Размерные эффекты и магнитные свойства аморфных наноструктур на основе полупроводников и металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

4853/ээ

Пудонин Федор Алексеевич

РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

И МЕТАЛЛОВ

01.04.07. Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

О 3 ОЕЗ 20(1

МОСКВА-2011

4853795

Работа выполнена в Учреждение Российской Академии Наук Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Петр Иварович Арсеев

доктор физико-математических наук, гл.н.с., профессор Анатолий Константинович Звездин

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Рэмович Хохлов

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук Институт физики металлов УрО РАН

Защита состоится «_»_2011 года на заседании диссертационного совета Д 002.023.03 Физического института им.П.Н.Лебедева РАН по адресу Москва, Ленинский проспект 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН Автореферат разослан «_»_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

Шиканов А.С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений физики конденсированного состояния является исследование физических свойств наноразмерных структур (см., например, [1-4]). К таким структурам относятся полупроводниковые, металлические и магнитные одиночные квантовые ямы и системы, состоящие из нескольких квантовых ям, сверхрешетки различных типов, квантовые проволоки, квантовые точки и наноострова и многие другие нанообъекты. Определяющей особенностью всех этих систем является квантование энергии электронов, когда, по крайней мере, один из размеров системы становится сравним с длиной волны электрона в данном материале, благодаря чему физические свойства структур значительно изменяются по сравнению со свойствами объемных материалов. Квантово-размерные эффекты наиболее ярко проявляются в высококачественных кристаллических наноструктурах, которые выращиваются, в основном, методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МВБ) или осаждением из металлоорганических соединений (МОСУБ). Однако, эпи-таксиальный рост накладывает существенные ограничения на количество полупроводниковых или металлических пар, которые могут быть использованы при конструировании многослойных структур и сверхрешеток: рассогласование в постоянных решетки у материалов, составляющих пару, не должно превышать несколько процентов. По этой причине невозможно создавать качественные «экзотические» структуры на основе пар полупроводник-металл, полупроводник-диэлектрик, металл-диэлектрик и др., хотя интерес к таким структурам, несомненно, существует. В некоторых таких структурах потенциальные квантовые ямы, возникающие из-за разности ширины запрещенной зоны материалов (или работы выхода), могут быть очень глубокими (иногда порядка 3-4 эВ, что сравнимо с энергией связи атомов в решетке), и квантовые эффекты в таких системах будут очень сильными. С другой стороны, подобные структуры, но в аморфном состояние, можно вырастить относительно просто, используя, например, магнетронное или катодное распыление, которое позволяет получать многослойные структуры с очень тонкими слоями (вплоть до нескольких ангстрем) и атомарно-гладкими интерфейсами воспроизводимым образом.

Долгое время аморфные структуры представляли интерес в основном с точки зрения исследования эффектов локализации [5]. Дело в том, что, например, аморфные полупроводники являются очень «грязным» материалом: их дефектность так велика, что такие структуры невозможно легировать - концен-

траация дефектов может на несколько порядков превышать концентрации примесей. Однако, в случае очень тонких слоев аморфных полупроводников и сверхтонких металлических слоев (толщиной порядка фермиевской длины волны электрона) квантово-размерные эффекты все таки должны иметь место. Это связано с тем, что квантово-размерные эффекты определяются областью когерентности волновой функции электрона в материале, т.е. длиной свободного пробега электрона X* до сбоя фазы его волновой функции. А.* может достигать несколько десятков ангстрем для аморфных металлов и полупроводников. Поэтому, при толщине порядка X* квантово-размерные эффекты в аморфных полупроводниках, проявляющиеся в изменение их ширины запрещенной зоны, могут иметь место. В металлических и магнитных слоях размерные эффекты приводят к осцилляциям на уровне Ферми электронной плотности состояний и связанных с ней параметров (диэлектрической проницаемости, плазменной частоте, частоте столкновений, проводимости и т.д.) при изменении толщины слоев. В настоящее время квантово-размерные эффекты в аморфных полупроводниковых и металлических наноструктурах исследованы совершенно не достаточно.

Большой интерес в последнее время вызывают магнитные наноструктуры различного типа. Это обусловлено как фундаментальными проблемами магнетизма в системах с пониженной размерностью, так и огромным прикладным потенциалом магнитных наноструктур. Так, проводятся интенсивные работы по созданию оперативной памяти на магнитных наноструктурах, разрабатываются всевозможные датчики сверхслабых магнитных полей, способные работать при комнатной температуре. Много усилий затрачивается на создание магнитного транзистора и других элементов электроники. Данные исследования привели к возникновению нового направления в науке - спинтроники. Дополнительный импульс к изучению физических свойств магнитных наноструктур дало открытие в восьмидесятых годах XX века эффекта гигантского магнитосопротивления ГМС. Актуальность исследований в этом направление подтверждает и Нобелевская премия по физике за 2007 год, присужденная за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления. Несмотря на уже почти двадцатилетний срок, в течение которого проводятся исследования магнетизма наносистем с ГМС, до сих пор природа многих магнитных явлений до конца не изучена. В настоящее время продолжается поиск новых систем с большой величиной магнитосопротивления, которое проявлялась бы при комнатной температуре и в сравнительно малых магнитных полях. Это, например, многослойные системы магнетик-

полупроводник, системы магнитных квантовых точек и проволок, магнитные сверхрешетки и сильно легированные магнитными примесями полупроводники (разбавленные полупроводники), магнитные нанокомпозиты и др.. Большой интерес проявляет исследования физических свойств магнитных пленок, толщина которых лежит в области, когда квантово-размерные эффекты уже проявляются слабо, а физические параметры еще не достигли своих объемных, трехмерных значений. Это случай перехода системы от двумерного поведения физических параметров к трехмерному - 30-2Б. Интерес к таким слоям обусловлен еще и тем, что многие элементы спинтроники сконструированы из слоев, толщина которых лежит как раз в области перехода 30-20.

Цель работы. Целью работы является исследование структурных, оптических, электрических и магнитных свойств аморфных многослойных структур полупроводник-диэлектрик, полупроводник-металл и металл-металл, а также изучение квантово-размерных эффектов в многослойных структурах (81-8Ю2)]ч и сверхтонких металлических и магнитных слоях.

Для выполнение поставленных целей было:

- Отработана технология выращивания и выращены сверхтонкие аморфные слои полупроводников (Б!, ваЛв, гпТе), диэлектриков (БЮг, А1203) и металлов (№>, Со, Ре>И, Со№, и др.) и многослойные системы на их основе

- Предложен метод лавинного импульсного отжига и кристаллизованы тонкие слои 81, ве, С, БЮ и др. и многослойных наноструктур на их основе. С помощью просвечивающей электронной микроскопии изучены кристаллическая структура сверхрешеток (Б^Юг^ и различных объемных фаз 81, которые возникали под действием бомбардировки поверхности Б* низкоэнергетичными ионами и атомами.

- Методами оптической спектроскопии исследован квантово-размерный эффект в аморфных многослойных структурах (81-8Ю2)м.

- Исследованы квантово-размерные эффекты в сверхтонких металлических слоях используя методы лазерной эллипсометрии, Фурье-спектроскопии, измерения проводимости.

- Используя магнитооптический эффект Керра проведены исследования процессов намагничивания многослойных систем полупроводник-ферромагнетик и ферромагнитных слоев. Сделан упор на изу-

чение поведения оптических и магнитных параметров ферромагнитных слоев в диапазоне толщин с1 ~ 4.0-12.0 нм.

- Предложены и выращены многослойные системы магнитных на-ноостровов. С помощью магнитооптического эффекта Керра и угловых магнитных измерений исследованы процессы намагничивания и особенности магнитной анизотропии выращенных систем. Изучено влияние структурных параметров систем магнитных наноостро-вов на величину и знак магнитосопротивления, исследована чувствительность этих систем к сверхслабым магнитным полям при комнатной температуре..

Научная новизна. В настоящее время во всем научном мире проводятся широкомасштабные исследования полупроводниковых наноструктур различного типа, которые обусловлены как фундаментальными проблемами физики низкоразмерных структур, так и огромным прикладным потенциалом этих систем. Однако, технологические методы получения систем пониженной размерности накладывают существенные ограничения на количество материалов, из которых такие системы могут быть приготовлены. Но, тем не менее, существует постоянный интерес к таким системам, как полупроводник-диэлектрик, полупроводник-металл и которые зачастую могут быть выращены лишь в поликристаллическом или аморфном состояние и сравнительно простыми технологическими методами. В работе предложены и синтезированы аморфные сверхрешетки (БЬ 8Ю2)ы со сверхтонкими слоями и исследован квантово-размерный эффект [9], который начинал проявляться при толщине ~ 5 нм. Для кристаллизации этих многослойных структур (также как и отдельных тонких слоев Б! и других полупроводников с с! ~ 1 нм) был предложен новый тип лавинного импульсного от-жига[6, 7]. Эти аморфные короткопериодные сверхрешетки (БьБЮг^, как и сверхрешетки (С-81С)м [8] были с успехом кристаллизованы. Причем, благодаря именно своему аморфному состоянию эти сверхрешетки при определенных условиях трансформировались в новую кристаллическую структуру, во многом определяющуюся тем периодическим потенциалом, который возникает в результате чередования слоев с различной шириной запрещенной зоны.

В связи с открытием эффекта гигантского магнитосопротивления ГМС и развитием спинтроники, возникла необходимость в исследование физических свойств сверхтонких металлических и магнитных слоев. Это связано с тем, что большинство исследуемых металлических и магнитных структур спинтроники имеют толщины порядка 1-10 нм. В данной диссертации приведены результаты

исследований квантово-размерных эффектов в сверхтонких слоях (0.5-4.0 нм) 1ЧЬ, "Л, Ре№, Со и др. и обнаружены осцилляции диэлектрической проницаемости 8, БС- и АС проводимости, плазменной частоты в зависимости от толщины металлических слоев. В слоях А1 и Си с толщинами, лежащими в диапазоне перехода системы 20-30 (с! ~ 4.0 -12.0 нм) были обнаружены гигантские осцилляции е и коэффициента отражения в ИК области спектра, а в ферромагнитных слоях Ре№, Со и Со№ помимо существенного изменения г обнаружено изменение магнитных параметров (поля анизотропии, ориентации осей намагничивания, величины эффекта Керра).

Развитие вычислительной техники и спинтроники обусловило поиск систем с максимальным значением ГМС, а также комбинированных структур ферромагнетик-полупроводник. В работе были выращены и исследованы спин-туннельные системы с полупроводниковыми спенсерами из СаАэ, 2пТе и 8Ю в которых было обнаружено обменное взаимодействие антиферромагнитного типа между ферромагнитными слоями, свидетельствует о наличие во всех этих структурах эффекта ГМС. Более того, в системах с БЮ-спейсером обнаружено обменное взаимодействие между немагнитным и тонкими ферромагнитными слоями Ре№ и Со, которое зависело от амплитуды внешнего магнитного поля. Кроме спин-туннельных систем с полупроводниковыми спейсерами в данной работе были предложены и получены многослойные системы магнитных наноостровов. В этих системах было обнаружено положительное и отрицательное магнитосопротивление, а также однонаправленная магнитная анизотропия и рассмотрены возможные механизмы, приводящие к этим явлениям. Необходимо отметить, что такие системы способны чувствовать рекордно слабые магнитные поля до 10"6 Э при комнатной температуре.

Научная и практическая ценность. В диссертации впервые предложены и выращены аморфные многослойные короткопериодные периодические структуры (Б^Юг^,-, в которых наблюдается квантово-размерный эффект, проявляющийся в изменение ширины запрещенной зоны 81. Предложен импульсный лавинный отжиг, с помощью которого можно кристаллизовать как тонкие полупроводниковые слои начиная с толщины (1 ~ 0.5 нм, так и многослойные структуры различного типа. Предложено использовать короткопериодные сверхрешетки для получение в процессе их кристаллизации структур с новой кристаллической структурой.

Показано, что в тонких (ё < 3-4 нм) металлических слоях имеет место осцилляционное изменение электрических и оптических параметров, а в

диапазоне толщин 4.0 - 12.0 нм (слои наиболее часто используемые в элементах спинтроники) значительные изменения электрических, оптических и магнитных свойств.

В спин-туннельных структурах с полупроводниковыми барьерными слоями было показано, что при определенных толщинах полупроводникового слоя между ферромагнитными слоями возникает антиферромагнитный тип обменного взаимодействия, а для ряда немагнитных полупроводников, таких как БЮ, обнаружено обменное взаимодействие между тонкими магнитными и полупроводниковыми слоями, величина которого зависит от амплитуды внешнего магнитного поля.

Предложено использовать многослойные системы магнитных наноостро-вов для создания структур с рекордной чувствительностью к слабым магнитным полям (до 10"6Э). Предложенные системы обладают положительным и отрицательным магнитосопротивлением, однонаправленной магнитной анизотропией, высокой чувствительностью к ориентации внешнего магнитного поля.

Положения, выносимые на защиту

1. Обнаружение квантово-размерного эффекта в аморфных многослойных периодических структурах(8ь8Ю2)>ь который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у при < 20 А.

2. Метод кристаллизации полупроводников и полупроводниковых многослойных структур с помощью предложенного в работе лавинного отжига.

3. Обнаружение кристаллической решетки с гексагональной симметрии у кристаллизованных короткопериодных структур (81-8Ю2)н как результат воздействия сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны и БЮг).

4. Наблюдение стабильных и метастабильных объемных фаз кремния, возникающих при бомбардировке поверхности кристаллического кремния низкоэнергетичными атомами и ионами (Е ~ 1 -10 еУ)

5. Обнаружение осцилляционных зависимостей диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и БС проводимость и др. параметры от толщины металлических слоев ]МЬ, "Л, А1, №, Си, XV и др..

6. Исследование зависимостей оптических и магнитных параметров слоев металлов и ферромагнетиков в области толщин 4-12 нм (область перехода 2D-3D).

7. Изучение условий возникновения антиферромагнитного типа обменного взаимодействие между ферромагнитными слоями многослойных магнито-полупроводниковых наноструктурах Fe-GaAs-Fe, Fe-ZnTe-Fe и FeNi-SiC-FeNi

8. Обнаружение в магнитных структурах FeNi-SiC-FeNi порогового по магнитному полю обменного взаимодействия между немагнитным полупроводниковым слоем SiC и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев.

9. Наблюдение возникновения магнитосопротивления (положительного и отрицательного), высокой чувствительности к сверхслабым магнитным полям и однонаправленной магнитной анизотропии в многослойных системах магнитных наноостровов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации и отдельные ее положения докладывались на следующих конференциях:

1 Международная конференция по нейтронной физике, г. Киев, сентябрь, 1987; Всесоюзная конференция Ионно-лучевая модификация материалов, Черноголовка, июнь, 1987; XXI Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Кишинев, октябрь, 1988; 19 International Conference on the Physics Semiconductors, Warsaw, August, 1988; Sino-Soviet Seminar: Spectroscopy and Optoelectronics in SIM and Related Materials, Shunghai, China, May, 1990; 8 International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, Lubek, FRG, 1991; 1 Российская конференция по физике полупроводников, Н.Новгород, сентябрь, 1993; International Symposium: Nanostructures:Physics and Technology, St.Petersburg, June, 1993; XXI съезде по спектроскопии, Звенигород, февраль, 1995; International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June, 1995; XV Всероссийская школа-семинар "Новые магнитные материалы для микроэлектроники",июнь, Москва, 1996; 1-st Internñional Conference on Low Temperature Physics, Prague, August, 1996; 2-ая Российская конференция по физике полупроводников, Зеленогорск, февраль, 1996; European Symposium on Lasers and Optics in Manufacturing, June, Faigrands, Munich, FR Germany, 1997; Наноструктуры на основе кремния и германия, Всероссийское совещание, Н.Новгород, март,

1998; 6-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June,1998; 7th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, June, 1999; XVII международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2000; Вторая объединенная конференция по магнитоэлектронике (международная), Екатеринбург, июнь, 2000; 6 Всероссийский семинар "Инженерно-физические проблемы новой техники", МВТУ, Москва, май, 2001; 12-й Международный симпозиум "Тонкие пленки в электронике", Харьков, Украина, апрель, 2001, XIV Уральская Международная школа по физике полупроводников "Электронные свойства низкоразмерных полу- и сверхпроводниковых структур, Екатеринбург, февраль, 2002; Moscow International Symposium on magnetism, June, 2002; Symposium and Summer School "Nano and Giga challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Moscow, September, 2002; XXXIII совещание по физике низких температур, Екатеринбург, февраль, 2003; International Conference "Functional Materials", ICFM2003, Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2003; Нанофотоника, Нижний Новгород, март, 2003; XV Уральская международная конференция по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2004; 12-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June, 2004; 13-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, June, 2005; International conference «Functional Materials, ICFM-2005», October, 2005; VII Российская конференция по физике полупроводников, Москва, сентябрь, 2005; Совещание Программы фундаментальных исследований "Спин-зависимые явления в твердых телах и спинтроника", апрель, С.Петербург, октябрь, 2006; XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург-Кыштым, февраль, 2006; «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики», Москва, ФИАН, февраль, 2006; 14-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June, 2006; XX международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2006; 7 Российско- Украинский семинар «Нанофизика и Наноэлектроника», октябрь, С.Петербург, 2006; VII International scientific Conference "Solid state chemistry and modern micro- and nanotechnologies", сентябрь, Кисловодск, 2007; International conference «Functional Materials, ICFM-2007», Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2007; XVII Уральская зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2008; 10 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой и опто- и наноэлектронике, декабрь, С.-

Петербург, декабрь, 2008, XXI международная конференция "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2009.

Объем и структура работы. Общий объем диссертации составляет 264 страниц. Диссертация состоит из Введения, 7 глав, выводов, списка литературы, включающего154 наименований; содержит 95 рисунков.

Личный вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад автора заключается в выборе направления и объектов исследования, формулировке и постановке задач, выборе и разработке методов решения поставленных задач, непосредственное участие в разработке технологических методов и выращивание объектов исследований и в проведение экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, написании статей и подготовке докладов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ в! И СВЕРХРЕШЕТКАХ (Б^ЮгЬ

На протяжение последних 10-20 лет в физике твердого тела наблюдается устойчивый интерес к различного типа сверхрешеткам. Сама идея создания сверхрешетки с ее необычными свойствами была предложена еще в 1962 году Л.В.Келдышем [1]. Спустя десятилетие Есаки предложил другой тип сверхрешеток и способ реализации этой идеи [2]. Квантово-размерные эффекты наиболее ярко проявляются в сверхрешетках с высококачественной кристаллической структурой, которые выращиваются, в основном, методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МВБ) или осаждением из металлоорганических соединений (МОСУЭ) [3,4]. Однако, эпитаксиальный рост накладывает существенные ограничения на количество полупроводниковых или металлических пар, которые могут быть использованы при конструировании многослойных структур и сверхрешеток. Эти ограничения связаны в основном с несовпадением постоянных кристаллической решетки различных материалов. Из-за этого практически невозможно создавать сверхрешетки на основе пар полупроводник-металл, полупроводник-диэлектрик, металл-диэлектрик и др., хотя интерес к таким структурам, несомненно, существует. В некоторых таких структурах потенциальные квантовые ямы, возникающие из-за разности ширины запрещенной зоны материалов (или работы выхода), могут быть очень глубокими (иногда порядка 3-4 эВ, что сравнимо с энергией связи атомов в решетке), и квантовые эффекты в

таких системах будут очень сильными. Однако, в аморфном состояние подобные структуры можно вырастить относительно просто, используя, например, магнетронное или катодное распыление, которое позволяет получать многослойные структуры с очень тонкими слоями (вплоть до нескольких ангстрем) и атомарно-гладкими интерфейсами воспроизводимым образом.

