ионного синтеза экспериментальных образцов рутила.

5) Построение модели дальнего магнитного порядка, которая бы качественно описывала имеющиеся экспериментальные результаты исследования магнетизма в легированном 3<1-элементами диоксиде титана.

Научная новизна

Новизна работы заключается во всестороннем теоретическом исследовании природы ферромагнетизма и механизмов его возникновения в диоксиде титана, содержащем имплантированную примесь Зё-элементов. В работе не только собран, но и детально проанализирован большой пласт разнообразных экспериментальных данных в области получения и исследования МРОП. Особый

' ,, 1"'1 {■. ',.'■,!•.>,;:../ ч>;', > ,,! ,<,.•■ г : '»".к

| \ И ( * «, ' ' ' ') | 1 ' * 1

акцент в работе сделан на анализе результатов исследований магнитных полупроводников, полученных методом ионной имплантации научной группой лаборатории радиационной физики КНЦ РАН, под руководством с.н.с., к.ф.-м.н. Р.И. Хайбуллина. Эти результаты относятся, в первую очередь, к исследованиям, основанных на спектроскопии обратного Резерфордовского рассеяния, мессбауэровской спектроскопии электронов конверсии, магнитной радиоспектроскопии (ЭПР и ФМР), индукционной магнитометрии и ДТМА анализа, а также электрических измерений.

На основе анализа совокупности экспериментальных данных предложена двухфазная физическая модель, описывающая природу явления ферромагнетизма в имплантированных Зё-элементами оксидных полупроводниках и учитывающая особенности метода ионно-лучевой имплантации. Двухфазная модель обосновывается математическим описанием процесса распределения примеси в процессе ионно-лучевого синтеза и процесса образования различных фаз примеси. В отличие от классических решений задачи распределения примеси, таких как алгоритмы БЫМ [11], ТЛУБУК [12] и БУКА [13], предлагаемая модель впервые одновременно учитывает три важнейших для ионно-лучевой синтеза процесса: распыление поверхности образца, диффузию примеси в процессе синтеза и образование наноразмерных фаз примеси на различной глубине. Положения данной математической модели тесно сопряжены с экспериментальными данными исследования структурных свойств диоксида титана (ТЮг, структура рутила), имплантированного ионами кобальта или железа.

Предложенный новый механизм зарождения дальнего магнитного порядка в дефектном диоксиде титана, легированном ионами Зё-элементов, проясняет многие свойства исследуемых образцов: независимость температуры Кюри от концентрации примеси; «спусковой» характер возникновения ферромагнетизма; наличие в некоторых случаях гигантских магнитных моментов; зависимость величины спонтанного магнитного момента от концентрации кислородных вакансий; слабую зависимость параметров ферромагнетика от типа внедряемой примеси.

Научная и практическая значимость

Предложенная в работе двухфазная модель природы ферромагнетизма в системе (Со, Ре):ТЮ2 может успешно применяться для анализа магнитного отклика в других системах, таких как магнитные изоляторы с гигантским магнетосопротивлением, нанокомпозитные мультиферроики и т.п., при формировании которых существенную роль оказывают процессы анизотропной диффузии примеси и фазового расслоения материала на нанометрическом масштабе. Развитая математическая модель глубинного распределения имплантированной примеси строится на достаточно универсальных положениях, что позволяет применять ее для широкого класса наноструктурированных систем, формируемых методом ионно-лучевой имплантации. Предложенный новый механизм зарождения дальнего магнитного порядка в диоксиде титана, легированном ионами Зё-элементов, может применяться к МРОП, полученным на основе легирования других оксидных полупроводников, чья зонная структура схожа со структурой рутила.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи, строгостью математических преобразований, воспроизведением теорией предельных и частных случаев, в том числе и известных ранее, соответствием результатов теоретических исследований экспериментальным данным при изменении базовых физических параметров (например, температуры подложки при имплантации, дозы (флюенса) имплантации и т.п.). Положения предложенных моделей основываются на существующих проверенных теориях и моделях, а также сопрягаются с достоверными экспериментальными исследованиями. Основные результаты неоднократно обсуждались на конференциях и семинарах, а также прошли рецензию в печатных изданиях.

1

I» 4 . . I

¡Г

I к

.к.

V',

г "г, '

п

л

4 4 /Ь • ' ч. * , л . (

* 'Т >н> ' , )) 15 1 "*<р\'

« V»

1 ( с ' »

*щ» У* > "

7'

Ь5>»

? г

/ <

ь»

>' >> , с

ь

•И

Научные положения, выносимые на защиту

1. Двухфазная физическая модель природы ферромагнетизма в диоксиде титана со структурой рутила, имплантированном ионами Зс1-элементов. Модель основана на экспериментальном наблюдении формирования двух магнитных фаз: наночастиц и твердого раствора ионов примеси в облученной матрице оксидного полупроводника. Модель на качественном уровне проясняет природу наблюдаемого ферромагнетизма, который реализуется пр