Исследование тонких магнитных пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в кремний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Дулов, Евгений Николаевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Казань
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
ДУЛОВ Евгений Николаевич
УДК 536.28:538.21+539.1,08
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОДОЗНОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА В КРЕМНИЙ
Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Казань 2005
Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Казанского Государственного Университета.
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, доцент Н.Г. Ивойлов;
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, профессор В.Ю. Петухов;
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Е.П. Елсуков; кандидат физико-математических наук, доцент А.И. Скворцов;
Ведущая организация:
Казанский Государственный Энергетический Университет
Защита диссертации состоится
2--С/у 2005 г. в ^
ЬС
на
заседании Диссертационного совета Д212.081.15 при Казанском Государственном Университете по адресу: 420008, Казань, ул. Кремлевская 18, физический корпус.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского Государственного Университета.
Автореферат разослан
¿1 , I (-с ё
2005 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.081.15, Казанский Государственный Университет
доктор физико-математических наук, профессор каф. радиоспектроскопии
М.В.Еремин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Интерес к тонким пленкам железо-кремний объясняется рядом причин. Первая и доминирующая по числу публикаций за последние 10 лет причина - свойства фазы (3-FeSÍ2, прямозонного полупроводника с шириной запрещенной зоны 0.85 эВ [1]. Устойчивость P-FeS¡2 в широком диапазоне температур и технологичность кремния делает перспективным разработку инфракрасных излучателей на основе кремния, способных заменить существующие излучатели на основе фосфида индия. Практическая реализация этих перспектив требует развития технологии получения качественных тонких пленок на монокристалле кремния.
Вторая - в тонкой (<1мкм) пленке, полученной на монокристаллическом кремнии различными методами, реализуются фазы, не существующие при нормальных условиях в виде отдельного массивного кристалла, например. Свойства тонких пленок, содержащих метастабильные фазы, в настоящее время мало изучены, и здесь можно ожидать появления новых результатов.
Третья - магнитные свойства пленок. На основе магнитных фаз Fe-Si, например, возможно создание нового класса устройств магнитной памяти.
Одно из принципиальных решений, позволяющих на порядки увеличить плотность магнитной записи, состоит в использовании в качестве носителя информации обменно-несвязанных магнитных наночастиц вместо границ между доменами. Самоформирование наночастиц при ИЛС и МЛЭ делает возможным применение ТМП, полученных этими методами, в таких устройствах «нанопамяти» и требует изучения механизмов роста наночастиц и исследования их магнитных свойств.
Ферромагнитная фаза FejSi обладает металлическим типом проводимости. На границе между n-Si и пленкой FejSi образуется барьер Шоттки, обладающий поляризующими свойствами для электронов проводимости, т.е. такой переход Шоттки может найти применение в зарождающейся области микроэлектроники -спинтронике. Кроме того, такой переход может быть использован для создания магнитных датчиков.
Ферромагнитные ТМП, полученные МЛЭ и ИЛС на монокристаллической
3
кремниевой подложке (111) проявляют неожиданную магнитную симметрию -одноосную анизотропию [2]. Выяснение природы этой анизотропии важно с точки зрения физики магнитных явлений.
Четвертая причина - при толщинах пленок в десятки и сотни нанометров для кристаллов проявляются эффекты размера, что пересекается с исследованиями по наноматериалам и нанотехнологиям.
Исследования по тонким пленкам железо-кремний при высоком атомном проценте кремния весьма обширны. Только мессбауэровские исследования представлены в обзоре [3]. В этом направлении исследований остаются нерешенные задачи, например, интерпретация мессбауэровских спектров эпитаксиальной фазы Высокое содержание кремния, применение
термической и радиационной постобработки пленок, высокая энергия имплантируемых ионов в методе ИИ - все это имеет конечной целью получение P-FeSi2. При этом в меньшей мере оказываются изученными тонкие пленки железо-кремний включающие макроскопически ферромагнитные фазы - фазы с высоким содержанием железа (например, Fe3Si). Термообработка и мезотаксиальный режим роста пленок, в случае ИЛС, приводят к распаду зародышей фазы ферромагнитных свойств у
мезотаксиальных пленок Fe-Si не наблюдается. Тогда как имплантация при комнатной температуре, хотя и сопровождается образованием большого количества дефектов, приводит к появлению магнитных свойств уже с дозы 2х1017 ион/см2.
ТМП Fe-Si, полученные методом ИЛС, отличаются от ТМП, полученных методом МЛЭ тем, что для них ферромагнетизм при комнатной температуре наблюдается начиная со среднего атомного процента Fe около 15%, что ставит задачу выяснения его природы. Ферромагнетизм может быть объяснен существованием отдельных кластеров (преципитатов) с высоким локальным содержанием железа, а также свойствами дефектов (W-центров), соответствующие неспаренные электроны которых могут играть роль центров обменного взаимодействия [4], аналогично атомам железа. Отдельная задача -
выяснение природы магнитной анизотропии.
4
Высокая концентрация дефектов, значительно превышающая дозу аморфизации, которая сопровождает получение ТМП Fe-Si методом ИЛС, может сыграть важную роль в формировании свойств таких пленок. Группой ученых университета Surrey (Англия) был создан кремниевый светодиод ИК диапазона без участия фазы P-FeS¡2. Излучающий р-n переход был изготовлен имплантацией ионов бора в n-Si. Основная идея этой работы состоит в том, что дефекты кристаллической решетки кремния локально изменяют его зонную структуру и делают его прямозонным. Хотя ясного понимания механизмов этого превращения нет, авторам удалось подбором режима термообработки, исключающего полный отжиг дефектов, добиться КПД светодиода на уровне 0.1%. Термообработка в данном случае использовалась для диффузии и слияния дефектов с целью образования полостей достаточно больших размеров. Такой подход показывает высокую значимость исследований структур с большой концентрацией дефектов. В этом отношении методы ИЛС и ионной обработки, с помощью которых можно управлять образованием дефектов, играют ключевую роль. Аморфные полупроводники на основе Fe-Si также представляют большой практический интерес.
Цель работы. Исследование структурных и магнитных свойств тонких пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в монокристалл кремния, находящийся при комнатной температуре. При выполнении работы решались следующие задачи:
• Развитие методики селективных по глубине мессбауэровских исследований на электронах конверсии с использованием пропорционального детектора.
• Разработка и реализация методов анализа экспериментальных данных, получаемых в автодинном методе измерения магнитной восприимчивости тонких пленок.
• Проведение селективных по глубине мессбауэровских исследований тонких магнитных пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в кремний. Анализ влияния режимов синтеза пленок на их структуру и фазовый состав.
• Измерения магнитной восприимчивости тонких пленок железо-кремний автодинным методом. Определение численных характеристик и вида одноосной анизотропии.
Методы исследования.
В диссертации использовались метод мессбауэровской спектроскопии, методика обработки мессбауэровских спектров функциями Войта [5], метод измерения магнитной восприимчивости на переменном токе [6], методы математической обработки результатов мессбауэровского эксперимента, а также элементы теории микромагнетизма.
Научная новизна работы.
1. Впервые проведены селективные по глубине мессбауэровские исследования тонких магнитных пленок железо-кремний, полученных имплантацией ионов железа в кремний, находящийся при комнатной температуре.
2. Для селективных по глубине мессбауэровских исследований на электронах конверсии впервые предложена и реализована методика эксперимента, позволяющая одновременно получать мессбауэровские спектры для большого (~100) числа дискретных амплитуд импульсов с детектора.
3. С помощью измерений магнитной восприимчивости определен вид петли гистерезиса и параметры магнитной анизотропии пленок.
4. Для анализа экспериментальных зависимостей магнитной восприимчивости, полученных в автодинном методе с плоской катушкой индуктивности, использовано моделирование магнитных свойств пленок железо-кремний методами теории микромагнетизма.
Практическая значимость работы.
