Свойства осаждённых из лазерной плазмы разбавленных магнитных полупроводников на основе GaSb, Si и Ge, легированных Mn или Fe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Левчук Сергей Александрович

Свойства осаждённых из лазерной плазмы разбавленных магнитных полупроводников на основе ваБЬ, 81 и ве, легированных Мп или Ре

01.04.10 - Физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 3 НОЯ 2011

Нижний Новгород - 2011

4858573

4858573

Работа выполнена на кафедре электроники твердого тела физического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Демидов Евгений Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Киселёв Владимир Константинович

кандидат физико-математических наук Дорохин Михаил Владимирович

Ведущая организация:

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Институт сверхпроводимости и физики твердого тела

Защита

состоится «16» ноября 2011г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.166.01 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23, корп. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан «14» октября 2011 г.

Отзывы направлять по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23, корп. 3

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.166.01, доктор физико-математических наук, профессор

А.И. Машин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение

Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) привлекают внимание возможностью совмещения в них полезных свойств полупроводников и ферромагнетиков, что важно для развития нового научного и технологического направления - спинтроники. Это направление отличает стремление непосредственно использовать спин электронов как дополнительную к поступательному движению степень свободы. В спинтронных устройствах формируются наноразмерные структуры, содержащие магнитные и немагнитные материалы. Имеются предпосылки к тому, что РМП на основе алмазоподобных полупроводников позволят формировать более качественную, чем в ранее исследованных металлических вариантах, границу ферромагнетик - немагнитный полупроводниковый материал. Настоящая работа посвящена развитию лазерной технологии формирования наноразмерных слоев новых магнитных материалов - РМП на основе алмазоподобных соединений Ш-У и исследованию возможности применения этой технологии для формирования РМП на основе элементарных полупроводников германия и кремния. Для исследования свойств новых материалов применялся широкий комплекс современных магнитотранспортных, магниторезонансных, магнитооптических, структурных и микрозондовых методов исследования.

Актуальность темы исследования

К началу выполнения настоящей работы положительные результаты выращенных РМП были получены на соединениях Ш-У, чему свидетельствует то, что большая часть публикаций была посвящена РМП на основе этих соединений и, главным образом, легированному марганцем арсениду галлия Gai.xMn.tAs. К настоящему времени эти материалы хорошо изучены, но до сих пор методы получения таких РМП не позволили достигнуть температуры Кюри (Тс) Оа^МпхАэ превышающей 170 К [1], что исключает применение этого материала при комнатных температурах, а значит и широкое промышленное применение таких материалов невозможно. РМП на основе элементарных полупроводников IV группы, таких как ве $1, особенно привлекательны в связи с их совместимостью с наиболее распространенной кремниевой технологией. В литературе были лишь отрывочные сведения о РМП на основе ве и Б1 с примесью Мп. В случае Се:Мп Тс не превышала 116К [2]. Наиболее распространенным методом выращивания слоев магнитных сплавов полупроводников с 3(1 элементами является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Вместе с тем были опубликованы обнадеживающие данные получения ионной имплантацией марганца в кремний слоев 81:Мп с точкой Кюри выше 300 К [3, 4]. Импульсная лазерная технология со сверхбыстрой кристаллизацией, обеспечивающей пересыщение полупроводникового твердого раствора Зс1-примесью, позволила ранее в нашей лаборатории получить первые результаты успешного синтеза РМП на основе антимонидов галлия и индия с точкой Кюри выше комнатной температуры [5]. Мы полагаем, что по неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твердого раствора 3(1-примеси наносекундный импульсный лазерный синтез не уступает ионно-лучевому легированию и может быть перспективным для синтеза РМП на основе ве и 81. Поэтому было целесообразно продолжить эксперименты по синтезу РМП на основе соединений Ш-У и исследовать возможности лазерной технологии для формирования высокотемпературных РМП на основе Се и Эь

Цель и основные задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможностей лазерного синтеза РМП с точкой Кюри выше комнатной температуры на основе легированных 3(1- элементами группы железа соединений Ш-У и элементарных полупроводников ве и 81, определения электрической и магнитной активности Зё- примеси, влияния дополнительного легирования мелкими примесями на проявления ферромагнетизма в РМП.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Продолжить комплексное исследование с применением магнитотранспортных, магниторезонансных, магнитооптических, структурных и микрозондовых методов исследования наноразмерных слоев РМП на основе соединений Ш-У, полученных осаждением из лазерной плазмы.

2. С применением того же комплекса методов исследовать возможности лазерного синтеза наноразмерных слоев высокотемпературных РМП на основе элементарных полупроводников германия и кремния, легированных 3(1- элементами группы железа. Изучить влияние режимов осаждения и лазерного отжига слоев, дополнительного легирования на их свойства.

Научная новизна работы

1. Впервые синтезированы наноразмерные слои новых ферромагнетных материалов -РМП с температурой Кюри до 500 К: на основе соединений Ш-У антимонидов галлия и индия с температурой Кюри до 500 К, элементарных полупроводников ве и с температурой Кюри до 400 К и 500 К, соответственно. Это обусловлено применением существенно неравновесной технологии ИЛО.

2. Показано, что РМП на основе соединений Ш-У БаБЬ, МЬ, ТпАв, германия и кремния имеют на два порядка большую подвижность носителей тока по сравнению с ранее известными магнитными полупроводниками - халькогенидами меди и хрома с точкой Кюри выше комнатной температуры.

3. Ферромагнетизм в этих РМП обусловлен твердым раствором Зё-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы, возможно управление свойствами РМП на основе 51 путем введения дополнительной акцепторной примеси.

Практическая значимость работы

1. Показана возможность лазерного осаждения нелегированных эпитаксиальных слоев кремния с высоким структурным совершенством и высокой подвижностью носителей тока.

2. Разработана технология лазерного синтеза РМП с гладкими границами на основе соединений Ш-У (ваБЬ, 1п5Ь) и элементарных полупроводников Бе и Бь

3. Получены методом ИЛО РМП с температурой Кюри выше комнатной температуры на основе соединений 1П-У (ваЗЬ, 1п8Ь) и элементарных полупроводников Ое и

Основные положения, выносимые на защиту

1. Возможен лазерный синтез наноразмерных слоев новых ферромагнитных материалов - РМП на основе соединений Ш-У ОаБЬ, МЬ, ТпАэ и германия монокристаллических подложках арсенида галлия, кремния на монокристаллических подложках арсенида галлия, кремния, сапфира и аморфного оксида кремния, легированных до 10-15 ат.% марганцем или железом. Ферромагнетизм слоев, высокие магнитная и акцепторная активность Мп и Бе проявились в наблюдениях при 77-500 К эффекта Керра, аномального эффекта Холла,

отрицательного магнитоспротивления, высокой дырочной проводимости и анизотропного ферромагнитного резонанса.

2. По неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твердого раствора Зс1-примеси в элементарных полупроводниках ве и Б! лазерный синтез превосходит технологию молекулярно-лучевой эпитаксии и в случае кремния не уступает ионно-лучевому легированию, примененному другими исследователями для формирования ферромагнитных слоев 51:Мп.

3. Известные ранее данные об электронных уровнях перезарядки примесных Зё- атомов в алмазоподобных полупроводниках позволяют выбрать наиболее предпочтительные примеси группы железа для реализации в этих полупроводниках высокотемпературного ферромагнетизма по механизму РККИ.

4. Разбавленные магнитные полупроводники на основе алмазоподобных полупроводников имеют на два порядка большую подвижность носителей тока по сравнению с ранее известными магнитными полупроводниками • халькогенидами меди и хрома с Тс выше комнатной температуры.

5. Микрозондовые измерения в сочетании с высокой электрической и магнитной активностью Зс1-примеси свидетельствуют, что ферромагнетизм обусловлен твердым раствором Зс1-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы. В случае 81, легированного Мп, это подтверждается данными влияния ионного облучения бором, сравнением со свойствами синтезированных нами дискретных сплавов и тем, что из всех бинарных силицидов только железо с кремнием образует ферромагнитные сплавы с Тс не ниже комнатной температуры.

