Магнетосопротивление в структуре ферромагнетик/полидифениленфталид/немагнитный металл тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Лачинов, Алексей Алексеевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Челябинск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2011
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
4854762
ЛАЧИНОВ АЛЕКСЕИ АЛЕКСЕЕВИЧ
МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЕ В СТРУКТУРЕ ФЕРРОМАГНЕТИК/ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛ ИД/НЕМАГНИТНЫЙ
МЕТАЛЛ
01.04.07 - Физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
2 9 СЕН 2011
Уфа-2011
4854762
Работа выполнена в Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской Академии наук.
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Корнилов Виктор Михайлович доктор физико-математических наук, профессор Емалетдинов Алик Камилович
кандидат физико-математических наук Соколовский Владимир Владимирович
Институт физики твердого тела РАН
Защита состоится 7 октября 2011 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.29603 при Челябинском государственном университете по адресу: 454001, г. Челябинск, ул. Бр. Кашириных, 129.
Отзыв направлять по адресу: 454001, г. Челябинск, ул. Бр. Кашириных,
129.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного университета.
Автореферат разослан «5 » сентября 2011г.
Ученый секретарь
диссертационного совета ■''""/■"')
д.ф.-м.н., профессор ^ Е. А. Беленков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Большой интерес к проблеме управляемого транспорта спинполяризованных носителей заряда связан с уникальными возможностями его применения в устройствах обработки и хранения информации. Исследования инжекции и транспорта спина в классических полупроводниках, таких как 81 и СтАэ, принесли много важных фундаментальных физических результатов и в настоящее время ожидается столь же значительные достижения прикладного характера. Одна из проблем неорганических материалов относительно небольшие времена релаксации спина. В то же время, за последние годы было установлено, что в органических материалах время релаксации спина существенно больше. Однако органическим материалам присущи другие проблемы: малая концентрация носителей заряда и их малая подвижность. Это в свою очередь приводит к малым величинам электрических токов, которыми можно управлять и потому малому относительному изменению сопротивления конечных устройств в магнитном поле. Эти принципиальные ограничения связывают с особенностями электронной подсистемы сопряженных органических материалов, чаще всего используемых для реализации в электронных устройствах. В то же время, существует большой класс несопряженных полимерных материалов, которые в тонких пленках демонстрируют высокие уровни проводимости и подвижности носителей заряда сопоставимые с параметрами хороших неорганических полупроводников. Одним из таких представителей является полидифениленфталид (ПДФ), обладающий несопряженной системой валентных я-электронов и отличающийся нетипичными для диэлектриков электронными характеристиками, которые проявляются в способности изменения проводимости от диэлектрического уровня до металлического под действием различных слабых внешних полей, причем эти явления обратимы. Электропроводностью в таких материалах можно управлять, воздействуя на них электрическим полем, давлением, изменяя условиями на контакте
металл/полимер и другими. Реализация и исследование возможности управления проводимостью в подобных структурах с помощью магнитного поля представляется важной научно-технической задачей в такой активно развивающейся области науки как спинтроника.
В связи с этим, экспериментальное изучение физической природы переноса заряда в структурах типа металл/полимер с несопряженным органическим материалом в качестве транспортного слоя под действием магнитного поля является актуальным и представляет огромный интерес, как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения перспектив практического применения.
Цель работы - исследование закономерностей переноса заряда в многослойной структуре ферромагнетик/полидифениленфталид/немагнитный металл под действием внешнего магнитного поля.
Научная новизна.
Экспериментально обнаружен эффект огромного магнетосопротивления (ОМС) в структуре ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
Показано что на параметры ОМС в исследуемой структуре влияет электрическое поле, изменяя порог переключения сопротивления под действием магнитного поля.
Установлен инжекционный характер явления, зависящий от степени спиновой поляризации электронов.
Предложена эмпирическая модель зонной структуры контакта ферромагнетик/несопряженный полимер, объясняющая ОМС.
Защищаемые положения:
1. В многослойной структуре ферромагнетик/широкозонный полимер/металл реализуется магнетосопротивление с аномально большими коэффициентами.
2. Магнетосопротивление в многослойной структуре ферромагнетик/полимер/металл имеет инжекционную природу.
3. Изменение проводимости ферромагнетик/полимер/металл происходит под влиянием магнитного поля на параметры потенциального барьера на границе ферромагнетик/полимер таким образом, что создаются условия для инжекции спинполяризованных носителей с уровня Ферми ферромагнетика в узкую зону когерентного переноса заряда в середине запрещенной зоны полимера.
Практическая ценность работы заключается в том, что обнаруженное явление огромного магнетосопротивления в структуре ферромагнетик/несопряженный полимер/немагнитный металл может быть использовано при создании сенсоров магнитного поля, ячеек памяти в системах хранения данных, спиновых фильтров, спиновых транзисторов и других компонентов элементной базы органической спинтроники. Полученные данные закладывают основы для построения теоретической модели явления.
Апробация работы.
Основные результаты работы были апробированы на различных конференциях: Региональная школа конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике (Уфа, Россия, 2004); XI Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем» (Казань, Россия, 2004); V Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, Россия, 2006); XI Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2006); 6th International Conference on Electronic Processes in Organic Materials (ICEPOM-06) (Gurzuf, Ukraine, 2006); International Conference "Nanomeeting-2007" (Minsk, Belarus, 2007); Workshop on Spintronic Effects in Organic Semiconductors (Bologna, Italy, 2007); E-MRS 2009 Fall Meeting (Warsaw, Poland, 2009); Conference "Functional Material" ICFM'2009 (Simferopol, Ukraine, 2009); IV International Conference on Molecule Electronics ELECMOL'08 (Grenoble, France, 2009); International Conference on Physics, Chemistry and Application of Nanostructures "Nanomeeting-2009" (Minsk, Belarus, 2009); Eupoc2009-EPF Europolymer Conference, (Gargnano Lago di Garda, Italy, 2009);
IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" Nanospintronics. EASTMAG-2010 (Ekaterinburg, Russia6 2010); Spinos 2010, 3rd Topical Meeting on Spins in Organic Semiconductors (Amsterdam, The Netherlands, 2010); V International Conference on Molecule Electronics ELECMOL' 10 (Grenoble, France, 2010);
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 40 научных работ, из которых 7 статей в рецензируемых научных журналах, из списка рекомендованных ВАК России.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех глав, выводов и списка литературы. Общий объем составляет 142 страницы, 38 иллюстраций. Библиография включает 92 названий.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, определены конкретные научные задачи.
В первой главе представлен литературный обзор по современным проблемам переноса заряда в органической среде под действием внешнего магнитного поля. Рассмотрены фундаментальные предпосылки для управления транспортом носителей заряд путем воздействия на их спин. В частности, обсуждаются результаты работы [1], в которой приведено теоретическое обоснование возможности управления транспортом спинполяризованных носителей заряда с помощью внешнего магнитного поля.
На основе данной работы были проведены эксперименты по изучению магнетосопротивления (МС) в сверхрешетках (Fe/Cr)„, где п - количество парных слоев. Изменение сопротивления такой структуры под действием внешнего магнитного поля составило до 2%. Предполагалось, что данный эффект возникает из-за обменного взаимодействия двух ферромагнитных слоев. Эффект получил название гигантского магнетосопротивления (ГМС).
Использование полупроводников позволило реализовать эффекты МС в структурах с одним ферромагнитным слоем. В этом случае эффект являлся результатом спин-орбитального взаимодействия в ферромагнетике. Авторы
интерпретировали его как туннельное анизотропное магнетосопротивление (ТАМС).
Небольшие времена релаксации спина в металлических и полупроводниковых материалах привели к необходимости исследования МС в органических структурах. Первыми результатами были эффекты ГМС на структурах Ьао^ГозМпОз (Ь5МО)/секстифенил(Т6)/Ь5МО и ЬБМО/ три(8-гидроксихинолин) алюминия (АЦЗуСо. Относительное изменение сопротивления достигало 30%. При этом измерения проводились при низких температурах (~4 К). При комнатной температуре эффект практически исчезал.
В структурах с использованием органических материалов также был получен эффект ТАМС (ЬЗМО/Перилен С,Р-диметил-диимида перилентстракарбоновой кислоты (РТСШ-С4Р7)/А1). Измерения проводились при комнатной температуре, но относительное изменение сопротивления также не превышало 30%.
Небольшое изменение сопротивления под действием магнитного поля характерно для структур на основе органических материалов, общей чертой которых является, так называемое, я-сопряжение валентных электронов. Несопряженные органические материалы, будучи диэлектриками по своим электропроводящим свойствам, ранее не исследовались в рамках эффекта магнетосопротивления, но были объектом исследования других электронных явлений.