В данной работе была поставлена задача по созданию аморфных многослойных систем (БьБЮг^ и исследовать возможность наблюдения в них кван-тово-размерных эффектов. К моменту постановки данной задачи работы по выращиванию и исследования аморфных сверхрешеток отсутствовали и лишь в 1983 появилась первая публикация [10] в этом направление. Выбор пары БЮг был обусловлен главным образом тем, что различие в ширине запрещенной зоны у этих материалов очень существенно (АЕ8 ~ 7 эВ) и потенциальные ямы для электронов и дырок, которые возник ли бы при чередование слоев и БЮг, были бы очень глубокие - порядка 3 эВ.

Многослойные системы (БьБЮг^ выращивались методом ВЧ распыления на установке 8ри1гоп-2 (Ва^еге). В качестве подложек использовались стекло К-8, плавленый кварц и (КЭФ-4.5). В 1 главе приводится подробное описание технологической установки и метода ВЧ распыления. Основной особенностью метода ВЧ распыления является возможность получения как проводящих, так и диэлектрических пленок. Кроме того, данным методом осаждения можно получать сплошные пленки начиная с толщины порядка нескольких ангстрем. Используемая технологическая установка позволяла достигать скоростей осаждения материалов менее 5 нм/мин., что делало возможным контролируемым образом выращивать сверхтонкие слои. Используя метод лазерной эллипсометрии было установлено, что скорости осаждения слоев не зависят от толщины слоя при условии стабильности параметров разряда [11,12]. Также было установлено, что коэффициент преломления слоев БЮг не зависит от толщины пленки для с1 _ 2 1нм. На примере МДП- структур 81-8Ю2 были найдены оптимальные технологические условия, при которых основные физические параметры Б Юг были наиболее близки к их объемным значениям. Были определены скорости осаждения слоев и БЮг и изготовлено несколько серий многослойных аморфных структур (81-8Ю2)к, которые различались толщиной слоев 81 и количеством пар слоев. Параметры структур выращенных для исследования эффектов размерного квантования представлены в таблице.

№ образца Толщина одного слоя БЮ:, Ьь А Толщина одного слоя в!, Ь2, А Число периодов,

1 25 10 30

2 25 20 15

3 25 60 5

4 25 80 4

5 25 100 3

Профильная оже-спектроскопия подтвердила, что полученные структуры действительно являются периодическими с заданными толщинами слоев и в них отсутствуют примеси других элементов.

В аморфных многослойных структурах квантовый размерный эффект должен проявляться в увеличение ширины запрещенной зоны (Е^ при уменьшение толщины слоя Для определения (Ег) необходимо иметь спектральную зависимость поглощения а(й-ш) исследуемых структур для чего были исследованы их спектры пропускания Т и отражения Я с использованием ИКС-31М (рис.1 и 2).

Рис.1 Рис.2

Для вычисления а(й-со) ^необходимо выбрать модель расчета. Были рассмотрены две модели. В первой модели многослойная структура заменялась одиночным однородным слоем, т.е. изучался оптический отклик многослойной системы как целого. В этом случае из простых формул [13] можно найти зависимости а(й-ю)П для каждой из рассматриваемой структуры:

1-ЗД2ехр(-2асО "

Здесь р + коэффициент отражения от границы раздела пленка-воздух,

п и а □- показатели преломления и поглощения пленки, » _("~ло) + * - коэффициент отражения от границы раздела пленка-подложка, п 0 и Ы2 - показатель преломления относительно вакуума и коэффициент отражения подложки из стекла К-8, - толщина пленки, которая берется равной полной толщине

многослойной структуры, а

№ Толщина Ег, эВ Етах>эВ

образца одного слоя 81, йя, А

1 10 2.0 1.94

2 20 1.63 2.1

3 60 1.38 2.3

4 80 1.38 2.48

5 100 1.38 2.58

коэффициент поглощения всей многослойной структуры, рассматриваемой как однослойная. В результате расчета были получены спектральные зависимости а(й-ш) приведенные на рис. 3. В таблице приведены значение ширины запрещенной зоны многослойных структур Е8 и положения максимума Етах коэффициента преломления п в зависимости от толщины слоя Б! в сверхрешетке.

Как можно видеть, ширина запрещенной зоны многослойной структуры действительно начинает возрастать при с15, < 2 нм.

Во второй модели исследуемые системы рассматривались как многослойные и из спектров ЩХ) и Т(Х.) рассчитывалось спектральное поглощение^ а(Й-со) Одля отдельного слоя 81, используя формулы [14]:

П. и + 'У^-К.-тд.Р,)

Г =

(тп + тпР,)Р, +(т2, - таР,) __

(т||+тцР,)Я|+(т2|-тг2/;)

здесь ту - коэффициенты Френеля, р1 =( [¿)СОз&]; р, =( Россия.', 01 - угол падения

Км

света на структуру из воздуха, £[ и Пи ц, соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости воздуха; 0; - угол между соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости подложки.

Здесь наиболее важную роль играет характеристическая матрица М, элементами которой являются т,р которая полностью описывает многослойную среду, через которую распространяется световая волна. В результате проведенных расчетов были получены спектры поглощения (рис.4) и определено изменение Е^) (таблица) при изменение толщины слоев в сверхрешетках [9]. Как и в случае однослойной модели расчета в многослойной модели Ее начинает возрастать при уменьшение толщины слоев Бь Обращает на себя внимание, что в случае тонких слоев Б! (ё ~ 10 А) в рамках многослойной модели не удалось найти решения для ширины запрещенной зоны 81. Это может свидетельствовать о том,

что в случае очень тонких слоев Б! и БЮ2 многослойную структуру необходимо рассматривать как некий однослойный материал. В 3-й главе это предположение было проверено путем исследования кристаллической структуры отожженных структур (БьБЮг^ со сверхмалом периоде.

Таким образом, было показано, что в аморфных многослойных периодических структурах ф-БЮг^ наблюдается квантовый размерный эффект, проявляющийся в увеличение ширины запрещенной зоны структуры при уменьшение толщины слоев Б!.

Глава 2. НОВЫЙ МЕТОД КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР ^¡-ЯЮг^м

В данной главе рассматриваются вопросы, связанные с возможностью кристаллизации сверхтонких аморфных полупроводниковых слоев, так и аморфных многослойных структур (81-8Ю2)м. В данном случае простой термический отжиг неприемлем, поскольку при длительном термическом воздействии может происходить взаимная диффузия атомов соседних слоев, приводящая к

Рис.3

Рис.4

их перемешиванию. Этот процесс вызывает размытие границ между слоями, даже если они изначально были резкими. Кроме того, сверхрешетка как таковая может вообще исчезнуть вследствие перемешивания слоев. Эти процессы особенно губительны в случае сверхструктур с периодами 20 - 50 А. По этой причине необходим отжиг структур при высокой температуре, но в течении очень короткого времени. Этим условиям удовлетворяет импульсный лазерный отжиг. Поэтому первоначально именно лазерный отжиг был использован для кристаллизации пленки Si толщиной 1000 Ä. Для отжига был использован лазер YAG: Nd+3 (его вторая гармоника); энергия в импульсе составляла ~ 0.2 Дж, а длительность импульса - 10 не. После проведения такого отжига образцы исследовались с помощью комбинационного рассеяния света (КРС). Для исследования отожженных пленок кремния использовался аргоновый лазер (к= 5146 Ä) либо лазер на парах меди (X = 5106 А) [15]. Использование КРС для анализа результатов отжига слоев Si обусловлен тем, что спектры КРС для аморфного и кристаллического кремния существенно отличаются: в случае кристаллического кремния в спектре КРС наблюдается узкий пик на частоте оптического фонона -521 см"1, в то время как для аморфного кремния в спектре КРС узкие линии отсутствуют и наблюдается широкий пик, лежащий в области 480 см1. С помощью КРС было установлено, что импульсный лазерный отжиг действительно приводит к кристаллизации кремния. Однако, из-за неоднородностей лазерного пятна пленка кремния отжигалась крайне неоднородно: наряду с кристаллизованными областями были области как с неотожженным кремнием, так и области, в которых пленка кремния вообще испарилась или не отожглась. Это создает определенные трудности при исследовании структуры таких образцов. Кроме того, и это самое главное, с помощью импульсного лазерного отжига не удалось отжечь сверхрешетки; увеличение энергии в импульсе (вплоть до такой, что происходило испарение пленки) также не привело к успеху. Поэтому было необходимо изменить процедуру отжига.

В работе был предложен новый тип импульсного отжига. Суть этого способа отжига состоит в следующем. Аморфная фаза, в отличие от кристаллической, не является состоянием с минимальной внутренней энергией. На рис.5 представлено схематическое изображение фазового состояния вещества. При переходе материала из аморфной фазы в кристаллическую будет выделяться энергия, равная разности внутренних энергий аморфной и кристаллической фаз - АЕ. Скорость распространения тепла при таком фазовом переходе порядка скорости звука в данном материале. Однако, самопроизвольно такой фазовый

переход происходить в большинстве случаев не может (исключая некоторые металлы, которые вообще очень трудно получить в аморфной фазе): к материалу находящемуся в аморфной фазе, необходимо подвести некоторое количество тепла для преодоления активационного барьера для данного перехода Еагг. В данной работе для преодоления активационного барьера Еакт использовалось тепло, выделяющееся при кристаллизации аморфного металла при его кратковременном освещении кварцевой галогенной лампой.

Для реализации данного типа отжига на подложки перед осаждением аморфной структуры на стеклянную или кварцевую подложку наносился слой аморфного металла (например, №), а далее на этот слой металла наносилась аморфная структура, которую было необходимо отжечь. Сначала на слой N1 наносился слой аморфного Б! толщиной 1000 А. Между слоями N1 и 81 наносился тонкий (не более 100 А) слой 8Ю2, который предотвращал образование силицида кремния в процессе отжига. После этого в вакууме проводился быстрый нагрев до 600°С структуры с помощью галогенной лампы. Результат воздействия такого отжига изучался с помощью КРС и просвечивающей электронной микроскопии. Оба метода показали, что имеет место кристаллизация слоя 81. Были найдены параметры всех слоев, которые были необходимы для кристаллизации аморфных полупроводниковых слоев.

Для кристаллизации многослойных аморфных систем (81-8Ю2)х была выращена серия структур, у которых толщина слоев БЮ2 была неизменна и составляла 11 А; толщина слоев изменялась от 15 А до 100 А.

Отжиг многослойных структур имел ряд специфических особенностей. Так, в зависимости от толщины слоев в структуре, изменялась температура, до которой было необходимо нагревать подслой аморфного №. Было предположено, что введение в слой аморфного кремния дополнительных границ раздела (слоев ЭЮг), вероятно, приводит к дополнительному рассеянию фононов на этом периоде, т.е. к эффекту «фононного зеркала», когда часть тепла "отражается" от границ раздела сверхрешетки и уходит в подложку. Это вынуждало уве-

(«ГЛШК

Рис. 5

личивать толщину подслоя "№ и, как следствие, температуру подложки. В конечном итоге удалось кристаллизовать все выращенные сверхрешетки (БЬ-5Ю2}м.

На рис.6 представлены спектры КРС аморфных и кристаллизованных многослойных структур и слоя аморфного 81. Необходимо заметить, что спектры КРС кристаллизованных сверхрешеток отличаются от спектра кристаллического кремния - пик, в случае сверхрешетки, имеет явно несимметричный вид и уширен в низкочастотной области спектра. Эта несимметричность может быть связана с эффектом образования новой зоны Брюллиена [16] в результате сворачивания зон, обусловленным дополнительной искусственной периодичностью. Данные, полученные с помощью электронной микроскопии, подтвердили кристаллизацию аморфных многослойных структур — о чем свидетельствовало появление кристаллической структуры (атомных плоскостей) на изображениях отожженных образцов в режиме просвечивания электронным пучком.

Таким образом, было показано, что с помощью предложенного импульсного отжига удалось кристаллизовать как отдельные слои аморфного так и многослойные периодические структуры (БьБЮг^ с различным периодом.

Глава 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР (Бь БЮДч С УЛЬТРАМАЛЫМ ПЕРИОДОМ

В 1-й главе было сделано предположение, что в случае многослойных систем (51-5Ю2)м со сверхмалым периодом такую многослойную структуру можно рассматривать сточки зрения оптики как некий однослойный материал. В 3-й главе обсуждается возможность получения сверхрешеток с совершенно новой, отличной от исходных материалов, кристаллической структурой, которая

Рис.6

в значительной степени формируется благодаря наличию сильного одномерного потенциала.

Для перестройки сверхрешетки в новую кристаллическую структуру необходимо, чтобы потенциальные ямы, возникшие в результате чередования двух различных материалов с разной шириной запрещенной зоны, были достаточно глубокими - порядка энергии связи атомов в используемых материалах. В этом случае, периодичный потенциал будет сравним или превышать энергию связи материалов сверхрешетки, а, значит, может оказывать существенное влияние на формирование связей между атомами. Поскольку у кремния и 8Ю2 различие в Ев очень велико ~ 7 эВ [17], а энергия связи атомов, например, в кремнии, составляет 1.8 эВ [18] (а для разделения кремния на отдельные нейтральные атомы нужна энергия — 4.6 эВ на одну элементарную ячейку), то данные материалы могут оказаться подходящим для осуществления такой перестройки. Кроме того, необходимо чтобы поверхностная энергия, связанная с границами раздела между слоями в сверхрешетке, была бы сравнима с объемной энергией всей системы. По этой причине, толщины слоев в сверхрешетке должны быть как можно меньше (порядка нескольких монослоев). Оптимальной была бы структура с изначально аморфными слоями, которую затем можно было бы кристаллизовать и получить в результате кристаллическую сверхрешетку. В такой аморфной сверхструктуре искусственный одномерный периодический потенциал будет единственным периодическим потенциалом в структуре и должен играть значительную роль в формирование ее кристаллической и электронной систем. Кроме того, из-за одномерности периодического потенциала, возникшего в результате чередования слоев, кристаллическая симметрия возникшей в результате кристаллизации структура должна иметь, по-видимому, выделенную ось. В кристаллическом состоянии 8Ю2 имеет преимущественно с гексагональную симметрию, а кремний с гексагональной решеткой существует лишь при высоких давлениях[19]. В тоже время, воздействие одномерного периодического потенциала можно грубо рассматривать как возникающее в результате действия потенциала одноосного давления. Тогда для того, чтобы облегчить перестройку слоев кремния с кубической симметрией в кремний гексагональной симметрии, необходимо толщину слоев кремния выбирать кратной толщине двух монослоев. В этом случае по аналогии с графитом, 81 будет, по-видимому, проще перестраиваться в гексагональную структуру. Поскольку толщина монослоя кремния составляет 1,37 А, то толщина слоев кремния в сверхрешетке должна быть кратна 2.74 А. Сверхрешетка с такими параметрами

будет иметь периодический потенциал, похожий на потенциал Кронига-Пенни: роль потенциальных ям, занятых в модели Кронига-Пенни атомами, будут моделировать кремниевые слои, а слои Si02 будут моделировать промежутки между этими атомами (т.е. «вакуумные зазоры»).

Для проверки влияния периодического потенциала на кристаллическую структуру сверхрешеток было выращено несколько аморфных многослойных структур (Si-Si02)N с различным количеством пар слоев на подложках Si (КЭФ-4.5) со слоями Ni (d ~ 2000 А) и Si02 (d ~ 50 А), необходимыми для кристаллизации аморфных систем. Толщины слоев кремния и Si02 составляли соответственно 14 А и 6 А. Кристаллическая структура исследовалась с помощью просвечивающей электронной микроскопии на микроскопах JEM-6A и СМ-30 (Philips), периодичность выращенных систем контролировалась с помощью профильной оже-спектроскопии. После отжига на электронограммах появлялись точечные рефлексы, характерные для кристаллов гексагональной структуры (рис.7).

Характерной чертой полученных электронограмм являлось отсутствие рефлексов от кремния и Si02 - рефлексы присутствовали только от материала некоторой новой кристаллической структуры, имеющей гексагональную симметрию. Параметры возникшей структуры таковы: а = 5.53 А и с = 9.0 А; данная структура имела большие межплоскостные расстояния d = 4.78 А, чем у кремния и Si02. Таким образом, в сверхрешетках (Si-Si02)N с ультра-мальм периодом под действием одномерного периодического потенциала при отжиге возникает совершенно новая структура с кристаллографическими параметрами, отличными от структурных параметров материалов, составляющих эту сверхрешетку [б]. Как было предположено, действие одномерного периодического потенциала можно грубо уподобить действию одноосного давления. Это значит, что под воздействием этого давления кремний в сверхрешетке может перейти в гексагональную модификацию. Известно 7 модификаций кремния под давлением [19]; из них 4 -гексагональной симметрии. Кроме того, имеется 3 гексагональные модифика-

ции 8Юг. Однако, параметры, получившиеся в результате перехода в кристаллическое состояние короткопериодной сверхрешетки (81-8Ю2)ы, не совпадают с параметрами ни одной из известных модификаций кремния или 8Ю2. Поэтому была проведена работа по изучению возможности получения у кремния гексагональной модификации с подходящими параметрами. Для получения кристаллических фаз кремния использовался бомбардировка поверхности кремния КЭФ-4.5 (ориентация (100)) пучками атомов или ионов с малой энергией. Важно, чтобы бомбардирующие поверхность ионы или атомы имели энергии меньше, чем порог распыления для кремния (этот порог составляет 16 эВ). В этом случае поверхность кремния будет испытывать воздействие, схожее с одноосным давлением. В результате такого воздействия могут образовываться новые модификации кремния, как это имеет место при исследовании поведения кристаллической структуры кремния при больших давлениях. Бомбардировка поверхности кремния осуществлялась либо ионной пушкой, с помощью которой создавались положительно заряженные ионы аргона с энергией от I до 10 В, либо путем напыления на поверхность кремния различных металлов таких, как V/, №>, Си и других (при напылении атомы металлов также имели энергии порядка 1-10 эВ). После бомбардировки образцы кремния исследовались с помощью электронографии на микроскопе .ГЕМ-6А.