Установлены закономерности формирования фазового состава тонких ферромагнитных пленок, получаемых имплантацией конов железа в кремний при комнатной температуре подложки. Определены параметры одноосной магнитной
анизотропии. Полученные результаты показывают, что железо-силицидные пленки могут быть использованы при создании магнитоуправляемых переходов Шоттки. Разработанная экспериментальная методика регистрации мессбауэровских спектров имеет преимущества перед традиционными методиками и может быть использована в других задачах мессбауэровской спектроскопии. Созданные методы анализа зависимостей магнитной восприимчивости позволяют проводить количественную обработку результатов, получаемых в автодинном методе измерения магнитной восприимчивости.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая обработка мессбауэровских спектров функциями Войта и идентификация железо-силицидных фаз;
2. Методика регистрации мессбауэровских спектров с возможностью получения множества спектров для различных дискретных амплитуд импульсов с детектора и применение этой методики в селективных по глубине мессбауэровских исследованиях;
3. Методика измерения магнитной восприимчивости пленок и анализа полученных зависимостей восприимчивости;
4. Результаты анализа зависимостей магнитной восприимчивости пленок Fe-Si;
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:
• Всероссийская конференция «Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении», Ижевск, 1998;
• Международная конференция «Эффект Мессбауэра: магнетизм, материаловедение, гамма оптика» Казань, 2000;
• IV научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов РТ, Казань, 2001;
Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения», Санкт-Петербург, 2002;
• IX международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее
применения», Екатеринбург, 2004;
• International conference «Modern Development of Magnetic Resonance», Kazan, 2004;
• VII Всероссийский семинар «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Нижний Новгород, 2004;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 8 тезисов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (104 наименования). Работа изложена на 91 страницах машинописного текста и содержит 22 рисунка и 6 таблиц. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Ивойлову Николаю Григорьевичу за поставленную задачу и постоянное внимание к работе, а также научному консультанту Петухову Владимиру Юрьевичу за предоставленные образцы и критическое обсуждение полученных результатов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечается актуальность темы, определены основные задачи и цель диссертационной работы.
Первая глава имеет обзорный характер и посвящена исследованиям тонких пленок железо-кремний. Особое внимание уделяется достижениям в области мессбауэровских исследований системы железо-кремний, в частности проблеме идентификации фаз. Рассмотрены некоторые вопросы, связанные с ферромагнитными свойствами тонких пленок железо-кремний.
По итогам литературного обзора были сделаны следующие выводы:
• Имплантация ионов железа в кремний, с максимумом концентрации профиля
имплантированных ионов Fe 30-40 ат. %, в режиме мезотаксиального роста
силицидных фаз приводит к формированию фазовой композиции
. В некоторых случаях, наблюдаются также фазы
Характерным является присутствие значительной (десятки процентов) доли
8
термодинамически неравновесной фазы a-FeSi2.
• Фаза P-FeSi2 образуется в виде изолированных кластеров, тогда как фаза а-FeSi2 существует в виде сети связанных областей (penetration network).
• Фазовый состав имплантированного слоя может быть изменен температурной обработкой. Причем, в зависимости от режима отжига, может быть получена как пленка, содержащая только фазу |3-FeSi2, так и пленка, практически целиком состоящая из фазы
• Железо-силицидные пленки, эпитаксиально выращенные на монокристаллической кремниевой подложке и имеющие состав FejSi (DO3), обнаруживают одноосную анизотропию с сильной зависимостью коэрцитивного поля от условий их получения. Магнитная анизотропия, в некоторых случаях, имеет стрикционную природу.
• Сверхструктура в расположении атомов ферромагнитной аморфной фазы приводит к формированию одноосной магнитной анизотропии. Величина дальнодействия обменного магнитного упорядочения составляет ~8 А, т.е. ~3 периода кремниевой решетки.
Вторая глава посвящена технике и методике эксперимента. Описана
оригинальная экспериментальная методика регистрации мессбауэровских
спектров, рассмотрены некоторые вопросы, связанные с селективными по
глубине мессбауэровскими исследованиями с использованием
пропорционального детектора. Описана методика оценки ошибок, основанная на
Байесовом подходе. Показаны преимущества метода функций Войта,
предложенного Ранкуртом в сравнениями с методами регуляризации и
гармонического анализа функций распределения сверхтонких параметров.
Установлена связь измеряемого в автодинном методе частотного сдвига с
магнитной восприимчивостью пленки. В конце главы приводятся сведения о
режимах синтеза использованных в работе образцов.
Для селективных по глубине мессбауэровских исследований необходимо
иметь возможность регистрировать различные группы энергий электронов. Это
можно сделать, используя обычный мессбауэровский спектрометр, поочередно
9
снимая спектры для каждой из групп. Такой метод имеет очевидные недостатки -значительные временные затраты, которые возрастают пропорционально увеличению числа диапазонов энергии. Поэтому обычно применяются многоканальные спектрометры - несколько независимых спектрометров, имеющих обитую систему движения и узел детектирования. Каждый спектрометр настраивается на свой диапазон энергий. Такой метод позволяет снимать одновременно несколько спектров (обычно не больше четырех) и требует значительного усложнения спектрометрического тракта.
Коллективом, в который входит автор диссертации, были предложены изменения в схеме регистрации. В обычном спектрометре в качестве выходных данных получается зависимость величины резонансного эффекта от доплеровской скорости источника, при этом регистрируются все электроны конверсии, попавшие в некоторый диапазон энергий. Предварительно, для настройки на нужный диапазон энергий, снимается амплитудный спектр электронов конверсии (у или рентгеновских квантов). Т.е. в стандартную схему спектрометра входит аналогово-цифровой преобразователь, позволяющий измерять энергии частиц.
Рис.1 Упрощенная структурная схема спектрометра и предложенные изменения.
Было предложено различать регистрируемые частицы не только по доплеровской скорости источника, но также по их энергии. Соответствующие изменения в структурной схеме спектрометра показаны на рис.1. Спектрометр, реализующий описанную методику, названную многоуровневой мессбауэровской спектроскопией (ММС), был успешно реализован и апробирован на исследованиях процесса коррозии железа при температуре 500°С. Показано, что коррозия происходит преимущественно по границам зерен. Возможности спектрометра позволяют одновременно получать мессбауэровские спектры для 128 дискретных значений амплитуд импульсов с детектора. Такое разрешение по амплитуде на порядок перекрывает потребности селективной по глубине мессбауэровской спектроскопии конверсионных электронов с использованием
Fe".
С помощью предложенной методики в спектроскопии поглощения и рассеяния стало возможным исключение трудоемкой процедуры настройки на спектральную линию резонансного излучения. Значительно более точную настройку в ММС можно делать уже после набора спектра и необходимо лишь попадание нужной спектральной линии в диапазон регистрируемых амплитуд спектрометра. Другие преимущества - работа в многоканальном режиме и возможность улучшения точности спектральных данных. Возможность улучшения точности основана на применении статистического метода взвешенного среднего к сложению множества мессбауэровских спектров. Применяя метод взвешенного среднего можно добиться сокращения времени эксперимента на 8-25%.
Магнитные свойства пленок Fe-Si исследовались автодинным методом
измерения магнитной восприимчивости с плоской катушкой индуктивности в
форме спирали Архимеда. В автодинном методе измерялась резонансная частота
колебательного контура, сердечником катушки которого являлся исследуемый
образец [6]. Эта частота зависит от направления и величины внешнего магнитного
поля 0..50Э, много большего поля измерительной катушки ~1 мЭ. Несмотря на то,
что измеряемая частота не связана непосредственно с намагниченностью образца,
как, например, угол поворота плоскости поляризации в эффекте Керра, метод дает
11
возможность устанавливать наличие ферромагнитных свойств (гистерезиса восприимчивости), магнитную анизотропию и направление осей магнитной анизотропии. Рассмотрим связь измеряемой величины в автодинном методе с магнитными свойствами образца. Поток вектора магнитной индукции через плоскость, принадлежащую объему пленки и параллельную катушке индуктивности:
Ф=Ф0+/^|д/г(й)^ 0)
где Ф0 - поток магнитной индукции в отсутствие поля А измерительной катушки, Ф - поток индукции при наличии измерительного поля И, -изменение I-компоненты намагниченности пленки, вызванное полем Л, Т] -коэффициент заполнения катушки сердечником, Е - размагничивающий фактор пленки, - площадь пленки.
Поскольку много меньше внешних магнитных полей, наложенных на образец, следует ожидать, что изменение намагниченности также будет
малой величиной. Тогда справедлива ттинейная связь:
ЩЙ) = хй
где - тензор дифференциальной восприимчивости. Подставляя (1) в (2) получаем:
ф=ф0 + (х,£Г) \{хаК + хЛ+хЛ У5
(2)
(3)
Считая, что образец однороден и имеет центр симметрии, совпадающий с центром катушки, а также учитывая аксиальную симметрию поля после интегрирования (3) имеем:
Дф = ф - Фо ос (4)
Откуда сдвиг резонансной частоты контура, при условии малости этого сдвига:
Д/ Л£
-¿- =--к-/
/ И
(5)
Таким образом, измеряемая в автодинном методе величина частотного сдвига пропорциональна диагональной г -компоненте тензора дифференциальной
восприимчивости. По внешнему виду и степени информативности зависимости восприимчивости схожи с кривыми Столетова [7].
Образцы, использованные в настоящей работе, синтезированы на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-3 в Казанском Физико-Техническом Институте группой Петухова В.Ю. Параметры синтеза представлены в табл.1. При имплантации кристаллографическая ось (111) монокристаллической кремниевой подложки составляла угол с нормалью ~7° для исключения эффекта каналирования. Нормаль к пленке совпадала с направлением падения ионов Ре+. Температура подложки отличалась от комнатной не более чем на 10 °С. Толщина кремниевой подложки: 300 мкм.