При исследовании несопряженного полимера полидифениленфталида (ПДФ) в структуре металл/ПДФ/металл был обнаружен переход типа диэлектрик-металл, при котором электропроводность изменялась от диэлектрического до металлического уровня значений под относительно слабых воздействий (давления, электрического поля, граничных условий и др.). При этом такой переход осуществлялся при комнатной температуре и нормальных условиях. Однако влияние магнитного поля на транспортные свойства указанной структуры исследовано не было.
В связи с этим, целесообразно было исследовать влияние магнитного поля на проводимость структуры металл/ПДФ/металл.
Во второй главе приведены характеристики объекта исследований, методики изготовления образцов и проведения измерений.
В §1 описывается объект исследования - многослойная структура ферромагнетик/полимер/металл. В качестве ферромагнитного материала использовались пластины моно- и поликристаллического никеля (толщиной 0.5 мм), а также тонкие пленки никеля и пермаллоя (толщиной не более 100 нм). Металлический слой представлял собой тонкие пленки меди или алюминия (толщиной не более 100 нм).
Пленки металлов наносились методом термодиффузионного напыления в вакуумном универсальном посте ВУП-4 через теневые маски. Технология осаждения для различных металлов электродов в вакууме была сходной, отличалась лишь температурой подогрева предметного столика и способом крепления навески металлов. В качестве подложки были выбраны оптические предметные стекла. Размер подложек был от 1 до 3 см2. Рабочая область образцов была площадью от 0,25 мм2 до 1 мм2.
В качестве полимерного материала был использован несопряженный полимер полидифениленфталид из класса полигетероариленов. Данный полимер является диэлектриком с шириной запрещенной зоны -4.2 эВ. Полимерные пленки изготовлялись методом центрифугирования из раствора полимера. Раствор готовился путем растворения добавлением сухого вещества полимера в растворителе - циклогексаноне.
Образец закреплялся на специальной приставке, которая обеспечивала надежную фиксацию образца между полюсами магнита и подвод электродов. Приставка также содержала дополнительное приспособление, позволявшее изменять давление электродов на образце для контроля начального состояния проводимости структуры. Все измерения проводились при комнатной температуре и в нормальных условиях. Качество поверхностей пленок, а так же
измерение их толщин осуществлялось с помощью атомно-силового микроскопа.
В §2 описана измерительная установка для исследования образцов с массивным ферромагнитным электродом. Она состояла из магнита, между обкладками которого помещался образец. При каждом шаге изменения магнитного поля фиксировалось значение падения напряжения на балластном сопротивлении в измерительной цепи. При измерении вольтамперных характеристик магнитное поле устанавливалось при помощи напряжения подаваемого на магнит источником. Напряжение на образец подавалось с помощью другого источника. Ток контролировался путем измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении, включенном последовательно с образцом.
В $3 описана измерительная установка для исследования образцов с пленочным ферромагнитным электродом. От вышеописанной измерительной установки она отличалась автоматизацией всего цикла проведения измерений при помощи компьютера.
В третьей главе представлены экспериментальные результаты.
В_§1 описаны результаты
измерений и исследований |
с
магнетосопротивления и о
электрофизических свойств
образцов, изготовленных на массивном ферромагнитном
т-1-~>-Т-1
100 200 300 400 500 Н тТ
электроде. Явление огромного Рис ^ 3ависим0(ЛЪ тока прагекающег0 через
магнетосопротивления (ОМС) в образец №/ПДФ/Си от внешнего магнитного
поля. Стрелками указано направление структуре М/ПДФ/Си заключается в изменения магнитного поля. Т = 300 К
том, что при достижении магнитным полем определенной величины
происходит резкое изменение сопротивления образца. На рисунке 1
представлена типичная зависимость тока, протекающего через образец от
величины внешнего магнитного поля. Сопротивление изменялось в диапазоне от 100 Мом до 10 Ом. Явление было обратимым. При уменьшении магнитного поля до нуля сопротивление образца восстанавливалось до уровня начальных значений. При этом наблюдался гистерезис. Для разных образцов, отличавшихся условиями приготовления и толщиной полимерного слоя, характерные величины магнитного поля, индуцирующего значительные изменения сопротивления экспериментальной структуры, относительно невелики и регистрировались в интервале от 50 до 180 мТ. Проведенный анализ современных литературных данных не обнаружил аналогичного эффекта с близкими характеристиками, среди них особенно выделяется абсолютная величина изменения сопротивления по действием магнитного поля - до 10 порядков, причем при комнатной температуре. Такая ситуация требует проведения дополнительных исследований полученного эффекта.
Было установлено, что ОМС может наблюдаться, как с положительным знаком коэффициента магнетосопротивления, так и с отрицательным. Установлено, что знак зависит от начального уровня проводимости полимерной пленки при нулевом магнитном поле. Высказано предположение о том, что это связано с положением инжектирующего уровня в ферромагнетике относительно транспортного уровня в полимере. Обсуждение этого результата приводит к выводу о том, что гальваномагнитные явления не должны иметь существенного влияния в данном случае.
На рисунке 2 представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) для положительной и отрицательной полярности электрического поля в двойных логарифмических координатах в зависимости от величины внешнего магнитного поля. ВАХ измерялись в интервале электрических напряжений от 0 до 10 В и магнитных полей до 350 мТл при комнатной температуре.
Полученные ВАХ были проанализированы в рамках инжекционного механизма переноса заряда при наличии моноэнергетических ловушек в полимерной пленке. Суть модели заключается в том, что можно ожидать, что при малых напряжениях будет соблюдаться закон Ома [2]:
где ц - подвижность, I - ток, Ь - толщина полимерной пленки, и -напряжение, е - диэлектрическая проницаемость полимера.
iff'
I 10J
о
10'
0,1
0,2 0,4 0,60,81 2 0,1 0,2 0,4 0,60,81 2 Voltage (V) Voltage (V)
Рис. 2. Вольтамперные характеристики образца Ni/ПДФ/Си в различном магнитном поле. Положительная (слева) и отрицательная (справа) полярность электрического поля. Двойные логарифмические координаты.
Согласно модели, заметных отклонений от закона Ома не должно возникать до тех пор, пока средняя концентрация п,- инжектированных неравновесных свободных носителей не становится сравнимой с концентрацией п0 основных носителей, то есть при напряжении равном U^. Тогда вольтамперная характеристика запишется в виде «ловушечного» квадратичного закона:
г о
(2)
где 0 - коэффициент характеризующий степень заполнения ловушек, не зависящий от уровня инжекции до тех пор, пока уровни захвата остаются мелкими.
В нашем случае зависимость тока от напряжения является квадратичной в интервале от 0 В до Unop. Эта область начинается при столь малых напряжениях, что ее начальный участок было сложно измерить использованным оборудованием. Это означало, что напряжение, при котором происходит переход от собственных носителей к инжектированным, располагается в области малых токов (< 10"9 А), следовательно, концентрация
собственных носителей очень мала. Поэтому на вольтамперных характеристиках фактически сразу наблюдался квадратичный участок. При увеличении магнитного поля значение напряжения ипор увеличивается с 0,4 В (при 0 мТл) до 1,2 В (при 300 мТл).
Смена полярности электрического поля влияла на форму ВАХ и зависимость итор от магнитного поля. При отсутствии магнитного поля и„ор = 0,8 В, а при максимальном магнитном поле ипор = 1,6 В.
На основе полученных результатов была оценена зависимость подвижности носителей заряда от величины магнитного поля по формуле:
где £о - диэлектрическая постоянная, в - площадь контакта. Были получены следующие величины подвижности: при отсутствии магнитного поля ц = 0,3-10"3 см2/В-с; при 300 мТл ц = 1,6-10° смг/Вс.
То есть, увеличение внешнего магнитного поля приводит к увеличению подвижности носителей заряда в полимерном слое. Таким образом, показано, что магнитное поле оказывает сильное влияния на параметры переноса заряда. При этом на сегодняшний день среди органических материалов наибольшей подвижностью обладает рубрен - 10 см2/В с. Если принять во внимание, что приведенные значения подвижности в структуре на основе полидифениленфталида получены в низкопроводящем состоянии, то можно сказать, что данный материал один из лучших органических материалов.