Личный вклад автора

Автор внес определяющий вклад в проведение и обработку результатов магнитотранспортных измерений, а также принимал непосредственное участие в проведении магнитно-резонансных (совместно с С.Н. Гусевым) измерений и обработке их результатов. Анализ и интерпретация результатов проводились совместно с научным руководителем. Магнитные структуры были получены к.ф.-м.н. В.В. Подольским и В.П. Лесниковым при участии автора. Микрозондовые измерения выполнены к.ф.-м.н. Б.А. Грибковым и к.ф.-м.н. Д.О. Филатовым. Рентгеноструктурный анализ проведен д.ф.-м.н. Ю.Н. Дроздовым, элементный анализ - к.ф.-м.н. М.Н. Дроздовым, анализ химического состава - к.ф.-м.н. Д.Е. Николичевым, С.Ю Зубковым.

Работа была выполнена при финансовой поддержке следующих грантов:

1. МНТЦ 01335 (2007-2009);

2. Проект № 2.1.1/2833 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010);

3. Проект № 2.1.1/12029 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)";

4. Лот НОЦ, Государственный контракт от «29» марта 2010 г. № 02.740.11.0672 (20102012);

5. РФФИ 05-02-17362а;

6. РФФИ 08-02-01222а;

7. РФФИ 11-02-00855-а.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Х1/ХН/Х1П/Х1У/ХУ Международный симпозиум «Нанофизика и

3

наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2007 Г./10-14 марта 2008 Г./16-20 марта 2009 Г./15-19 марта 2010 Г./14-18 марта 2011 г.); Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», EASTMAG-2007 (Kazan, August 23-26, 2007); International Conference «Spin Electronics: Novel Phenomenon and Materials», «Spin Electronics 07» (Tbilisi, Georgia, October 22-24, 2007); Moscow International Symposium on Magnetism «MISM-2008» (Moscow, June 2025, 2008); V/WVII Международная конференция и IV/V/VI Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2008»/«КРЕМНИЙ-2009»/«КРЕМНИЙ-2010» (Черноголовка, 1-4 июля 2008 г./Новосибирск, 7-10 июля 2009 г./Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.); 7-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.); II/III Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Казань, 2831 октября 2008 г./Нижний Новгород, 26-29 октября 2010 г.); 14-я/15-я Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 Г./19-23 апреля 2010 г.); XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», НМММ XXI (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г.); IV Украинская научная конференция по физике полупроводников, УНКФП-4 (Запорожье, Украина, 15-19 сентября 2009 г.); II Международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением», MULTIFERROICS-2 (Ростов-на-Дону-Лоо, 2328 сентября 2009 г.); Workshop on Nanomagnetism, Spin-Electronics and Quantum Optics, NSEQO 2009 (Rio de Janeiro, Brazil, November 11-13,2009).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 34 печатных работ, в том числе 7 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и 27 публикаций в материалах международных, всероссийских и региональных конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 127 страниц, содержащих 77 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список цитируемой литературы содержит 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и поставлены основные задачи диссертационного исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о личном вкладе автора, апробации работы, публикациях, объеме и структуре диссертации.

Первая глава представляет собой обзор литературы по теме диссертационного исследования. Даётся определение магнитных полупроводников, разбавленных магнитных полупроводников (РМП), отмечены ожидаемые преимущества спинтроники на основе алмазоподобных РМП. Рассмотрены механизмы ферромагнитного упорядочения в

алмазоподобных магнитных полупроводниках, выбор матричного материала и легирующей 3d- примеси. Показано, что существующие теоретические предсказания точки Кюри Тс РМП на основе соединений II-IV, III-V и элементарных полупроводников Ge и Si ещё далеки от соответствия с экспериментом. Тем не менее, модель Рудермана-Киттеля-Касуйи-Иосиды (РККИ) представляется наиболее адекватной. Предлагается выбор матричного материала и легирующей примеси на основе ранее известных закономерностей в уровнях перезарядки примесных Зё-элементов в алмазоподобных полупроводниках [6]. Рассмотрены характерные для ферромагнетиков особенности магнитотранспортных свойств - аномальный эффект Холла (АЭХ) и отрицательное магнетосопротивление (ОМС). Приведён обзор экспериментальных достижений в синтезе РМП на основе алмазоподобных полупроводников III-V, элементарных полупроводников Ge и Si. Наибольшее количество исследований по части РМП на основе соединений III-V было посвящено GaMnAs (GaAs:Mn) с рекордной величиной 7^=170 К. Делались попытки синтезировать (In,Mn)As, (Ga,Mn)Sb. Наилучшие результаты были получены в нашей лаборатории НИФТИ ННГУ осаждением из лазерной плазмы эпитаксиальных слоев РМП (Ga,Mn)Sb (GaSb:Mn). В литературе наиболее распространённой при синтезе РМП является технология молекулярно - лучевой эпитаксии (МЛЭ). В случае германиевых РМП удалось получить эпитаксиальный рост ферромагнитных слоев Ge:Mn с 7>=116К. Наблюдались выделения ферромагнитных включений MnsGe3. В случае кремниевых РМП наилучшие результаты получены с использованием более неравновесной, чем МЛЭ технологии ионной имплантации марганца в кремний [3,4]. Получены слои РМП Si:Mn с точкой Кюри до 400 К. Рассмотрены ферромагнетизм химических соединений марганца с кремнием и германием, особенности и перспективы использования метода импульсного лазерного осаждения (ИЛО). В заключение представлены выводы из обзора литературы, на основе которых сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена методике получения и исследования свойств магнитных структур. В первой части главы описана разработанная в работе технология получения методом ИЛО нелегированных полупроводниковых слоёв и РМП. Отличие от традиционного метода ИЛО заключается в отклонении осей вращения испаряемых мишеней относительно лазерных лучей на некоторый угол в сторону от подложки, что позволяет в значительной степени снизить вероятность попадания крупных частиц лазерной плазмы на поверхность растущей пленки и, как следствие, образования крупномасштабных дефектов в ней. Суть метода схематически отражена на рисунке 1. Лазерный синтез слоев проводился в вакууме (~ 10"6 торр) на второй и третьей гармониках излучения твердотельного импульсного лазера на AHHNd Solar LS LQ 529A. Длительность импульсов составляла 12 не, частота следования импульсов - 10 Гц. Осаждение слоев производилось на монокристаллические подложки Si (100), Si (111), GaAs(100), сапфира А120з и аморфные подложки плавленого кварца при температуре Tg = 20-500 °С. Технология апробирована осаждением эпитаксиальных нелегированных наноразмерных слоёв Ge и Si с хорошей кристаллической структурой и подвижностью электронов, позволяет уменьшить осаждение на подложку крупных капель материала мишени. Описана методика лазерного отжига слоёв для гомогенизации свойств РМП.