О

Рис.8

Рис.9

Было обнаружено, что облученная таким способом поверхность кремния (ионная и атомная бомбардировки приводили практически к одним и тем же результатам) обладает рядом интересных особенностей. Во-первых, глубина области воздействия на кремний атомов или ионов при бомбардировке составляет около 1000 Ä, о чем свидетельствовала большая яркость рефлексов на электро-нограммах. Во-вторых, при бомбардировке в приповерхностном слое Si возникают области, ориентация которых отличается от ориентации исследуемой поверхности кремния: так, вместо ориентации (100) появляются (110), (111), (114), а иногда и более экзотичные, однако приведенные выше встречаются наиболее часто. В-третьих, была обнаружена совершенно новая фаза кремния, которая была нестабильной и разрушалась спустя некоторое время по действием зондирующего электронного пучка микроскопа. Для ее обнаружения была использована кинокамера, позволившая сфотографировать в различные времена времени дифракционную картину, отвечающую возникновению этой нестабильной фазе. Характерное время разрушения этой фазы составляло 0.5 -1.0 с. Нестабильная фаза имела, по-видимому, гексагональную симметрию с межплоскостным расстоянием d ~ 4,17 А (ее постоянные решетки определить не удалось). И, наконец, в-четвертых, было обнаружено несколько новых стабильных фаз кремния, среди которых были очень похожие на те, которые возникают при реконструкции атомарно-чистой поверхности кремния [20,21]. Однако, в данном случае "реконструкция" охватывала уже не несколько первых, а многие десятки монослоев, о чем свидетельствовала яркость рефлексов на электронограммах. Подобные яркости рефлексов обычно присущи только объемным фазам (рис.8, 9). Так, наблюдалась объемная перестройка (подобная реконструкции чистой поверхности) 5/2 х 5/2, 3/2 х 3/2, 7 х 7 и некоторые другие. Поскольку энергии бомбардирующих поверхность Si частиц лишь в среднем были 1-10 эВ, невозможно было определить какая из фаз и при какой энергии частиц возникает и есть ли вообще такая зависимость. Следует отметить, что подобные "реконструкции" можно было сразу наблюдать на одном образце, т.е., по-видимому, на поверхности кремния в результате бомбардировки возникает множество областей с различными модификациями кремния. Одна из возникавших новых фаз была похожа на ту, которая формировалась у сверхрешеток с ультра-малым периодом. Во всяком случае, симметрия и кристаллические параметры этой фазы были такими же как у сверхрешетки. На этом основании можно высказать предположение, что при отжиге под действием одномерного периодического потенциала происходит трансформация слоев кремния и Si02 в новые фазы с сим-

метрией и кристаллическими параметрами аналогичными тем, которые возникают при воздействии на кремний атомными или ионными пучками малой энергии. Интересными являются и результаты профильной оже-спектроскопии, про веденной на образцах до и после отжига. Данный анализ показал, что при отжиге сверхрешеток с большим числом периодов перемешивания слоев не происходит. Более того, глубина модуляция интенсивности оже-сигналов кремния и кислорода на зависимости от времени ионного травления, определяемая как М = (АМах - Атт)/(Атах + Атт), увеличилась после отжига более, чем на 10 %, чего, казалось, не может быть, поскольку возрастающая при отжиге диффузия должна приводить к размытию слоев из-за взаимной диффузии атомов слоев друг в друга, а значит и к уменьшению глубины модуляции (здесь Атах - амплитуда оже-сигнапа кремния в слое кремния, а Атш - амплитуда того же оже-сигнала кремния в слое ЗЮ2). Было выяснено, что данное увеличение глубины модуляции после отжиге сверхрешеток имеет место лишь в том случае, если сверхрешетка имеет число периодов больше, чем 15. Начиная с двух периодов и кончая 12 глубина модуляции сигналов при отжиге уменьшалась более, чем на 15 % (рис. 10). То есть при малом числе периодов в сверхрешетке при отжиге происходит взаимная диффузия атомов соседних слоев, что приводит к уменьшению глубины модуляции оже-сигналов. В тоже время возрастание глубины модуляции можно было бы связать с тем, что короткопериодная отожженная сверхрешетка при числе периодов N > 15 становиться новым материалом и дальнейший отжиг приводит к улучшению кристаллической структуры материала, а значит и к увеличению глубины модуляции.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ В ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ

Работы по исследованию квантово-размерных эффектов в тонких полупроводниковых слоях и пленках полуметаллов (например, В1 [22]) проводились

м, ч

й! (в слое БЦ

51 (в ело» ЬЮг )

* - ло отхигя . - после отжига приТ№= 700° С

4 8 12 16 2« 24 30

Рис.10

уже в 60-х годах 20 века. Тогда же были предложены теории эффекта размерного квантования в этих системах [23, 24]. Размерные эффекты в этих материалах возникали в случае, когда толщина слоев материала становилась порядка де-бройлевской длины волны электрона Предполагалось, что при уменьшении толщины с! полуметаллических пленок их валентная зона и зона проводимости разбиваются на подзоны (подобно подзонам Ландау в квантующем магнитном поле). В этом случае, при уменьшение толщины пленки, когда!.] А.в ~ (1, перекрытие зон уменьшается, и при некоторой толщине в полуметалле возникает диэлектрическая щель. Из-за резкого изменения плотности состояний на поверхности Ферми при ее пересечение различных подзон в ходе изменения толщины полуметаллической пленки возникают осцилляции термодинамических и кинетических характеристик пленок. Для металлов, как и для полуметаллов, электронные свойства определяются электронами на поверхности Ферми, поэтому их термодинамические и кинетические характеристики будут зависеть от плотности электронных" состояний на уровне Ферми К(Ер). Так, в случае тонкой двумерной пленки, будет происходить скачкообразное изменение И(ЕР) как при изменение толщины слоя, так и энергии электронов. Скачкообразное изменение Ы(Ер) в зависимости от толщины пленки будет вызывать осцилляции от толщины всех параметров, которые обусловлены плотностью состояний (проводимость, диэлектрическая проницаемость, магнетосопротивление). Изменение Ы(Ер) от толщины металлической пленки можно рассматривать так, как это было предложено в [25, 26] для тонких сверхпроводящих пленок. Предполагается, что волновая функция электрона Ч"(П ьк,г) и ее фазаП 9 неизменна («закреплена») на границе раздела пленка-вакуум. Тогда при изменении толщины пленки граничные условия для фазы волновой функции на интерфейсе пленка-подложка будут периодично изменяться, что приводит к периодичному изменению с толщиной и М(Ер), а значит и всех зависящих от нее параметров. Такие осцилляции будут происходить до тех пор, пока толщина пленки не станет больше длины пробега электрона до сбоя фазы т.е. пока пленка по толщине остается «фазово-когерентной». Поскольку Ппри понижение температуры увеличивается [27], то предельная толщина наблюдения квантово-размерных эффектов будет так же возрастать при понижение температуры. Однако даже при комнатной температуре эти эффекты должны проявляться достаточно отчетливо, т.е. амплитуда осцилляций термодинамических параметров от толщины не сильно зависит от температуры. Этим проявление квантово-размерных эффектов в металлах отличается от таковых в полупроводниках, в которых при 24

повышение температуры квактово-размерные эффекты могут «замазываются» и исчезать (это случай, когда расстояние между уровнями размерного квантования становится ~ кТ).

Для изучения квантово-размерного эффекта в тонких металлических пленках использовались оптические методы, а именно, исследовались спектры пропускания и отражения, а также метод эллипсометрии, позволяющий при известных толщинах металлического слоя определять действительную и мнимую части диэлектрической проводимости - Ле е и 1т г. Поскольку зонная структура металлов достаточно сложна, то, для исключения влияния межзонных электронных переходов, использовалась ИК-область спектра, поскольку в этом случае в оптическом отклике будут участвовать лишь электроны одной энергетической зоны.

Основные исследования эффектов размерного квантования были проведены на тонких слоях ЫЬ, а также Си и А1, выращенных на кварцевых, стеклянных и кремниевых подложках. Поскольку эффект размерного квантования приводит к осцилляциям от толщины пленки всех величин, зависящих от электронной плотности состояний на уровне Ферми Ы(ЕР), то при исследовании оптических свойств сверхтонких пленок КЬ должны наблюдаться осцилляции мнимой части ее диэлектрической проницаемости 1т е, поскольку именно эта величина связана с плотностью электронных состояний. Период осцилляции составляет половину фермиевской длины волны металлов. По этой причине при исследование эффекта размерного квантования в пленках № изучалось поведение 1т е в зависимости от толщины пленок. Для получения спектров отражения и пропускания пленок № использовался фурье-спектрометр «М1СНЕЬЗОЫ-110» (ВОМЕМ). Для защиты от окисления пленки №> закрывались тонким слоем кремния толщиной ~ 3 нм. Используя экспериментально полученные данные для Л и Т можно оценить мнимую часть электрической функции для случая очень тонких пленок:

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□а

V"! _ _ Г ^

1

Д-Ач 1шг £-а

2 4-я-

1+2Д5

(*3-1Х1+Л5) А/2+1

Т-Т0 2 К\

4 ■я-у-ЯГ^ (£3-1)(1-/г|)

.1/2,

Здесь ег и е3 - диэлектрические проницаемости металлической пленки и подложки; Я(Т) и Яо(Т0) - коэффициенты отражения подложки с металлической

D

пленкой и без пленки; d _ О ; угол падения света близок к нормальному, а

S-2-%

диэлектрическая проницаемость воздуха sj=l. На рис.11 представлена зависимость Im е Пот толщины пленки Nb, которая демонстрирует периодическую зависимость Im £ от толщины с периодом ~ 6 А.

Ор, Cri 'j «pjenr*

ta£.

500 «0 300 200 ПО

esooo.

20 Я

I со ■ ВС птанянмП

Рис.11

Рис.12

Знание Im е позволяет рассчитать оптическую проводимость су пленок Nb

4 па

на частоте со падающего излучения -

.. Частотную зависимость про-

ю

водимости можно представить (в рамках теории Друде) как

<т(о) =

1

<»,а>\

4я со] + югр

er

= (-)2+1

где юх - частота электронных столкновений, сор- плазменная частота пленок №. Для проверки справедливости использования модели Друде из спектров отражения и пропускания была рассчитана <т(ш) ПО для нескольких частот. На рис.12 представлены зависимости оптической проводимости о, плазменной частоты Юр и частоты столкновений сот от толщины пленки №>. Эти зависимости также демонстрируют осцилляционные зависимости о, шр и со, от толщины пленки № с тем же периодом 6 А. Таким образом в тонких пленках № был обнаружен квантово-размерный, проявляющийся осцилляционных зависимостях основных параметров пленки, связанных с ^Е), от толщины.

Для того, чтобы продемонстрировать слабую зависимость наблюдаемых квантово-размерных эффектов от толщины, была изучена зависимость проводимости тонких слоев № от их толщины при различных температурах. На рис.13 представлены зависимости ОС-проводимости пленок М> от их толщины, полученных при температурах 4.2 К, 77 К и 300 К. Как можно видеть из приведенных зависимостей, амплитуда наблюдаемых осцилляций проводимости и их период от температуры зависят слабо, что позволяет исследовать квантово-размерных эффектов в металлических слоях при комнатной температуре.

Аналогичные осцилляционные зависимости 1т е(с1) были обнаружены для тонких слоев Си (период ~ 2 А), N1 (период ~ 3 А), А1, (период ~ 2 А). Кроме того, был исследован квантово-размерный эффект в окисленных тонких пленках N1). На рис. 14 приведены зависимости 1ш е(<1) и Яе е(<1), полученные с помощью метода эллипсометрии. Можно заметить, что и в случае окисленных слоев ЫЬ имеет место осцилляционные зависимости 1т е(сЗ) и Ке е(с1). Однако период осцилляций в этом случае возрос и составил 9А. Аналогичные по характеру зависимостей спектры были получены и с помощью метода спектроскопии поверхностных электромагнитных волн [28]. Особенность полученных результатов для окисленных слоев № явился знакопеременный осцилляционный характер зависимость Яе е(<1). Окончательного объяснения обнаруженному знакопеременному поведению Яе е(с1) дано не было. * гя

Рис.13 Рис.14

При исследование квантово-размерных эффектов в меди и алюминии' было обнаружено необычное поведение диэлектрической проницаемости этих металлов в зависимости от толщины [29, 30]. Для этих металлов квантово-размерные эффекты исчезают уже при толщинах с! > 3.0 нм. На рис. 15 приведе-

на характерная осцилляционная зависимость 1т е Пот толщины, полученная с помощью фурье-спектрометра МЮНЕЬБСЖ-110 (ВОМЕМ) в частотном диапазоне 500-5000 см"1. Период осцилпяций составляет порядка 2А. При исследовании ИК-отражения пленок А1 (X 9.201 мкм) на стеклянных и кремниевых подложках в диапазоне толщин 0.2 -4.0 нм было обращено внимание на малую величину коэффициента отражения Я -30%. При 0.5 нм <с! < 5 нм осцилляци-онное поведение Я(с1) пропадает и отражение либо монотонно уменьшается в случае А1 на стекле, либо слабо возрастает в случае А1 на Эк Поскольку Я для толстых пленок А1 значительно превышает 30%, то существует область толщин, когда КЯ возрастает от 30% до ~ 90%. По этой причине были исследованы пленки А1 в диапазоне толщин 5-12 нм. Предполагалось, что в этом диапазоне толщин происходит переход от двумерного поведения электронов 2Б к трехмерному ЗБ (переход 2В-ЗБ) и, как следствие, оптические свойства пленок могут изменяться. Поскольку при переходе электронной системы 2В-ЗБ коэффициент отражения будет возрастать до своего «объемного» значения не обязательно монотонно, для того, чтобы выявить особенности процесса возрастания Я, была выращена серия пленок А1 на подложках из 81 и стекла (пленки выращивались на обоих типах подложек одновременно). В этой серии толщина пленок от образца к образцу отличалась на 0.1 нм (шаг изменения толщины должен быть меньше периода наблюдаемых для А1 осцилляций Я или 1т г - 0.3 нм)Л

На рис. 16 представлены зависимости Я (с1) для тонких пленок А1 на стеклянных и кремниевых подложках. В случае пленок А1 на подложках из (КЭФ-4.5) коэффициент отражения Я начинает возрастать при (1 > 6-8 нм. Более того, возрастание Я сопровождается осцилляциями коэффициента отражения. И если амплитуда осцилляций Я (или 1т е) в случае наблюдения эффекта размерного квантования (диапазон толщин 0.5 - 4.0 нм) не превышает 3-5% от аб-

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 IА

Рис.15

солютной величины Я, то в случае толщин пленок с1 > 6-8 нм амплитуда осцилляции Я порядка 10%.

Еще более отчетливо переход 2Б-30 проявляется для А1-пленок на стеклянных подложках. В этом случае Я, как и для А1 на 81, возрастает при (1 > 8 нм, но амплитуды наблюдаемых осцилляций составляет ~ 50%. Это гигантские осцилляции.

Еще более отчетливо переход 2D-ЗD проявляется для А1-пленок на стеклянных подложках. В этом случае II, как и для А1 на 81, возрастает при (1 > 8 нм, но амплитуды наблюдаемых осцилляций составляет ~ 50%. Это гигантские осцилляции. Период осцилляций составляет ~ 0.3 нм, т.е. близок к периоду осцилляций, которые имеют место при кван-тово-размерном эффекте в А1. Поэтому обнаруженные осцилляции могут быть связаны с квантово-размерными эффектами в А1.0днако при толщине слоев А1 > 45 нм квантово-размерные эффекты уже практически не проявляются. Большие по амплитуде осцилляции Я или 1т £ □ могут наблюдаться в системах квантовых точек А1 [31]. Поэтому было предположено, что по мере увеличения толщины пленок А1 в них накапливается энергия, связанная с механическими напряжениями в пленках. При определенной толщине механические напряжения могут приводить к образованию квантовых точек, например, с помощью механизма Крастанова-Странского. Но могут быть и другие причины возникновения гигантских осцилляционных зависимостей К и 1т е.

Похожие зависимости 1т е(с1) были получены и для пленок Си в том же диапазоне толщин. В главе приводится обсуждение полученных результатов исследований зависимости 1т £ от толщины.

Таким образом, в тонких металлических слоях был обнаружен квантово-размерный эффект, проявлявшийся в осцилляционной зависимости 1т е, плазменной частоты, частоты электронных столкновений, БС и АС- проводимости от толщины с периодом равным половине фермиевской длины волны электрона в металле. При исследовании оптических свойств пленок А1 и Си в области толщин, где происходит переход Ю-Зй, обнаружены гигантские осцилляции II и 1т £ от толщины.

А] ж 51

ТИАР Ж Яг

А1 касте кдг 1

« г * < « » и

Рис.16

Глава 5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ МАГНИТНЫХ СЛОЕВ СоМ, Со и Ге1Ч1

В данной главе рассмотрены магнитные и магнитооптические свойства тонких магнитных слоев Со, Со№, Ре№ в диапазоне толщин 1-12 нм, особенности технологии приготовления этих пленок, а также обсуждается поведение диэлектрической проницаемости магнитных пленок в зависимости от их толщины и структурных параметров.

В процессе выращивания магнитных пленок было обнаружено, что магнитные свойства слоев, в основном, зависят от начального вакуума, температуры подложки, величины и ориентации магнитного поля в месте роста структур и положения образца в вакуумной камере. Поэтому все магнитные структуры выращивались в одном и том же месте ростовой камеры, при температуре подложек ~ 70-80° С, в магнитном поле - 50 Э (в центре ростовой камеры) ориентированном вдоль подложек, начальный вакуум не хуже 5х10"6шЬаг. Были выращены серии пленок Ре№, Со№, Со с толщинами, лежащими в диапазоне 1.012.0 нм. Магнитооптические свойства полученных пленок исследовались с помощью экваториального магнитооптического эффекта Керра. В главе приводится подробное описание магнитооптического эффекта Керра.

Магнитооптические свойства слоев Ре№ (толщина 1-80 нм) на подложке 81 КЭФ-4.5 исследовались с помощью экваториального и полярного магнитооптического эффекта Керра [32]. Хорошее качество исследуемых слоев демонстрируют кривые намагниченности (рис.17), где эффект Керра наблюдается

С), НМ

Рис.17

Рис.18

вплоть до толщины Ре№ ~ 2 нм. Начиная с толщины (1 < 6-8 нм наблюдается резкое изменение характера зависимости намагничивания тонких слоев от магнитного поля - изменяется форма кривой намагничивания, возрастают поля насыщения (до 200 Э) и коэрцитивное поле (до 50 Э). Кроме того, уменьшается амплитуда самого эффекта Керра (рис.18). Такое резкое изменение магнитных параметров пленок пермаллоя при толщинах менее 8 нм происходит в том же диапазоне толщин, как и в случае изменения электрических параметров слоев меди и алюминия. Эти изменения происходят тогда, когда исследуемые структуры уже не трехмерные (ЗБ), но еще и не двухмерные (20). Т.е. имеет место не резкий переход исследуемой системы от 30 к 20, а некий размытый переход с промежуточной размерностью.

Обнаруженные резкие изменения основных магнитных параметров при толщин с! < 8 нм чрезвычайно важны для конструирования различных структур спинтроники, т.к. большинство этих магнитных структур содержат слои толщиной, лежащей в диапазоне перехода ЗБ-20, т. е. в области, где магнитные параметры изменяются катастрофически.

Кроме исследования экваториального эффекта Керра были проведены исследования всех структур на предмет наличия в них полярной намагниченности поскольку за счет возникновения в пленках блоховских доменных стенок может появиться полярная составляющая намагниченности. Теоретически возникновение блоховского типа доменной стенки должно наблюдаться при с! > 30 нм. Используя полярный эффект Керра, для пленок Ре№ была обнаружена полярная намагниченность во всем диапазоне исследуемых толщин - 2-80 нм. Для тонких пленок Со и Со№ исследовались магнитооптические и оптические свойства в диапазоне толщин, соответствующем переходу 2Б - ЗБ. Как и в случае слоев Ре№, для пленок Со и Со№ были обнаружены зависимости величины эффекта Керра, коэрцитивного поля, поля насыщения и поля анизотропии от толщины (рис.19). Кроме того, полученные угловые зависимости эффекта Керра показали, что имеет место зависимость ориентации оси легкого намагничивания(ОЛН) от толщины для пленок Со и СоЖ Зависимость ориентации ОЛН для исследуемых пленок может быть связано с зависимостью доменной структуры пленок от кристаллической структуры данных слоев. Похожие особенности в поведение магнитных параметров от толщины для пленок Со в диапазоне толщин 2300 пт наблюдались и в [33]. В 4-й главе уже рассматривалось особенности зависимости 1т £ Ши Я от толщины для пленок А1 и Си. По этой причине с помощью лазерной эллипсометрии (А. = 632.8 нм) были исследованы зависимости

Im e от толщины и для пленок CoNi и Со (рис.20). 1шП s для пленок Со выражено

особенно отчетливо: при d < 5 нм ImO е уменьшается больше, чем на порядок. В тоже время изменение 1шП s с толщиной для пленок CoNi не столь впечатляюще. Надо отметить, что диапазон толщины пленок, при которых происходит заметное изменение магнитных характеристик (величины МОКЕ) и 1шПе примерно совпадаю. Это может означать, электронные и магнитные подсистемы

*

t;l.O

л

I

1

к //

/ ь

Со /

1 J ' W '

Z4 / CoNi у 1 /У

A ^¿Jrf

2

4 6 Рис.19

10

d, нм

d, нм

Рис.20

данных структур начинают проявлять свойства двухмерности примерно при одних и тех же толщинах пленок.

Надо отметить, что диапазон толщины пленок, при которых происходит заметное изменение магнитных характеристик (величины МОКЕ) и ImDe примерно совпадаю. Это может означать, электронные и магнитные подсистемы данных структур начинают проявлять свойства двухмерности примерно при одних и тех же толщинах пленок.