Таблица 1
обозначение энергия Бе*, кэВ доза, Ре7см2 плотность тока, Ре7см2с внешнее магнитное поле, Э
25! 40 2.5x10" 6x10" -
252 30 2.5x10" 6x10" -
253 20 2.2x10" 6x10" -
254 50 0.6x10" 2x10" -
257 50 1.8x10" 2x10" -
эт! I 40 3.1x10" 3x10" 7.5 перп-но
40 2.5x10" 3x10" 15 перп-но
Представленные в табл.1 образцы 254 и 257 представляют собой один и тот же образец на разных стадиях набора дозы. После набора дозы О.бхЮ17 Ре+/см2 проверялось наличие ферромагнитных свойств пленки и снимался её мессбауэровский спектр. Затем доза доводилась до и вновь
проводились магнитные и мессбауэровские измерения. Такая методика приготовления образцов с разными дозами была применена потому, что при синтезе образцов 254 и 257 использовалось железо, обогащенное резонансным мессбауэровским изотопом. Все остальные образцы получены с помощью железа с естественным содержанием
Третья глава содержит результаты мессбауэровских исследований.
Экспериментальные интегральные спектры образца 257 представлены на рис.2 и рис.3.
Т2М0Ю-134Ш0-
ти-имам«
тч '•
Рис 2 Интегральный мессбауэровский спектр образца 257 при нормальном падении гамма-квантов (угол между направлением падения гамма-квантов и плоскостью пленки 90 градусов) Модельный спектр показан сплошной линией Внизу графика - разность между модельным и экспериментальным спектром, Х' = И6
Спектр на рис.2 содержит магнитную составляющую, которую не удается
описать одним уширенным сикстетом. При таком описании получаются
аномально большими интенсивности 2-й и 5-й линий сикстета (текстура сикстета
примерно 3:5.5:1). Описание двумя сикстетами возможно с помощью модели, в
которой текстура одного сикстета (с большим полем) 3:4"1, а другого 3 0 1 Линии
1 и 6 сикстета с текстурой 3:0:1 накладываются на линии 2 и 5 сикстета с
текстурой 3:4:1. При этом линии 2 и 5 сикстета 3'0.1 попадают на участки спектра
с малой интенсивностью резонансного эффекта и наиболее корректное описание
спектра по МНК с %2 получается при текстуре 3:0:1 этого сикстета. Также
возможно описание моделью трех сикстетов с текстурой 3 4.1 Эти две модели
практически эквивалентны по статистическому критерию однако
соответствуют разным физическим ситуациям. Для устранения неоднозначности в
интерпретации данных дополнительно был получен мессбауэровский спектр при
скользящем падении пучка гамма-квантов. Полученный спектр представлен на
рис.3. Спектр на рис 3 исключает модель двух секстетов с перпендикулярной
текстурой и показывает, что магнитная фаза представлена более чем двумя
сикстетами с нормальным распределением по параметрам СТС Также рис 3
показывает, что доминирует один из сикстетов имеющий с максимальное среднее
14
и с Интегральный мессбауэровский спектР образца 257 при скользящем падении гамма-квантов (угол между направлением падения гамма-квантов и плоскостью пленки 7 5 градусов) Модельный спектр показан сплошной линией Внизу графика - разность между модельным и экспериментальным спектром,
¿= = 105
сверхтонкое поле
Спектр рис 2 и рис 3 обрабатывался при помощи функций Войта. Полученные в результате обработки параметры субспектров представлены в табл.2
Таблица 2___
Фаза Средний изомерный сдвиг, Is, мм/с среднее квадрупольное расщепление, Q, мм/с среднее эффективное магнитное поле на ядре, Н, кЭ доля площади в спектре,
a-FeSi2 (II) 02623(16)»* 0 7607(26) - 02342(8)
ct-FeSi2 (I) 0 2667(300) 0 550(550) - 0 0095(7)
£-FeSi2 02745(22) 0 4979(34) - 0 1553(7)
Fe3Si (tu)5Fe)* 02322(43) -0 0420(56) 241 2(4) 0 4485(18)
Fe3Si (nn4Fe) 02250(127) 0 0012(223) 183 4(1 2) 0 0794(14)
Fe3Si (nn3Fe) 0 1050(206) -0 1890(313) 123 1(1 1) 0 0763(13)
ширина мессбауэровской чинии одинаковая для всех фаз и составляет 0 2360(4) мм/с * Обозначение ппХРе подразумевает наличие X атомов железа в ближайшем окружении ** В скобках, после численного значения параметра, дается величина стандартного отклонения в виде вариации последних двух цифр
Величины среднеквадратичных отклонений и коэффициенты корреляций для сверхтонких параметров представлены в табл.3
Таблица 3
фаза <rf/í], мм/с o[2], мм/с а[Я1, кЭ P\Is.Q] pus.m P\QH\
a-FeSi2 (II) 0017(11) 0 139(7) - -0 06(40)
oc-reSi2 (I) 0 000(56) 0 000(109) - некорр - -
E-FeSi2 0 000(14) 0 000(25) - некорр - -
Fe3Si (nn5Fe) 0 039(9) 0 000(93) 31 81129) некорр 100(021) некорр
Fe3Si (nn4Fe) 0000(53) 0 000(108) 1993(1 10) некорр некорр некорр
Fe3Si (nn3Fe) 0 216(33) 0 084(28) 16 73(160) -0 70(80) -1 00(0 10) 0 97(1 00)
Для сикстета с наименьшим сверхтонким полем наблюдается разброс по всем трем параметрам СТС Надежно определена только корреляция сверхтонкого поля и изомерного сдвига Говорить о корреляции других параметров не позволяет точность эксперимента
Характерной особенностью фазового состава пленок Fe-Si, полученных низкотемпературной имплантацией можно считать формирование только неравновесной -дисилицидной фазы и практически полное отсутствие дисилицидной фазы (<0 1%, именно такая величина интенсивности дублетов (5-FeSi2 выводит X за пределы статистической ошибки)
На рис.4 и рис.5 представлены мессбауэровские спектры для образцов 253 и 251 соответственно, имеющих близкие дозы имплантации. Видно, что большее количество ферромагнитной фазы образуется при большей энергии имплантируемых ионов. Максимальная средняя концентрация атомов железа должна быть почти вдвое ниже для случая энергии 40 кэВ, тогда как ферромагнетизм пленки предполагает наоборот, повышенную концентрацию Бе. По нашему мнению такое несовпадение объясняется высокой локальной концентрацией железа, которая достигается за счет радиационно-у скорей ной диффузии.
Видно, что образование фазы имеет пороговый характер и начинается в диапазоне доз 0.6-1.8х1017. Левый спектр на рис.6 описывается суперпозицией трех дублетов, которые соответствуют фазам
Селективные по глубине исследования проводились с разбиением шкалы амплитуд импульсов с пропорционального детектора на 6 диапазонов. Результаты количественной обработки спектров представлены на рис. 7.
Согласно рис.7 можно предложить модель формирования силицидных фаз, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в кремний. Процентное содержание фазы а-Ре81г почти не изменяется с глубиной. Следовательно, формирование термодинамически неравновесной фазы характеризуется
некоторым пределом её процентной доли в общем количестве силицидов. В нашем случае максимум ~25% атомов железа образуют а-Ре812-
Рис 4 Интегральный мессбауэровский спектр рис 5 Интегральный
мессбаузровский спектр
образца 253, Е=20 кэВ обраэиа 25, Е=40 кэВ
Мессбауэровские спектры, соответствующие различным дозам имплантации, представлены на рис.6.
Рис.6 Мессбауэровские спектры образца 257, полученные на разных этапах имплантации: слева для дозы О.бхЮ17, справа - 1.8хЮ17.
иомор амплитудного диапазон*
Рис.7 Зависимость фазового состава от номера амплитудного диапазона электронов конверсии. По оси У отложена доля атомов Ре, входящих в ту или иную фазу, среди общего числа атомов Ре. Жирным выделены кривые для фаз, доля которых наиболее сильно изменяется с глубиной (е-РеЭ! и Ре,81(пп5Ре)).
При достижении этого значения дальнейший рост процентной доли фазы а-РеБ^г прекращается и избыток железа расходуется на образование фазы Е-Ревь Дальнейшее увеличение дозы, приводит к превращению е-Ре5)->Рез31.
Это превращение происходит быстрее у поверхности пленки, что не может быть объяснено только распределением концентраций внедренных ионов. Функция распределения по глубине фазы РвзБ! - монотонная и близка по виду к функции потерь энергии ионов Бе4 или к функции распределения дефектов. Это подтверждает вывод о механизме образования ферромагнитной фазы посредством
радиационно-ускоренной диффузии.