Во второй части главы 2 описан комплекс методов исследования магнитных структур, включающий в себя магнитотранспортные, магнитно-резонансные, магнитооптические,

транспортные и микрозондовые измерения, а также рентгеноструктурный анализ, послойный элементный анализ и анализ химического состава. Магнитотранспортные измерения проводились в интервале значений индукции магнитного поля до 0,75 Тл при 77 К и комнатной температуре с использованием автоматизированной измерительной системы с использованием пятиконтактной зондовой схемы, дифференциального цифрового вольтметра с аналого-цифровым преобразованием сигналов. Магнитно-резонансные измерения проводились на модернизированном отечественном ЭПР спектрометре ЭПА-2М кафедры ЭТТ, в последующем - на ЭПР-спектрометре Bruker ЕМХ Plus в Х-диапазоне (9,8 ГГц) в интервале значений индукции магнитного поля до 1,5 Тл и температуры 77-500 К. Магнитооптические измерения проводились в меридиональной и полярной геометрии магнитооптического эффекта Керра (МОЭК) на длине волны лазерного излучения 0,63 мкм в интервале значений индукции магнитного поля до 0,3 Тл при комнатной температуре. Исследование морфологии поверхности и латерального распределения намагниченности проводилось соответственно методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и магнитно-силовой микроскопии (МСМ) в ИФМ РАН и НОЦ ФТНС ННГУ с использованием сканирующих зондовых микроскопов NT-MDT Solver PRO и Solver HV. Рентгеноструктурный анализ проводился в ИФМ РАН с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-4. Послойный элементный анализ проводился в ИФМ РАН методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с использованием времяпролетного масс-спектрометра IONTOF TOF.SIMS 5-100. Анализ химического состава проводился в НОЦ ФТНС ННГУ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на комплексе Omicron Multiprobe RM.

Третья глава посвящена изучению свойств наноразмерных слоев РМП на основе соединений III-V и германия, полученных методом ИЛО. Введение к главе отражает содержание главы. В последующих разделах главы представлены результаты исследования полученных методом ИЛО слоев соединений III-V и германия, легированных примесями группы железа. Общим для таких полупроводников является известное экспериментально установленное преимущественное положение примесных атомов группы железа в твердом растворе в виде атомов замещения компоненты III группы в соединениях III-V и атомов замещения в германии. Данные рентгеновской дифракции структур GaSb/GaAs, выращенных при Tg= 440°С показывают, что при лазерном осаждении слоев РМП GaSb:Mn имеет место эпитаксиальный рост слоев с блочной структурой. Картины АСМ и МСМ показывают слабую корреляцию между рельефом поверхности и латеральным распределением намагниченности пленки. Магнитная неоднородность оказалась более крупномасштабной, что может дополнительно свидетельствовать о том, что ферромагнетизм обусловлен

Рисунок 1. Схема метода ИЛО

с отклоненными мишенями, 1 - луч лазера; 2 - вращающиеся мишени; 3 - подложка; 4 - капельные компоненты лазерной плазмы.

твердым раствором Зс1-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы. Магнитотранспортные свойства РМП на основе III-V показали, что структуры со слоями Оа8Ь:Мп, выращенными при Г8=200°С характеризовались АЭХ до комнатной температуры, при повышенной температуре 7'г=440°С, имели нормальный эффект Холла как при комнатной температуре измерений, так и при 77 К как показано на рисунке 2.

« (б) Рисунок 2. Зависимости холловского сопротивления Яху от магнитного поля для трех образцов: 1 - ЬйЫМп, 2 - Оа8Ь:Мп, 3 -1пАз:Мп. Температура измерений: а) 293 К; б) 77 К.

Концентрация дырок составляла -5,0-1019 см"3 и ~1,51019 см"3 при температурах измерений 293 и 77 К, соответственно. Отжиг структур Оа8Ь:Мп (7"5=440°С) одиночным импульсом рубинового лазера привел к появлению аномального эффекта Холла. В результате такой обработки концентрация дырок в слоях значительно выросла (более чем 5,0-1020 см"3). В случае слоев 1пАз легирование марганцем могло приводить как к электронной, так и дырочной проводимости. Вероятно это связано с образованием кластеров МпАб. Ферромагнетизм слоев РМП на основе алмазоподобных полупроводников Ш-У кроме АЭХ был подтвержден также данными измерений и ФМР. Анизотропия спектров согласуется с классическим действием размагничивающих факторов плоского образца. В случаях Оа8Ь:Мп и 1п8Ь:Мп по данным ФМР точка Кюри Тс в обоих вариантах существенно выше 500 К (рисунок 3).

Данные измерения ФМР показали общее немонотонное изменение намагниченности с максимумом Тт при 390 К и 270 К, соответственно, для слоев 1п8Ь:Мп/СаА5 и Оа8Ь:Мп/ОаАз. Эта особенность в температурном изменении намагниченности в соединениях Ш-У и элементарных полупроводниках может быть качественно объяснена в рамках РККИ механизма относительным смещением энергетических уровней Зс1- примеси и краев зон полупроводника. Во всех случаях марганец проявляет высокую магнитную и электрическую активность как мелкий акцептор. Магнитная доля 3(1- примеси близка к ее полной концентрации. Концентрацией привносимых дырок р ~ 102о-102 'см"3 и составляет от 10 до 60% магнитной доли Зё-примеси.

При таких концентрациях дырок энергия Ферми в вырожденном РМП имеет величины = 0,1-0,3 эВ, которая больше кТ при комнатной температуре, что необходимо для РККИ ферромагнетизма. Данные нелинейного и гистерезисного МОЭК эпитаксиальных пленок 1пАз:Мп и Оа8Ь:Мп при 293 К свидетельствуют о наличии ферромагнетизма. Для того, чтобы выяснить не связан ли ферромагнетизм в РМП вавЫМи с включениями

ферромагнитной фазы Мп8Ъ были синтезированы образцы дискретного сплава Оа8Ь/Мп на таких же монокристаллических подложках ОаАв. Была синтезирована структура из пяти периодов чередующихся слоев по 10 нм Оа8Ь и 2 нм Мп, осажденных при 300°С. Электрические измерения показали дырочную проводимость, близкую к таковой у однородно легированных слоев Оа8Ь:Мп. Однако в отличие от однородного РМП спектр ФМР показал значительно меньшую величину намагниченности, а сами линии были значительно шире. Это связано с неоднородным распределением марганца в переходных областях вавЬ - Мп и возможным образованием преципитатов МпЭЬ.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

в, т

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 В, Т

Рисунок 3. Спектры ФМР образцов Оа8Ь:Мп/СаА5 (слева) и 1п8Ь:МпЛЗаАз (справа), ориентированных перпендикулярно к магнитному полю при различных температурах. Цифры у кривых справа показывают температуру в градусах Кельвина.

Вторая часть 3 главы посвящёна свойствам слоев разбавленных магнитных полупроводников Ое:Мп. Как и в случае РМП на основе алмазоподобных соединений III-V и по тем же соображениям (глава 1) при выборе легирующей примеси мы руководствовались

(*„, ст3/С

0,4

Рисунок 4. Магнитно-полевые зависимости холловского сопротивления Кху и постоянной Холла в аномальном эффекте Холла (АНЕ) при комнатной температуре слоев Ое:Мп с 13% Мп толщиной 110 нм на подложках ОаАв.

ранее приведенными в главе 1 закономерностями в уровнях перезарядки Зс1- примесей в алмазоподобных полупроводниках. Согласно этой схеме аналогом марганца в германии является железо. Однако и марганец в йе имеет акцепторные 3(1- уровни вблизи потолка валентной зоны германия. Поэтому и в связи с тем, что в литературе описаны РМП Ое:Мп мы исследовали варианты легирования, как марганцем, так и железом. Исследования влияния температуры осаждения на структуру слоев Ое:МпЛЗаА8 показали, что лишь при Тг=530°С появляются признаки кристаллической структуры. Для образцов с 13% Мп образуется поликристаллическая структура со слабыми рефлексами от монокристаллической фазы. Ферромагнетизм таких слоев подтверждён наблюдениями АЭХ при 77 и 293 К (рисунок 4). Из этих данных следует концентрация дырок р=5,3-10|9ем"3, что составляет около 2% атомов марганца, сравнительно высокая подвижность дырок р=28 см"/В-с. Акцепторное действие с малой энергией активации согласуется с ожидаемым по поведением марганца в положении замещения. Т.е. при лазерном осаждении нанометровых слоев встраивание 3(1-примеси в кристаллическую решетку кардинально отличается от такового в случаях прежних вариантов легирования объемных кристаллов.