Таким образом для тонких пленок Со и CoNi обнаружены значительное изменение величины эффекта Керра и ImD е, немонотонные зависимости ориентации осей легкого намагничивания и полей магнитной анизотропии от толщины магнитных пленок. Обнаруженные закономерности были связаны с переходом электронной и магнитной подсистем магнитных пленок от трехмерного поведения к двухмерному, с особенностью кристаллической структуры исследуемых пленок.

Глава 6. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ ФЕРРОМАГНЕТИК-ПОЛУПРОВОДНИК

С момента открытия эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) ведется поиск магнитных многослойных структур с немагнитными полупроводниковым спейсерами в которых наблюдается ГМС. Для возникновения ГМС необходимо, чтобы обменное взаимодействие между соседними ферромагнитными слоями не приводило к параллельному упорядочению их магнитных моментов (например, имело антиферромагнитный характер). Так, было обнаружено антиферромагнитное (АФМ) обменное взаимодействие ме>вду магнитными слоями Ре через слои Б! [34, 35] и Б1Ре [36, 37], а также термически индуцированного взаимодействия АФМ типа с 81, ве и ХпБе спейсерами [38]. Известно, что АФМ обменное взаимодействие между ферромагнитными слоями существует лишь при определенной толщине буферного слоя: в случае диэлектрического спейсера АФМ типа обмена существует в узких пределах толщин - 0.5-2 нм; в случае металлического спейсера имеет место осцилляционная зависимость знака (типа) обменного взаимодействия от толщины. Поэтому для поиска ГМС в системах с полупроводниковыми спейсерами необходимы серии структур с различной толщиной спейсера.

В данной главе будут приведены результаты исследований магнитных и магнитооптических свойств многослойных магнитных структурах с полупроводниковыми буфферными слоями из СаАБ, и гпТе, а также обсуждаются результаты поиска антиферромагнитного типа обменного взаимодействия между магнитными слоями в этих системах. Типичные толщины полупроводниковых слоев составляли 1-3 нм, а толщины ферромагнитных слоев - 3-5 нм.

Для исследования структур со спейсерами из СэАб было выращено несколько серий структур с различными толщинами ваАв-слоя и количеством слоев: Ре(15А)/СаАБ/Ре(15А) - (А), Ре(ЗОА)/ОаЛз/Ре(ЗОА) - (В) и пятислойная структура Ре(30А)/СаА5/ Ре(ЗОА) /СаА5/Те(30А) - (С), в которых толщина слоев ваАБ изменялась от 6,4 до 26,6 А с шагом Аг=0,75 А.. Процессы перемагни-чивания данных структур исследовались с помощью экваториального магнитооптического эффекта Керра (ЭЭК). Были изучены магнитополевые зависимости ЭЭК и определены поля анизотропии НА и насыщения Н5 (рис. 21). Известно, что межслоевое АФМ взаимодействие приводит к увеличению поля насыщения образца Н5. Магнитополевые зависимости ЭЭК показали, что для всех серий поле насыщения при 1ОаЛз=20,65 А значительно превышает величину Н§ для

других толщин полупроводникового слоя. Необходимо отметить, что определить точно величину из полевых зависимостей ЭЭК достаточно затрудни-

3 (Я )-5 (Я,)

тельно. Иногда проще для анализа использовать параметр Р ь Р 1 ,

8 (Я ) рк я'

где ор(Н8)- величина ЭЭК в насыщении, 5Р(Н,)- ЭЭК, измеренный в некотором поле Нь одинаковым для образцов одной серии и удовлетворяющим условию Н,< Н5МШ , Н3М1М- минимальное поле насыщения для образцов данной серии. Отметим, что возможная ошибка в измерении Н5 не влияет на точность определения величины бр^). Параметр Д приблизительно пропорционален полю насыщения образца и может служить характеристикой зависимости ^(к^). На рис.22 представлены усреднённые зависимости Л(10аАз)для образцов серий А, В и С. Наибольшее внимание обращает на себя пик толщинной зависимости в области ^ =18-22 А, который, как было установлено, не связан с магнитной анизотропией и наблюдается у всех серий образцов. Такой всплеск параметра Д, а, следовательно, и поля насыщения Н$, может служить признаком существования АФМ обменного взаимодействия между слоями железа через слой СаАэ с толщиной Х~20 А.

1,00-1

со а?

3?

Рис.21 Рис.22

Другим объектом исследований магнитных структур с полупроводниковыми барьерными слоями были системы с немагнитным полупроводником ZnTc. Как и в случае структур с ОаАз были предприняты попытки обнаружить

обменное взаимодействие антиферромагнитного типа между ферромагнитными слоями, разделенными Хп\е. Для этого исследовались магнитные и магнитооптические свойства спин-туннельных структур с ZnTe.

Были приготовлены и исследованы следующие структуры:

(1) 81(100) - гпТе(1.0 нм) (буферный слой) - Ре(2.5 нм) - гп'Ге(с1, нм) - Ре (2.5 нм) - А12Оз(0.8 нм) (защитный слой), где сЗ&Те = (0/8-2/4) нм с шагом в 0.1 нм;

(2) 81(100) - гпТе(1.0 нм) (буферный слой) - Ре(2.5 нм) - 2пТс(й, нм) -А1203 (0.8 нм) (защитный слой), где 67„тс = (0.8-2.4) нм с шагом в 0.1 нм.

Магнитооптические свойства выращенных структур исследовались с помощью магниторефрактивного эффекта (МРЭ) и ЭЭК. Магниторефрактивный эффект г(Н) определяется как изменение отражения света под действием внешнего магнитного поля и дается выражениями:

где R(0) и R(H) - интенсивности отраженного света для образца, находящегося в основном состоянии (Н=0) и в магнитном поле Н, ги= е(Н) - эффективная диэлектрическая проницаемость образца, ср-угол падения света. Изменение коэффициента отражения плоской монохроматической волны под воздействием внешнего поля Н достигает максимального значения при переходе АФМ магнитной конфигурации структуры к ФМ конфигурации. Поскольку магнитная конфигурация зависит от характера межслоевого обменного взаимодействия, то измерение МРЭ может служить одним из способов обнаружения межслоевого обмена АФМ типа в слоистых пленках. Если взаимное расположение магнитных моментов в соседних слоях железа при Н=0 при определенной толщине полупроводниковой прослойки соответствует АФМ типу упорядочения, то можно ожидать рост величины МРЭ при данной толщине прослойки.

Полученные данные приведены на рис. 23. Можно заметить, что зависимости r(tZnTe) для сэндвичей (кривая 1) и для образцов с одним слоем Fe (кривая 2) существенно различны. Для сэндвичей существуют две области толщин слоя ZnTe (8-12 Á и 20-23 Á), где величина МРЭ максимальна, и широкое "плато" при tz„Te = (13-19) А с существенно меньшей величиной эффекта, равной по амплитуде значению МРЭ для образцов с одним слоем Fe.

2

Рис. 23

£ , А

Полученные данные приведены на рис. 23. Можно заметить, что зависимости г(1гпте) для сэндвичей (кривая 1) и для образцов с одним слоем Бе (кривая 2) существенно различны. Для сэндвичей существуют две области толщин слоя ZnTe (8-12 А и 20-23 А), где величина МРЭ максимальна, и широкое "плато" при 1гпТе = (13-19) А с существенно меньшей величиной эффекта, равной по амплитуде значению МРЭ для образцов с одним слоем Ре.

Можно заключить, что максимумы в зависимости г(12пте) сэндвичей указывают на наличие межслоевого обмена АФМ типа между слоями железа. Короткопериодные осцилляции в зависимости гОгпхс) (с периодом Л=2А) могут быть связаны с размерным квантованием. Исследование структур с помощью ЭЭК показали, что полевые зависимости эффекта Керра не имеют каких-либо особенностей для образцов с одним слоем Бе при всех значениях толщины слоя 7пТе. Типичные кривые для этого случая приведены на рис. 24а.

С другой стороны, для образцов с двумя слоями Бе при значениях толщины прослойки (812) А и (20-23) А, при которых были обнаружены максимумы МРЭ, на кривых 8Р(Н) вдоль трудной оси наблюдаются особенности в виде изломов ("ступенек") (рис.246). Такие изломы на кривой намагниченности можно связать с возникновением в пленках Ре межслоевого обменного взаимодействия антиферромагнитного типа.

Таким образом, в многослойных магнитных системах с спейсером из 2пТе имеет место антиферромагнитный тип обменного взаимодействия между слоями Ре, который свидетельствует о наличие в этой системе ГМС.

Магнитные свойства других магнитных структур со спейсером из немагнитного полупроводника - РеЭД-БЮ-РеМ -исследовались индуктивным методом, который позволяет получить информа-

ъ

0.2

0.8

® 0.8 I*

чЛ ОД £

.о* 0,2 0.0

{ /■ I /

: К -Р- ЕА -»-НА

/

• Ь 2/ 1 ЕА НА

Г ; ° ■ ¿ЛР

....... | .

10 15 20 25 Н, 3

Рис.24

цию о перемагничивании магнитных плёнок. Метод позволяет определить коэрцитивную силу Не, поле магнитной анизотропии НА, наличие и ориентацию оси лёгкого намагничивания (ОЛН), обнаружить обменное взаимодействие между магнитными плёнками и оценить его степень, а также однородность магнитных параметров по площади образца, их зависимость от величины магнитного поля. Для исследований были изготовлены структуры с различными толщинами БЮ и Ре№. В процессе измерений была обнаружена нелинейная зависимость намагничивания структуры от магнитного поля Н: в исследуемых Ре№-81С-Ре№ структурах при увеличении величины Н, начиная с некоторого значения, происходит уменьшение поля перемагничивания наноструктуры, затем наблюдается его рост и последующее насыщение величины намагниченности. Обнаруженное нелинейное поведение зависимости намагниченности от Н может свидетельствовать об изменении энергии магнитного состояния Ре№-плёнок, что может быть связано с влиянием немагнитного полупроводникового слоя БЮ как на процесс перемагничивания плёнок Ре№, так и на магнитные параметры наноструктур. Для проверки влияния немагнитного слоя полупроводника БЮ на магнитные характеристики ферромагнитных слоев была приготов-

Рис.25

положен вблизи лишь одного из слоев Ре№, а толщина слоев 11 изменялась от 1 до 5 нм. Предполагалось, что в таких структурах Б1С будет в большей мере воздействовать на близлежащий слой РеЖ На рис.25 представлены сигналы перемагничивания несимметричной структуры для различных толщин 'П (15 А, 25 А и 50 А соответственно а, Ь, с). Видно (рис.25а), что при с!т, = 15 А обменное взаимодействие между плёнками Ре№ превышает взаимодействие между слоем полупроводника и прилегающей к нему пермаллоевой плёнкой, и обе пленки Ре№ наноструктуры перемагничиваются как единое целое. При с1т, = 25 А с ослаблением обменного взаимодействия между пермаллоевыми плёнками сигнал перемагничивания разделяется на два (рис.25Ь). Это означает, что ферромаг-

нитные плёнки начинают перемагничиваться раздельно — у них различные значения коэрцитивной силы Не. При дальнейшем росте dTi сигналы полностью разделяются с сохранением тех же тенденций в изменении Не пермаллоевых плёнок (рис.25с). Раздельное перемагничивание слоев FeNi говорит о том, что коэрцитивная сила (другие магнитные параметры) пленки FeNi, прилегающей к SiC, изменилось (уменьшилось), что можно связать лишь с возникновением магнитного взаимодействия между слоем FeNi и немагнитным полупроводниковым слоем SiC. Это очень необычная ситуация, поскольку фактически имеет место обменное взаимодействие ферромагнетика с немагнитным полупроводником SiC. Однако, как было указано в [39], подобное воздействие немагнитного полупроводника на ферромагнитный слой может быть связано с накоплением носителей заряда (спинов) вблизи интерфейса полупроводник-ферромагнетик, обусловленного изгибом зон полупроводника (барьер Шоттки).

Рис.26

Кроме того было обнаружено, что величина магнитного взаимодействия между слоями РеМ и зависит не только от толщины слоев полупроводника, но и от величины внешнего магнитного поля Н. На рис.26 представлено изменение сигналов перемагничивания структуры Ре№-_П-Ре№-51С ёт, = 50 А = 20 А, = 21 А) при увеличение величины внешнего поля Н. Здесь а - слабое поле Н (перемагничивании обоих слоев Ре"№ и отсутствие какого-либо влияния БЮ на магнитные параметры ферромагнитных пленок), Ь - увеличение амплитуды Н (нарастают два других сигнала с положением пиков 2.0 Э и 4.3 Э, что свидетельствует о начале раздельного перемагничивания слоев Ре№ из-за возрастающего воздействия слоя 8гС на прилегающий к нему слой с - дальнейшее увеличение амплитуды Н (слои Ре№ перемагничиваются независимо, что свидетельствует о сильном магнитном взаимодействии между немагнитным полупроводником 51С и ферромагнетиком Ре№).

Кроме исследования магнитных свойств структур с БЮ-спейсером были измерены полевые зависимости ЭЭК вдоль трудной и легкой осей намагничивания. Обнаружено, что на некоторых структурах присутствует излом на кривой ЭЭК, измеренного вдоль трудной оси анизотропии, как и в случае магнитных структур с 2пТе спейсером. Как было отмечено выше, такие изломы на кривых намагничивания трактуются обычно как результат влияния магнитокристалли-ческой анизотропии и межслоевого обменного взаимодействия на процесс намагничивания и может свидетельствовать о появление обменного взаимодействия антиферромагнитного типа.

Глава 7. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ МАГНИТНЫХ НАНООСТРОВОВ

В данной работе были предложенные многослойные системы магнитных наноостровов, которые состояли из периодически чередующихся сверхтонких (с) < 1 нм) слоев различных магнетиков (Ре№, Со№, Со, БшСо и др.). Как было показано в [40], слои с такими толщинами представляют собой разупорядочен-ные системы наноостровов с характерными размерами 5-30 нм, расстояния между которыми составляло 1 - 5 нм. В качестве диэлектрической подложки чаще всего использовался ситал. В главе подробно рассмотрены особенности технологии изготовления подобных систем. Выделены технологических параметров, которые важны для успешного выращивания многослойных систем магнитных наноостровов. Это скорости осаждения магнитных материалов (не более 3-4 нм/мин.), вакуумные условия (начальное давление не хуже 5Х10"6 шЬаг), температура подложки (Т ~ 100°С). Были выращены многослойные структуры из магнитных наноостровов на основе Ре№, РеМСо, Со, СоСг, Со№, Ре, БтСо: (Ре№-Со)№ (Ре№-Со№)м, (РеМ-БтСо)«, (Ре№Со-Со1\Ч)к, (Ре№-СоСг)м, где N - количество периодов в структуре (Ы изменялось от 1 до 40). Толщина наноостровковых слоев изменялась от 0.3 нм до 1.0 нм (слой наноостровов характеризовался эффективной толщиной с1, которая соответствовала бы толщине слоя данного ферромагнетика в предположение, что он является сплошным, а не островковым). Часть полученных магнитных структур после изготовления отжигалась на воздухе при температуре ~ 300 — 400°С. Полученные многослойные системы магнитных наноостровов являются своеобразной разновидностью магнитных нанокомпозитов. Однако, для многослойных систем магнитных наноостровов, когда внутри каждого слоя реализуется туннельный

механизм переноса носителей [41] и в тоже время наноострова различных магнетиков практически касаются друг друга и таким образом может иметь место металлическая проводимость, ситуация усложняется.

Были проведены исследования магнитотранспортных и оптических свойств полученных структур. Типичное изменение сопротивления структур от внешнего магнитного поля Н приведена на рис. 27а,Ь. Как можно заметить Ян принимает как положительное, так и отрицательное значение. Когда Н || I (рис.27 а), магнитосопротивление имеет отрицательный знак и возрастает по модулю при увеличении амплитуды поля Н. Ян достигает максимума при Н ~ 60 Э, после чего начинает уменьшаться и при Н > 160 Э достигает 0. Такое поведение Ян характерно для анизотропного эффекта, когда ориентация ОЛН не совпадает с направлением протекания тока ]. Когда Н (рис. 27 в), структура тоже сначала намагничивается в направление ОЛН и Ян возрастает, имеет положительный знак и достигает максимума при Н ~ 60 Э. При Н > 60 Э магнитосопротивление уменьшается и при Н > 100 Э Ян становится отрицательным, как это имеет место при анизотропном эффекте. При Н > 60 Э магнитосопротивление уменьшается и при Н > 100 Э Ян становится отрицательным, как это имеет место при анизотропном эффекте.

Таким образом, можно предположить, что ориентация ОЛН у многослойных структур из магнитных наноостровов не совпадает, как это первоначально предполагалось, с ориентацией ОЛН у толстых ((1 > 10 нм) пленок магнетиков, используемых для получения ост-ровковых структур и выращенных в тех же технологических условиях. Для подтверждения того, что магнитосопротивление многослойных структур из магнитных островов обусловлено, главным образом, анизотропным эффектом, была изучена зависимость Ян от угла между током I и магнитным полем Н.

Для анизотропных эффектов характерна угловая зависимость магнитосопротивления типа Ян ~ соз2ф □, гдеПО

Рис. 27

ерш - угол между вектором намагниченности структуры и направлением электрического тока, протекающего в структуре, [42, 45]. На рис.28 для структуры #1 (FeNi-CoNi)2o приведена зависимость Кн(ф'_])П.В этих структурах, как и во всех других, OJIH не совпадала с ориентацией протекающего тока J (структур с совпадающей (параллельной) ориентацией OJTH и J приготовлено не было).

Как можно заметить, характер зависимость Rhot фО действительно практически соответствует закону cos2 cpD, что свидетельствует о решающей роли анизотропного эффекта в формировании магнитосопротивления в многослойных структурах из магнитных наноостровов.

Особенности процессов намагничивания многослойных систем из магнитных наноостровов изучались с помощью магнитооптического экваториального эффекта Керра (МОКЕ) при различных ориентациях образцов в магнитном

мостей эффекта Керра (МОКЕ) для разных ориентации многослойных остров-ковых структур по отношению к магнитному полю было наличие оси преимущественного намагничивания структуры. Например, для структуры #2 (FeNi-CoNi)2o ось преимущественного намагничивания была направлена под углом <р 140° к направлению протекания тока J (рис.29). Сигнал МОКЕ в данном направление почти в 3 раза превышал величину МОКЕ, когда магнитное поле было ориентировано в противоположном направление, когда <р 0~ 320°. Это значит, что в исследуемых системах магнитных наноостровов возникает явление, похожее на широко исследуемую в настоящее время однонаправленную магнитную анизотропию. Обычно, однонаправленная (обменная) магнитная анизотропия возникает в системах ферромагнетик-антиферромагнетик (ферримагне-

Рис. 28

9, gratl

поле. На рис.29 представлены характерные полевые зависимости величины МОКЕ для структуры #2 (FeNi - CoNi)20 для ее различных ориентации по отношению к внешнему магнитному полю. Нулевой угол совпадал с направлением протекания тока J. Как можно видеть, данная структура начинает намагничиваться уже при малых амплитудах магнитного поля и во всех направлениях, в которых ориентируется образец во внешнем магнитном поле (в том числе и когда Н ±0 J или Н || J). Характерной особенностью полевых зависи-

тик), в ферримагнетиках со «слабой» подрешеткой и проявляется в виде смещения петель гистерезиса вдоль оси магнитного поля [46,47]. Причиной возникновения однонаправленной магнитной анизотропии, например, в системе ферромагнетик-антиферромагнетик в самом общем случае является обменное взаимодействие магнитных моментов одной из подрешеток антиферромагнетика с магнитными моментами ферромагнитного слоя. Это взаимодействие ориентирует близлежащие магнитные моменты ферромагнетика в направление намагниченности одной из подрешеток антиферромагнетика, что приводит к дополнительной остаточной намагниченности ферромагнетика. Следствием такого взаимодействия является сдвиг петель гистерезиса в магнитном поле. Необ-

что природа возникновения однонаправленной магнитной анизотропии в различных системах в настоящее время до конца далеко не ясна. Для выяснения причин возникновения в многослойных системах из магнитных наноостровов обменной анизотропии необходимы дальнейшие исследования.