Для выяснения роли потенциального барьера на границе ферромагнетик/полимер была проведена оценка его высоты в зависимости от величины магнитного поля. Для этого были использованы данные вышеприведенных вольтамперных характеристик. При и = 1 В ток равен 4,210"7 А и 1,2'10'9 А при нулевом и максимальном магнитном поле соответственно. Относительное изменение высоты потенциального барьера было оценено по формуле:
ц = (1Ь3)/(и"0£ео8),
(3)
где фтах и фо высота туннельного барьера при максимальном и нулевом магнитном поле соответственно, Т = 295 К, к - постоянная Больцмана.
Таким образом, изменение высоты потенциального барьера при напряжении 1 В фтах - фо = 0,086 эВ. А при напряжении 2 В - фтах - ф0 = 0,014 эВ. При -1 В - 0,042 эВ, при -2 В - 0,010 эВ. Обращает на себя внимание тот факт, что относительно небольшие изменения высоты потенциального барьера в структуре N ¡/полимер оказывают большое влияние на изменение электронных транспортных свойств экспериментальной структуры. По-видимому, это обусловлено специфическим строением интерфейса ферромагнетик/широкозонный полимер.
Так как известна высокая чувствительность электропроводности тонких пленок ПДФ к одноосному давлению, было важно изучить влияние
магнитострикции ферром агнетика на изменение электропроводности экспериментального образца. Эти исследования были проведены путем прямого измерения относительного изменения магнитострикции ферромагнитного электрода в процессе измерения ОМС в экспериментальной структуре КЧ/ПДФ/Си, и сравнения этих результатов с изменением электропроводности структуры в тех же магнитных полях. Результаты измерений представлены на рис. 3.
При малых полях до 60 тТ наблюдалось существенное приращение деформации ферромагнетика с!Ь. Относительно полимерной пленки это
Н, тТ
Рис. 3. График магнитострикции образца №/Г1ДФ/Си. Зависимость линейной деформации от магнитного поля (МП). Сплошные и прерывистые линии обозначают прямой и обратный ход магнитного поля соответственно. 1. Поперечная магнитострикция, МП параллельно образцу. 2. Продольная магнитострикция, МП перпендикулярно образцу. 3. Продольная магнитострикция, МП параллельно образцу.
тангенциальные сдвиговые деформации, направленные вдоль границы раздела металл/полимер. При больших внешних магнитных полях кривые магнитострикционных деформаций в плоскости подложки при различных ориентациях внешнего магнитного поля выходили на насыщение и практически не менялись. Необходимо подчеркнуть, что область изменения деформаций ферромагнетика, вызванная магнитострикцией ограничена магнитными полями, величина которых значительно меньше тех, при которых регистрируется ОМС. Таким образом, полученные результаты можно интерпретировать как отсутствие корреляции между магнитострикцией в ферромагнитной подложки и магнетосопротивлением, происходящим в структуре ШПДФ/Си.
В
J2
приводятся измерений и
10
10
Е
-С
О
Ю71
ос
10
ю1^
-200
200
0
Н, тТ
4. Зависимость сопротивления пленочного образца №/ПДФ/Си от внешнего магнитного поля, также Стрелками показано направление изменения магнитного поля. Температура измерений 300 К.
Рис.
результаты
магнетосопротивления вольтамперных характеристик полученные на образцах с пленочными ферромагнитными электродами. А результаты исследований влияния материалов электродов на параметры эффекта ОМС.
На рис. 4 представлены типичные результаты измерения эффекта огромного магнетосопротивления в структуре пленочный Ni/ПДФ/Си для случая положительного коэффициента МС. Значение магнитного поля, при котором происходило максимальное изменение сопротивления системы, находилось в интервале значений: 100 - 180 тТ. Относительное изменение сопротивления составило порядка 1ГОм. МС являлось обратимым.
На рис. 5 представлена зависимость величины магнитного поля, при котором происходит переключение от разности потенциалов на электродах экспериментальной структуры Ni/ПДФ/Си. Для примера рассмотрим вторую
(II) четверть графика (рис. 5). С увеличением разности потенциалов
300
□
□ Вкл. (эксперимент) о Выкл. (эксперимент) -Вкл. (усредненное)
образце
200
на
наблюдается
100
возрастание величины ^ 0 порога переключения I _100 по магнитному полю
I-
Е
-200
-1
0
□
о
увеличении
и(У)
Рис. 5. Зависимость величины порога переключения пленочного напряжения на образце образца №/ПДФ/Си от электрического поля.
наблюдается уменьшение порогового магнитного поля переключения вплоть до нуля при 1,3 В. Если предположить, что на величину порогового магнитного поля влияет положение инжектирующего уровня задаваемого электрическим полем, то до 0.9 В разница между уровнями инжекции спинполяризованных носителей в ферромагнетике и транспортным уровнем в полимере возрастает. Потому при небольших электрических напряжениях вплоть до 0.9 В для изменения магнетосопротивления требуются все увеличивающиеся магнитные поля. Уменьшение порогового магнитного поля при дальнейшем росте электрического может быть связано с тем, что начинают создаваться в образце условия, при которых начинает проявляться эффект переключения по полю, тем самым «облегчая» переключение по магнитному полю. Свидетельством этого является уменьшение пороговое магнитного поля до нуля означающее, что для переключения проводимости образца достаточно одного электрического поля. На этой стадии в эксперименте фиксируется обычный эффект электронного переключения индуцируемый электрическим полем. При больших разностях потенциала наблюдается третья область - это область, в которой для переключения проводимости достаточно одного электрического поля. На рисунке 5 видно, что зависимость порогового магнитного поля от
приложенной разности потенциалов довольно симметрична относительно смены направлений электрического и магнитного полей.
Типичные результаты измерения влияния магнитного поля на вольтамперные характеристики пленочных структур №/ПДФ/Си представлены на рис. 6. На графиках приведены ВАХи характерные для низкопроводящего состояния образца. Указанный на графиках верхний предел магнитных полей связан с тем, что дальнейшее увеличение магнитного поля приводило к переходу образца в высокопроводящее состояние.
им им
Рис. 6. Вольтамперные характеристики пленочного образа №/ПДФ/Си в различном магнитном поле в двойных логарифмических координатах.
Вид ВАХ хорошо описывается в рамках модели инжекционных токов. При отрицательной полярности электрического поля и при положительном направлении магнитного поля (рис. 6а) можно выделить следующие особенности. При малых напряжениях это проводимость обусловленная собственными основными заряда (I ~ и), выше 2 В режим, обусловленный инжектированными носителями заряда (I ~ и2). При положительных полярностях обоих полей (рис 66) вольтамперные характеристики
соответствуют собственной проводимости. При отрицательных полярностях обоих полей (рис 6в) наблюдается смена режима проводимости аналогичная случаю а). Но в данном случае электрическое напряжение, при котором происходит такая смена, зависит от величины внешнего магнитного поля. При отсутствии магнитного поля ипор = 2,7 В, затем уменьшается до 1,4 В при 110 мТл. При положительной полярности электрического поля и при отрицательном направлении магнитного поля (рис. 6г) также происходит смена режимов проводимости структуры №/полимер/Си. Но в отличие от предыдущих случаев при максимальном значении внешнего магнитного поля (рис. 7) показатель степени в зависимости I ~ и" меняет свое значение с п = 1 до п~6.
Такой вид ВАХ обычно 10"
связывают с переходом к режиму 10«
предельного заполнения ловушек у
Г ю"
(ПЗЛ), который обусловлен
1П'1а
совпадением квазиуровня Ферми с областью расположения ловушек в о,1 1
полимере. Отсутствие квадратичного Рис 7 Вольтамперная характеристика в
участка означает, что группа ловушек логарифмических координатах при
отрицательном направлении магнитного располагается в непосредственной поля напряженностью 1 ЮмТл.
близости от уровня Ферми полимера. И потому при величине магнитного поля
110 мТл, направленного от медного слоя к никелевому слою, и при разности
потенциалов электрического поля 4,7 В наблюдается переход от
низкопроводящего состояния в экспериментальной структуре к
высокопроводящему. Дальнейшее увеличение магнитного поля до 130 мТл
приводит к появлению линейной зависимости тока, соответствующей ВАХ
высокопроводящего состояния.
Исходя из инжекционной модели можно оценить подвижность носителей
заряда по формуле (3). В магнитном поле величиной 110 мТл (рис. 7)
подвижность составила 10"7 см2/В с. Эта величина хорошо коррелирует с
| . -110 тТ|
^^^/п>1
•
подвижностью носителей заряда измеренные ранее в пленках полидифениленфталида время - пролетным методом.
Оценка относительного изменения высоты потенциальных барьеров, проведенная по формуле (5) при изменении магнитного поля дала следующие результаты. При разности потенциалов и = 5 В относительное изменение высоты барьера составило Дс1 ~ 0,06 эВ при возрастании магнитного поля от 0 до 110 мТл (при отрицательном направлении магнитного поля рис. 7).