При таких концентрациях дырок р~ 10 -1021см"3 энергия Ферми в вырожденном РМП имеет величины = 0,1-0,3 эВ, что больше кТ при комнатной температуре и необходимо для РККИ ферромагнетизма. Попытки сформировать ферромагнитные слои Ое:Мп с меньшим содержанием марганца не привели к успеху. Из данных измерений ФМР была определена удельная намагниченность слоев М, из которой, полагая, что каждый ион марганца имеет спин 5/2, была определена концентрация марганца Имп. Согласно данным ФМР концентрация магнитных ионов марганца при комнатной температуре в Ое 1,2-102'см"3 или 2,6% атомного (по отношению к германию) содержания марганца. Т.е. 20% от рентгеноспектрального содержания атомов марганца при 293 К показывают магнитную активность. Данные ФМР на рисунке 5 показывают возможность достижения температуры Кюри в РМП Ое:Мп до 400 К. В отличие от антимонидов галлия и индия для йе:Мп при понижении температуры до 77 К наблюдалось иное, монотонное возрастание магнитного момента. Это может быть связано с тем, что в случае германия уровни перезарядки марганца располагаются вблизи края валентной зоны, и температурное смещение ее края меньше сказывается на характере заполнения 3(1- оболочки. Для проверки влияния характера распределения марганца в германии при формировании слоев методом ИЛО были изготовлены слои дискретного сплава, состоящего из чередующихся слоев германия и марганца с приблизительно тем же соотношением компонентов, что и в однородно легированных слоях Ое:Мп. Оказалось, что

Рисунок 5. Спектры ФМР образцов Ое:Мп/ОаА$ ориентированных перпендикулярно к магнитному полю при различных температурах. Цифры у кривых справа показывают температуру в градусах Кельвина.

такие слои также обладают дырочной проводимостью. Но в отличие от варианта однородного легирования линии ФМР существенно шире и анизотропия существенно меньше. Это свидетельствует о том, что в однородно легированном образце ферромагнетизм обусловлен средой со сравнительно равномерным распределением намагниченности, вероятно, твердым раствором марганца в германии. Результаты попыток лазерного синтеза РМП Ое:Ре не показывают отчётливых признаков ферромагнетизма. В конце главы сформулированы основные выводы по главе.

В четвертой главе приведены результаты синтеза методом ИЛО и исследования РМП на основе кремния. Введение к главе отражает содержание главы. Впервые установлена возможность лазерного синтеза тонких слоев РМП БпМп/ОаАз с 15% Мп с температурой Кюри до 500 К по данным ФМР (рисунок 6).

Рисунок 6. Температурная зависимость спектра ФМР слоя ЗпМпЛЗаАв толщиной 50 нм, выращенного при 7^=400 °С. Магнитное поле направлено перпендикулярно (слева) и параллельно (справа) поверхности образца. Цифры у кривых показывают температуру в градусах Кельвина.

Ферромагнетизм слоев подтверждён также наблюдениями АЭХ и ОМС, МОЭК и измерениями гистерезисной нелинейной зависимости намагниченности (рисунок 7).

магнетосопротивления от магнитного поля в середине и полевая зависимость намагниченности справа при комнатной температуре для 50 нм слоя 8пМп/ОаАз, осажденного при 400°С.

Причём, слои ЭпМп обладают наилучшими свойствами по сочетанию ферромагнетизма и подвижности дырок до 30 см2/В-с при комнатной температуре. Уникальность варианта 8цМп состоит в том, что все известные силициды марганца не 10

являются ферромагнитными. Т.е. ферромагнетизм слоев Si:Mn явно не может быть связан с включениями или кластерами ферромагнитных фаз, что подтверждается данными АСМ и МСМ, сравнением с данными для дискретного сплава Si/Mn а также данными влияния ионного облучения бором слоев РМП Si:Mn/GaAs. Оптимальной для получения однородного распределения намагниченности в слоях РМП Si:Mn/GaAs является температура осаждения 400°С, но при этом температура Кюри снижается до 400 К. Решение проблемы удаления оксида кремния с кремниевых подложек и введение дополнительной мелкой акцепторной примеси алюминия позволило синтезировать методом ИЛО ферромагнитные слои с температурой Кюри 350 К. Метод ИЛО позволяет формировать ферромагнитные слои РМП Si:Mn с температурой Кюри не ниже 293 К на подложках монокристаллического сапфира и плавленого кварца. Показана возможность лазерного синтеза ферромагнитных слоев кремния, легированного железом с температурой Кюри 270 К на монокристаллических подложках GaAs А12Оз. Температура роста слоев 300-400°С достаточна для проявления ферромагнетизма в Si:Fe/GaAs. В конце главы сформулированы основные выводы по главе.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлена возможность синтеза тонких слоев РМП на основе соединений III-V -антимонидов галлия и индия, легированных марганцем с температурой Кюри свыше 500 К, арсенида индия с температурой Кюри свыше 77 К. Измерения ФМР в области низких температур при 77-500 К показали немонотонное изменение намагниченности для InSb:Mn и GaSb:Mn с максимумом при 390 К и 270 К, соответственно. Ферромагнитные свойства проявляются при комнатной и более высокой температуре при содержании примеси выше =5-1019см"3. Предельная концентрация 3<3-примеси с сохранением алмазоподобной структуры в GaSb не ниже =2-1021см"3. Ферромагнетизм таких РМП обусловлен твердым раствором 3(1-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы. Для РМП Ge:Mn и Si:Mn при понижении температуры до 77 К наблюдалось иное, чем у РМП GaSb:Mn, InSb:Mn монотонное возрастание магнитного момента.

2. Показана возможность лазерного синтеза тонких слоев пересыщенных до 13% 3d-примесями марганца элементарного полупроводника Ge. Ферромагнетизм слоев, высокие магнитная и акцепторная электрическая активность Мп в Ge проявились в наблюдениях при 77-500 К, аномального эффекта Холла, высокой дырочной проводимости и анизотропного ферромагнитного резонанса (ФМР). По данным ФМР точка Кюри Ge:Mn/GaAs не ниже 420 К.

3. Установлена возможность синтеза тонких слоев РМП Si:Mn/GaAs с 15%Мп с температурой Кюри до 500 К. Причём, слои Si:Mn обладают наилучшими свойствами по сочетанию ферромагнетизма и подвижности дырок. Уникальность варианта Si:Mn состоит в том, что все известные силициды марганца не являются ферромагнитными. Т.е. ферромагнетизм слоёв Si:Mn явно не может быть связан с включениями или кластерами ферромагнитных фаз, что подтверждается данными АСМ и МСМ, сравнением с данными для дискретного сплава Si/Mn а также данными влияния ионного облучения бором слоёв РМП Si:Mn/GaAs.

4. Оптимальной для получения однородного распределения намагниченности в слоях РМП 8пМп/ОаА5 является температура осаждения 400°С, но при этом температура Кюри снижается до 400 К.

5. По неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твёрдого раствора 3(3-примеси в алмазоподобных полупроводниках и образования РМП на их основе лазерный синтез превосходит МЛЭ. Значительная часть Зё- примеси в РМП на основе соединений III-V (ваБЬ, 1п8Ь) и элементарных полупроводников ве и Зьоказалась электрически и магнитно активной.

6. Решение проблемы удаления оксида кремния с кремниевых подложек и введение дополнительной мелкой акцепторной примеси алюминия позволило синтезировать методом ИЛО ферромагнитные слои 8г.(Мп,А1)/81 с температурой Кюри 350 К.

7. Метод ИЛО позволяет формировать ферромагнитные слои РМП БкМп с температурой Кюри не ниже 293 К на подложках монокристаллического сапфира и плавленого кварца.