Было обнаружено, что ось однонаправленной магнитной анизотропии изменяла свою ориентацию при изменение параметров многослойных систем магнитных наноостровов, например, от количества слоев п и вида подложки (кремний, ситал или гибкая подложка типа лавсана). Это свидетельствует о том, что в формирование данной анизотропии, по-видимому, не принимает участие магнитная анизотропия формы.

В работе была оценена величина поля Н, необходимая для переориентации оси преимущественного намагничивания в противоположное направление. Для этого к структуре #2 (Ре№ - Со№)2о прикладывалось магнитное поле в направление, противоположном ориентации оси обменной анизотропии. До и после приложения магнитного поля измерялись полевые зависимости эффекта Керра для направлений ф 0~ 140° и 320°, а также в направлениях, перпендикулярных оси обменной анизотропии - <р 50° и ~ 230°. Поля до 2 кЭ не привели к изменению ориентации оси анизотропии, что проявлялось в практически

ходим о отметить,

Рис. 29

неизменных полевых зависимостях МОКЕ для данных направлений. В данной работе ввиду конструктивных особенностей измеряемой установки использовались переменные магнитные поля амплитудой не более 2 кЭ. Поэтому для приложения больших по величине магнитных полей образцы вынимались из измерительной системы, и затем к ним прикладывалось магнитное поле ~ 20 кЭ, которое создавалось постоянными магнитами из SmCo. Магнитное поле Н ~ 20 кЭ привело к изменению ориентации однонаправленной оси магнитной анизотропии на противоположное. После приложения магнитного поля ~ 20 кЭ в обратном направление по отношению к первоначальной ориентации однонаправленной оси полевые зависимости МОКЕ в направлениях <р 0-140° и 320° поменялись местами, что свидетельствует о переориентации оси в обратном направление. Для направлений ф 0~ 50° и ~ 230° приложение магнитного поля не привело к существенным изменениям.

Полученные данные позволяют оценить величину поля данной магнитной анизотропии НА в системах магнитных наноостровов: 2кЭ<НА<20 кЭ. Необходимо отметить неожиданно большую величину поля обнаруженной магнитной анизотропии. Подобные величины магнитных полей обычно характерны для процессов перемагничивания магнитных нанокомпозитов. Поэтому можно предположить, что большая величина НА, как и у нанокомпозитов, может быть связана с существованием в островковых системах отдельных кластеров или островов с большими магнитными моментами.

В заключение необходимо кратко сказать о том, что практически все исследуемые многослойные структуры из магнитных наноостровов, которые были подвергнуты термическому отжигу при Т ~ 300-400С (магнитное поле во время отжига не прикладывалось), проявляли высокую чувствительность к сверхслабым магнитным полям. В ряде случаев данные структуры были способны фиксировать магнитные поля величиной до 10"6 Э. Для определения предельного магнитного поля, которое способно детектировать отожженные многослойные островковые структуры, был использован тот обнаруженный нами факт, что величина магнитосопротивления слабо зависит от частоты переменного магнитного поля в диапазоне 0 - 200 Гц. Это позволило использовать переменное магнитное поле в качестве детектируемого поля и модуляционную методику. На структуры подавалось переменное магнитное поле частотой f ~ 120 Гц, создаваемое электромагнитом, и с помощью синхронного детектирования исследовалась зависимость сопротивления на частоте f ~ 120 Гц от уменьшающейся амплитуды магнитного поля. Использование переменного магнитного поля позво-

лило избежать проблем, связанных с экранированием внешних магнитных полей. Величина магнитного поля, при котором сигнал с синхронного детектора, связанный с сопротивлением исследуемой структуры, сравнивался с шумами, и являлось наименьшим по амплитуде магнитным полем, которое была способна детектировать исследуемая структура. Было установлено, что это минимальное поле было меньше 10'5Э и составляло в ряде случаев несколько единиц на Ю'бЭ.

Подобные характеристики имели и другие исследуемые структуры с эффективными толщинами магнитных слоев ~ 0.4-0.8 нм, а также структуры, например, на основе Ре№ и Со. Таким образом, многослойные системы магнитных наноостровов могут быть с успехом использованы для создания датчиков сверхслабых магнитных полей.

Основные результаты и выводы

1. В данной диссертации приведены результаты исследования двух типов систем - многослойных периодических аморфных структур полупроводник - диэлектрик (БьБЮгЭы и магнитных и металлических наноструктур (тонкие магнитные и металлические пленки, многослойные структуры, системы магнитных наноостровов).

2. Была отработана технология получения сверхтонких (с1 ~ 1 нм и меньше) аморфных полупроводниковых, диэлектрических, металлических и магнитных слоев и многослойных структур на их основе.

3. Для кристаллизации полученных аморфных структур был предложен новый тип лавинного отжига, при котором кристаллизация образцов происходит за счет тепла, выделяющегося при фазовом переходе, происходящем в подслое аморфного металла.

4. В аморфных многослойных структурах (81-8Ю2)н оптическими методами был исследован квантово-размерный эффект, который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у при с1з| < 20 А.

5. При лавинном отжиге кристаллическая структура короткопериод-ных структур (81-8Ю2)я трансформировалась в кристаллическую решетку с гексагональной симметрией и с параметрами, отличными от обычных кристаллографических параметров 81 и 8Ю2. Возникновение гексагональной кристаллической структуры было связано с воздействием во время лавинной кристаллизации структур сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны (81 и 8Ю3).

6. При бомбардировке поверхности кристаллического кремния низко-энергетичными атомами и ионами (Е ~ 1 -10 еУ) были обнаружены стабильные и метастабильные объемные фазы кремния, среди которых была найдена гексагональная фаза, по своим параметрам практически идентичная кристаллографическим параметрам кристаллизованной короткопериодной структуры (817. Среди обнаруженных фаз 81 были объемные фазы, по своим параметрам напоминающие структуры, возникающие при реконструкции поверхности 81. Возникновения новых видов фаз кремния и их толщина зависят от энергии и времени воздействия на поверхность 81 атомов или ионов.

8. В металлических слоях N1), Т1, А1, Си, и др. были обнаружены осцилляционные зависимости диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и БС проводимость и др. параметров от толщины металлических слоев. Период осцилляций этих параметров соответствовал фермиевской длине волны электрона в исследуемых металлах и был обусловлен квантовым размерным эффектом.

9. В тонких слоях А1 и Си в области толщин 5-12 нм были обнаружены гигантские осцилляции коэффициента отражения Я и диэлектрической проницаемости в зависимости от толщины, когда квантово-размерные эффекты для данных металлов уже несущественны (область перехода электронной системы 20-30). Период обнаруженных осцилляций, тем не менее, соответствовал фермиевской длине волны электронов в А1 и Си, что позволило связать эти осцилляции с квантово-размерным эффектом.

10. В диапазоне толщин (1-12 нм) в слоях БеМ, Со, Со№ обнаружено резкое изменение магнитных параметров (поля магнитной анизотропии, поля насыщения, коэрцитивной силы и др.). Также было обнаружено изменение ориентации осей легкого намагничивания в зависимости от толщины. Найденные зависимости были связаны с изменением магнитной структуры ферромагнитных пленок при переходе 20-ЗБ.

11. В слоях Ре№ была обнаружена полярная намагниченность, которая была связана с переходом неелевского типа доменной стенки к блоховскому.

12. В структурах Ре-ОаАв-Ре, Ре^пГе-Ре и Ре№-81С-Ре№ между ферромагнитными слоями при определенных толщинах полупроводниковых спей-серов обнаружено слабое обменное взаимодействие антиферромагнитного типа,

свидетельствующее о наличие в этих структурах эффекта гигантского магнито-сопротивления.

13. В магнитных структурах FeNi-SiC-FeNi было обнаружено обменное взаимодействие между немагнитным полупроводниковым слоем SiC и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев. Возникновение обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями и немагнитным слоем SiC носило пороговый по магнитному полю характер.

14. Предложены новые магнитные наноструктуры - многослойные системы магнитных наноостровов, представляющие собой чередующиеся слои на-ноостровов из различных магнетиков. Структуры обладали большим магнито-сопротивлением - до 2-3 %. Величина и знак магнитосопротивления зависел от амплитуды и ориентации внешнего магнитного поля.

15. В островковых структурах была обнаружена сильная однонаправленная магнитная анизотропия, ориентация которой определялась параметрами структур. Приведена оценка величины однонаправленной магнитной анизотропии-2 кЭ< H < 20 кЭ.

16. Показано, что подобные многослойные системы магнитных наноостровов чрезвычайно чувствительны к сверхслабым магнитным полям. Структуры типа (FeNi-CoNi)M и (FeNi-Co)N были способны обнаруживать слабые магнитные поля величиной менее 8х10"6 Э. Поэтому, многослойные системы магнитных наноостровов могут быть перспективны для использования их как основу для создания датчиков сверхслабых магнитных полей.

Список цитируемой литературы

1. Келдыш Л.В., ФТТ, 1962,4, с. 226

2. Esaki L, Tsu R IBM, J. Res. Div., 1970, 14, p.61

3. Силин А.П., УФН, 1985,147, c.485

4. Херман M., «Полупроводниковые сверхрешетки», 1989, М.Мир, с.37

5. Н.Мот, Э.Девис, Электронные процессы в некристаллических веществах, 1982, кн., 1-2 тома, Москва, Мир

6. Плотников А.Ф., Пудонин Ф.А., Стопачинекий В.Б., Письма в ЖЭТФ, 1987, т.46,11, с.443

7. Pudonin F.A., Plotnikov A.F., Stopachinsky V.B., 19 International Conference on the Physics of Semiconductors, 1988, Warsaw, v. 1, p. 583

8. Т.Н. Заварицкая, В.А. Караванский, Н.Н. Мельник, Ф.А. Пудонин, Письма в ЖЭТФ, т.79 (6), 340-343,2004,

9. Крюков С.А., Плотников А.Ф., Пудонин Ф.А., Стопачинский В.Б., Краткие сообщения по физике (ФИАН), 1986, 5, с.34

10. Abeles В, Tiedje Т., Phys. Rev. Lett, 1983,51,21, с.2003

11. Пудонин Ф.А., Селезнев В.Н.» Токарчук Д.Н., Микроэлектроника, 1978, т.7, 3, с.283

12. Пудонин Ф.А., Свербиль ПЛ., Селезнев В.Н., Краткие сообщения по физике (ФИАН), 1979,4, с.З

13. Ж.Панков «Оптические процессы в полупроводниках», 1973, М. МИР, с.105

14. Борн М., Вольф Э., «Основы оптики», 1973, М. Наука, с.66

15. Горелик B.C., Пудонин Ф.А., Стопачинский В.Б., Файзуллов Т.Ф., Краткие сообщения по физике (ФИАН), 1986, 1, с.З 8

16. Klain M.V. "Phonons in semiconductor superlattices", IEEE J. of Quantum Electronics, 1986, v. QE-22,9, p.1760

17. С.Зи, «Физика полупроводниковых приборов», 1874, т. I, М. Мир, с.415

18. Китгелъ Ч. « Введение в физику твердого тела», 1978, М. Наука, с.113

19. Аптекарь И.Л., Тонков Е.Ю., ФТТ, 1975, 17, 5, с. 1488

20. Беленький АЛ., УФН, 1981, 134, 1, с. 125

21. Chady D.J., 19 International Conference on the Physics of Semiconductors, 1988, Warsaw, v. 1, p. 3

22. Ю.Ф.Огрин, В.Н.Луцкий, М.И.Елинсон, Письма в ЖЭТФ, 1966,3, сЛ 14

23. В.Б.Сандомирский, ЖЭТФ, 1967, 52,158

24. Б.А.Тавгер, В.Я.Демиховский, УФН, 1968, т.96, в.1, с.61

25. Каган М.Ю, Дубовский Л.Б., ЖЭТФ, 1977, 72, 2, с. 646

26. Ю. А .Кротов, И.М.Суслов, ЖЭТФ, 1995,107,2, с. 512

27. B.L.AltshuIer, A.G.Aaronov, D.E.KhmelnitskiiA.I.Larkin "Coherent effects in disordered conductors" in "Quantum Theory of Solid" edited by I.M.Lifshitz,, 1982, "Mir", Moscow, p.130

28. Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев, Оптика и Спектроскопия, 2001, т.90, №1, с.119-123

29. R.Villagomez, O.Keller, F.Pudonin, Physical Letters А, 1997, v.235, N 6, p.629

30. F.A. Pudonin, R.Villagomez, O.Keller, Optics Communications, 1999, 170, p.181.

31. O.Keller, A.Liu, Phys.Lett. A, 1992, 167, p.301,

32. J.M. Talmadge, J. Gao, M. P. Riley, R. J. Roth, S.-O. Kim, and J. G. Eden, F. A. Pudonin, I. V. Mel'nikov, Appl.Phys.Lett., 2004, 84(21), p.4197

33. Dzhumaliev A.S., Kozhevnikov A.V., Nikulin Yu.V. et. al., International conference «Functiomal Materials, ICFM-2007», 2007, Ukraine, Crimea, Partenit, Abstracts, p. 83

34. Toskano S., Briner В., Hopster H., Landolt M., JMMM, 1992, v.l 14, p.26

35. Fullerton E.E., Mattson J.E., Lee S.R., Sowers C.H. et al., JMMM, 1992, v.l 17, 3

36. Vries J J., Konlhepp J., Broeder F.J. A., Coehoorn R. et al., Phys.Rev..Lett., 1997, v.78, p.3023

37. Endo Y, Kitakami O, Shimada Y., Phys.Rev.B., 1999,v.59, p.4279

38. Walser P, Hunziker M., Landolt M., JMMM, 1999, v.200, p.95

39. Б.ПА.Захарченя, В.Л.Коренев, УФН, 2005, т. 175,6, с.629

40. А.П.Болтаев, Н.А.Пенин, А.О.Погосов, Ф.А.Пудонин, ЖЭТФ, 2003, т.123, вып. 5,1067-1072

41. А.П.Болтаев, Н.А.Пенин, А.О.Погосов, Ф.А.Пудонин, ЖЭТФ, 2004, 126 (4), с. 827-833

42. И.В.Золотухин, Ю.Е.Калинин, А.В.Ситников, Природа, 2006, №1, c.l 1

43. А.Е.Варфоломеев, М.В. Седова, ФТТ, 2003,45 (3) с.500

44. A.Paul, M.Buchmeier, D.E.Burgler, P.Grunberg, J.Appl.Phys., 2005, 97, p.023910

45. B.A. Aronzon, S.V. Kapelnitsky and A.S. Lagutin «Transport and magnetic properties of nanogranular metals», в кн. «Thin Films and Nanostructures» под ред. V.Agranovich and D.Taylor, 2009, v.34, part 3, chapt. 12, p.581-637, Elsevier

46. К.П.Белов, УФН, 1999, 169 (7) ,797

47. Г.И.Фролов, В.Ю.Яковчук, В.А.Середкин и др., ЖТФ, 2005, 75(12), 69

Основные публикации, в которых изложены результаты диссертации.

1. Ф.А.Пудонин, В.Н.Селезнев, Д.Н.Токарчук "Свойства диэлектричес кихсло-ев двуокиси кремния, полученных методом высокочастотного плазменного распыления", Микроэлектроника, 1978, с.85

2. Ф.А.Пудонин, П.П.Свербиль, В.Н.Селезнев "Показатель преломления сверхтонких слоев Si02, полученных методом высокочастотного распыления", КСФ (ФИАН), 1979, N 4, с.3-6

3. В.С.Горелик, Ф.А.Пудонин, В.Б.Стопачинский, Т.Ф.Файзуллов "Лазерный отжиг и комбинационное рассеяние света в ультратонких пленках кремния на плавленном кварце", КСФ (ФИАН), 1986, в.1, с.38-39

4. С.А.Крюков, А.Ф.Плотников, Ф.А.Пудонин, В.Б.Стопачинский "Квантовый размерный эффект в аморфных многослойных структурах", КСФ (ФИАН), 1986, N 5, с.34-37

5. А.Ф.Плотников, Ф.А.Пудонин, В.Б.Стопачинский "Кристаллизация сверхрешеток Si-Si02, стимулированная одноосным периодическим потенциалом", Письма в ЖЭТФ, 1987, т.46, 11, с.443-446

6. F.A.Pudonin, A.F.Plotnikov, V.B.Stopachinsky "Crystallization of superlattices Si/Si02 stimulated by uniaxial periodical potential", 19 International Conference on the Physics Semiconductors, 1998, Warsaw, v.l, p.583-586

7. С.А.Виткалов, Ф.А.Пудонин, Е.Г.Сокол, И.М.Суслов "Аномальное поведение температуры сверхпроводящего перехода в сверхрешетках Nb/Si02", Письма в ЖЭТФ, 1989, т.49,3, с.160-162

8. В.Н.Денисов, Б.Н.Маврин, Ф.А.Пудонин, Е.А.Виноградов "Комбинационное рассеяние света в сверхтонких аморфных сверхрешетках Si-Si02", ФТТ, 1990, в.32, 7, с.2174-2177

9. Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев "Распространение поверхностных электромагнитных волн по кварцу со сверхтонкими слоями ниобия", ФТТ, 1990, в.32,12, с.3550-3554

10. Е.А.Виноградов, А.В.Заяц, Ф.А.Пудонин "Спектр электронных состояний в ультратонких аморфных сверхрешетках Si/Si02", ФТТ, 1991, в.ЗЗ, 1, с.197-201

11. E.V.Alieva, E.I.Firsov, L.A.Kuzik, V.A.Yakovlev, F.A.Pudonin "Optical properties of superthin niobium films, deposited on crystalline quartz", Physics Lett. A, 1991, V.1526N 1,26 p.89-95

12. L.A.Kuzik, Y.Y.Petrov, V.A.Yakovlev, G.N.Zhizhin, F.A.Pudonin "Optical and electrical properties of superthin niobium films, deposited on crystalline quartz", Physics Letters A, 1992, v.171, N 5,6, p.418-420

13.1.F.Mikhailov, S.S.Borisova, L.P.Fomina, I.N.Babenko, N.N.Melnik, F.A.Pudonin "Crystal structure and growth morphology of nickel superthin films", Cryst. Res. Technol., 1992, v.27, N 8, p.1061-1066.