Для исследования влияния материала электродов на эффект магнетосопротивления были изготовлены дополнительно образцы следующей структуры: №/ПДФ/А1 и Ру/ПДФ/А] (Ру - пермаллой). Были проведены измерения зависимости величины тока, протекающего через эти структуры, от величины магнитного поля.
В первой группе измерений был изменен материал второго немагнитного электрода: медь на алюминий. Считалось, что за счет наличия окисного слоя на алюминиевом электроде эффективная работа выхода его будет ~ 4 эВ по сравнению с работой выхода меди в 4.4 эВ. В результате на структуре >Л/ПДФ/А1 также был реализован эффект магнетосопротивления. В данном случае удалось наблюдать пример бистабильного переключения (эффект «памяти»), при котором электропроводность, достигнутая после переключения в магнитном поле, сохранялась и в нулевом поле.
При использовании в качестве электродов пермаллоя и алюминия эффект ОМС вновь становился моностабильным и не отличался по своим основным характеристикам от свойств структуры »¡/ПДФ/Си. Обсуждение бистабильного переключения проводится в работе с привлечением представлений о поверхностных электронных состояний и пиннинга уровня Ферми.
В §3 обсуждается роль спиновой поляризации носителей заряда и ее влиянии на механизм магнетосопротивления в исследуемых структурах.
Если предположить, что спиновое упорядочение электронов является важным фактором в явлении ОМС, то, уменьшая степень поляризации, можно влиять на величину эффекта вплоть до полного его исчезновения. Для
целенаправленного разрушения спинового упорядочения электронов в структуре №/ПДФ/Си между ферромагнетиком и полимерным слоем дополнительно вводился тонкий слой меди в качестве слоя «деполяризатора» электронов.
На рис. 8 представлена зависимость коэффициента МС от толщины медной пленки Си в системе №/Си/ПДФ/Си. Экспериментальные точки на полученной зависимости соответствуют значениям
коэффициента МС. ~0 5 10 15 20 25 30
_ Толщина медной прослойки, им
Результаты проведенных
Рис. 8. Зависимость коэффициента экспериментов показали, что МС в магнетосопротивления от толщины медной ,гттт, прослойки в структуре
системе ШСи/ПДФ/Си можно ШСи(прослоЙка)/ПДФ/Си.
наблюдать при том условии, что толщина медного слоя, разделяющего поверхность ферромагнетика и полимера, не превышает определенную величину (10 ± 2 нм). Из результатов проведенных экспериментов можно сделать вывод о важной роли спиновой поляризации электронов в реализации эффекта инжекционного огромного магнетосопротивления.
Одной из возможных причин вызывающих эффект огромного магнетосопротивления в структуре №/ПДФ/Си могут быть явления, связанные с зависимостью свойств инжекционного контакта №/ПДФ от внешнего магнитного поля. Известно, что в структуре металл/ПДФ/металл высокопроводящее металлическое состояние возникает в результате формирования узкой электронной подзоны в середине запрещенной зоны полимера под влиянием какого-либо внешнего поля. Либо изменения условий инжекции из металлического электрода в эту подзону. В такой структре на границе раздела металл/полимер может возникать потенциальный барьер, высота которого определяется не разницей работы выхода металла и энергии электронного сродства полимера, а разницей работ выхода металла и полимера.
4>Ni
tl
фр
уровень вакуума
4>с.
EfCu
Рис. 9. Зонная диаграмма контакта ферромагиетик/полимер. Emi - уровень Ферми ферромагнетика, Efp - уровень Ферми полимера, ф№ - работа выхода ферромагнетика, фр - работа выхода полимера, х - энергия электронного сродства полимера, I - энергия ионизации полимера, Ее - дно зоны проводимости полимера, Ev - потолок валентной зоны полимера, d - высота потенциального барьера на границе ферромагнетик/полимер, Ecu - уровень Ферми меди, феи - работа выхода меди.
Вследствие малой высоты этого барьера, при относительно малом
изменении положения уровня Ферми металла, например, в магнитном поле,
могут значительно измениться условия инжекции носителей заряда из металла
в полимер, так как инжекционный ток экспоненциально зависит от разницы
энергий инжектирующего и транспортного уровней. Таким транспортным
уровнем в полимере является узкая зона в середине щели по подвижности.
Ширина подзоны в полимере составляет около 0,01 эВ. Расщепление же
энергии электронов на уровне Ферми в никеле по разным оценкам составляет
от 0,5 эВ до 1,5 эВ. Поэтому изменение намагниченности электрода в
магнитном поле может существенным образом изменить инжекционные
свойства контакта, что ранее и наблюдалось во многих работах. Когда внешнее
магнитное поле возрастает, разрешенные электронные состояния
ферромагнетика подтягиваются к узкой зоне в полимере, и происходит
скачкообразный переход в высокопроводящее состояние.
Бистабильное переключение, обнаруженное в эксперименте, позволяет
сделать предположение о возможном влиянии на него поверхностных
электронных состояний на контактах полимера с различными металлами. В
полимерном полупроводнике образуется зона поверхностных состояний ниже
середины запрещенной зоны. Эти состояния определяют изгиб зон у поверхности, то есть работу выхода полупроводника и приповерхностную концентрацию электронов; в тонких образцах изменяется и средняя концентрация электронов. Поверхностные состояния ответственны за поверхностную рекомбинацию и рассеяние, приводящее к уменьшению подвижности электронов в приграничных слоях.
Если плотность энергетических уровней ловушек вблизи уровня Ферми достаточно велика, то они будут полностью экранировать объем полупроводника от электрического поля контактной разности потенциалов.
При этом напряжение, рассчитанное по формуле U=(<ps-<pm)/q будет падать не в полупроводнике, а в зазоре между металлом и полупроводником. При уменьшении изгиба зон все энергетические уровни на поверхности кристалла опускаются вниз. При этом незаполненные ранее поверхностные ловушки, расположенные по энергии несколько выше уровня Ферми, будут перемещаться вниз и захватывать электроны, что приведет к увеличению отрицательного поверхностного заряда и изгибу зон. Если плотность ловушек вблизи уровня Ферми достаточно велика, рассмотренный механизм отрицательной обратной связи приводит к практически полному восстановлению начального изгиба зон и высота барьера Шоттки остается неизменной. Таким образом, можно предположить, что в случае структуры №/ПДФ/А1 на контакте ПДФ/А1 происходит закрепление уровня Ферми (пиннинг) при магниторезистивном переключении. Это закрепление препятствует обратному переключению проводимости структуры в начальное состояние.
Литература
1. J.C. Slonczewski, Phys. Rev. В 39, 6995 (1989).
2. М. Ламперт, П. Марк, Инжекционные токи в твердых телах, «Мир», Москва, (1973).
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. В структуре металл/полидифениленфталид/металл реализуется огромное магнетосопротивление при том условии, что хотя бы один из металлов будет ферромагнетиком. Особенностями этого эффекта являются:
1). Коэффициент магнетосопротивления до 10й %.
2). Обратимость изменения сопротивления.
3). Малые магнитные поля воздействия: до 300 мТл.
4). Комнатная температура и нормальные условия.
2. Магнетосопротивление обусловлено инжекцией спинполяризованных носителей из ферромагнетика в широкозонный полимерный слой.
3. Установлено, что увеличение разности потенциалов на электродах в структуре ферромагнетик/полидифениленфталид/немагнитный металл приводит к уменьшению величины магнитного поля, индуцирующего изменение электропроводности экспериментальной структуры.
4. Влияния гальваномагнитных явлений и магнитострикции на огромное магнетосопротивление в структуре ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл незначительно.
5. Механизм изменения проводимости в структуре ферромагнетик/полидифениленфталид/немагнитный металл, вызванного магнитным полем, заключается в изменении параметров потенциального барьера на границе ферромагнетик/полимер таким образом, что возникает инжекция спин поляризованных носителей с уровня Ферми ферромагнетика в узкую зону когерентного переноса заряда в середине запрещенной зоны полимера.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:
1. Воробьева, Н.В. Особенности гигантского магнетосопротивления в системе ферромагнетик-полимер / Н.В.Воробьева, А.Н Лачинов, А.АЛачинов // Письма в ЖЭТФ. 2006. - Т. 84. - №11.-С. 720-722.
2. Lachinov, A.N. Giant Magnctoresistance in the Polymer-Ferromagnetic System / A.N. Lachinov, N.V. Vorobieva, A.A. Lachinov // Mol. Cryst. and Liq. Cryst. - 2007. - Vol. 467. - P. 135-142.