Четвертая глава содержит измерения магнитной восприимчивости. Измерения разделены на полевые и угловые. Угловые зависимости восприимчивости представляют собой зависимость сдвига частоты от направления магнитного поля. Модуль поля фиксирован, а направление плавно изменяется с шагом 1-2°. Угловые зависимости позволяют обнаружить анизотропию магнитных свойств и определить положение оси легкого намагничивания. Полевые зависимости представляют собой петли гистерезиса в представлении дифференциальной восприимчивости (5) и снимаются вдоль некоторого направления. Полевые зависимости позволяют установить наличие ферромагнитных свойств пленок и оценить величину эффективного поля оси легкого намагничивания (ОЛН).
поле 1 Э поле 2 5 Э
Рис 8 Угловые зависимости, снятые в плоскости образца 257 для разных значений магнитных полей
Угловые зависимости восприимчивости для случая вращения поля в плоскости образца 257 показаны на рис.8. Под действием внешнего магнитного поля 1 Э, намагниченность не изменяет направление на противоположное, что говорит о его малой величине по сравнению с эффективным полем анизотропии. Но уже при этом значении поля видна анизотропия магнитных свойств. Поля 2 5Э оказывается достаточным для переориентации намагниченности, поэтому угловая зависимость изменяет вид - вместо одного экстремума появляется два. Скачкам восприимчивости при углах 140° и 320° соответствуют скачкообразные изменения ориентации намагниченности. При увеличении поля изменяются
положения скачков восприимчивости и при этом они становятся менее резкими. Для полей 5 Э и 10 Э положения скачков смещаются в сторону меньших углов (направление изменения ориентации поля ~ в сторону увеличения угла) и составляют 110°(290°) и 100°(280°) соответственно.
Рис.9. Угловая зависимость восприимчивости Рис.10. Угловая зависимость восприимчивости
образца 8ш11 в поле 10Э. При имплантации на образца 8ш13 в поле 10Э. При имплантации на
образец накладывалось поле 7.5 Э образец накладывалось поле 20 Э
перпендикулярно поверхности. перпендикулярно поверхности.
Показанные на рис.8 зависимости характерны для всех ТМП, полученных с близкими параметрами имплантации.
У образцов, полученных в перпендикулярном пленке магнитном поле, появляется дополнительная легкая ось. Угловые зависимости для образцов 1 и вт13 показаны на рис.9 и рис.10 соответственно.
Полевые зависимости (рис. 11) показывают наличие петли гистерезиса, т.е. исследуемые образцы обладают ферромагнитными свойствами. Также видна выраженная анизотропия этих свойств в плоскости пленки.
Рис. 11. Полевые зависимости восприимчивости снятые в плоскости образца 257 для различных углов между внешним полем и осью анизотропии
Для точного определения коэрцитивного поля и исследования процесса перемагничивания вблизи скачков восприимчивости, была снята петля гистерезиса с максимальным аппаратурным разрешением по полю 0.01 Э. Эта зависимость показана на рис.12. При первом прохождении поля (уменьшение) наблюдается скачок восприимчивости в узком диапазоне полей 2.33-2.35Э. Для обратного изменения поля первый скачок начинается при поле 1.85Э и последний при поле 2.18-2.19Э. Учитывая, что магнитное поле земли (~0.5Э, направление относительно ОЛН не контролировалось) в установке не скомпенсировано, можно заключить, что коэрцитивное поле пленки составляет примерно 2.3 Э.
Для оценки величины эффективною поля плоскостной анизотропии снимались петли гистерезиса в направлении по нормали к пленке. Результат представлен на рис. 13. Поскольку измеряемый частотный сдвиг пропорционален
компоненте тензора дифференциальной восприимчивости, по данным рис.13 можно получить кривую намагничивания простым интегрированием. Результат интегрирования представлен на рис.14.
Из-за ограничения возможностей экспериментальной установки поля насыщения не достигаются (рис. 13, рис. 14), и поэтому оценка коэрцитивного поля, по порядку величины равного эффективному полю плоскостной анизотропии, окажется заниженной. Из рис. 14 можно сказать, что это поле имеет величину порядка десятков эрстед.
Пятая глава содержит моделирование экспериментальных зависимостей восприимчивости.
Для анализа магнитных свойств ТМП требуется связать с положениями ОЛН и их видом. Для этих целей достаточно описания магнитных свойств пленки с помощью функции свободной энергии намагниченности С/(©,ф). Необходимо связать X,, С С?(0, ф) и положением вектора намагниченности пленки. Решая эту
задачу в рамках теории микромагнетизма получим связь:
где
г -££ г г г =— 2
*~я>г' дэ' аь
(6)
(7)
Используя полученное выражение (С), можно, задав произвольный вид О, найти Н), используя какой-либо численный метод нахождения минимума О. Н - внешнее поле, функцией которого являются экспериментальные зависимости (полевые, угловые и др.), причем Ст=С7(//).
Рис 15 Модельные угловая и полевая зависимости магнитной восприимчивости
21
На базе полученного выражения (6), была промоделирована плоская система кластеров для случая одноосной анизотропии. Расчетные зависимости восприимчивости (рис. 15) удовлетворительно описывают эксперимент.
Модель имеет следующие параметры:
• Эффективное поле одноосной анизотропии На-4 Э,. Форма энергетического слагаемого соответствует анизотропии формы иглоподобных частиц £„==-cos2<p, где <р - угол между намагниченностью и осью. Такую же форму имеет наведенная анизотропия.
• ОЛН выходит из плоскости образца на 6°.
Эффективное поле плоскостной анизотропии Форма
энергетического слагаемого типичная для плоскостных образцов - угол намагниченность-плоскость.
Небольшой выход ОЛН из плоскости образца в модели объясняет существование петли гистерезиса в направлении, перпендикулярном пленке. Такой выход практически не может быть обнаружен по текстуре мессбауэровских спектров. Однако существование перпендикулярной петли гистерезиса также может быть объяснено небольшим разбросом направлений ОЛН.
Выводы
1. Фазовый состав пленок Fe-Si, полученных имплантацией ионов железа в кремний при комнатной температуре, включает термодинамически неравновесную фазу a-FeSii с содержанием вакансий в узлах железа 41%, бездефектную фазу и ферромагнитную фазу со структурой
которая характеризуется упорядочением в пределах первой координационной сферы атомов железа и концентрацией вакансий в узлах железа 20%. Фаза сс-FeSi2 имеет предельную долю в общем количестве фаз. Доля этой фазы незначительно убывает к поверхности.
2.Установлено, что доля (5-FeS¡2 не превышает 0.1%, что существенно отличает имплантацию при комнатной температуре от высокотемпературной
имплантации.
3. Показано, на основании селективных по глубине мессбауэровских исследований, что формирование ферромагнитной фазы происходит через промежуточный этап формирования Е-Ре5ь Важную роль в этом превращении играет процесс радиационно-ускоренной диффузии. В результате превращения
в ферромагнитную фазу реализуется преимущественно конфигурация с пятью атомами железа в ближайшем окружении Появление
ферромагнитной фазы имеет пороговый характер, этот порог лежит в интервале доз 0.6-1.8х1017 ион/см2 для энергий ионов 40 кэВ.
4. Проведены измерения магнитной восприимчивости для тонких пленок железо-кремний, полученных при разных условиях. Для всех пленок обнаружена характерная одноосная анизотропия в плоскости пленки с эффективным полем 2-4 Э. Перпендикулярное поле насыщения составляет примерно 100Э, на основании чего сделан вывод о кластерной структуре пленки. Наличие при имплантации перпендикулярного к пленке магнитного поля порядка 10 Э приводит к появлению второй ОЛН в плоскости пленки с эффективным полем ~1Э.
5.На основе теории микромагнетизма построена кластерная модель пленок. Численные расчеты по этой модели дают хорошее согласие с экспериментом. Найдены значения эффективных полей одноосной и плоскостной анизотропии, наилучшим образом описывающие эксперимент. Форма оси анизотропии - как для иглоподобных частиц. В рамках модели существование и вид петли гистерезиса в направлении, перпендикулярном пленке, объяснены разбросом направлений оси легкого намагничивания для разных кластеров.
6. Впервые предложена и реализована методика регистрации спектров, позволяющая одновременно получать данные для большого (~100) числа диапазонов энергий электронов конверсии, что полностью снимает» аппаратурные ограничения при селективной по глубине мессбауэровской спектроскопии конверсионных электронов. Показана и реализована возможность повышения точности экспериментальных результатов, недоступная традиционным методикам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Clark S.J. Structure and electronic properties of FeSi2 / SJ. Clark, H.M. Al-Allak, S. Brand, R.A. Abram // Phys. Rev. В - 1998 - V.58. - P.10389-10393.