8. Показана возможность лазерного синтеза ферромагнитных слоев кремния, легированного железом с температурой Кюри 270 К на монокристаллических подложках ОаАв АЬОз. Температура роста слоев 300-400°С достаточна для проявления ферромагнетизма в вкРе/СаАз.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

А1 Ферромагнетики на основе алмазоподобных полупроводников GaSb, InSb, Ge и Si, пересыщенных примесями марганца или железа при осаждении из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Д.М. Дружное, С.Н. Гусев, Б.А. Грибков, Д.О. Филатов, Ю.С. Степанова, С.А. Левчук // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. В. 1.С. 1-8;

А2 High-temperature ferromagnetism in laser-deposited layers of silicon and germanium doped with manganese or iron impurities / E.S. Demidov, B.A. Aronzon, S.N. Gusev, V.V. Karzanov, A.S. Lagutin, V.P. Lesnikov, S.A. Levchuk, S.N. Nikolaev, N.S. Perov, V.V. Podolskii, V.V. Rylkov, M.V. Sapozhnikov, A.V. Lashkul // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009. Vol. 321. No. 7. P. 690-694;

A3 Аномальный ферромагнитный резонанс в осажденных из лазерной плазмы слоях германия, легированного марганцем и алюминием / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев, В.В. Карзанов, Д.О. Филатов // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. В. 12. С. 852-855;

A4 Наноразмерные слои ферромагнитных сплавов кремния и марганца, полученные осаждением из лазерной плазмы / В.В. Подольский, В.П. Лесников, Е.С. Демидов, Д.Е. Николичев, В.Г. Бешенков, С.Н. Гусев, С.Ю. Зубков, С.А. Левчук, М.В. Сапожников // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 5. С. 10-17;

А5 Наноразмерные слои осажденных из лазерной плазмы ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния и германия / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74.№. Ю.С. 1450-1452;

А6 Формирование слоев полуметаллов MnAs и МпР для структур спинтроники / Б.Н. Звонков, О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, Ю.Н. Дроздов, А.В. Кудрин, С.А. Левчук, Е.А. Питиримова, М.В. Сапожников // Изв. РАН. Сер. Физическая, 2010. Т. 74. в.1. С. 23-25.

А7 Anomalous Hall effect in highly Mn-doped silicon films / S.N. Nikolaev, B.A. Aronzon, V.V. Ryl'kov, V.V. Tugushev, E.S. Demidov, S.A. Levchuk, V.P. Lesnikov, V.V. Podol'skii, R.R. Gareev // JETP Letters, 2009, Vol. 89, No. 12, pp. 603-608;

Публикации в материалах международных, всероссийских и региональных конференций

А8 Ферромагнетики на основе алмазоподобных полупроводников GaSb, InSb, Ge и Si, пересыщенных примесями марганца или железа при осаждении из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Д.М. Дружное,

C.Н. Гусев, Б.А. Грибков, Д.О. Филатов, Ю.С. Степанова, С.А. Левчук // Труды XI международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 1014 марта 2007 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2007. Т. 1. С. 150-153;

А9 High temperature ferromagnetism in laser deposited layers of silicon and germanium doped by manganese or iron impurities / E.S. Demidov, V.P. Lesnikov, V.V. Podolskii,

D.M. Druzhnov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk, M.V. Sapozhnikov // Abstract book of ESTMAG 2007 "Magnetism on nanoscale" (Kazan, August 23-26, 2007). 2007. P. 118;

A10 Ферромагнетизм осажденных из лазерной плазмы легированных марганцем слоев кремния и германия / Е.С. Демидов, В.П. Лесников, В.В. Подольский, Д.М. Дружнов, С.Н. Гусев, С.А. Левчук, М.В. Сапожников // Тезисы докладов IX международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 24-30 сентября 2007 г.). 2007. С. 153; All New diluted ferromagnetics on the basis of diamondlike semiconductors GaSb, InSb, InAs, Ge and Si, supersaturated by manganese or iron impurityes at laser epitaxy / V.V. Podolskii, Yu.A. Danilov, B.N. Zvonkov, E.S. Demidov, V.P. Lesnikov, O.V. Vikhrova M.V. Sapozhnikov, V.V. Karzanov, D.M. Druzhnov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk // Abstracts of the international conference "Spin electronics: novel phenomenon and materials", "Spin electronics 07" (Tbilisi, Georgia, October 22-24, 2007). 2007. PP. 16-17; A12 Наноразмерные ферромагнитные слои Si и Ge, легированные примесями марганца или железа при осаждении из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский,

B.П. Лесников, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, Д.М. Дружнов, С.Н. Гусев,

C.А. Левчук // Труды XII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2008 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2008. Т. 2. С. 263-264;

А13 Nanosized laser deposited layers of high temperature ferromagnetics based on silicon and germanium doped by manganese or iron impurities / E.S. Demidov, V.V. Podolskii, V.P. Lesnikov, M.V. Sapozhnikov, V.V. Karzanov, B.A. Gribkov, D.M. Druzhnov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk // Abstracts MISM-2008 (Moscow, June 20-25, 2008). 2008. P. 192;

A14 Наноразмерные слои разбавленных ферромагнитных полупроводников на основе легированных марганцем Si и Ge, полученные осаждением из лазерной плазмы / С.А. Левчук, В.В. Подольский, Е.С. Демидов, В.П. Лесников, С.Н. Гусев // Тезисы докладов V международной конференции и IV школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики

кремния, манометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2008» (Черноголовка, 1-4 июля 2008 г.). 2008. С. 160;

А15 Лазерный синтез высокотемпературных полупроводников на основе Ge и Si, легированных переходными элементами группы железа / Е.С. Демидов,

B.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев,

C.А. Левчук, Б.А. Грибков // Тезисы докладов X международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 4-11 октября 2008 г.). 2008. С. 136;

А16 Наноразмерные слои разбавленных ферромагнитных полупроводников на основе легированных марганцем и железом Si, полученные осаждением из лазерной плазмы / В.В. Подольский, Е.С. Демидов, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев // Тезисы докладов 7-й всероссийской молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.). 2008. С. 144-145;

А17 Ферромагнитный резонанс и эффект Керра в полученных лазерным осаждением наноразмерных слоях разбавленных магнитных полупроводников на основе германия и кремния, легированных марганцем / С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук // Тезисы докладов 7-й всероссийской молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.). 2008. С. 143-144;

А18 Высокотемпературные магнитные полупроводники на основе соединений АЗВ5, Ge и Si с примесями группы железа / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников,

B.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук, Б.А. Грибков // Тезисы докладов II всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Казань, 28-31 октября 2008 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2008. С. 33-34;

А19 Наноразмерные слои ферромагнитных дискретных сплавов кремния и марганца, полученные осаждением из лазерной плазмы / В.В. Подольский, В.П. Лесников, Е.С. Демидов, Д.Е. Николичев, С.Ю. Зубков, В.Г. Бешенков, М.В. Сапожников,

C.Н. Гусев, С.А. Левчук // Труды XIII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 16-20 марта 2009 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2009. Т. 2. С. 500-501;

А20 Осажденные из лазерной плазмы наноразмерные слои ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, германия и Зс1-металлов Сг, Mn, Fe и Со / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, Д.О. Филатов, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Труды XIII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 16-20 марта 2009 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2009. Т. 1. С. 88-89;

А21 Магнитнорезонансные и магнитооптические свойства полученных лазерным осаждением наноразмерных слоев разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, кобальта и марганца / С.Н. Гусев, С.А. Левчук, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников // Тезисы докладов 14-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 г.). 2009. С. 6-7;

А22 Магнитотранспортные свойства полученных лазерным осаждением наноразмерных слоев разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, кобальта и марганца / С.А. Левчук, С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников // Тезисы докладов 14-й Нижегородской сессии

молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 г.). 2009. С. 10-11;

А23 Ферромагнитные полупроводники и сплавы Гейслера на основе кремния, германия и 3[1-металлов Cr, Mn, Fe и Со, синтезированные осаждением из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Тезисы докладов XI международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 25-30 мая 2009 г.). 2009. С. 319;