3. Воробьева, H.B. Влияние внешнего магнитного поля на вольтамперные характеристики структуры ферромагнетик-полимер / Н.В. Воробьева, А.А. Лачинов // Поверхность. - 2008. - 10. - С. 1 -4.
4. Воробьева, Н.В. Особенности инжекционного гигантского магнетосопротивления в системе Ni-полимер-Си / Н.В. Воробьева, А.Н. Лачинов, Jan Genoe, А.А. Лачинов, В.М. Корнилов // Известия РАН. Сер. Физическая. - 2009. - Т. 73. - №1. - С.18-22.
5. Лачинов, А.Н. О природе эффекта гигантского магнетосопротивления в системе ферромагнетик-полимер-немагмитный металл / А.Н. Лачинов, Н.В. Воробьева, А.А. Лачинов // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 39. - В. 8, с. 7-13.
6. Vorob'eva, N.V. Magnetoresistance Peculiarities in Ferromagnetic-Polymer Structure / N.V. Vorob'eva, A.N. Lachinov, A.A. Lachinov and F.F. Garifullina // Solid State Phenomena. - 2011. - V. 168-169. - P. 329-332.
7. Lachinov, A.N. Magnetoresistance phenomena in ferromagnetic/wide band gap polymer system / A.N. Lachinov, Jan Genoe, N.V. Vorob'eva, A.A. Lachinov, F.F. Garifullina, V.M. Kornilov // Synthetic Metals. - 2011. - V. - 161. - Is. 7-8.- P. 642-645.
Статьи в сборниках трудов н тезисов конференций:
1. Лачинов, А.А. Процесс формования высокопроводящей полимерной пленки. / А.А. Лачинов, А.Н. Лачинов И Структура и динамика молекулярных систем. Сборник статей. Выпуск XI. Часть 1. - 2004. - Казань: Казанский государственный университет им. В.И.Ульянова-Ленина.- С.180-183.
2. Лачинов, А.А. Инжекционное магнетосопротивление в системе полимер-ферромагнетик. / А.А. Лачинов, Н.В. Воробьева // V Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники»: Сборник трудов. - 2006. - СПб.: Издательство Политехнического университета.- С. 7274
3. Воробьева, H.B. Влияние внешнего магнитного поля на вольтамперные характеристики структуры ферромагнетик-полимер. / Н.В. Воробьева, A.A. Лачинов // XI Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника»: Сборник трудов. - 2006 - Том I. - С.224.
4. Lachinov, A.N. Giant magneto resistance in the polymer-ferromagnetic system / A.N. Lachinov, N.V. Vorobieva, A.A. Lachinov // Abstracts of 6th Inter. Conf. Electronic Processes in Organic Materials (ICEPOM-06) - 2006 - Gurzuf Ukraine.-P. 57-58.
5. Lachinov, A.N. Giant Magnetoresistance in the polymer-ferromagnetic system. / A.N. Lachinov, N.V. Vorob'eva, A.A. Lachinov // Proceedings of the international conference "Nanomeeting-2007". -2007. - Minsk. Belarus. - P.60-62.
6. Lachinov, A.N. Magnetoresistance Events in Ferromagnetic/ poly(arylenephthalide)s systems. / A.N. Lachinov, N.V. Vorobieva, A.A. Lachinov // Abstract. - Workshop on Spintronic Effects in Organic Semiconductors. - 2007. -Bologna,Italy.
7. Воробьева, H.B. Изменение величины магнитного поля переключения проводимости структуры металл-полимер-металл: О возможности управления величиной магнитного поля переключения в гетероструктуре Ni-полимер-Си / Н.В. Воробьева, А.Н. Лачинов, Jan Genoe, Б.А. Логинов, A.A. Лачинов // Нанотехника. - 2008. - Т. 3(15) - С. 3-5.
8. Lachinov, A.N. Organic polymer switch operated by low magnetic field / A.N. Lachinov, N.V. Vorobieva, V.M. Kornilov, A.A. Lachinov, S.N. Salazkin, Jan Genoe // EIecMol'08. 4th International meeting on molecular electronics. - 2008. -Grenoble, France. - P. 118.
9. Лачинов, A.A. Влияние электрического напряжения на параметры инжекционного магнетосопротивления в системе ферромагнетик\полимер\металл / A.A. Лачинов , Н.В. Воробьева // Ученые записки: сб. научн. статей. - 2008. - Вып. 9. - Уфа: изд-во БГПУ.
10. Lachinov, A.A. PPB as a transport material for spintronic devices / A.A. Lachinov , N.V. Vorobjeva, V.M. Kornilov // E-MRS 2009 Fall Meeting. - Book of abstract. - 2009. - Warsaw University of Technology, Poland. - P.100.
11. Lachinov, A.N. Giant magnetoresistance on ferromagnetic/polymer interface / A.N. Lachinov, N.V. Vorob'eva, S.N. Salazkin, A.A. Lachinov, V.M. Kornilov // Abstracts of Internation Conference "Functional Material" ICFM'2009. - 2009. -Simferopol.-P. 127.
12. Лачинов, A.A. Управляющее напряжение для инжекционного гигантского магнетосопротивления в системе металл/полимер / А.А. Лачинов, Н.В. Воробьева, В.М. Корнилов // Сборник тезисов IX Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники '09». - 2009. - Новосибирск -Томск,- С.264.
13. Vorob'eva, N.V. Magnetoresistance peculiarities in ferromagnetic-polymer structures / N.V. Vorob'eva, A.N. Lachinov, A.A. Lachinov, F.F. Garifullina // IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism" Nanospintronics. EASTMAG-2010. - Abstracts. - 2010. - Ekaterinburg, Russia.- P. 37.
14. Lachinov, A.N. Magnetoresistance phenomena in ferromagnetic/ wide band gap polymer system / A.N Lachinov, Jan Genoe, N.V. Vorob'eva, A.A. Lachinov, F.F. Garifullina, V.M. Kornilov // Spinos 2010- 3rd Topical Meeting on Spins in Organic Semiconductors. - Abstract booklet. - 2010. - Amsterdam, The Netherlands.-P. 58.
15. Lachinov, A.A. MR in non-conjugated polymer: applied voltage role / A.A. Lachinov, N.V. Vorob'eva, V.M. Kornilov // Spinos 2010.- 3rd Topical Meeting on Spins in Organic Semiconductors. - Abstract booklet. - 2010. - Amsterdam, The Netherlands.-P. 107.
Подписано в печать 02.09.2011. Формат 60x84'/1(S. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ № 801.
Отпечатано в КП РБ Издательство «Мир печати». 450076, г. Уфа, ул. Аксакова, 45.
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. СПИНТРОНИКА
§ 1. Фундаментальные предпосылки для управления транспортом 10 носителей заряд путем воздействия на их спин.
§2. Металлическая и полупроводниковая спинтроника.
§3. Органическая спинтроника.
§4. Транспортные свойства несопряженных полимеров.
ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЯ В СТРУКТУРЕ
ФЕРРОМАГНЕТИК/ПДФ/НЕМАГНИТНЫЙ МЕТАЛЛ
§ 1. Объект исследования.
§2. Исследование образцов с массивным ферромагнитным 64 электродом.
§3. Исследование образцов с пленочным ферромагнитным 66 электродом.
ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ
ФЕРРОМАГНЕТИК/ПДФ/НЕМАГНИТНЫЙ МЕТАЛЛ
§ 1. Магнетосопротивление структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл с массивным ферромагнитным электродом.
1.1 Регистрация магнетосопротивления в структуре 69 ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
1.2. Вольтамперные характеристики структуры 73 ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
1.3. Влияние магнитострикции на магнетосопротивление 88 структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
§2. Магнетосопротивление структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл с массивным с пленочным ферромагнитным электродом.
2.1. Регистрация магнетосопротивления в структуре 94 ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
2.2. Влияние электрического поля на магнетосопротивление 97 структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл
2.3. Вольтамперные характеристики структуры 100 ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
2.4. Зависимость магнетосопротивления структуры 107 ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл от материала электродов.
2.5. Влияние толщины полимерной пленки на 111 магнетосопротивление структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
§3. Механизм влияния магнитного поля на транспортные 112 свойства структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
3.1. Влияние спиновой поляризации на 112 магнетосопротивление структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
3.2. Обсуждение зонной модели магнетосопротивления 119 структуры ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл.
В настоящее время транспорт спинполяризованных носителей заряда активно исследуется, что в первую очередь связано с его применением в устройствах хранения данных.