2. Cougo M. Strong dependence of Fe thin-film magnetic anisotropy on the Si(l 11) substrate preparation / M. Cougo dos Santos, J. Geshev, D.K. Silva, J.E. Shmidt, L.G. Pereira, R. Hubler, P. Allongue // J. of Appl. Phys. - 2003. - V94, N3. -P. 1490-1494.
3. Desimoni J. Overview of the Mossbauer results obtained on silicon-rich iron silicide epitaxial phases on Si / J. Desimoni, F.H. Sanchez // Hyp.Int. - 1999 -V.122.-P.277-307.
4. Хохлов А.Ф. Ферромагнетизм кремния, обусловленный радиационными дефектами / А.Ф. Хохлов, П.В. Павлов // Письма в ЖЭТФ - 1976 - Т.24, вып.4-С.238-240.
5. Lagarec К. Extended Voigt-based analytic lineshape method for determining N-dimensional correlated hyperfine parameter distribution in Mossbauer spectroscopy / K. Lagarec, D.G. Rancourt // Nucl. Instr. and Meth. В - 1997 -V.129.-P.266-280.
6. Ивойлов Н.Г. Измеритель частотной, полевой и температурной зависимостей магнитной восприимчивости тонкопленочных образцов / Н.Г. Ивойлов, Д.М. Хрипунов, В.А. Чистяков // ПТЭ - 1997 - V.40 N4 Р.146-149.
7. Вонсовский СВ. Магнетизм / СВ. Вонсовский - М.: Наука, 1971. - 1032 с.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
1. Ивойлов Н.Г. Ферромагнитные свойства кластеров Fe-Si, полученных имплантацией ионов железа в кремний / Н.Г. Ивойлов, ВА. Чистяков, Д.М. Хрипунов, Е.Н. Дулов, В.Ю. Петухов, М.И. Ибрагимова // Известия РАН, серия физическая - 1999 - Т.63. N7 - С.1435-1439.
2. Ивойлов Н.Г. Многоуровневая мессбауэровская спектроскопия / Н.Г. Ивойлов, Е.Н. Дулов, Д.М. Хрипунов, ВА. Чистяков // Известия РАН, серия физическая -2001 - Т.65. N7 - С.1068-1072.
3. Ивойлов Н.Г Феррромагнитные свойства кластеров Fe-Si, полученных имплантацией ионов железа в кремний / Н.Г. Ивойлов, В.А. Чистяков, Д.М. Хрипунов, Е.Н. Дулов, В.Ю. Петухов, М.И. Ибрагимова // Тезисы
всероссийской конференции «Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении» Ижевск - 1998. - С.44.
4. Дулов Е.Н. Метод максимального правдоподобия в задаче аппроксимации мессбауэровских спектров / Е.Н. Дулов, Д.М. Хрипунов // Тезисы IX международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» Екатеринбург - 2004. - С. 197.
5. Дулов Е.Н. Многоуровневая мессбауэровская спектроскопия / Е.Н. Дулов, Н.Г. Ивойлов, Д.М. Хрипунов, ВА Чистяков // Тезисы международной конференции «Эффект Мессбауэра: магнетизм, материаловедение, гамма оптика» Казань - 2000. - С.95.
6. Дулов Е.Н. Исследования тонких магнитных пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в кремний / Е.Н. Дулов, Н.Г. Ивойлов, Д.М. Хрипунов // Тезисы международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» Санкт-Петербург - 2002. -С.21.
7. Дулов Е.Н. Исследования тонких магнитных пленок, полученных имплантацией ионов железа в кремний / Е.Н. Дулов, Д.М. Хрипунов // Тезисы IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов РТ -2001.-Казань2001, С.29.
8. Дулов Е.Н. О возможности повышения качества мессбауэровских спектров / Е.Н. Дулов, Д.М. Хрипунов // Тезисы IX международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» Екатеринбург - 2004. -С.196.
9. Gumarov G.G. Investigation of silicon implanted by Fe ions in applied magnetic field / G.G. Gumarov, V. Yu. Petukhov, I.B. Khaibullin, E.P. Zheglov, E.N. Dulov, N.G. Ivoilov // Abstracts of the international conference «Modern Development of Magnetic Resonance» Kazan - 2004. - P.247.
10. Гумаров Г.Г. Исследование ферромагнитных слоев, полученных имплантацией ионов Fe+ в кремний в постоянном магнитном поле / Г.Г. Гумаров, В.Ю. Петухов, И.Б. Хайбуллин, Е.П. Жеглов, Е.Н. Дулов, Н.Г. Ивойлов // Тезисы VII Всероссийского семинара «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» Нижний Новгород - 2004. - С.84.
Отпечатано полиграфическим комплексом физического факультета ЮГУ Заказ №01-19-01/05
_бумага офсетная, тираж 100 экз._
г. Казань, ул. Кремлевская, дом 16-А, к. 010, тел. (8432) 36-90-16
01.04
199
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1.КТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛИЦИДОВ
ЖЕЛЕЗА.
1.1 Структурные особенности бинарной системы железо-кремний.
1.2 Мессбауэровские исследования силицидов железа.
1.3 Фазовый состав ионно-синтезированных пленок Fe-Si.
1.4 Магнитные свойства тонкопленочных силицидов железа.
ГЛАВА 2. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
2.1 Многоуровневая мессбауэровская спектроскопия.
2.1.1 Селекция по глубине с использованием пропорционального детектора.
2.1.2 Возможность улучшения статистического качества интегральных спектров.
2.2 Обработка мессбауэровских спектров.
2.2.1 Аппроксимация спектров и оценка ошибок параметров на основе Байесового подхода.
2.2.2 Аппроксимация спектров с помощью функций Войта.
2.3 Автодинный метод измерения магнитной восприимчивости.
2.4 Объекты исследования.
ГЛАВА 3. МЕССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИОННО
СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЙ.
3.1 Интегральный по толщине пленки фазовый анализ.
3.2 Селективный по глубине пленки фазовый анализ.
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ.
4.1. Угловые зависимости восприимчивости.
4.2. Полевые зависимости восприимчивости.
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ МИКРОМАГНЕТИЗМА К ОПИСАНИЮ
МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЙ.
5.1 Связь измеряемой в автодинном методе величины с магнитными характеристиками пленок.
5.2 Численное моделирование зависимостей восприимчивости.
Бинарная система железо-кремний, в зависимости от компонентного состава, условий получения и обработки, проявляет широкий спектр физических свойств. Это практически важное качество объясняется многообразием возможных фазовых состояний системы [1]. Исследование сплавов железа с кремнием ведется с начала XX века [2] и стимулируется практически важной областью их применения в электротехнике.
В качестве отдельного направления за последние 20-30 лет сформировались исследования по тонким пленкам железо-кремний. Интерес к тонким пленкам объясняется рядом причин. Первая и доминирующая по числу публикаций за последние 10 лет причина - свойства фазы p-FeSÍ2, прямозонного полупроводника с шириной запрещенной зоны 0.85 эВ. Устойчивость p-FeSÍ2 в широком диапазоне температур и технологичность кремния делает перспективным разработку инфракрасных (ИК) излучателей [3] на основе кремния, способных заменить существующие РЖ-излучатели на основе InP (фосфида индия). Практическая реализация этих перспектив требует развития технологии получения качественных тонких пленок |3-FeSÍ2 на монокристалле кремния.
Вторая - в тонкой (<1мкм) пленке, полученной на монокристаллическом кремнии различными методами, реализуются фазы, не существующие при нормальных условиях в виде отдельного массивного кристалла, например, у-FeSÍ2. Свойства тонких пленок, содержащих метастабильные фазы, в настоящее время мало изучены, и здесь можно ожидать появления новых интересных результатов.
Третья - магнитные свойства пленок. На основе магнитных фаз Fe-Si, например, Fe3Si, возможно создание нового класса устройств магнитной памяти. Одно из принципиальных решений, позволяющих на порядки увеличить плотность магнитной записи, состоит в использовании в качестве носителя информации обменно-несвязанных магнитных наночастиц вместо границ между доменами. Самоформирование наночастиц при ИЛС и МЛЭ делает возможным применение ТМП, полученных этими методами, в таких устройствах «нанопамяти» и требует изучения механизмов роста наночастиц и исследования их магнитных свойств.
Ферромагнитная фаза Fe3Si обладает металлическим типом проводимости. На границе между n-Si и пленкой Fe3Si образуется барьер Шоттки, обладающий поляризующими свойствами для электронов проводимости, т.е. такой переход Шоттки может найти применение в зарождающейся области микроэлектроники - спинтронике [4]. Кроме того, такой переход может быть использован для создания магнитных датчиков [5].