А24 Наноразмерные слои осажденных из лазерной плазмы ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния и германия / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Сборник трудов XXI международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ XXI) (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г.). 2009. С. 442-444;

А25 Получение осаждением из лазерной плазмы наноразмерных слоев разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев, В.В. Карзанов // Тезисы докладов VI международной конференции и V школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2009» (Новосибирск, 7-10 июля 2009 г.). 2009. С. 125-126;

А26 Магниторезонансные, транспортные и магнитооптические свойства осажденных из лазерной плазмы наноразмерных слоев магнитных полупроводников на основе Si, Ge и соединений III-V / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Тезисы докладов IV Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-4) (Украина, Запорожье, 15-19 сентября 2009 г.). 2009. С. 54-55;

А27 Наноразмерные слои ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, германия и Зс1-металлов, осажденные из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев, М.В. Сапожников, Д.О. Филатов // Труды II международного, междисциплинарного симпозиума «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (MULTIFERROICS-2) (Ростов-на-Дону-Лоо, 23-28 сентября 2009 г.). 2009. С. 59-61;

А28 Наноразмерные слои ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, германия и 3<1-металлов / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Труды XIV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 1519 марта 2010 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2010. Т. 1. С. 201-202;

А29 Магнитные свойства наноразмерных слоев сплавов CoSi и Co2MnSi, полученных методом импульсного лазерного осаждения / С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, М.В. Сапожников // Тезисы докладов 15-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2010 г.). 2010. С. 70-71;

А30 Транспорт тока в наноразмерных слоях разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Тезисы докладов VII международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и

приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2010» (Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010. С. 163;

А31 Магнитные свойства наноразмерных пленок кремния, легированного марганцем, полученных импульсным лазерным осаждением / С.А. Левчук, Е.С. Демидов,

B.В. Подольский, В.П. Лесников, С.Н. Гусев, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков // Тезисы докладов VII международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2010» (Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010. С. 164;

А32 Магнитные свойства наноразмерных слоев сплава CoSi и сплава Гейслера Co2MnSi, полученных методом импульсного лазерного осаждения / С.Н. Гусев, Е.С. Демидов,

C.А. Левчук, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников // Тезисы докладов VII международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2010» (Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010. С. 208;

АЗЗ Наноразмерные слоистые структуры на основе ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, С.Н. Гусев, С.А. Левчук, A.A. Тронов // Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 1519 марта 2011 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2011. Т. 1. С. 79-80;

А34 Nanosized layered structures on a basis of ferromagnetic semiconductors and Heusler alloys / E.S. Demidov, V.V. Podolskii, V.P. Lesnikov, M.V. Sapozhnikov, V.V. Karzanov, B.A. Gribkov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk, A.A. Tronov // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM) (Moscow, August 21-25, 2011) Book of Abstracts. 2011. P. 286.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Mn Interstitial Diffusion in (Ga,Mn)As / Edmonds K.W., Boguslawski P., Wang K.Y., Campion R.P., Farley N.R.S., Gallagher B.L., Foxon C.T., Sawicki M., Dietl T., M. Buongiorno Nardelli, Bernholc J.// Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. P. 037201

2. A Group IV Ferromagnetic Semiconductor: MnXGel-X / Park Y.D., Mattson J.E., Hanbicki A.T., Erwin S.C., Hellberg C.S., Sullivan J.M., Mattson J.E., Ambrose T.F., Wilson A., Spanos G., Jonker B.T.// Science. 2002. V. 295. P. 651-654.

3. Above room temperature ferromagnetism in Mn-ion implanted Si /Bolduc M., Awo-Affouda C., Stollenwerk A., Huang M.B., Ramos F.G., Agnello G., LaBella V.P. //Phys. Rev. В. V. 71. P. 033302.

4. Ферромагнетизм кремния, имплантированного Mn: намагниченность и магнитооптический эффект Фарадея / Грановский А.Б., Сухоруков Ю.П., Орлов А.Ф., Перов Н.С., Королев A.B., Ганьшина Е.А., Зиненко В.И., Агафонов Ю.А., Сарайкин В.В., Телегин A.B., Яркин Д.Г.//Письма в ЖЭТФ. 85:7. 2007. С. 414-417

5. Свойства слоев GaSb:Mn, полученных осаждением из лазерной плазмы / Данилов Ю.А., Демидов Е.С., Дроздов Ю.Н., Лесников В.П., Подольский В.В. // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39, с. 8-12.

6. Демидов Е.С.Закономерности в поляризационной трансформации потенциалов ионизации 3d-HOHOB в их примесные уровни в алмазоподобных полупроводниках // Физика твердого тела. 1992. Т. 34. С. 37-48.

Подписано в печать 11.10.11. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ № 653. Тираж 120 экз.

Отпечатано в РИУ Нижегородского госуниверситета

им. Н. И. Лобачевского. 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

Введение.

Актуальность темы исследования.

Цель и основные задачи исследования.

Научная новизна работы.

Практическая значимость работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

Личный вклад автора.

Апробация работы.

Публикации.

Объем и структура диссертации.

Глава 1. Разбавленные магнитные полупроводники на основе алмазоподобных полупроводников, методы исследования, технология получения.

1.1 Введение.

1.2. Магнитные полупроводники.

1.3. Механизмы ферромагнитного упорядочения в алмазоподобных магнитных полупроводниках, выбор матричного материала и легирующей Зё- примеси.

1.3.1. Механизмы ферромагнитного упорядочения в алмазоподобных магнитных полупроводниках.

1.3.2. 3(1 металлы как легирующая примесь. Выбор матричного материала и легирующей примеси.

1.4. Особенности магнитотранспортных свойств в ферромагнетиках.

1.4.1. Аномальный эффект Холла.

1.4.2. Отрицательное магнетосопротивление.

1.5. РМП на основе алмазоподобных полупроводников.

1.5.1. РМП на основе соединений Ш-У.

1.5.2. РМП на основе элементарных полупроводников Ое и

1.5.2.1. РМП на основе йе.

1.5.2.2. РМП на основе

1.6. Ферромагнетизм химических соединений марганца с кремнием и германием

1.6.1. МпБ1.

1.6.2. Мп50еЗ.

1.7. Особенности и перспективы использования метода импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в сравнении с методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ)

3.2. Выбор матричного полупроводника и 3(1- примеси.58

3.3. Структурные свойства РМП на основе Ш-У.59

3.4. Магнитотранспортные свойства РМП на основе III-V.61

3.5. ФМР РМП на основе III-V.67

3.6. Магнитооптический эффект Керра (МОЭК).70

3.7. Измерение ферромагнитного резонанса (ФМР) для дискретного сплава ваБЬ/Мп.72

3.8. Свойства слоев разбавленных магнитных полупроводников Ое:Мп.73

3.8.1. Выбор легирующей Зё- примеси.74

3.8.2. Структура слоев Ое легированного и не легированного.74

3.8.3. Магнитотранспортные свойства.,.76

3.8.4. Измерение ферромагнитного резонанса для РМП ве:Мп.78

3.8.5. ФМР в дискретном сплаве Ое/Мп.80

3.8.6. Свойства слоев германия, легированного железом.81

3.9. Выводы.82

Глава 4. Свойства полученных осаждением из лазерной плазмы слоев разбавленных магнитных полупроводников на основе легированных марганцем или железом кремния.84

4.1. Введение.84

4.2. Выбор легирующей Зс1- примеси.84

4.3. Свойства слоев разбавленных магнитных полупроводников БкМп.85

4.3.1. Исследование структуры выращенных образцов 8кМп.85

4.3.2. Магнитотранспортные свойства.92

4.3.3. Намагниченность слоев 8г.Мп.94

4.3.4. Ферромагнитный резонанс для образцов БкМп/ОаАз.94

4.3.5. Магнитооптический эффект Керра (МОЭК) для слоев БкМп.99

4.4. Сравнение свойств слоев однородно легированного БгМп и дискретного сплава 8кМп.100