Впечатляющее развитие этой сферы микроэлектроники происходит из возможности считывать спиновое состояние движущихся электронов ферромагнитными электродами в считывающей головке [1,2]. Последние исследования фокусировались на инжекции и транспорте спина в классических полупроводниках, 81 и ОаАэ [3], они принесли много оригинальных физических результатов, но не достигли значительного ожидаемого прикладного успеха. Одна из проблем неорганических материалов относительно небольшие времена релаксации спина. В последние несколько лет исследовательский интерес обратился к таким же явлениям, но на органических материалах. [3, 4, 5, 6, 7, 8]
Существуют фундаментальные отличия между органическими и неорганическими полупроводниками (ПП), которые связаны с распределением энергии в обоих случаях. В неорганических полупроводниках уместно рассматривать транспорт практически свободных электронов, что приводит к введению валентной зоны, зоны проводимости с резковыраженной формой и малой эффективной массой. Электроны и дырки перемещаются с большой подвижностью и большими временами жизни, так как случаи рассеивания их спинов довольно редки:
В аморфном органическом проводнике молекулярные орбитали определяются делокализованными 2р тс-электронами. Перекрытие орбиталей соседних молекул настолько мало, что зоны в органических материалах плоские с малой дисперсией и большой эффективной массой.
В последние несколько лет было установлено, что в органических материалах реализуется значительно большее время релаксации спина. Однако органическим материалам присущи другие проблемы: малая концентрация носителей заряда и малая их подвижность. Например, в рубрене, одном из лучших органических полупроводников, подвижность дырок составляет 10 см^^сек"1 при
2 11 • 2 11 комнатной температуре (450 см В" сек" для р-81, 400 см В" сек' для р-ваАз) (рис.
1).
Это в свою очередь приводит к малым величинам электрических токов, которыми можно управлять и малому относительному изменению сопротивления конечных устройств в магнитном поле. Эти принципиальные ограничения связывают с особенностями использования сопряженных органических материалов.
В то же время, существует большой класс несопряженных полимерных материалов, которые в тонких пленках демонстрируют высокие уровни, практически металлической, проводимости и подвижности носителей заряда сопоставимые с параметрами хороших неорганических полупроводников.
10-1в „ 10°
Рис. 1. Зависимость длина спиновой диффузии 15 от времени релаксации сп: различных материалов. Органические полупроводники находятся в верхнее углу. Они имеют долгие времена жизни, но короткие длины диффузии из-за н подвижности. [1]
Одним из представителей этого класса является полидифени^г
Нфталид
ПДФ), обладающий несопряженной системой валентных тс-элекг—:~■гр0нов и отличающийся нетипичными для диэлектриков электронными ^прятт^др— ^тиками
Одной из таких характеристик является способность изменять Механизм проводимости от диэлектрической до металлической под действие! полей. Такая смена является обратимой и может приводить к внешних 'Менению сопротивления до 1 ГОм. Изменением проводимости в таких материа^ас— управлять электрическим полем, давлением, граничными условиям] магнитным полем. Эффект изменения сопротивления под действием поля называется магнетосопротивлением (МС) и является базовым современной области электроники, как спинтроника. можно а также -^гнитного -Ал я такой
Поэтому исследование механизма переноса заряда в несопряженном органическом материале под действием магнитного поля представляет огромный интерес, как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения практического применения.
Таким образом, цель настоящей работы — это исследование закономерностей переноса заряда в тонких пленках полимера полидифениленфталида в многослойной структуре ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл под действием внешнего магнитного поля.
В связи с этим защищаемые положения можно сформулировать следующим образом:
1. В многослойной структуре ферромагнетик/полимер/металл реализуется магнетосопротивление с аномально большими коэффициентами.
2. Магнетосопротивление в многослойной структуре ферромагнетик/полимер/металл имеет инжекционную природу.
3. Изменение проводимости ферромагнетик/полимер/металл происходит под влиянием магнитного поля на параметры потенциального барьера на границе ферромагнетик/полимер таким образом, что возникает инжекция спин поляризованных носителей с уровня Ферми ферромагнетика в узкую зону в середине запрещенной зоны полимера.
Диссертация состоит из трех глав, введения и основных выводов.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи работы, показана ее научная новизна.
В первой главе приводится литературный обзор экспериментальных и теоретических работ, связанных с эффектами магнетосопротивления.
Во второй главе описываются объекты и методики проведенных исследований.
В третьей главе приведены результаты, полученные в ходе проведенных экспериментов.
В качестве заключения кратко изложены основные выводы работы.
В диссертации содержится 142 страницы, 38 иллюстраций, библиография включает 92 названия.
ОСНОВНЫЕ выводы
1. В структуре металл/полидифениленфталид/металл можно реализовать огромное магнетосопротивление при условии, что хотя бы один из металлов будет ферромагнетиком. Особенностями этого эффекта являются:
1). Коэффициент магнетосопротивления до 1011 %.
2). Обратимость изменения сопротивления.
3). Малые поля воздействия: до 300 мТл.
4). Комнатная температура и обычная атмосфера.
2. Магнетосопротивление обусловлено инжекцией спинполяризованных носителей из ферромагнетика в широкозонный полимерный слой.
3. Установлено, что увеличение разности потенциалов на электродах в структуре ферромагнетик/полидифениленфталид/немагнитный металл приводит к уменьшению величины магнитного поля, индуцирующего изменение электропроводности экспериментальной структуры.
4. Влияние гальваномагнитных явлений и магнитострикции на огромное магнетосопротивление в структуре ферромагнетик/ПДФ/немагнитный металл незначительно.
5. Предложен механизм изменения проводимости в структуре ферромагнетик/полидифениленфталид/немагнитный металл, вызванного магнитным полем, который заключается в изменении параметров потенциального барьера на границе ферромагнетик/полимер в магнитном поле таким образом, что возникает инжекция спин поляризованных носителей с уровня Ферми ферромагнетика в узкую зону в середине запрещенной зоны полимера.
1. A spin of their own / G. Szulczewski, S. Sanvito and M. Coey // Nature Mat. - 2009 - Vol 8.
2. Coey, J. M. D. Magnetism and Magnetic Materials / J. M. D. Coey // Cambridge Univ. Press 2009.
3. Awschalom, D. A. Challenges for semiconductor spintronics / D. A. Awschalom, M. E. Flatté // Nature Phys. 2007 - V. 3 - P. 153-159.
4. Dediu, V. A. Spin routes in organic semiconductors / V. A. Dediu, L.E. Hueso, I. Bergenti, C. Taliani // Nature Mater. 2009 - V. 8 - P. 707-716.
5. Xiong, Z. H. Giant magnetoresistance in organic spin-valves / Z. H., Xiong, D. Wu, Z. V. Vardeny, J. Shi // Nature 2004 - V. 427 - P. 821824.
6. Wagemans, W. A two-site bipolaron model for organic magnetoresistance / W. Wagemans, F. L. Bloom, P. A. Bobbert, M. Wohlgenannt, B. J. Koopmans // App. Phys. 2008 - V. 103 - P. 07F303.
7. Dediu, V. A. Room temperature spin polarized injection in organicsemiconductor / V. A. Dediu, M. Murgia, F. C. Matacotta, C. Taliani, S. Barbanera // Solid State Commun. 2002 - V. 122 - P. 181-184.
8. Slonczewski, J.C. Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier /J.C. Slonczewski // Phys. Rev. B 1989 - V. 39 - P. 6995.
9. Julliere, M. Tunneling between ferromagnetic films / M. Julliere // Phys. Lett. 1975 -Y. 54A-P. 225.
10. Gafvert, U. Electron Tunneling between Ferromagnetic Films / U. Gafvert, S. Maekawa,// IEEE Trans. Magn. 1982 - MAG-18 - P. 707.
11. Y. Suezawa, Y. Gondo, // Proceedings of the International Symposium on Physics Of Magnetic Materials, edited by M. Takahashi, S. Maekawa, Y. Gondo H. Nose 1987 - World Scientific - Singapore - P.303.
12. Pomerantz, M. Strongly coupled ferromagnetic resonances of Fe films /M. Pomerantz, J.C. Slonczewski, E. Spiller // J. Appl. Phys. 1987 - V. 61 -P. 3747.
13. M. Pomerantz, Proceedings of the International Symposium on Physics Of Magnetic Materials / M. Pomerantz, J.C. Slonczewski, E. Spiller //, edited by M. Takahashi, S. Maekawa, Y. Gondo, H. Nose — World Scientific — 1987 Singapore- P. 64.