14.1.F.Mikhailov, S.S.Borisova, L.F.Fomina, I.N.Babenko, N.N.Melnik, F.A.Pudonin "Growth morphology and structure peculiarities of superthin titanium films", Cryst. Res. Technol., 1993, v.28, N6, p.871-875

15. O.V.Golonzka, I.I.Smolyaninov, E.A.Vinogradov, A.V.Zayats, F.A.Pudonin "Investigation of carrier tunneling in short-period a-Si/Si02 quantum structures with a scanning tunneling microscope", Phys. Stat. Solidy(b), 1994,181, p.109-115

16. Л.А.Кузик, Ю.Е.Петров, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев "Оптические и электрические свойства ультратонких металлических пленок", ЖЭТФ, 1994, 105, с.215-223

17. Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев "Оптические свойства тонких пленок ниобия в ИК-области", Оптика и спектроскопия, 1994, т.77, N 3, с.484

18. Е.А.Виноградов, А.В.Заяц, Д.Н.Никогосян, Ю.А.Репеев, Ф.А.Пудонин, "Оптические нелинейности в аморфных квантовых структурах Si/Si02", Оптика и спектроскопия, 1994, т.76, N 2, с.323-328

19. L.A.Kuzik, Yu.Yu.Petrov, V.A.Yakovlev, G.N.Zhizhin, F.A.Pudonin, P.Grosse, V.Offermann "Conductivity spectra of superthin niobium films on crystalline quartz at room and low temperatures", Zeitschrift fur physik, 1994, B-93, p.239-242

20. A.V.Zayats, O.Keller, K.Pedersen, A.Lui, F.A.Pudonin "Linear optical properties and second-harmonic generation from ultrathin niobium films: research for quantization effects", IEEE Journal of Quantum Electronics, 1995, v.31,N 11, p.2044-2051

21. L.A.Kuzik, V.A.Yakovlev, F.A.Pudonin "Reflectivity oscillations in superconducting superlattices Nb/SiOz", Superlattices and Microstructures, 1995, v.17, No 4, p.415-417

22. Г.А.Болотин, Л.В.Номерованная, М.М.Кириллова, А.А.Махнев, Ф.А.Пудонин "Экспериментальное и теоретическое изучение оптического отклика от многослойной системы Nb/Al", ФММ, 1995, т.80, в.1, с.54-64

23. O.Keller, A.Zayats, A.Liu, K.Pedersen, F.Pudonin, E.Vinogradov "Thickness dependence of optical second-harmonic generation from ultra thin niobium films", Optics Communications, 1995, 115, p.137-144

24. L.A.Kuzik, V.A.Yakovlev, F.A. Pudonin, G. Mattei "Quantum size effects in the optical conductivity of ultra thin metal films", Surface Science, 1996, 361/362, p.882-885

25. Л.А.Кузик, Дж.Матгеи, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев "Квантовые размерные эффекты в оптических свойствах тонких металлических пленок", Оптика и спектроскопия, 1997, т.83, N 6, с.985

26. R.Villagomez, O.Keller, F.Pudonin "Experimental measurements of the thickness dependence IR reflectance from A1 quantum wells", Physical Letters A, 1997, v.235, N 6, p.629

27. Г.А.Болотина, М.М.Кириллова, И.Д.Лобов, В.М.Маевский, Л.В.Номерованная, А.А.Махнев, Ф.А.Пудоиин "Толщинная зависимость оптических и магнитооптических свойств многослойной системы Fe/Cu", ФММ, 1997, 84, N 6, с.57

28. Кириллова М.М., Лобов И.Д., Маевский В.М., Номерованная Л.В., Махнев А.А., Болотин Г.А., Пудонин Ф.А. "Оптические и магнитооптические свойства многослойных пленок Fe/Cu .'влияние периода модуляции и ОЦК-ГЦК фазового превращения в железе", ЖЭТФ, 1997, в.9, стр.1-16

29. R.Villagomez, F.A.Pudonin, O.Keller " Infrared reflectivity and dielectric permeability of ultra-thin Cu and A1 films", Optics Comm., 1999, 170, 181-185

30. Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев "Проявление квантовых размерных эффектов в оптике сверхтонких пленок ниобия", Оптика и Спектроскопия, 2001, т.90, № 1, с. 119-123

31.1.D. Lobov, V.M. Maevskii, L.V. Nomerovannaya, M.M. Kirillova, A.A. Makh-nev, and F.A. Pudonin, "Optical, magnetooptical and magnetic properties of Fe/GaAs/Fe films: manifestation of interlayer exchange coupling", Phys. Met. And Metallography, 2001, vol. 91,1, p. 33

32. Касаткин С.И., Муравьёв A.M., Пудонин Ф.А. "Магнитные свойства FeNi-SiC-FeNi наногетероструктур", КСФ (ФИАН), 2002, 2, с.20-30

33. V.E.Buravtcova, E.A.Gan'shina, V.S.Guschin, S.I.Kasatkin, A.M.Muravjev, F.A.Pudonin Investigations of magnetic and magnetooptic properties of nanohetero-structures with NiFe and SiC layers», Journal of Microelectronic Engineering, 2003, V.69, N.2-4, p. 279-282

34. I.D.Lobov, F.A.Pudonin, M.M.Kirillova, A.V.Korolev, V.M.Maevskii "Magnetooptical and magnetic properties of Fe/ZnTe/Fe heterostructures", JMMM, 2003, 264, p.164-168

35. А.П.Болтаев, Н.А.Пенин, А.О.Погосов, Ф.А.Пудонин, «Обнаружение фотопроводимости в сверхтонких металлических пленках в видимой и инфракрасной областях спектра», ЖЭТФ, 2003, т.123, вып. 5,1067-1072

36. В.Е.Буравцова, Е.А.Ганьшина, В.С.Гущин, С.И.Касаткин, А.М.Муравьёв, Н.В.Плотникова, Ф.А.Пудонин «Магнитные и магнитооптические свойства многослойных наноструктур ферромагнетик-полупроводник», ФТТ, 2004, 46(5), 864-874

37. J. М. Talmadge, J. Gao, М. P. Riley, R. J. Roth, S.-O. Kim, and J. G. Eden, F. A. Pudonin, I. V. Mel'nikov «Magneto-Optical Kerr Effect in Fe21Ni79 Films.on Si(100):

Quantum Behavior for Film Thicknesses Below ~6 nm», Appl.Phys.Lett., 2004, 84(21), p.4197-4199

38. А.П.Болтаев, Н.А.Пенин, А.О.Погосов, Ф.А.Пудонин, «Активационная проводимость в островковых металлических пленках», ЖЭТФ, 2004, (4), с. 827-833

39. V.G. Avramenko, T.V. Dolgova, А.А. Nikulin, А.А. Fedyanin, О.А. Aktsipetrov, A.F. Pudonin, A.G.Sutyrin, D.Yu.Prokhorov, A.A.Lomov "Subnanometer-scale effects in electronic spectra of Si/Si02 multiple quantum wells: Interferometric second-harmonic generation spectroscopy", Phys.Rev.B, 2006, 73,155321-1 - 155321-13

40. А.П.Болтаев, Ф.А.Пудонин «Влияние слабого электрического поля на проводимость в тонких металлических пленках», ЖЭТФ, 2006, 0 (3), с.500-505

41. И.Д.Лобов, В.М.Маевский, М.М.Кириллова, А.В.Королев, Ф.А.Пудонин «Магнитооптические и магнитные свойства наногетероструктур Fe/ZnTe/Fe: проявление межслоевого обменного взаимодействия», ФММ, 2006, 102 (№2), с.1-9

42. А.П.Болтаев, Ф.А.Пудонин «Аномально высокая низкочастотная эффективная диэлектрическая проницаемость в системе металлических наноостровов», ЖЭТФ, 2008,4 (3), с. 587

Подписано в печать 6.10.2010 г. Формат 60x84/16. Заказ №47. Тираж 70 экз. П.л 3.25. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Теп. 499 783 3640

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГЛАВА 1. КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В

ТОНКИХ ПЛЕНКАХ 81 И СВЕРХРЕШЕТКАХ (81

8Ю2)г,.

1.1 .ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИ

КОВ И МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ.

1Л.1.ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ.

1.1.2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК.

1.1.3.ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

НА РОСТ ТОНКИХ ПЛЕНОК.

1.1.4.ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ.

1.2.РАЗМЕРНОЕ КВАНТОВАНИЕ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ (вьБЮг^.

1.2.1 .ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР (8ь8Ю2)м

ОДНОСЛОЙНАЯ МОДЕЛЬ.

1.2.2.ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР (81-8Ю2>№ МНОГОСЛОЙНАЯ МОДЕЛЬ.

2. ГЛАВА 2. ЛАВИННЫЙ ОТЖИГ АМОРФНЫХ ПОЛУ ПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР ЗА СЧЕТ ТЕПЛА, ВЫДЕЛЯЮЩЕГОСЯ ПРИ КРИСТАЛЛИЗИИ.

2.1.КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ КАК

ИСТОЧНИК ТИПЛА ПРИ ОТЖИГЕ ПЛНОК.

2.2.ОТЖИГ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК 81 И (81 - 8Ю2)М.

3. ГЛАВА 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ

СТРУКТУР (вьБЮг^ С УЛЬТРАМАЛЫМ ПЕРИОДОМ.:.

3.1.ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХРЕШЕТОК ф-вЮг^ СО СВЕРХТОНКИМИ СЛОЯМИ. ЭЛЕК-ТРОННОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.2.ПЕРЕСТРОЙКА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

ПОД ДЕЙСТВИЕМ АТОМНОЙ БОМБАРДИРОВКИ Ю

4. ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ В ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ.

4.1.ВВЕДЕНИ Е.

4.2.ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР. п

4.3.ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЯХ. п

4.4.0С0БЕНН0СТИ РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ В

СЛОЯХ А1 И Си. I

5. ГЛАВА 5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ МАГНИТНЫХ СЛОЕВ Со№, Со И Ее№.

5.1.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СЛОЕВ.

5.2.МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ КЕРРА.

5.3.МАГНИТО ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ СЛОЕВ Ге№.

5.4.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТО ОПТИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА СЛОЕВ Со И Со№.

6. ГЛАВА 6. МАГНИТНЫЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ ФЕРРОМАГНЕТИК-ПОЛУПРОВОДНИК

6.1.СТРУКТУРЫ Ее-СаАв-Ее С АНТИФЕРРОМАГНИТНЫМ ТИПОМ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

6.2.ИССЛЕДОВАНИЕ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СТРУКТУРАХ Ее-гпТе-Ре.

6.3.СПИН - ТУННЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ

7. ГЛАВА 7. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ МАГНИТНЫХ НАНООСТРОВОВ.

7.1.0С0БЕНН0СТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР ИЗ МАГНИТНЫХ НАНООСТРОВОВ И МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ.

7.2.МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ МАГНИТНЫХ НАНООСТРОВОВ.

7.3.СЕНСОРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ МАГНИТНЫХ НАНООСТРОВОВ.

Актуальность темы диссертации. Индустрия наносистем и материалов относится к приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в РФ. Основными задачами данного направления являются разработка технологий получения новых наноструктур и изучение их физических свойств, что необходимо для успешного использования наноструктур в практических целях. В связи с этим важным является получение новых знаний о природе процессов, протекающих в нанообъектах. В связи с большим прикладным потенциалом наиболее интенсивное развитие получили полупроводниковые и магнитные наноструктуры, к которым относятся сверхрешетки, многослойные структуры, квантовые ямы, проволоки, точки и др. В этих структурах существенную роль играют квантовые явления и размерные эффекты, которые оказывают значительное влияние на электрические, оптические и магнитные процессы в наноструктурах. Актуальность и важность работ в этом направление подтверждают и нобелевские премии Э.И.Алферова (2000 г.) за разработку полупроводниковых гетероструктур (зонная инженерия), А.Ферта и П.Грюнберга (2007 г.) за открытия эффекта гигантского маг-нитосопротивления.

Тема данной диссертации — размерные эффекты и магнитные свойства аморфных наноструктур на основе полупроводников и металлов — относится именно к упомянутому выше приоритетному направлению развития науки -нанотехнологии. В диссертации сделан упор на получение новых экспериментальных данных о физических свойствах аморфных многослойных структур полупроводник-диэлектрик. На момент начала работы (1980 г.) подобных наноструктур еще практически не было, хотя они и представляют большой интерес как с научной, так и с прикладной точек зрения. Преимуществом аморфных наноструктур (по сравнению с кристаллическими) является возможность выращивания многослойных наноструктур из материалов со значительным различием в величине постоянной кристаллической решетки. Это позволяет получать и изучать большое многообразие многослойных структур. В данной работе проведено систематическое изучение аморфных многослойных структур полупроводник-диэлектрик - (ЭьЗЮг^ - и обнаружен квантово-размерный эффект, проявляющийся в изменение ширины запрещенной зоны слоев при изменении их толщины. Необходимо отметить, что ранее делались предположения о невозможности наблюдения квантово-размерных эффектов в подобных структурах, что связывалось с наличием большой по величине плотности электронных состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников. В результате исследований размерных эффектов в структурах (БьЭЮг^ был предложен и реализован метод создания на основе данных структур новых кристаллических материалов. Кроме того, был предложен и новый способ кристаллизации как одиночных аморфных слоев, так и многослойных аморфных наноструктур.

Большое место в диссертации отведено особенностям проявления размерных эффектов в тонких металлических и магнитных пленках. В этих слоях был впервые обнаружен размерный эффект, проявляющийся в осцил-ляционной зависимости диэлектрической проницаемости, проводимости, плазменной частоты, оптического отражения и других параметров от толщины при комнатной температуре. Особенно интересным было обнаружение значительного изменения электрических и магнитных параметров пленок в диапазоне толщин 4-12 нм. Поскольку во многих устройствах спинтроники (магнитные датчики, считывающие магнитные головки и др.) используются слои толщиной именно из этого диапазона, то необходимо учитывать возможность значительного изменения рабочих параметров данных устройств при незначительных изменениях толщины слоев. Это также делает результаты исследований размерных эффектов в тонких металлических слоях актуальными.

Кроме того были предложены, выращены и исследованы новые многослойные магнитные структуры, состоящие из периодически чередующихся островковых слоев различных магнетиков. Отличительной особенностью данных многослойных структур явилась их способность при комнатной температуре детектировать сверхслабые магнитные поля вплоть до 10"5- 10"6 Э. Эти структуры предполагается в дальнейшем использовать при создании чувствительных датчиков слабых магнитных полей, которые представляют большой интерес для медицинских целей, систем навигации и др.

Цель работы. Целью работы является исследование размерных эффектов и магнитных свойств аморфных наноструктур на основе полупроводников и металлов.

Научная новизна. На момент проведения данной работы аморфные многослойные периодические наноструктуры практически не выращивались и не исследовались. Лишь в 1983 году появилась первая работа в этом направление [8]. В России (СССР) изучение физических свойств многослойных аморфных структур (8ь8Ю2)н и обнаружение в них квантово-размерного эффекта было впервые выполнено в данной диссертационной работе [12,18].

Новым явилась разработка и реализация нового типа лавинного импульсного отжига [18, 19] для кристаллизации многослойных аморфных структур и отдельных тонких слоев 81 и других полупроводников. Используя предложенный тип лавинного отжига короткопериодные многослойные структуры (ЗьБЮгЭы были кристаллизованы в новую кристаллическую структуру гексагональной симметрии.

В процессе исследования оптических и электрических свойств сверхтонких металлических пленок N1), N1, "П, А1, Си и др. был обнаружен размерный эффект, проявляющийся в возникновении осцилляционной зависимости диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, проводимости от толщины пленки [например, 72, 74, 78] с периодом порядка половина ферми-евской длины волны электрона в данном металле. В слоях А1 и Си с толщинами, лежащими в диапазоне перехода системы Ю-ЪТ) (с1 ~ 4.0 -12.0 нм) были обнаружены гигантские осцилляции г и коэффициента отражения в ИК области спектра [76,77]. В ферромагнитных слоях БеМ, Со и Со№ помимо существенного изменения от толщины пленки диэлектрической проницаемости обнаружено изменение магнитных параметров (поля анизотропии, ориентации осей намагничивания, величины эффекта Керра и др.). Найденные толщинные зависимости физических параметров пленок в диапазоне перехода 2Б-30 необходимо учитывать при создании различных спинтронных систем.

Впервые в данной работе на примере комбинированных структур Ре№-81С-Ре№ было подтверждено теоретическое предположение о возникновение обменного взаимодействия ферромагнетик - немагнитный полупроводник [110,151].

В диссертационной работе были предложены и выращены магнитные структуры, состоящие из периодически чередующихся наноостровковых слоев различных магнетиков. В этих системах было обнаружено магнитосопро-тивление ~ 2-3 %, а также однонаправленная магнитная анизотропия. Необходимо отметить, что такие структуры способны чувствовать рекордно слабые магнитные поля до 10'6 Э при комнатной температуре.

Научная и практическая ценность. В диссертации было показано, что в аморфных, многослойных структурах имеет место квантово-размерный эффект, проявляющийся в изменении ширины запрещенной зоны аморфного кремния. Был предложен и реализован новый тип импульсного лавинного отжига, с помощью которого можно кристаллизовать аморфные слои различных полупроводников и многослойных структур различного типа (полупроводник-диэлектрик, металл-полупроводник и др.). На примере аморфных ко-роткопериодных сверхрешеток (ЗЬБЮо^ продемонстрирована возможность получения из аморфных периодических структур новых кристаллических материалов, структура которых определяется сверхрешеточным периодическим потенциалом.

Важным как с научной точки зрения, так и в прикладном аспекте явилось обнаружение сильной зависимости физических параметров металлических и магнитных пленок от толщины при перехода 2Б-ЗВ (диапазон толщин 4-12 нм), поскольку слои именно из этого диапазона толщин используют при конструировании различных устройств спинтроники.

Экспериментальное обнаружение обменного взаимодействия между ферромагнитным слоем и слоем немагнитного полупроводника (8Ю), приводящее к изменению магнитных параметров ферромагнитных слоев может быть использовано для целенаправленного уменьшения коэрцитивного поля и поля насыщения у магнитомягких ферромагнетиков.

В диссертационной работе предложены многослойные структуры из периодически чередующихся наноостровковых слоев из различных магнетиков. В таких структурах при комнатной температуре наблюдается большое магнитосопротивление (-3%) в слабых магнитных полях (до 50Э). Отличительной особенностью этих островковых структур является их способность детектировать сверхслабые магнитные поля (до 10-5-10"бЭ), что может быть использовано при создании на их основе сенсоров слабых магнитных полей. Положения, выносимые на защиту

1.Обнаружение квантово-размерного эффекта в аморфных многослойных периодических структурах(81-8Ю2)ы> который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у 81 при с15; < 20 А.

2.Метод кристаллизации слоев различных полупроводников и полупроводниковых многослойных структур с помощью предложенного в работе лавинного отжига.

3.Обнаружение кристаллической решетки с гексагональной симметрией у кристаллизованных короткопериодных структур (БьЗЮо^ как результат воздействия сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны (81 и 810?).

4.Наблюдение стабильных и метастабильных объемных фаз кремния, возникающих при бомбардировке поверхности кристаллического кремния низкоэнергетичными атомами и ионами (Е ~ 1 -10 еУ)

5.Обнаружение осцилляционных зависимостей диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и БС проводимость и др. параметров от толщины металлических слоев №>, Тл, А1, N1, Си

6.Обнаружение зависимости оптических и магнитных параметров слоев металлов и ферромагнетиков в области толщин 4-1*2 нм (переход 2Б-ЗБ). 7.Выявление условий возникновения антиферромагнитного типа обменного взаимодействие между ферромагнитными слоями многослойных магнитопо-лупроводниковых наноструктурах Ре-ОаАэ-Ре, Ре-гпТе-Ре и Ре№-8Ю-Ре№ 8.Обнаружение в магнитных структурах Ре№-81С-РеМ порогового по магнитному полю обменного взаимодействия между немагнитным полупроводниковым слоем 81С и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев.

9.Обнаружение большого по величине магнитосопротивления, высокой чувствительности к сверхслабым магнитным полям и однонаправленной магнитной анизотропии в многослойных периодических структурах из магнитных наноостровов.

Личный вклад автора в получение результатов работы. Личный вклад автора заключается в выборе направления и объектов исследования, формулировке и постановке задач, выборе и разработке методов решения поставленных задач, интерпретации полученных результатов, написании статей и подготовке докладов.

Автором была модернизирована технологическая установка для получения тонких пленок, разработана технология получения аморфных полупроводниковых, металлических и магнитных слоев и многослойных структур на их основе, а также выращены все экспериментальные образцы, которые изучались в диссертации.

Автором были проведены все спектральные измерения структур (Si-SiC^)^ эллипсометрические измерения сверхтонких полупроводниковых, диэлектрических, металлических и магнитных пленок и проведена математическая обработка полученных данных. Автором на базе лазерного эллипсомет-ра сконструирована установка для исследований магнитооптического эффекта Керра и проведены измерения магнитооптических и магнитных параметров сверхтонких и островковых магнитных структур. Автор принимал участие в подготовке и проведения экспериментов на просвечивающим электронном микроскопе. Автор принимал участие в измерение электрических и магнитных параметров однослойных и многослойных островковых металлических и магнитных структур.