Ферромагнитные ТМП, полученные МЛЭ и ИЛС на монокристаллической кремниевой подложке (111) проявляют неожиданную магнитную симметрию -одноосную анизотропию [6,7]. Выяснение природы этой анизотропии важно с точки зрения физики магнитных явлений.
Четвертая причина - при толщинах пленок в десятки и сотни нанометров для кристаллов проявляются эффекты размера, что пересекается с исследованиями по наноматериалам и нанотехнологиям [8-9]. Наночастицы (о механизмах самоформирования наночастиц см. [8]), формирующиеся при МЛЭ и ИЛС непосредственно относятся к области нанотехнологий [10]. Свойства квантовых точек, полученных МЛЭ на монокристаллическом кремнии уже нашли применение в создании высокочувствительных ИК-приемников, повышении КПД кремниевых солнечных батарей, создании каскадных лазеров.
Легкость интеграции методов синтеза слоев железо-кремний в развитую кремниевую технологию микроэлектроники является дополнительным стимулом в изучении тонких пленок Fe-Si.
Перечисленные причины показывают актуальность данной работы. Исследования по тонким пленкам железо-кремний при высоком атомном проценте кремния весьма обширны. Только мессбауэровские исследования представлены в обзоре [11]. В этом направлении исследований остаются нерешенные задачи, например, интерпретация мессбауэровских спектров эпитаксиальной фазы y-FeSÍ2. Высокое содержание кремния, применение термической и радиационной постобработки пленок, высокая энергия имплантируемых ионов в методе ИИ - все это имеет конечной целью получение p-FeSÍ2. При этом в меньшей мере оказываются изученными тонкие пленки железо-кремний включающие макроскопически ферромагнитные фазы - фазы с высоким содержанием железа (например, Fe3Si). Термообработка и мезотаксиальный режим роста пленок, в случае ИЛС, приводят к распаду
1*7 О зародышей фазы Без Si и до доз 7x10 ион/см ферромагнитных свойств у мезотаксиальных пленок Fe-Si не наблюдается. Тогда как имплантация при комнатной температуре, хотя и сопровождается образованием большого количества дефектов, приводит к появлению магнитных свойств уже с дозы 2x1017 ион/см2.
Объектами исследования, полученными ИЛС при комнатной температуре и проявляющими макроскопические магнитные свойства и анизотропию этих свойств в плоскости пленки [6,12] обоснована научная новизна работы.
ТМП Fe-Si, полученные методом МЛЭ проявляют схожие магнитные свойства [7,13,14]. ТМП, полученные методом ИЛС, отличаются тем, что для них ферромагнетизм при комнатной температуре наблюдается, начиная со среднего атомного процента Fe около 15%, что ставит задачу выяснения его природы. Ферромагнетизм может быть объяснен существованием отдельных кластеров (преципитатов) с высоким локальным содержанием железа, а также свойствами дефектов (W'-центров), соответствующие неспаренные электроны которых могут играть роль центров обменного взаимодействия [15], аналогично атомам железа. Отдельная задача - выяснение природы магнитной анизотропии.
Высокая концентрация дефектов, значительно превышающая дозу аморфизации, которая сопровождает получение ТМП Fe-Si методом ИЛС, может сыграть важную роль в формировании свойств таких пленок. Например, недавняя публикация в Nature [16], предлагает неординарное решение проблемы создания прямозонного полупроводника на основе кремния и, возможно, определит новое направление работ в этой области. Группой ученых университета Surrey (Англия) был создан кремниевый светодиод ИК диапазона без участия фазы f3-FeSÍ2. Излучающий р-n переход был изготовлен имплантацией ионов бора в n-Si. Основная идея этой работы состоит в том, что дефекты кристаллической решетки кремния локально изменяют его зонную структуру и делают его прямозонным. Хотя ясного понимания механизмов этого превращения нет, авторам удалось подбором режима термообработки, исключающего полный отжиг дефектов, добиться КПД светодиода на уровне 0.1%. Термообработка в данном случае использовалась для диффузии и слияния дефектов с целью образования полостей достаточно больших размеров. Такой подход показывает высокую значимость исследований структур с большой концентрацией дефектов [17]. В этом отношении методы ИЛС и ионной обработки, с помощью которых можно управлять образованием дефектов, играют ключевую роль. Аморфные полупроводники на основе Fe-Si также представляют большой практический интерес [18,19].
Целью работы было исследование структурных и магнитных свойств тонких пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в монокристалл кремния, находящийся при комнатной температуре. При выполнении работы решались следующие задачи:
• Развитие методики селективных по глубине мессбауэровских исследований на электронах конверсии с использованием пропорционального детектора.
• Разработка и реализация методов анализа экспериментальных данных, получаемых в автодинном методе измерения магнитной восприимчивости тонких пленок [20].
• Проведение селективных по глубине мессбауэровских исследований тонких магнитных пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в кремний. Анализ влияния режимов синтеза пленок на их структуру и фазовый состав.
• Измерения магнитной восприимчивости тонких пленок железо-кремний автодинным методом. Определение численных характеристик и вида одноосной анизотропии.
Структурно диссертация состоит из пяти глав. В первой главе приводится ф краткий литературный обзор по системе Fe-Si, в частности, по исследованиям структурных и магнитных свойств тонкопленочных железо-силицидных пленок. Во второй главе описываются использованные экспериментальные методы - МСКЭ и автодинный метод измерения магнитной восприимчивости. Подробно изложена методика многоуровневой мессбауэровской спектроскопии (ММС), разработанная при непосредственном участии автора диссертации. Отдельный раздел второй главы посвящен математическим методам интерпретации мессбауэровских спектров и оригинальной методике оценки ^ ошибок определяемых параметров, основанной на теореме Байеса. Для автодинного метода показана связь измеряемой величины с магнитными характеристиками образца. В третьей главе содержатся результаты фазового и структурного анализа пленок на основе данных МСКЭ и СГМСКЭ для ТМП Fe-Si. В четвертой главе приведены экспериментальные результаты для измерений магнитной восприимчивости, на основании которых строится модель невзаимодействующих однодоменных магнитных частиц. Результаты численного эксперимента с использованием этой модели представлены в пятой ф главе.
В конце диссертации сформулированы основные выводы по работе.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах
6],[12],[54],[77],[100-104].
1. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа / О. Кубашевски - М: Металлургия - 1985 - 184с.
2. Бозорт Р. Ферромагнетизм / Р. Бозорт М.: Издательство иностранной литературы, 1956. - 784 с.
3. D. Leong, М. Harry, К.J. Reeson, К.Р. Homewood A silicon/iron-disilicidelight-emitting diode operating at a wavelength of 1.5 Jim // Nature 1997 -V.387-P.686-688.
4. R. Jansen The spin-valve transistor: a review and outlook // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. - V.36. - P.R289-R308.
5. P. Muret, I. АН, M. Brunei Semiconducting iron silicide thin films on silicon (111) with large Hall mobility and low residual electron concentration // Semicond. Sci. Technol. 1998- V.13.-P.1170-1179.
6. Н.Г. Ивойлов, B.A. Чистяков, Д.М. Хрипунов, E.H. Дулов В.Ю. Петухов,
7. М.И. Ибрагимова Ферромагнитные свойства кластеров Fe-Si, полученных имплантацией ионов железа в кремний // Известия РАН, серия физическая 1999 - Т.63. N7 - С.1435-1439.
8. М. Cougo dos Santos, J. Geshev, D.K. Silva, J.E. Shmidt, L.G. Pereira, R. Hubler, P. Allongue Strong dependence of Fe thin-film magnetic anisotropy on the Si(lll) substrate preparation // J. of Appl. Phys. 2003. - V94, N3. -P.1490-1494.
9. М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев Наноразмерные кластеры вполупроводниках новый подход к формированию свойств материалов // ФТП - 1998 - Т.32, N5 - С.513-522.
10. I. Levchenko, М. Korobov, М. Romanov, М. Keidar Ion current distribution an a substrate during nanostructure formation // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. -V.37. -P.1690-R1695.
11. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы / А.И. Гусев, А.А. Ремпель -М. :Физматлит, 2001. 224 с.
12. J. Desimoni, F.H. Sanchez Overview of the Mossbauer results obtained on silicon-rich iron silicide epitaxial phases on Si // Hyp.Int. 1999 - V.122. -P.277-307.
13. А.Ф. Хохлов, П.В. Павлов Ферромагнетизм кремния, обусловленный радиационными дефектами // Письма в ЖЭТФ 1976 - Т.24, вып.4 -С.238-240.
14. Wai Lek Ng, М.А. Lourenco, R.M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, and K.P. Homewood An effective room temperature silicon-based light-emitting diode //Nature 2001 - V.410 P.192-194.