14. Wolf, E.L. Principles of Electronic Tunneling Spectroscopy / E.L. Wolf // Oxford University Press 1985 - sec. 8.2.4 — New York.
15. Johnson, M. Coupling of electronic charge and spin at a ferromagnetic-paramagnetic metal interface / M. Johnson, R.H. Silsbee // Phys. Rev. B, — 1988-V. 37-P. 5326.
16. Baibich, M.N. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices / M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F.N. Van Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Friederich, J. Chazelas, // Phys. Rev. Lett. -1988 V. 61 - P. 2472-2475.
17. Binasch, G. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange / G. Binasch, P. Grunberg, F. Saurenbach, W. Zinn // Phys. Rev. B -1989 V. 39 - P. 7.
18. Grunberg, P. Layered magnetic structures: evidence for antiferromagnetic coupling of Fe layers across Cr interlayers / P. Grunberg, R. Schreiber, Y. Pang, M.B. Brodsky, H. Sowers // Phys. Rev. Lett. 1986 - V. 57 - P, 2442.
19. Grunberg, P. Layered magnetic structures: Evidence for antiferromagnetic coupling of Fe layers across Cr interlayers / P. Grunberg, R. Schreiber, Y. Pang, U. Walz, M.B. Brodsky, H. Sowers, // J. Appl. Phys. 1987 - V. 61-P. 3750.
20. Grunberg, P. Thin Film Growth Techniques For Low Dimensional Structures, edited by R.F.C. Farrow, S.S.P. Parkin, P.J. Dobson, J.H. Neave, A.S. Arrott / P. Grunberg // 1987 Plenum - New York.
21. McGuire, R.T. Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic 3d-alloys / R.T. McGuire, R.I. Potter // IEEE Trans. Magn. 1975 - V. 11, P. 1018.
22. Shen, A. Epitaxy of (Ga, Mn)As, a new diluted magnetic semiconductor based on GaAs / A. Shen H. Ohnoa, b, F. Matsukuraa, Y. Sugawaraa, N. Akibaa, T. Kuroiwaa, A. Oiwac, A. Endoc, S. Katsumotoc and Y. Iye // J. Cryst. Growth 1997 - V. 175 - P. 1069.
23. Cowbum, R. P. Magnetic switching and in-plane uniaxial anisotropy in ultrathin Ag/Fe/Ag(100) epitaxial films / R. P. Cowburn, S. J. Gray, J. Ferre., J. A.C. Bland, and J. Miltat // J. Appl. Phys. 1995 - V. 78 - P. 7210.
24. Prinz, G.A. Magnetoelectronics / G.A. Prinz // Science 1998 - V. 282 -P. 1660.
25. Park, J.-H. Direct evidence for a half-metallic ferromagnet / J.-H. Park, E.
26. Vescovo, H.-J. Kim, et al // Nature -1998 V. 392 - P. 794.
27. Schoen, J.H. An organic solid state injection laser / J.H. Schoen, C. Kloc, A. Dodabalapur, et al. // Science 2000 - V. 289 - P. 599.
28. Torsi, L. Charge transport in oligothiophene field-effect transistors / L. Torsi, A. Dodabalapur, L.J. Rothberg, A. W. P. Fung, and H. E. Katz // Phys. Rev. B 1998 -V. 5 - P. 2271.
29. Satpathy, S. Electronic Structure of the Perovskite Oxides: LaCaMnOs / S. Satpathy, Z.S. Popovic, F.R. Vukajlovic // Phys. Rev. Lett. 1996 - V. 76 -P. 960.
30. Rashba, E.I. Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem / E.I. Rashba // Phys. Rev. B 2000 - V. 62 - P. R16267.
31. Kirczenow, G. Ideal spin filters: A theoretical study of electron transmission through ordered and disordered interfaces between ferromagnetic metals and semiconductors / G. Kirczenow // Phys. Rev. B —2001 -V. 63-P. 054422.
32. Bennati, M. Zero-field-splitting and ji-electron spin densities in the lowest excited triplet state of oligothiophenes / M. Bennati, K. Nemeth, P.R. Surjan, et al. // J. Chem. Phys. 1996 - V. 015 - P. 4441.
33. Friend, R. H. Electroluminescence in conjugated polymers. / R. H. Friend et al. //Nature 1999 - Y. 397 - P. 121-128.
34. Lee, S. T. Energy level alignment at AlQ/metal interfaces / S. T. Lee, X. Y. Hou, M. G. Mason, C. W. Tang // Appl. Phys. Lett. 1998 - V. 72 - P. 1593-1595.
35. Arisi, E. Organic light emitting diodes with spin polarized electrodes / E. Arisi, et al. // J. Appl. Phys. 2003 - V. 93 - P. 7682-7683.
36. Dieny, B. Giant magnetoresistance of magnetically soft sandwiches: dependence on temperature and on layer thicknesses / B. Dieny, et al. // Phys. Rev. B 1992-V. 45 - P. 806-813.
37. De Teresa, J. M. Inverse tunnel magnetoresistance in Co/SrTi03/La0.7Sr0.3Mn03: new ideas on spin-polarised tunnelling / J. M. De Teresa, et al. // Phys. Rev. Lett. 1999 - V. 82 - P. 4288-4291.
38. Francis, T.L. Large magnetoresistance at room temperature in semiconducting polymer sandwich devices / T.L. Francis, O. Mermer, G. Veeraraghavan, M. Wohlgenannt // New Jour, of Phys. — 2004 V. 6, - P. 185.
39. Wohlgenannt, M. Formation cross-sections of singlet and triplet ezis—^icitons in ^-conjugated polymers / M. Wohlgenannt, K. Tandon, S. Mazurc^L <zlar, S Ramasesha and Z. V. Vardeny // Nature 2001 - V. 409 - P. 494.
40. Frankevich, E. Polaron-pair generation in poly(phenylene vinylen^^ s^ / j? Frankevich, A. A. Lymarev, I. Sokolik, F. E. Karasz, S. Blumsterx^a^el, R H. Baughman, and H. H. Horhold // Phys. Rev. B 1992 - V. — p 9320.
41. Buchachenko, A. L. Chemical Generation and Reception of RacLx and Microwaves / A. L. Buchachenko, E. L. Frankevich // 1994.
42. Baldo, M.A. Interface-limited injection in amorphous cz»:rganic semiconductors / M.A. Baldo and S.R. Forrest // Phys. Rev. B 20O y 64 — P.085201.
43. Ениколопян, Н.С. Аномально низкое электрическое сопротивление тонких пленок диэлектриков / Н.С. Ениколопян, Ю. А. Берлин, С. И. Бешенко, В. А. Жорин // Письма в ЖЭТФ 1980 - Т. 33 (10) - С. 508.
44. Ениколопян, Н.С. Новое высокопроводящее состояние композиций металл полимер / Н.С. Ениколопян, Ю. А. Берлин, С. И. Бешенко, В. А. Жорин // ДАН СССР, сер. Физ. химия. 1981 - Т. 258 (6) - С. 1400.
45. Берлин, Ю.А. О возможном механизме аномально высокой проводимости тонких пленок диэлектриков / Ю.А. Берлин, С.И. Бешенко, В.А. Жорин, А.А. Овчинников, Н.С. Ениколопян // ДАН СССР, сер. Физ. Хим. 1981 - Т. 260 (6) - С. 1386.
46. Лачинов, А.Н. Электроника тонких слоев широкозонных полимеров /
47. A.Н. Лачинов, Н.В. Воробьева // УФН 2006 - Т. 176 - №. 12.
48. Johansson, N. A theoretical study of the chemical structure of the non-conjugated polymer poly(3,3,-phthalidylidene-4,4'-biphenylene) / N. Johansson, A.N. Lachinov, S. Stafstrom, W.R. Salaneck // Synth. Metals -1994-V. 67-P. 319.
49. Zykov, B.G. Valence electronic structure of phtalide-based polymers /
50. B.G. Zykov, V.N. Baydin, Z.Sh. Bayburina, M.M. Timoshenko, M.G. Zolotukhin, A.N. Lachinov // Journal of Electron Spectroscopy and Rel. Phenomena 1992 - V. 61 - P. 123.
51. Зыков, Б.Г. Резонансный захват электронов низких кинетических энергий молекулами производных фталида / Б.Г. Зыков, Ю.В. Васильев, B.C. Фалько, А.Н. Лачинов, В.И. Хвостенко, Н.Г. Гилева // Письма в ЖЭТФ 1996 - Т. 64 (6) - С. 402.
52. Лачинов, А.Н. Аномальная электронная неустойчивость полимеров при одноосном давлении / А.Н. Лачинов, А.Ю. Жеребов, В.М. Корнилов // Письма в ЖЭТФ 1990 - Т. 52 (2) - С. 742.