Апробация работы. Основные результаты диссертации и отдельные ее положения докладывались на семинарах в ФИАН, ИОФАН, ИФМ УрО РАН и др. и на следующих конференциях:

1 Международная конференция по нейтронной физике, г.Киев, сентябрь, 1987; Всесоюзная конференция «Ионно-лучевая модификация материалов», Черноголовка, июнь, 1987; XXI Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Кишинев, октябрь, 1988; 19 International Conference on the Physics Semiconductors, Warsaw, August, 1988; Sino-Soviet Seminar: Spectroscopy and Optoelectronics in SIM and Related Materials, Shunghai, China, May, 1990; 8 International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, Lubek, FRG, 1991; 1 Российская конференция по физике полупроводников, Н.Новгород, сентябрь, 1993; International Symposium: Nanostructures:Physics and Technology, St.Petersburg, June, 1993, 1995, 1998, 1999, 2004, 2005, 2006; XXI съезде по спектроскопии, Звенигород, февраль, 1995; XV Всероссийская школа-семинар "Новые магнитные материалы для микроэлектроники",июнь, Москва, 1996; 1-st International Conference on Low Temperature Physics, Prague, August, 1996; 2-ая Российская конференция по физике полупроводников, Зеленогорск, февраль, 1996; European Symposium on Lasers and Optics in Manufacturing, June, Faigrands, Munich, FR Germany, 1997; Наноструктуры на основе кремния и германия, Всероссийское совещание, Н.Новгород, март, 1998; XVII международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2000; Вторая объединенная конференция по магнитоэлектронике (международная), Екатеринбург, июнь, 2000; 6 Всероссийский семинар "Инженерно-физические проблемы новой техники", МВТУ, Москва, май, 2001; 12-й Международный симпозиум "Тонкие пленки в электронике", Харьков, Украина, апрель, 2001, XIV Уральская Международная школа по физике полупроводников "Электронные свойства низкоразмерных полу- и сверхпроводниковых структур, Екатеринбург, февраль, 2002; Moscow International Symposium on magnetism, June, 2002; Symposium and Summer School "Nano and Giga challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Moscow, September, 2002; XXXIII совещание по физике низких температур, Екатеринбург, февраль, 2003; International Conference "Functional Materials", ICFM2003, Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2003; Нанофотоника, Нижний Новгород, март, 2003; XV Уральская международная конференция по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2004; International conference «Functional Materials, ICFM-2005», October, 2005; VII Российская конференция по физике полупроводников, Москва, сентябрь, 2005; Совещание Программы фундаментальных исследований "Спин-зависимые явления в твердых телах и спинтро-ника", апрель, С.Петербург, октябрь, 2006; XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург-Кыштым, февраль, 2006; «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики», Москва, ФИАН, февраль, 2006; XX международная школа-семинар "Новые магнитные материалы ' микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2006; 7 Российско-Украинский семинар «Нанофизика и Наноэлектроника», октябрь, С.Петербург, 2006; VII International scientific Conference "Solid state chemistry and modern micro- and nanotechnologies", сентябрь, Кисловодск, 2007; International conference «Functional Materials, ICFM-2007», Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2007; XVII Уральская зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2008; 10 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой и. опто- и наноэлектронике, декабрь, С.Петербург, декабрь, 2008, XXI международная конференция "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в соавторстве 42 научные работы в ведущих отечественных и зарубежных журналах. Список публикаций приведен в Приложение. Основное содержание работы

Во Введение обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора в получение результатов работы, сведения об апробации работы и публикации автора по теме диссертации.

В Главе 1 рассматриваются решение задачи по созданию аморфных многослойных структур (81-8Ю2)ы и возможности наблюдения в них кванто-во-размерного эффекта. Описана технология приготовления сверхтонких полупроводниковых и диэлектрических слоев и приведены результаты исследования их электрических и оптических свойств. Для обнаружения квантово-размерного эффекта в главе изучены спектральные зависимости поглощения структур (81-8102)ы от толщины слоев 81 с использованием двух моделей расчета оптических констант. В заключение сделан вывод об обнаружение кван-тово-размерного эффекта, проявляющегося в изменение ширины запрещенной зоны аморфных многослойных структур при изменении толщины 81.

В Главе 2 предложен новый тип отжига аморфных полупроводниковых структур - лавинный отжиг. Рассмотрен физический механизм лавинного отжига, в процессе которого используется тепло, выделяющееся при фазовом переходе аморфной фазы подслоя металла в кристаллическую. Здесь же приведены результаты по кристаллизации аморфных слоев 81 и аморфных сверхрешеток (81-8Ю2)ы- Сделан вывод о возможности использования лавинного отжига для кристаллизации аморфных наноструктур.

В Главе 3 рассмотрены результаты кристаллизации короткопериодных аморфных систем (81-8Ю2)ы и сделан вывод о трансформации в процессе отжига аморфных сверхрешеток (8ь8Ю2)м в материал с новой кристаллической структурой гексагональной симметрии. В главе приведены результаты исследований модификации приповерхностных слоев монокристаллического 81, возникающей под действием бомбардировки поверхности 81 низкоэнерге-тичными атомами и ионами. Обнаружены новые стабильные и метастабиль-ные фазы 81, одна из которых по своим параметрам близка к кристаллической структуре отожженной короткопериодной сверхрешетке (81-8Ю2)м

В Главе 4 изучен эффект размерного квантования в тонких металлических слоях М), Си, N1, Тл и других металлах. Описана технология выращивания тонких металлических слоев. Показано, что в металлических слоях размерные эффекты приводят к осцилляциям диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, частоты столкновений, проводимости и т.д. при изменении толщины металлических слоев. Период обнаруженных осцилляций близок к половине фермиевской длины волны электрона в этих металлах. В главе рассмотрен случай перехода 20-ЗБ для слоев А1 и Си в диапазоне толщин 4-12 нм и обнаружены гигантские осцилляции диэлектрической проницаемости и ИК-отражения в зависимости от толщины исследуемых пленок.

В Главе 5 приведены результаты исследования магнитных и оптических свойств магнитных пленок БеМ, Со и Со№ в диапазоне толщин 1-12 нм, где имеет место переход ЪТ)-2Т>. Описаны особенности выращивания магнитных слоев. Показано, что в диапазоне толщин 4-12 нм, происходит существенное изменение электрических, магнитных и магнитооптических параметров ферромагнитных слоев.

В Главе 6 приведены результаты исследования оптических, магнитных и магнитооптических свойств многослойных магнитных структурах с полупроводниковыми барьерными слоями из ваАБ, БЮ и 2пТе. Найдены условия возникновения в этих структурах антиферромагнитного типа упорядочения магнитных моментов в соседних магнитных слоях. В структурах Ре№-81С-Ре№ обнаружено обменное взаимодействие между Ре№ и немагнитным БЮ и выявлены условия его возникновения.

В Главе 7 приведены основные результаты исследования электрических, магнитных и магнитооптических свойств многослойных периодических структур из магнитных наноостровков. Рассмотрены возможные механизмы возникновения^ магнитосопротивления и однонаправленной магнитной анизотропии в этих структурах. Обнаружено, что многослойные структуры на основе островковых слоев способны детектировать сверхслабые магнитные поля величиной до 10"5- 10"6 Э.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты работы. В Приложении приведен список работ автора по теме диссертации. В списке цитируемой литературы приведены литературные источники, на которые ссылался автор при написании диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработана технология выращивания тон-^ ких аморфных слоев и выращены аморфные полупроводниковые (81, 81С, ваАэ, 2пТе), диэлектрические (8102), металлические (№>, Т1, А1, Си и др.) и магнитные (БеМ, Со№, Бе, Бе№Со и др.) пленки, многослойные периодические структуры (8ь8Ю2)ы и многослойные структуры Ре-ОаАБ-Ре, Ре-ЕпТе-Ре, Ре1чП-81С-Ре№ и другие, т.е. все структуры, которые были изучены в данной диссертационной работе.

В результате проведенных исследований в аморфных многослойных периодических структурах^-8Ю2)ы обнаружен квантово-размерный эффект, который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у 81 при с^ < 20А. Для кристаллизации аморфных полупроводниковых слоев 81 и аморфных структур (81-8Юг)н предложен и реализован лавинный отжиг структур, при котором используется тепло, выделяющееся при фазовом переходе подслоя металла (N1) из аморфного состояния в кристаллическое. Методом просвечивающей электронной микроскопии было установлено, что в процессе лавинного отжига короткопериодные аморфные сверхрешетки (81-8Ю2)ы кристаллизуются в структуры с гексагональной симметрией. Показано, что трансформация структур (ЗьЭЮг^ обусловлена воздействием сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны.

В процессе изучения воздействия низкоэнергетичных (Е ~ 1 -10 еУ) атомов и ионов на поверхность кристаллического кремния были обнаружены стабильные и метастабильные объемные фазы кремния. Одна из обнаруженных фаз 81 по своей кристаллической структур совпадала с кристаллической структурой, в которую в процессе отжига трансформировались короткопериодные аморфные сверхрешетки (81-8Ю2)н.

При исследовании оптических и электрических свойств сверхтонких пленок №>, Т1, А1, N1, Си, W и др. обнаружены осцилляции диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и БС проводимость и др. параметров в зависимости от толщины металлических слоев. Период обнаруженных осцилляций составлял половину фермиевской длины волны электрона в изучаемом металле и лежал в диапазоне 0.25 - 0.9 нм. Установлено, что данные осцилляции физических параметров связаны с размерным эффектом в тонких металлических слоях. В слоях А1 и Си обнаружены гигантские осцилляции диэлектрической проницаемости и ИК-отражения в зависимости от толщины в области толщин 4-12 нм (область перехода 20-30). Период обнаруженных осцилляций был близок к фермиевской длине волны электрона в А1 и Си. В этом же диапазоне толщин (4-12 нм) в магнитных пленках Ре№, Со, Со№ обнаружено резкое изменение величинь1 эффекта Керра, полей магнитной анизотропии и насыщения, коэрцитивной силы и др. Также было обнаружено изменение ориентации осей легкого намагничивания в зависимости от толщины пленок, а в слоях БеМ - полярная намагниченность, которая как мы полагаем, обусловлена доменными стенками блоховского типа. Найденные зависимости были связаны с изменением магнитной структуры ферромагнитных пленок при переходе 2Б-30.

В результате изучения магнитооптических и магнитных свойств магни-тополупроводниковых структур Бе-СаАз-Ре, Ре-2пТе-Ре и РеМ-ЗЮ-РеМ выявлены условия возникновения антиферромагнитного типа обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями. Установлено, что в этих структурах антиферромагнитный тип обменного взаимодействия между магнитными слоями возможен лишь при определенных толщинах полупроводникового слоя - 1.8 - 2.2 нм. В магнитных структурах РеМ-БЮ-РеМ обнаружено пороговое по магнитному полю обменное взаимодействие между немагнитным полупроводниковым слоем 81С и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев.

В работе были предложены и выращены новые магнитные структуры, представляющие собой многослойные системы из периодически чередующихся островковых слоев различных магнетиков типа (БеМ- Со№)ц. В этих структурах обнаружено большое (более 3 %) магнитосопротивление и однонаправленная магнитная анизотропия. Установлено, что данные островковые структуры способны детектировать слабые магнитные поля вплоть до 10"5 — 1(Г6Э.

1. Келдыш, Л.В. О влиянии ультразвука на электронный спектр кристалла // Физика твердого тела. 1962. - №4. - С. 2265

2. Esaki, L. Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors / Esaki L, Tsu R// IBM Journal of Research and Development. -1970. -№14. -P.61

3. Силин, А.П. Полупроводниковые сверхрешетки // Успехи физических наук. -1985.- Т.147. С.485

4. Херман, М. Полупроводниковые сверхрешетки — М.: Мир, 1989. 37 с.

5. Thompson, G. MOCVD technology for semiconductors // Materials Letters. -1997. -V. 30, № 4. P.255

6. Winnerl, S. Quasistatic and dynamic interaction of high-frequency fields with miniband electrons in semiconductor superlattices / S.Winnerl, E. Schomburg, J. Grenzer et al. // Physical Review B. -1997. V. 56, №16. - P. 10303

7. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. Ред. Л. Ченг, К. Плоог. - М.: Мир, 1986. - 584с

8. Abeles, В. Amorphous Semiconductors Superlattices / Abeles В, Tiedje T // Physical Review Letters. 1983. - V.51, №21. - P.2003

9. Avramenko, V.G. Subnanometer-scale effects in electronic spectra of Si/SiOz multiple quantum wells: Interferometric second-harmonic generation spectroscopy / V.G. Avramenko, T.V. Dolgova, A.A. Nikulin et al. // Physical Review B. -2006. V.73.-P.155321-1

10. Пудонин, Ф.А. Свойства диэлектрических слоев двуокиси кремния, полученных методом высокочастотного плазменного распыления / Пудонин Ф.А., Селезнев В.Н. Токарчук Д.Н// Микроэлектроника. 1978. - №.7. - С.85

11. Пудонин, Ф.А. Показатель преломления сверхтонких слоев Si02, полученных методом высокочастотного плазменного распыления / Пудонин Ф.А., Свербиль П.П., Селезнев В.Н // Краткие сообщения по физике (ФИАН).1979. -№.4.- С.З

12. Крюков, С.А. Квантовый размерный эффект в аморфные многослойных структурах / Крюков С.А., Плотников А.Ф., Пудонин Ф.А., Стопачинский В.Б // Краткие сообщения по физике (ФИАН). 1986. - №5. - С.34

13. Горелик, B.C. Лазерный отжиг и комбинационное рассеяние света в ультратонких пленках кремния на плавленном кварце / В.С.Горелик, Ф.А.Пудонин, В.Б.Стопачинский, Т.Ф.Файзуллов // Краткие сообщения по физике (ФИАН). 1986. -№1. - С.З 8

14. Кучаев, С.В. Профильный оже-анализ МОНОП-структур с тонким диэлектриком / Кучаев С.В., Плотников А.Ф., Пудонин Ф.А., Селезнев В.Н., Токарчук Д.Н. // Краткие сообщения по физике (ФИАН). 1986. - №3. - С. 15

15. Плотников, А.Ф. Кристаллизация сверхрешеток Si -SICb, стимулированная одноосным периодическим потенциалом / Плотников А.Ф., Пудонин Ф.А., Стопачинский В.Б. // Письма в ЖЭТФ. 1987. - Т.46. - №11, - С.443

16. Pudonin, F.A. Crystallization of superlattices Si/Si02 stimulated by uniaxial periodical potential / F.A.Pudonin, A.F.Plotnikov, V.B.Stopachinsky // Physics

17. Semiconductors: Repot on 19 Intern. Conf.: Warsaw, Poland, August 1988. Warsaw, 1988. - V.l. -P.583

18. Виткалов, C.A. Аномальное поведение температуры сверхпроводящего перехода в сверхрешетках Nb/SiCb/ С.А.Виткалов, Ф.А.Пудонин, Е.Г.Сокол, И.М.Суслов //Письма в ЖЭТФ. -1989. Т.49, № 3. - С. 160

19. Глэнг, Р. Технология тонких пленок: Вакуумное испарение, Т.1: Ред. Л.Майсел, Р.Глэнг. - М.: Советское радио, 1977. - 355 с.

20. Knudsen, A.M. Die Molekularströmung der Gase durch Öffnungen und die Effusion // Annalen der Physik. 1909. - V.333. - P.999

21. Нейгебауэр, К.А. Технология тонких пленок: Конденсация, образование зародышей и рост тонких пленок, Т. 2. Ред. Л.Майсел, Р.Глэнг. - М.: Советское радио, 1977. - 9 с.

22. Венер, Г. Физический механизм распыления материалов под действием ионной бомбардировки (ионного распыления). / Венер Г., Андерсон Д.С. -М.: Советское радио, 1977. 353 с.

23. Sigmund, P. Theory of sputtering. 1. Sputtering yield of amotphous and poly-crystalline targets // Physical Review. -1969. -V.184, №2. P. 382

24. Ржанов, A.B. Основы эллипсометрии / Ржанов A.B., Свиташев К.К., Се-мененко А.И. и др. -М.: Наука, 1979. 422с.

25. Ландау, Л.Д. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М.- М.: Наука, 1974. 88 с.

26. Кофтонюк, Н.Ф. Электронные элементы на основа структур полупроводник-диэлектрик // Микроэлектроника. 1976. - №1. - С. 56

27. Методы анализа поверхностей. Ред. А.Зандера. - М.: Мир, 1979. - 584с.

28. Ж.Панков. Оптические процессы в полупроводниках. М.: Мир, 1973. — 105с.

29. Борн, M. Основы оптики / Борн M., Вольф Э.- М.: Наука, 1973. 66 с.

30. Nestell, J.E. Derivation of optical constants of metalll from thin-film measurement at oblique incidence / Nestell J.E., Christy R.W. // Applied Optics. -1972. -V.l 1. P. 647

31. Оптические материалы для инфракрасной техники. Ред. Воронков Е.М. и др.. - М.: Наука, 1965.- 144 с.

32. Zemek, J. On the role of hydrogen in a-Si / Zemek J., Zavvetova M., Kos S. // J. of Non-Crystalline Solids. 1980. - V.37. - P. 18

33. Рассеяние света в твердых телах.- Ред. М.Кардона. -М.: Мир, 1979.- 239 с.

34. Pretorius, R. Reaction of thin metal films with Si02 substrates / Pretorius R, Harris I.M., Nicolet M.A. // Solid State Electronics. -1978. V.21. - P.667

35. Kuzik, L.A. Reflectivity oscillations in superconducting superlattices Nb/Si02 / L.A.Kuzik, V.A.Yakovlev, F.A.Pudonin // Superlattices and Microstructures. -1995. -V.l 7, №4.-P.415

36. Никитин, C.A. Гигантское магнитосопротивление // Соросовский образовательный журнал. 2004. - Т. 8, №2. - С.92

37. Koblinger, D. Phonon stop bands in amorphous superlattices / Koblinger D., Mebert I., Dittrich E. et.al. // Physical Review B.-1987. -V.35, №17, P.9372

38. Klain, M.V. Phonons in semiconductor superlattices // IEEE J. of Quantum Electronics. 1986. - V.22, №9. - P. 1760

39. Кузик, JI.A. Квантовые размерные эффекты в оптических свойствах тонких металлических пленок / Л.А.Кузик, Дж.Маттеи, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев // Оптика и спектроскопия. 1997. -Т.83, № 6. - С.985

40. Алиева, Е.В. Оптические свойства тонких пленок ниобия в РЖ-области / Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев // Оптика и спектроскопия. -1994. Т.77, № 3.- С.484

41. Yokogama, Т. Т. ZnSe-ZnS strained-layers superlattices grown by low pressure metalloorganic vapor phase epitaxy, using methylakyls / Yokogama Т., Ogu-ka M., Kajiwara T. // Applied Physics Letters. -1986. -V.49, №25. P.' 1702

42. Watanabe, N. Ultrathin layers GaAs/GaAlAs grown by MOCVD and their structural characterization / Watanabe N., Могу Y. // Modulated Semiconductor Structures: Rep. on II International Conf.: Kyoto, Japan, September, 1985. -Kyoto, 1985.-P.220

43. Аронзон, Б.А. Проводимость, магнитосопротивление и эффект Холла в гранулированных пленках Fe/Si02 / Б.А.Аронзон, А.Е.Варфоломеев и др. // Физика твердого тела. 1999. - Т.41, №6, - С. 944

44. Киттель, Ч. Введение в физику твердого тела.- М.: Наука, 1978. 113 с.

45. Зеегер, К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977. - 29 с.

46. Курносов, A.M. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем / Курносов A.M., Юдин В.В. М.: Высшая школа, 1977,- 44 с.

47. Вайнштейн, Э.Е. Справочные таблицы по рентгеновской спектроскопии / Вайнштейн Э.Е., Кахана М.М. М.: АН СССР, 1953. - 272с

48. Аптекарь, И.Jl. Гексагональная фаза кремния / Аптекарь И.Л., Тонков Е.Ю. //Физика твердого тела. 1975. - Т. 17, №5. - С. 1488

49. Тонков, Е.Ю. Фазовые диаграммы элементов при высоком давлении. -М.: Наука, 1979.- 192с.