15. Э.А. Штейнман, В.И. Вдовин, A.H. Изотов, Ю.Н. Пархоменко, А.Ф. Борун Фотолюминисценция и структурные дефекты слоев кремния, имплантированных ионами железа // ФТТ 2004 - Т.46, вып.1 - С.26-30.
16. М. Milosavljevic, G. Shao, N. Bibic, C.N. McKinty, С. Jeynes, K.P. Homewood Amorphous iron disilicide: A promishing semiconductor // Appl. Phys. Lett. -2001. V.79, N10 - P.1438-1440.
17. J.H. Je, H.K. Kim, D.Y. Noh Amorphous, silicide and crystalline Fe filmsgrown on Si(OOl) by radio-freqency magnetron sputtering // J. of Mat. Res. -1999. V.14, N4 - P.1658-1663.
18. Н.Г. Ивойлов, Д.М. Хрипунов, B.A. Чистяков Измеритель частотной, полевой и температурной зависимостей магнитной восприимчивости тонкопленочных образцов // ПТЭ 1997 - V.40 N4 Р. 146-149.
19. S.J. Clark, Н.М. Al-Allak, S. Brand, R.A. Abram Structure and electronic properties of FeSi2 // Phys. Rev. В 1998 - V.58. - P.10389-10393.
20. L. Yangchun, S. Liling, C. Limin, Zh. Jianhua, W. Haiyan, N. Yun, G. Zhenshan, W. Wenkui Growth of bulk single crystals P-FeSi2 by chemical vapour deposition // Sci. in China (ser. G) 2003. - V.46 N1 - P.47-51.
21. H. Reuther, G. Behr, A. Teresiak Determination of the hyperfine parameters of a-FeSi2 by angle dependent Mossbauer spectroscopy on single crystal // J.Phys: Condensed Matter (letter to editor) 2001 - V.l3. - P.L225-L229.
22. E.P. Elsukov, G.N. Konygin, V.A. Barinov, E.V. Voronina Local atomic environment parameters and magnetic properties of disordered crystalline and amorphous iron-silicon alloys // J.Phys: Condensed Matter 1992 - V.4. -P.7597-7606.
23. J. Desimoni, F.H. Sanchez Epitaxial gamma-iron silicide grown on single crystal Si. Asummary of Mossbauer results // Hyp.Int. 1998 - V.l 13. - P.403-410.
24. M. Fanciulli, G. Weyer, H. von Kanel, N. Onda Conversion electron mossbauer spectroscopy study of iron silicide films grown by MBE // Phys. Scripta 1994 - V.59. - P. 16-20.
25. В.И. Николаев, A.M. Шипилин, И.Н. Захарова Об оценке размеров наночастиц с помощью эффекта Мессбауэра // ФТТ 2001 - Т.43. вып.8 -С.1455-1457.
26. Белозерский Г.Н. Мессбауэровская спектроскопия как метод исследования поверхности / Г.Н. Белозерский М.гЭнергоатомиздат, 1990. - 352 с.
27. Бабикова Ю.Ф. Электронная ЯГР-спектроскопия: Учеб. пособие /
28. Ю.Ф. Бабикова, П.Л. Грузин, Ю.В. Петрикин М.:МИФИ, 1985. - 80 с.
29. R.I. Khaibullin, V.A. Zhikharev, Yu.N. Osin, E.P. Zheglov, I.B. Khaibullin, B.Z. Rameev, B. Aktas // Structural and magnetic properties of iron and cobalt implanted silicone polymers // Nucl. Instr. and Meth. В 2000 - V.166-167. -P.897-902.
30. X.D. Ma, Y.H. Liu, L.M. Mei Study of the coupling of interlayers in compositionally modulated FeSi/Si amorphous films by conversion electron Mossbauer spectroscopy // J.Phys: Condensed Matter 1991 - V.3. - P.7139-7144.
31. Овчинников B.B. Мессбауэровские метода анализа атомной и магнитной структуры сплавов / В.В. Овчинников М.:Физматлит, 2002. - 256 с.
32. I. Vavra, J. Bydzovsky, P. Svec, M. Harvanka, J. Derer Structural, electrical and magnetic properties of Fe/Si and Fe/FeSi multilayers // Acta Phys. Slovaca -1998. V.43 N6 - P.743-746.
33. B.D. Sawicka, J.A. Sawicki, J. Stanek, T. Tyliszczak, J. Kowalski Temperature dependent conversion electron Mossbauer measurements of 57Fe implanted in silicon and germanium // Phys. Stat. Sol.(a) 1979 - V.56. - P.451-456.
34. J. Sawicki, B. Sawicka, J. Stanek, J. Kowalski Mossbauer study of heat treated 57Fe implanted silicon // Phys. Stat. Sol.(b) 1976 - V.77. - K1-K4.
35. B.D. Sawicka, J.A. Sawicki Evidence of the electric quadrupole coupling of 57Fe implanted in silicon // Phys. Letters A 1977 - V.64. - P.311-312.
36. M. Dobler, H. Reuther, M. Betzl, M. Mader, W. Moller Investigations of ion implanted iron silicide layers after annealing and irradiation // Nucl. Instr. and Meth. В 1996 - V.l 17. - P.l 17-122.
37. M. Dobler, H. Reuther CEMS study of iron disilicide formation by ironimplantation into silicon // Nucl. Instr. and Meth. В 1999 - V.l55. - P.468-478.
38. F.H. Sanchez, M.B. Fernandez van Raap, J. Desimoni Structural composition dependence of amorphous silicon-iron prepared by ion implantation and by coevaporation: A Mossbauer study // Phys. Rev. Letters В 1991 - V.44. -P.4290-4295.
39. S. Kruijer, W. Keune, M. Dobler, H. Reuther Depth analysis of phase formation in Si after high-dose Fe ion implantation by depth-selective conversion electron Mossbauer spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 1997 - V.70 No.20 - P.2696-2698.
40. M. Dobler, H. Reuther, W. Moller Microdisperse iron silicide structures produced by implantation of iron ions in silicon // Hyp. Int. 1998 - V.l 12(1/4) -P.185-188.
41. M. Walterfang, S. Kruijer, M. Dobler, H. Reuther, W. Keune Phase analysis in a-Fe after high-dose Si ion implantation by depth-selective conversion-electron Mossbauer spectroscopy (DCEMS) // Hyp. Int. 2000 - V. 126 - P.219-222.
42. Вонсовский C.B. Магнетизм / C.B. Вонсовский M.: Наука, 1971. - 1032 с.
43. В.Ю. Петухов, И.Б. Хайбуллин, М.М. Зарипов, Р.А. Манапов Магнитные свойства кремния, имплантированного ионами железа // ФТТ 1984 - Т.26 - С.1392-1397.
44. Петухов В.Ю. Радиационная физика твердого тела: Учебно-методическое пособие / В.Ю. Петухов, М.И. Ибрагимова, И.А. Файзрахманов, Г.Г. Гумаров Казань, 1998 - 108 с.
45. Емцев В.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках / В.В. Емцев, Т.В. Машовец М.:Радио и связь, 1981. - 248 с.
46. Гумаров Г.Г. Ионно-лучевой синтез силицидов металлов подгруппы железа в кремнии / Г.Г. Гумаров; Казанский Физико-Технический Институт Казань, 2001 - 220 с.
47. Н. Busse, J. Kandler, В. Eltester, К. Wendelt, G.R. Castro, J.J. Hinarejos, P. Segovia, J. Chrost, E.G. Michel, R. Miranda Metastable iron silicide phase stabilized by surface segregation on Fe3Si(100) // Surface Science 1997 -V.381. - P.133-141.
48. H.J. Kim, D.Y. Noh, J.H. Je, Y. Hwu Evolution of the surface morphology during Fe/Si(l 11) and Fe/Si(001) heteroepitaxy // Phys. Rev. B. 1999. - V.59, N7 - P.4650-4653.
49. D. Sander, A. Enders, J. Kirschner Stress evolution during the growth of ultrathin layers of iron and iron silicide on Si(l 11) // Appl. Phys. Lett. 1995. -V.67,N13 -P.1833-1835.
50. Y. Takagi, A. Nishimura, A. Nagashima, J. Yoshino Formation of iron silicide nanodots on Si(l 1 II Surface Science 2002 - V.514. - P.167-171.
51. Н.Г. Ивойлов, E.H. Дулов, Д.М. Хрипунов, B.A. Чистяков Многоуровневая мессбауэровская спектроскопия // Известия РАН, серия физическая 2001 - Т.65. N7 - С. 1068-1072.ещ
52. D. Liljequist, М. Ismail Depth-selective Fe conversion-electron Mossbauer spectroscopy. I. Theory-improved accuracy, angular effects // Phys. Rev. В -1985 V.31. -P.4131-4136.