53. Антипин, В.А. Электролюминесценция в тонких пленках полимеров, обладающих аномально высокой проводимостью / В.А. Антипин, И.Л. Валеева, А.Н. Лачинов // Письма в ЖЭТФ 1992 - Т. 55 (9) - С. 526.
54. Zherebov, A.Yu. On the mutual influence of uniaxial pressure and electric field on the electronic instabilities in polydiphenylenephthalide / A.Yu. Zherebov, A.N. Lachinov // Synth. Metals 1991 - V. 44 - P. 99.
55. Lachinov, A.N. Thermostimulated switching in thin polymer films / A.N. Lachinov, A.Yu. Zherebov, M.G. Zolotukhin // Synth. Metals 1993 - V. 59 -P.377.
56. Корнилов, В.М. Электронностимулированный переход диэлектрик металл в электроактивных полимерах / В.М. Корнилов, А.Н. Лачинов // Письма в ЖЭТФ 1995 - Т. 61 (6) - С. 504.
57. Ионов, А.Н. Сверхпроводящий ток в тонкойпленкеполифталидилиденбифенилена / А.Н. Ионов, А.Н. Лачинов, Р. Ренч // Письма в ЖТФ 2002 - Т. 28 (14) - С. 69.
58. Корнилов, В.М. Электропроводность в системе металл -полимер металл: роль граничных условий / В.М. Корнилов, А.Н. Лачинов // ЖЭТФ- 1997-Т. 111 (4)-С. 1513.
59. Корнилов, В.М. Модификация поверхности системы Si—Si02— полимер с помощью сканирующего туннельного микроскопа / В.М. Корнилов, А.Н. Лачинов // Микросистемная техника — 2003 Т.З - С. 78.
60. Lachinov, A.N. Electron émission from polymer films under electric-field influence / A.N. Lachinov, V.M. Kornilov, Yu. M. Yumaguzin, E.E. Tchurlina // Journal of Society for Information Display — 2004 V. 12 (2) -P.149.
61. Лачинов, А.Н. Электроника несопряженных полимеров: Электропроводящие полимеры / А.Н. Лачинов // Вестник Академии наук РБ 2005 - Т. 10 (3) - С. 5.
62. Sze, S.M. Physics of Semiconductor Devices / S.M. Sze // 1981 Wiley-Interscience.
63. Лачинов, А.Н. Высокопрводящее состояние в тонких пленках полимеров. Влияние электрического поля и одноосного давления / А.Н. Лачинов, А.Ю. Жеребов, В.М. Корнилов // ЖЭТФ. 1992 - Т.102.С. 187.
64. Воробьева, Н.В. Обнаружение гигантского магнетосопротивления в системе Fe/Ni-полимвр-Си / Н.В. Воробьева, А.Н. Лачинов, Б.А. Логинов // Поверхность. В. 2006 — Т. 5 - С. 22.
65. Osborn, J.A. Demagnetizing factors of the general ellipsoid / J.A. Osborn //Phys. Rev. В.-1945-V. 57.-No. 11-12.-P. 351.
66. Вонсовский, C.B. Магнетизм / C.B. Вонсовский // 1971 -Москва. Наука. С. 920.
67. Holtzberg, F. Detection of magnetic domains by tunnel junctions / F. Holtzberg, A.F. Mayadas, W.A. Thompson, S. Molnar // US Patent -1976.-№3972035.
68. Gatner, K. Fermi level and phase transformations in GdCo / K. Gatner, A.N. Lachinov, M. Matlak, A. Slebarski, T.G. Zagurenko // arXiv:cond-mat/0503432vl cond-mat.str-el.
69. Лачинов, А.Н. К вопросу о высокой проводимости несопрояженных полимеров / А.Н. Лачинов, В.М. Корнилов, Т.Г. Загуренко, А.Ю. Жеребов // ЖЭТФ 2006 - Т. 129 - № 4 - С. 728.
70. Салихов, Р.Б. О механизмах проводимости в гетероструктурах кремний-полимер-металл / Р.Б. Салихов, А.Н. Лачинов, Р.Г. Рахмеев // ФТП 2007 - Т.41 - № 10-С. 1182.
71. Майссел, Л. Технология тонких пленок / Л. Майссел, Р. Глэнг // 1977- Москва, Советское радио С. 664.
72. Ю.В. Гуляев, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, Э.М. Эпштейн // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Сб. трудов XX международной школы-семинара 2006 - г. Москва, Изд-во физ. фак. МГУ, М.,-С. 871.
73. Lachinov, A.N. Giant Magnetoresistance in the Polymer-Ferromagnetic System A.N. Lachinov, N.V. Vorobieva, A.A. Lachinov // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2007 - V.467 - P. 135.
74. Dieny, B. Magnetotransport properties of magnetically soft spin-valve structures / B. Dieny, V.S. Speriosu, S. Metin, S.S.P. Parkin, B.A. Gurney, P. Baumgart, D.R. Wilhoit // J. Appl. Phys. 1991 - V. 69 (8).
75. Cowley, A.M. Surface states and barrier height of metal semiconductor systems / A.M. Cowley, S.M. Sze //, J. Appl. Phys. - 1965 - V. 36 - P. 3212.
76. Cabrera, G.G. Theory of the residual resistivity of Bloch walls: I Paramagnetic effects / G.G. Cabrera, L.M. Falicov // Phys. Status Solidi (b)- 1974-V. 61-P. 539.
77. Prinz, G.A. Molecular beam epitaxial growth of single-crystal Fe films on GaAs / G.A. Prinz, J.J. Krebs // Appl. Phys. Lett. 1981 - V. 39 - P. 397.
78. Santos, T. S. Room-Temperature Tunnel Magnetoresistance and Spin-Polarized Tunneling through an Organic Semiconductor Barrier / T. S.
79. Santos, J. S. Lee, P. Migdal, I. C. Lekshmi, B. Satpati, and J. S. Moodera // Phys. Rev. Lett. 2007 -V. 98 - P. 016601.
80. Edmonds, K.W. High-Curie-temperature Gal—xMnxAs obtained, by resistance-monitored annealing / K.W. Edmonds, K.Y. Wang, p Campion, A.C. Neumann, N. R. S. Farley, B. L. Gallagher, and C.T Foxon // Appl. Phys. Lett. 2002 - V. 81 - P. 4991.
81. Schott, G.M. Influence of growth conditions on the lattice constant and composition of (Ga,Mn)As / G.M. Schott, G. Schmidt, G. Karczewski L.W. Molenkamp, R, Jakiela, A. Barcz, and G. Karczewski // Appl. Phys Lett. 2003 - V. 82 - P. 4678.
82. Parkin, S. S. P. Handbook of Magnetism and Advanced Ivtagentic Materials Vol. 5 (eds Kronmiiller, H. & Parkin, S. S. P.) / S. S. P-Parkin // 2008 Ch. 1-Wiley.
83. Smidt, G. J. Concepts for spin injection into semiconductors / G.J. Smidt // Phys. D. -2005 V. 38 - P. 107.
84. Tang, H. X. Giant Planar Hall Effect in Epitaxial (Ga,Mn)As Devices / H X. Tang, R. K. Kawakami, D. D. Awschalom, and M. L. Roukes, // Phys Rev. Lett. 2003 - V. 90 - P. 107201.
85. Dediu, V. Micro-Raman and resistance measurements of epitaxial La0.7Sr0.3Mn03 film / V.Dediu, J. Lopez, F.C. Matacotta, P. Nozar, G. Ruani, R. Zamboni, and C. Taliani // Phys. Stat. Sol. (b) 1999 - V. 2151. P. 1095.
86. Murgia, M. In-situ characterisation of the oxygen induced changes in a UHV grown organic light-emitting diode / M. Murgia, R.H. Michle, G. Ruani, W. Gebauera, O. Kapoustaa, R. Zambonia and C. Taliani // Synth. Met.-1999-V. 102-P. 1095.
87. DeVries, J. Measurement of the work function of YlBa2Cu307—5 under ambient conditions / J. DeVries, S.S. Wakisaka, R.E. Spjut // J. Mater. Res 1993-V. 8-P. 1497.
88. Oh, J.H. Air-stable n-channel organic thin-film transistors with high field-effect mobility based on N,N'-bis(heptafluorobutyl)-3,4:9,10-perylene diimide / J.H. Oh, S. Liu, Z. Bao, R. Schmidt, F. Wurthner //, Appl. Phys. Lett 2007 - V. 91 - P. 212107.\