4.5. Влияние на магнитные и электрические свойства слоев кремния с примесью марганца последующих отжигов и введения дополнительных мелких примесей при формировании.101

4.5.1. РМП 8кМп на кремнии, влияние дополнительного легирования.101

4.5.2. Влияние последующих термических лазерных отжигов на свойства слоев

Si-.Mii.102

4.5.3. Влияние ионного облучения бором на свойства слоев 8кМп.104

4.6. Свойства слоев 8кМп на подложках из сапфира или кварца.105

4.7. Свойства слоев разбавленных магнитных полупроводников 8кРе.109

4.8. Выводы.111

Заключение.112

Основные результаты работы и выводы.112

Основные публикаций автора по теме диссертации.115

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.115

Публикации в материалах международных, всероссийских и региональных конференций.'.116

Список цитируемой литературы.120

Список сокращений

АЭХ аномальный эффект Холла

ВИМС вторично-ионная масс-спектрометрия

ВЧ высокая частота

ГМС гигантское магнетосопротивление дмэ дифракция медленных электронов

ДОБЭ дифракция отраженных быстрых электронов

ИЛО импульсное лазерное осаждение

ЛВЭ лазерная вакуумная эпитаксия млэ молекулярно-лучевая эпитаксия моэк магнитооптический эффект Керра мс магнетосопротивление мсм магнитно-силовая микроскопия мтп магнитный туннельный переход нп немагнитный полупроводник

ОМС отрицательное магнетосопротивление

РККИ Рудермана-Киттеля-Касуи-Иосиды (взаимодействие)

РМП разбавленный магнитный полупроводник

РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия свч сверхвысокая частота сом сканирующая Оже-микроскопия

УМЛЭ ускоренная моекулярно-лучевая эпитаксия

ФМР ферромагнитный резонанс

ФЭС рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия

ЭОС оже-спектрометрия

ЭПР электронный парамагнитный резонанс

Введение

Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) привлекают внимание возможностью совмещения в них полезных свойств полупроводников и ферромагнетиков, что важно для развития нового научного и технологического направления - спинтроники. Это направление отличает стремление непосредственно использовать спин электронов как дополнительную к поступательному движению степень свободы. В спинтронных устройствах формируются наноразмерные структуры, содержащие магнитные и немагнитные материалы. Имеются предпосылки к тому, что РМП на основе алмазоподобных полупроводников позволят формировать более качественную, чем в ранее исследованных металлических вариантах, границу ферромагнетик - немагнитный полупроводниковый материал. Настоящая работа посвящена развитию лазерной технологии формирования наноразмерных слоев новых магнитных материалов - РМП на основе алмазоподобных соединений Ш-У и исследованию возможности применения этой технологии для формирования РМП на основе элементарных полупроводников германия и кремния. Для исследования свойств новых материалов применялся широкий комплекс современных магнитотранспортных, магниторезонансных, магнитооптических, структурных и микрозондовых методов исследования.

Актуальность темы исследования

К началу выполнения настоящей работы положительные результаты выращенных РМП были получены на соединениях Ш-У, чему свидетельствует то, что большая часть публикаций была посвящена РМП на основе этих соединений и, главным образом, легированному марганцем арсениду галлия Оа1-хМпхА8. К настоящему времени эти материалы хорошо изучены, но до сих пор методы получения таких РМП не позволили достигнуть максимальной температуры Кюри (Тс) Оа^МпхАэ превышающей 170 К [1], что исключает применение этого материала при комнатных температурах, а значит и широкое промышленное применение таких материалов невозможно. РМП на основе элементарных полупроводников IV группы, таких как ве Б!, особенно привлекательны в связи с их совместимостью с наиболее распространенной кремниевой технологией. В литературе были лишь отрывочные сведения о РМП на основе ве и 81 с примесью Мп. В случае Ое:Мп Тс не превышала 116К [2]. Наиболее распространенным методом выращивания слоев магнитных сплавов полупроводников с 3с1 элементами является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Вместе с тем были опубликованы обнадеживающие данные получения ионной имплантацией марганца в кремний слоев ЭкМп с точкой Кюри выше 300К [3, 4]. Импульсная лазерная технология со сверхбыстрой кристаллизацией, обеспечивающей пересыщение полупроводникового твердого раствора Зё-примесью, позволила ранее в нашей лаборатории получить первые результаты успешного синтеза РМП на основе антимонидов галлия и индия с точкой Кюри выше комнатной температуры [5]. Мы полагаем, что по неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твердого раствора Зс1- примеси наносекундный импульсный лазерный синтез не уступает ионно-лучевому легированию и может быть перспективным для синтеза РМП на основе Ое и Поэтому было целесообразно продолжить эксперименты по синтезу РМП на основе соединений Ш-У и исследовать возможности лазерной технологии для формирования высокотемпературных РМП на основе Ое и Бь

Цель и основные задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможностей лазерного синтеза РМП с точкой Кюри выше комнатной температуры на основе легированных Зё-элементами группы железа соединений Ш-У и элементарных полупроводников Ое и 81, определения электрической и магнитной активности Зс1- примеси, влияния дополнительного легирования мелкими примесями на проявления ферромагнетизма в РМП.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Продолжить комплексное исследование с применением магнитотранспортных, магниторезонансных, магнитооптических, структурных и микрозондовых методов исследования наноразмерных слоев РМП на основе соединений Ш-У, полученных осаждением из лазерной плазмы.

2. С применением того же комплекса методов исследовать возможности лазерного синтеза наноразмерных слоев высокотемпературных РМП на основе элементарных полупроводников германия и кремния, легированных Зё- элементами группы железа. Изучить влияние режимов осаждения, лазерного оотжига, дополнительного легирования слоев на их свойства.

Научная новизна работы

1. Впервые синтезированы наноразмерные слои новых ферромагнетных материалов -РМП с температурой Кюри до 500 К: на основе соединений Ш-У антимонидов галлия и индия с температурой Кюри до 500 К, элементарных полупроводников ве и с температурой Кюри до 400 К и 500 К, соответственно. Это обусловлено применением существенно неравновесной технологии ИЛО.

2. Показано, что даже в аморфном состоянии РМП на основе соединений Ш-У ОаЭЬ, ГпБЬ, 1пАз, германия и кремния имеют на два порядка большую подвижность носителей тока по сравнению с ранее известными магнитными полупроводниками - халькогенидами меди и хрома с точкой Кюри выше комнатной температуры.

3. Ферромагнетизм в этих РМП обусловлен твердым раствором Зс1-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы, возможно управление свойствами РМП на основе путем введения дополнительной акцепторной примеси.

Практическая значимость работы

1. Показана возможность лазерного осаждения нелегированных эпитаксиальных слоев кремния с высоким структурным совершенством и высокой подвижностью носителей тока.

2. Разработана технология лазерного синтеза РМП с гладкими границами на основе соединений Ш-У (ваЗЬ, ¡пБЬ) и элементарных полупроводников ве и 81.

3. Получены методом ИЛО РМП с температурой Кюри выше комнатной температуры на основе соединений Ш-У (Оа8Ь, 1п8Ь) и элементарных полупроводников ве и 81.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Возможен лазерный синтез наноразмерных слоев новых ферромагнитных материалов - РМП на основе соединений Ш-У Оа8Ь, 1п8Ь, ГпАэ и германия монокристаллических подложках арсенида галлия, кремния на монокристаллических подложках арсенида галлия, кремния, сапфира и аморфного оксида кремния, легированных до 10-15 ат.% марганцем или железом. Ферромагнетизм слоев, высокие магнитная и акцепторная активность Мп и Бе проявились в наблюдениях при 77-500 К эффекта Керра, аномального эффекта Холла, отрицательного магнитоспротивления, высокой дырочной проводимости и анизотропного ферромагнитного резонанса.