53. D. Liljequist, M. Ismail Depth-selective 57Fe conversion-electron Mossbauer spectroscopy. II. Experimental test-angular effects, accuracy // Phys. Rev. В -1985-V.31.-P.4137-4142.
54. D. Liljequist Escape probability of low-energy electrons emitted in a heterogeneous solid source, and depth distribution analysis in conversion electron Mossbauer spectroscopy // Nucl. Instr. and Meth. В 2001 - V.174. -P.351-360.
55. D. Liljequist Escape probability of low energy electrons and positrons emittedin random direction beneath a plane solid surface // Nucl. Instr. and Meth. В -1998-V.142. -P.295-307.
56. J.M. Fernandez-Varea, D. Liljequist, S. Csillag, R. Raty, F. Salvat Monte Carlo simulation of 0.1-100 keV electron and positron transport in solids using optical data and partial wave method // Nucl. Instr. and Meth. В 1996 - V.108. -P.35-50.
57. L.V. Spencer, J. Coyne Theory of the deep penetration of electrons and charged particles // Phys. Rev. 1962 - V.128, N5 - P.2230-2238.
58. F. Salvat, J. Parellada Theory of conversion electron Mossbauer spectroscopy (CEMS) //Nucl. Instr. and Meth. В 1984 - V.l. - P.70-84.
59. J.A. Sawicki, B.D. Sawicka Experimental techniques for conversion electron Mossbauer spectroscopy // Hyp. Int. 1983 - V.l3. - P.l99-219.
60. E.V. Voronina, N. V. Ershov, A.L. Ageev, Yu.A. Baranov Regular algorithm for the solution of the inverse problem in Mossbauer spectroscopy // Phys. Stat. Sol.(b) 1990 - V.160. - P.625-634.
61. Русаков B.C. Мессбауэровкская спектроскопия локально неоднородных систем / B.C. Русаков Алматы, 2000. - 431 с.
62. Вертеш А. Мессбауэровская спектроскопия замороженных растворов / Ред. А. Вертеша , Д. Надя М.:Мир, 1998.-398 с.
63. Пытьев Ю.П. Математические методы интерпретации эксперимента: Учеб. пособие для вузов / Ю.П. Пытьев М.: Высшая школа, 1989. - 351 с.
64. Н.Г. Ивойлов, Е.С. Романов, Е.Р. Акст, P.M. Баязитов Конверсионная мессбауэровская спектроскопия тонких магнитных пленок // Парамагнитный резонанс: Сб. ст. Казань, 1992. - С.89-151.
65. Lixin Dou, R.J.W Hodgson, D.G. Rancourt Bayesian inference theory applied tohyperfine parameter distribution extraction in Mossbauer spectroscopy // Nucl. Instr. and Meth. В 1995 - V. 100. - P.511-518.
66. J. Odeurs, G.R. Hoy, Caroline L'Abbe Enhanced resolution in Mossbauer spectroscopy // J.Phys: Condensed Matter 2000 - V.12. - P.637-642.
67. Rudolf L. Mossbauer The discovery of the Mossbauer effect // Hyp.Int. 2000 -V.126-P.1-12.
68. R. Giovanelli, A. Orefice Physical discussion of the Mossbauer effect // Physica В 2000 - V.293. - P. 155-163
69. A.B. Степанов Полуклассический подход к описанию ядерного гамма-резонанса в кристаллах // УФН 2000 - Т. 170 N1 - С.83-91.
70. Фраунфельдер Г. Эффект Мессбауэра / Г. Фраунфельдер М.:Атомиздат, 1964.- 140 с.
71. Уайт P.M. Квантовая теория магнетизма / P.M. Уайт М.:Мир, 1972. -306 с.
72. Худсон Д. Статистика для физиков / Д. Худсон М.:Мир, 1967. - 243 с.
73. Дулов Е.Н., Хрипунов Д.М. Метод максимального правдоподобия в задаче аппроксимации мессбауэровских спектров // Тезисы IX международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» Екатеринбург 2004. - С.197.
74. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы / С.М. Ермаков -М.:Наука, 1971 -328 с.
75. V.A. Muravsky, S.A. Tolstov, A.L. Kholmetskii Comparison of the least squares and the maximum likelihood estimators for gamma-spectrometry // Nucl. Instr. and Meth. В 1998 - V.145. - P.573-577.
76. Paulo A. de Souza Jr. Advanced in Mossbauer data analysis // Hyp. Int. 1998. -V. 113. -P.383-390.
77. K. Lagarec, D.G. Rancourt Extended Voigt-based analytic lineshape method for determining N-dimensional correlated hyperfine parameter distribution in Mossbauer spectroscopy // Nucl. Instr. and Meth. В 1997 - V.129. - P.266
78. D. Guenzburger, D.E. Ellis, Z.Zeng First-principles calculations of mossbauer hyperfine parameters for solids and large molecules // Hyp. Int. 1998 - V.l 13. - P.25-36.
79. F. Neese Prediction and interpretation of the 57Fe isomer shift in Mossbauer spectra by density functional theory // Inorganica Chimica Acta 2002 - V.337. -P. 181-192.
80. D.C. Price Empirical lineshape for computer fitting of spectral data // Aust. J. Phys.- 1981 V.34. -P.51-56.
81. T. Ida, M. Ando, H. Toraya Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile // J. of Appl. Cryst. 2000 - V.33. - P.1311-1316.
82. Вержбицкий B.M. Основы численных методов: Учебник для вузов / В.М. Вержбицкий М.: Высш. шк., 2002 - 840с.
83. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков М.: Физматлит: Лаборатория Базовых Знаний, 2002 - 632 с.
84. G.A. Muller, R.Gupta, К.-Р. Lieb, P. Schaaf Determination of spin distribution in ion-beam magnetic textured iron films by magnetic orientation Mossbauer spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2003. - V.82, N1 - P.73-75.
85. P. Schaaf, A. Muller, E. Carpene, M. Kahle Thin films made fast and modified fast // Hyp. Int. 2002 - V.144/145. - P.l 29-139.
86. J. Qin, T. Gu, X. Bian A study on the medium range order in molten Fe3Si and FeSi alloys // J. Phys.: Cond. Matt. 2004. - V.l6 - P.4753-4760.
87. B.-D. Choi, D.K. Schroder, S. Koveshnikov, S. Mahajan Latent iron in silicon // Jpn J. Appl. Phys. 2001. - V.40 - P.L915-L.917.
88. В.Г. Казаков Тонкие магнитные пленки // Соросовский Образовательный Журнал 1997 -N1 - С.107-114.
89. Е.И. Кондорский Микромагнетизм и перемагничивание квазиоднодоменных частиц // Известия АН СССР 1978 - Т.42, N8 -С.1638-1645.
90. Ю.П. Калмыков, C.B. Титов К расчету продольной восприимчивости суперпарамагнитных частиц // ФТТ 2003 - Т.45 вып.11 - С.2037-2042.
91. J. Fidler, Т. Schrefl Micromagnetic modeling the current state of art // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2000. - V.33. - P.R135-R136.
92. П.В. Харитонский Магнитостатическое взаимодействие суперпарамагнитных частиц, рассеянных в тонком слое // ФТТ 1997 -Т.39. N1 - С. 185-186.
93. В.И. Береснев, Б.Н. Филиппов, Л.Г. Корзунин Влияние магнитной анизотропии на подвижность доменных границ в тонких магнитных пленках // Письма в ЖТФ 1998 - Т.24, N2 - С.42-46.
94. Л.И. Антонов, A.C. Жукарев, П.А. Поляков, Д.Г. Скачков Поле вектора намагниченности одноосной ферромагнитной пленки // ЖТФ 2004 - Т. 74 вып.З - С.83-84.
95. K.M. Хёрд Многообразие видов магнитного упорядочения в твердых телах // УФН 1984 - Т. 142 вып.2 - С.ЗЗ 1-355.
96. Дулов E.H., Ивойлов Н.Г., Хрипунов Д.М., Чистяков В.А. Многоуровневая мессбауэровская спектроскопия // Тезисы международной конференции «Эффект Мессбауэра: магнетизм, материаловедение, гамма оптика» Казань 2000. - С.95.
97. Дулов E.H., Ивойлов Н.Г., Хрипунов Д.М. Исследования тонких магнитных пленок, полученных высокодозной имплантацией ионов железа в кремний // Тезисы международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» Санкт-Петербург -2002.-С.21.
98. Дулов E.H. Хрипунов Д.М. Исследования тонких магнитных пленок, полученных имплантацией ионов железа в кремний // Тезисы IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов РТ 2001. -Казань 2001,С.29.
99. Дулов E.H., Хрипунов Д.М. О возможности повышения качествамессбауэровских спектров // Тезисы IX международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» Екатеринбург 2004. - С.196.