50. Беленький, А .Я. Электронные поверхностные состояния в кристаллах // Успехи физических наук. 1981. -Т. 134, №1. - С. 125

51. Zayats, A.V. Linear optical properties and second-harmonic generation from ultrathin niobium films: research for quantization effects / A.V.Zayats, O.Keller, K.Pedersen et al. // IEEE J. Quantum Electronics. 1995. -V.31, № 11. - P.2044

52. Зигмунд, П. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Распыление ионной бомбардировкой, общие теоретические представления, Т. 1.- М.: Мир, 1984.-23с.

53. Андерсон, X. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Измерения коэффициента распыления, Т.2 / Андерсен X., Бай X. М.: Мир, 1984.-237с.

54. Guslienko, K.Yu. Magnetization reversal due to vortex nucleation, displacement, and annihilation in submicron ferromagnetic dot arrays / Guslienko K.Yu., Novosad V., Otani Y., Shima H., Fukamichi K. // Physical Review B. 2001. -V.65.-P. 024414

55. Гусев, C.A. Коллективные эффекты в искусственных двумерных решетках ферромагнитных наночастиц / С.А. Гусев, Ю.Н. Ноздрин, М.В. Сапожников, А.А. Фраерман. // Успехи физических наук,- 2000. -Т. 170. С.331

56. Kuzik, L.A. Quantum size effects in the optical conductivity of ultra thin metal films / L.A.Kuzik, V.A.Yakovlev, F.A. Pudonin, G. Mattei // Surface Science. -1996. V.361/362. - P.882

57. Alieva, E.V. Optical properties of superthin niobium films, deposited on crystalline quartz / E.V.Alieva, E.I.Firsov, L.A.Kuzik et al. // Physics Letters A. -1991- V.152, № 1,2.-P.89

58. Виноградов, Е.А.Оценка оптической ширины запрещенной зоны сверхрешеток Si-Si02 / Виноградов Е.А., Макаров Г.И. //Физика твердого тела. -1989. -Т.31, № 10.-С.111

59. Кузьменко, В.М. Лавинная кристаллизация аморфных металлов / Кузь-менко В.М., Мельников В.И. // ЖЭТФ. -1982. -Т.82, №3. С.802бб.Зи, С.М. Физика полупроводниковых приборов. -М.: Энергия, 1974.- 656с.

60. Горшков, М.М. Эллилсометрия. М.: Наука, 1974. - 200с

61. Мот, Н. Электронные процессы в некристаллических веществах/ Н.Мот, Э.Девис. -М.: Мир, 1982.-368 с.

62. Mikerov, V.I. Investigation of interfaces with grazing incident neutron radiation / V.I.Mikerov, A.V.Vinogradov, I.V.Kozhevnikov et al. // Physica. -1991. -V 174. -P.174

63. Бухараев, A.A. Исследование микромагнетизма и перемагничивания на-ночастиц Ni с помощью магнитного силового микроскопа / А.А.Бухараев, Д.В.Овчинников, Н.И.Нургазизав и др. // Физика твердого тела. 1998. -Т.40, №7, - С. 1277

64. Носков М.М. Оптические и магнетооптические свойства металлов. —М.: УНЦ АН СССР, 1983. 225 с.

65. Kuzik, L.A. Optical and electrical properties of superthin niobium films, deposited on crystalline quartz / L.A.Kuzik, Y.Y.Petrov, V.A.Yakovlev, G.N.Zhizhin, F.A.Pudonin // Physics Letters A. 1992. - V.171, № 5,6. - P.418

66. Сандомирский, В.Б. Квантовый эффект размеров в пленке полуметалла // ЖЭТФ.-1967.-Т. 52.-С.158.

67. Kuzik, L.A. Conductivity spectra of superthin niobium films on crystalline quartz at room and low temperatures / L.A.Kuzik, Yu.Yu.Petrov, V.A.Yakovlev et al. // Zeitschrift for physic. -1994. B.93. - P.239

68. Алиева, E.B. Распространение поверхностных электромагнитных волн по кварцу со сверхтонкими слоями ниобия / Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А. Пу-донин, В.А.Яковлев // ФТТ. -1990,- В.32, №12. С.3550

69. Villagomez, R. Experimental measurements of the thickness dependence IR reflectance from Al quantum wells / R.Villagomez, O.Keller, F.Pudonin // Physical Letters A. 1997. - V.235, N 6. - P.629

70. Villagomez, R. Infrared reflectivity and dielectric permeability of ultra-thin Cu and Al films / R.Villagomez, F.A.Pudonin, O.Keller // Optics Communications. -1999.-V.170.-P.181

71. Кузик, Л.А. Оптические и электрические свойства ультратонких металлических пленок / Л.А.Кузик, Ю.Е.Петров, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев // ЖЭТФ.- 1994.-Т.105.-С.215

72. Гавриленко, В.И. Оптические свойства полупроводников / И.Гавриленко, А.М.Грехов, Д.В.Корбутяг, В.Г.Литовченко. М.: Наукова Думка, Киев, 1987.-525 с.

73. Салахутдинов, И.Ф. Аномальное отражение света от поверхности тонкой металлической гофрированной пленки / И.Ф.Салахутдинов, В.А.Сычугов, А.В.Тищенко и др. // Квантовая электроника. 1997. - Т.24, №.9. - С.815

74. Endo, Y. Interlayer coupling in Fe/FeixSix superlattices / Endo Y., Kitakami O., Shimada Y. // Physical Review B. 1999. - V.59. - P.4279

75. Fullerton, E.E. Non-oscillatory antiferromagnetic coupling in sputtered Fe/Si superlattices / Fullerton E.E., Mattson J.E. Lee S.R. et al. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 1992. - V.l 17. -P.3

76. Ustinov, V.V. High frequency impedance of magnetic superlattices showing giant magnetoresistance // J. of Magnetism and Magnetic Materials. -1997. -V.165, № 1-3. -P.125

77. Uran, S. Infrared spectra of giant magnetoresistance Fe/Cr/Fe trilayers / Uran S., Grimsditch M., Fullerton E.E. // Physical Review B. 1998. - V. 57, № 5. - P. 2705

78. Ustinov, V.V. Magnetooptical intensity effect in Fe/Cr superlattices / Ustinov V.V., LobovI.D., Maevskii V.M., Romashev L.N. // Magnetism: Proc. of Inter. Symp.: Moscow, Russia, June, 1999. -Moscow, 1999. P. 333

79. Быков, И.В. Магниторефрактивный эффект в гранулированных пленках с туннельным магнитосопротивлением / Быков И.В., Ганьшина Е.А., Грановский А.Б., Гущин B.C. // Физика твердого тела. 2000. - Т. 42, № 3. - С. 487

80. Кубраков, Н.Ф.Новый интенсивностный магнитооптический эффект в материалах, обладающих гигантским магнитосопротивлением / Кубраков Н.Ф., Звездин А.К., Звездин К.А. и др. // ЖЭТФ. -1998. Т. 114, № 3. -С.1101

81. Бел отелов, В.И. Негиротропные магнитооптические эффекты в магнитных тонких многослойных пленках металл—диэлектрик / Белотелов В.И., Звездин А.К., Котов В.А., Пятаков А.П. // Физика твердого тела. 2003. -Т.45, № 10. - С. 1862

82. Keller, О. Thickness dependence of optical second-harmonic generation from ultra thin niobium films/ O.Keller, A.Zayats, A.Liu et al. // Optics Communications. -1995. -V.115. -P.137

83. Устинов, В.В.Оптические, магнитооптические свойства и гигантское магнитосопротивление сверхрешёток Fe/Cr с неколлинеарным упорядочением слоёв железа / Устинов В.В., Кириллова М.М., Лобов И.Д. и др. // ЖЭТФ. 1996. - Т. 109, № 2. - С. 477

84. Trunk, Т. Domain Wall Structure in Permalloy Films with Decreasing Thickness at the Bloch to Neel Transition / T.Trunk, M. Redjdal, A. Kakay et al. // J. Applied Physics.-2001. -V.89. P.7606

85. Lobov, I.D. Magnetooptical and magnetic properties of Fe/ZnTe/Fe het-erostructures / I.D.Lobov, F.A.Pudonin, M.M.Kirillova et al. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2003. - V.264. - P. 164

86. Talmadge, J.M. Magneto-Optical Kerr Effect in Fe2iNi79 Films on Si(100): Quantum Behavior for Film Thicknesses Below ~6 nm / J. M. Talmadge, J. Gao, M. P. Riley et al. // Applied Physics Letters. -2004. V.84, №21. - P.4197

87. Физические величины. Ред. И.С.Григорьев, Е.З.Мейлихов. - М.: Энерго-атомиздат, 1991. -618 с.

88. Toskano, S. Exchange-coupling between ferromagnets through a non-metallic amorphous spacer-layer / Toskano S., Briner В., Hopster H., Landolt M. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. -1992. V.l 14. - P.26

89. Кириллова, M.M. Оптические и магнитооптические свойства многослойных пленок Fe/Cu: влияние периода модуляции и ОЦК-ГЦК фазового превращения в железе / Кириллова М.М., Лобов И.Д., Маевский В.М. и др. // ЖЭТФ.-1997. Т.112, №5. - С. 1694

90. Vries, J.J. Exponential Dependence of the Interlayer Exchange Coupling on the Spacer Thickness in MBE-grown Fe/SiFe/Fe Sandwiches / Vries J.J., Konlhepp J., Broeder F.J.A. et al. // Physical Review Letters. -1997. V.78. - P.3023.

91. Болотин, Г.А. Толщинная зависимость оптических и магнитооптических свойств многослойной системы Fe/Cu / Г.А.Болотин, М.М.Кириллова, И.Д.Лобов и др. // Физика металлов и металловедение.-1997.-Т.84, № 6.-С.57

92. Walser, P. Heat-induced effective exchange coupling in magnetic multilayers with semiconductors / Walser P., Hunziker M., Landolt M. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 1999. - V.200. - P.95

93. Bruno, P. Theory of interlay er magnetic coupling // Physical Review B. -1995. V.52. -P.411

94. Demokritov, S.O. Biquadratic interlayer coupling in layered magnetic systems //J. ofPhysicaD-Applied Physics. 1998. - V.31. -P.925.

95. Zoutic, I. Spintronics: Fundamentals and applications/ I. Zotic, J. Fabian, S. D. Sarma // Reviews of modern physics. -2004. V.76. - P.323

96. Lobov, I.D. Optical, magnetooptical and magnetic properties of Fe/GaAs/Fe films: manifestation of interlayer exchange coupling / I.D. Lobov, V.M. Maevskii, L.V. Nomerovannaya et al. // The Physics of Metals and Metallography. -2001. -V. 91, 1. -P. 33

97. Baxter, R.J. Importance of the interband contribution to the magneto-refractive effect in Co/Cu multilayers / Baxter R.J., Pettifor D.G., Tsymbal E.Y. et al. // J. of Physics Condensed Matter. - 2003. - V. 15, № 45. - P. L695

98. Гавриленко, В.И. Оптические свойства полупроводников / Гавриленко В.И., Грехов A.M., Корбутяк Д.Б., Литовченко В.Г. М.: Науко-ва Думка, Киев, 1987. - 608с.

99. Широковский, В.М. Аномалии оптического поглощения в железе / Ши-роковский В.М., Кириллова М.М., Шилкова H.A. // ЖЭТФ. 1982. - Т. 82, №3. - С. 784

100. Fonseca, T.L. Equilibrium configuration of magnetic trilayers / Fonseca T.L., AlmeidaN.S.//Physical ReviewB. 1998.-V. 57, № 1. -P.76

101. Hughes, H. Thermal activation of magnetization reversal in spin-valve systems / H.Hughes, H.Laidier, K.O.Grady // J. Applied Physics. 2001. - V.89, №10. -P.5585

102. Kasatkin, S.I. Sandwiched Thin-Film Structures for Magnetoresistive Spin-Tunneling Sensors / S.I.Kasatkin, A.M.Murav'jev, P.I.Nikitin et al. // Sensors & Actuators. -2000. V.81, №1-3. - P.57

103. Buravtcova, V.E. Investigations of magnetic and magnetooptic properties of nanoheterostructures with NiFe and SiC layers / V.E.Buravtcova, E.A.Gan'shina, V.S.Guschin et al. // Journal of Microelectronic Engineering. -2003.-V.69, №.2-4.- P.279

104. Буравцова, B.E. Магнитные и магнитооптические свойства многослойных наноструктур ферромагнетик-полупроводник / В.Е.Буравцова, Е.А.Ганьшина, В.С.Гущин и др. // Физика твердого тела. 2004. - Т.46, №5.- С.864

105. Егорян, В.М. Изменение магнитных и электронных параметров в системе полупроводник-магнитик при переходе от размерности 3D к 2D /

106. B.М.Егорян, Ф.А.Пудонин // Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики: Докл. конф.: Москва, ФИАН, февраль 2006. Москва, 2006. - С. 97

107. Пудонин, Ф.А. Магнитные параметры и диэлектрическая проницаемость системы тонких слоев ферромагнетика при переходе 3D-2D // Нанофизика и Наноэлектроника: Докл. 7-го Российско-Украинского семинара:

108. C.Петербург, 1-4 окт. 2006. С.Петербург, октябрь 2006. - С. 69

109. Болтаев, А.П. Обнаружение фотопроводимости в сверхтонких металлических пленках в видимой и инфракрасной областях спектра / А.П.Болтаев, Н.А.Пенин, А.О.Погосов, Ф.А.Пудонин //ЖЭТФ. -2003.-Т.123, №5.-СЛ067

110. Болтаев, А.П. Активационная проводимость в островковых металлических пленках / А.П.Болтаев, Н.А.Пенин, А.О.Погосов, Ф.А.Пудонин // ЖЭТФ. 2004. - Т.4. - С. 827

111. Болтаев, А.П. Влияние слабого электрического поля на проводимость в тонких металлических пленках / А.П.Болтаев, Ф.А.Пудонин // ЖЭТФ.2006.- Т. 123, №3. С.500

112. Болтаев, А.П. Аномально высокая эффективная диэлектрическая проницаемость системы металлических наноостровов из FeNi / А.П.Болтаев, Л.С.Подлесных, Ф.А.Пудонин // Краткие сообщения по физике (ФИАН).2007. № 8. - С. 3

113. Болтаев, А.П. Аномально высокая низкочастотная эффективная диэлектрическая проницаемость в системе металлических наноостровов / А.П.Болтаев, Ф.А.Пудонин // ЖЭТФ. -2008. -Т.4, №.3. С.587

114. Золотухин, И.В. Нанокомпозитные структуры на пути в наноэлектрони-ку / И.В.Золотухин, Ю.Е.Калинин, А.В.Ситников // Природа. 2006. - №1. -С.11

115. Варфоломеев, А.Е. Эффект большого положительного магнитосопро-тивления в слабых магнитных полях вметалл-диэлектрических нанокомпози-тах / А.Е.Варфоломеев, М.В. Седова // Физика твердого тела. 2003. -Т.45, №.3.- С.500

116. Аронзон, Б.А. Магнитные свойства квантовых ям / Аронзон Б.А., Лагутин А.С., Рыльков В.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2008. -Т. 87, № 3-4. - С. 192

117. Mikhailov, I.F. Growth morphology and structure peculiarities of superthin titanium films / I.F.Mikhailov, S.S.Borisova, L.F.Fomina et al. // Crystal Research and Technology. -1993. V.28, №6. - P.871

118. Виноградов, E.A. Оптические нелинейности в аморфных квантовых структурах Si/Si02 / Е.А.Виноградов, А.В.Заяц, Д.Н.Никогосян и др. // Оптика и спектроскопия. -1994. -Т.76, №2.- С.323

119. Mikhailov, I.F. Crystal structure and growth morphology of nickel superthin films / I.F.Mikhailov, S.S.Borisova, L.P.Fomina et al. // Ciystal Research and Technology. -1992. -V.27, № 8. -P. 1061

120. Binasch, G. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange / G.Binasch, P.Grunberg, F.Saurenbach, W.Zinn // Physical Review B. -1989. V.39. - P.4828

121. Болотин, Г.А. Экспериментальное и теоретическое изучение оптического отклика от многослойной системы Nb/Al /Г.А.Болотин, Л.В.Номерованная, М.М.Кириллова и др. // Физика металлов и металловедение.-1995. -Т.80, Ж1.-С.54

122. Фролов, Г.И. Однонаправленная анизотропия в ферро-ферримагнитной пленочной структуре / Г.И.Фролов, В.Ю.Яковчук, В.А.Середкин и др. // Журнал технической физики. 2005. - Т.75, №.12. - С. 69

123. Виноградов, Е.А. Спектр электронных состояний в ультратонких аморфных сверхрешетках Si/Si02/Е.А.Виноградов, А.В.Заяц, Ф.А.Пудонин // Физика твердого тела. -1991. Т.ЗЗ, №.1. - С. 197

124. Вонсовский, С.В. Магнетизм М.: Наук, 1971.- 1032 с.

125. Стогней, О.В. Изотропное положительное магнитосопротивление нано-гранулированных композиционных материалов Со-А12Оз / О.В.Стогней, А.В.Ситников, Ю.Е.Калинин и др. // Физика твердого тела. 2007. - Т.49, №.1. - С.158

126. Golonzka, O.V. Investigation of carrier tunneling in short-period a~Si/Si02 quantum structures with a scanning tunneling microscope / O.V.Golonzka, I.I.Smolyaninov, E.A.Vinogradov et al. // Physica Status Solidi (b). 1994.- V.181. - P.109

127. Clemens, D. Magnetic in-plane anisotropy in sputtered FeCo films and multilayers / Clemens D., Vananti A., Terrier C. et al. // Physica. -1997. -V. 234-236. -P.500

128. Dieny, B. Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. - V. 136, - P. 335

129. Mene'ndez, J.L. Optical and magneto-optical properties of Fe nanoparticles/ J. L. Mene'ndez, B. Besco's, G. Armelles et al. //Physical Review B. 2002.-V.65.-P. 205413

130. Julliere, M. Tunneling between ferromagnetic films // Physics Letters A. -1975. V.54.-P. 225

131. Огрин, Ю.Ф. О наблюдении квантовых размерных эффектов в тонких пленках висмута / Ю.Ф.Огрин, В.Н.Луцкий, М.И.Елинсон // Письма в ЖЭТФ.- 1966.-Т.З. -С.114

132. Тавгер, Б.А. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках / Б.А.Тавгер, В.Я.Демиховский // Успехи физических наук. 1968. - Т.96, №.1. - С.61

133. Каган, М.Ю. Квантовые осцилляции температуры сверхпроводящего перехода в системе металл-неметалл / Каган М.Ю, Дубовский Л.Б // ЖЭТФ.- 1977. Т.72, №2. - С. 646

134. Кротов, Ю.А. Проблема повышения Тс сверхпроводников с точки зрения поверхностных эффектов / Ю.А.Кротов, И.М.Суслов // ЖЭТФ. 1995. -Т.107, №2. - С. 512

135. Алиева, Е.В. Проявление квантовых размерных эффектов в оптике сверхтонких пленок ниобия / Е.В.Алиева, Л.А.Кузик, Ф.А.Пудонин, В.А.Яковлев // Оптика и Спектроскопия. 2001.- Т.90, №1. - С. 119

136. Keller, О. Optical diamagnetic response of niobium quantum wells / O.Keller, A.Liu // Physics Letters A. 1992. - V.l67. - P.301

137. Алферов, Ж.И. Наноматериалы и нанотехнологии / Ж.И.Алферов, Р.А.Сурис, А.Л.Асеев, С.В.Гапонов, В.И.Панов, Э.А.Полторацкий, Н.Н.Сибельдин // Микросистемная техника. 2003.- №8. - С.З

138. М.Бродски. Аморфные полупроводники М.: Мир, 1982. - 419с.

139. Джоунопулос, Дж. Физика гидрогенизированного аморфного кремния, ч.1/ Джоунопулос, Дж., Люковски Дж. М.: Мир, 1987. -363 с.