2. По неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твердого раствора 3(1-примеси в элементарных полупроводниках Ое и 81 лазерный синтез превосходит технологию молекулярно-лучевой эпитаксии и в случае кремния не уступает ионно-лучевому легированию, примененному другими исследователями для формирования ферромагнитных слоев ЭкМп.

3. Известные ранее данные об электронных уровнях перезарядки примесных Зс1-атомов в алмазоподобных полупроводниках позволяют выбрать наиболее предпочтительные примеси группы железа для реализации в этих полупроводниках высокотемпературного ферромагнетизма по механизму РККИ.

4. Разбавленные магнитные полупроводники на основе алмазоподобных полупроводников имеют на два порядка большую подвижность носителей тока по сравнению с ранее известными магнитными полупроводниками - халькогенидами меди и хрома с Тс выше комнатной температуры.

5. Микрозондовые измерения в сочетании с высокой электрической и магнитной активностью 3d-примеси свидетельствуют, что ферромагнетизм обусловлен твердым раствором Зс1-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы. В случае Si, легированного Мп, это подтверждается данными влияния ионного облучения бором, сравнением со свойствами синтезированных нами дискретных сплавов и тем, что из всех бинарных силицидов только железо с кремнием образует ферромагнитные сплавы с Тс не ниже комнатной температуры.

Личный вклад автора

Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в проведении технологии получения слоев новых магнитных материалов, экспериментальных исследований магнитотранспортных свойств синтезированных материалов и обработке экспериментальных данных. Анализ и интерпретация результатов выполнялись совместно с научным руководителем и соавторами публикаций по теме диссертации.

Работа была выполнена при финансовой поддержке следующих грантов:

1. МНТЦ G1335 (2007-2009)

2. Проект № 2.1.1/2833 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)

3. Проект № 2.1.1/12029 аналитической ведомственной целевой программы

Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)"

4. Лот НОЦ, Государственный контракт от «29» марта 2010 г. № 02.740.11.0672

2010-2012)

5. РФФИ 05-02-17362а

6. РФФИ 08-02-01222а

7. РФФИ 11-02-00855-а

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI/XII/XIII/XIV/XV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2007 Г./10-14 марта 2008 Г./16-20 марта 2009 Г./15-19 марта 2010 Г./14-18 марта 2011 г.); Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», EASTMAG-2007 (Kazan, August 23-26, 2007); International Conference «Spin 9

Electronics: Novel Phenomenon and Materials», «Spin Electronics 07» (Tbilisi, Georgia, October 22-24, 2007); Moscow International Symposium on Magnetism «MISM-2008» (Moscow, June 20-25, 2008); V/VI/VII Международная конференция и IV/V/VI Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2008»/«КРЕМНИЙ-2009»/«КРЕМНИЙ-2010» (Черноголовка, 1-4 июля 2008 г./Новосибирск, 7-10 июля 2009 г./Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.); 7-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.); II/III Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Казань, 28-31 октября 2008 г./Нижний Новгород, 26-29 октября 2010 г.); 14-я/15-я Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 г./19-23 апреля 2010 г.); XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», НМММ XXI (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г.); IV Украинская научная конференция по физике полупроводников, УНКФП-4 (Запорожье, Украина, 15-19 сентября 2009 г.); II Международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением», MULTIFERROICS-2 (Ростов-на-Дону-Лоо, 23-28 сентября 2009 г.); Workshop on Nanomagnetism, Spin-Electronics and Quantum Optics, NSEQO 2009 (Rio de Janeiro, Brazil, November 11-13,2009).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 34 печатных работ, в том числе 7 статей [А1-А7] в ведущих рецензируемых научных журналах и 27 публикаций [А8-А34] в материалах международных, всероссийских и региональных конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 127 страниц, содержащих 77 рисунка и 4 таблицы. Библиографический список цитируемой литературы содержит 106 наименований.

Основные результаты работы и выводы

1. Установлена возможность синтеза тонких слоев РМП на основе соединений Ш-У -антимонидов галлия и индия, легированных марганцем с температурой Кюри свыше 500 К, арсенида индия с температурой Кюри свыше 77 К. Измерения ФМР в области низких температур при 77-500 К показали немонотонное изменение намагниченности для 1п8Ь:Мп и ОаЭЬ:Мп с максимумом при 390 К и 270 К, соответственно. Ферромагнитные свойства появляются при комнатной и более высокой температуре при содержании примеси выше ~5Т019см"3. Предельная концентрация Зё-примеси с

21 3 сохранением алмазоподобной структуры в ваБЬ не ниже -2-10 см" . Ферромагнетизм таких РМП обусловлен твердым раствором Зё-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы. Для РМП Ое:Мп и БгМп при понижении температуры до 77 К наблюдалось иное, чем у РМП GaSb:Mn, InSb:Mn монотонное возрастание магнитного момента.

2. Показана возможность лазерного синтеза тонких слоев пересыщенных до 13% 3d-примесями марганца элементарного полупроводника Ge. Ферромагнетизм слоев, высокие магнитная и акцепторная электрическая активность Мп в Ge проявились в наблюдениях при 77-500К, аномального эффекта Холла, высокой дырочной проводимости и анизотропного ферромагнитного резонанса (ФМР). По данным ФМР точка Кюри Ge:Mn/GaAs не ниже 420 К.

3. Установлена возможность синтеза тонких слоев РМП Si:Mn/GaAs с 15%Мп с температурой Кюри до 500 К. Причём, слои Si:Mn обладают наилучшими свойствами по сочетанию ферромагнетизма и подвижности дырок. Уникальность варианта Si:Mn состоит в том, что все известные силициды марганца не являются ферромагнитными. Т.е. ферромагнетизм слоёв Si:Mn явно не может быть связан с включениями или кластерами ферромагнитных фаз, что подтверждается данными АСМ и МСМ, сравнением с данными для дискретного сплава Si/Mn а также данными влияния ионного облучения бором слоёв РМП Si:Mn/GaAs.

4. Оптимальной для получения однородного распределения намагниченности в слоях РМП Si:Mn/GaAs является температура осаждения 400°С, но при этом температура Кюри снижается до 400 К.

5. По неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твёрдого раствора 3d- примеси в алмазоподобных полупроводниках и образования РМП на их основе лазерный синтез превосходит МЛЭ. Значительная часть 3d- примеси в РМП на основе соединений III-V (GaSb, InSb) и элементарных полупроводников Ge и Si.оказалась электрически и магнитно активной.

6. Решение проблемы удаления оксида кремния с кремниевых подложек и введение дополнительной мелкой акцепторной примеси алюминия позволило синтезировать методом ИЛО феррмагнитные слои Si:(Mn,Al)/Si с температурой Кюри 350К.

7. Метод ИЛО позволяет формировать феррмагнитные слои РМП Si:Mn с температурой Кюри не ниже 293 К на подложках монокристаллического сапфира и плавленого кварца.

8. Показана возможность лазерного синтеза ферромагнитных слоёв кремния, легированного железом с температурой Кюри 270 К на монокристаллических подложках GaAs А1203. Температура роста слоёв 300-400°С достаточна для проявления ферромагнетизма в Si:Fe/GaAs.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность научному руководителю д.ф.-м.н, профессору Е.С. Демидову за предложенную интересную тему, постоянное внимание к работе, помощь в проведении экспериментов и ценные обсуждения полученных результатов. Автор благодарен к.ф.-м.н. В.В. Подольскому и В.П. Лесникову за изготовление магнитных структур, к.ф.-м.н., доценту В.В. Карзанову за помощь в измерениях ФМР, к.ф.-м.н М.В. Сапожникову за помощь в измерениях МОЭК, С.Н. Гусеву за помощь в измерениях ФМР и МОЭК, к.ф.-м.н. Б.А. Грибкову и к.ф.-м.н. Д.О. Филатову за измерения АСМ и МСМ, д.ф.-м.н. Ю.Н. Дроздову за рентгеноструктурные измерения, к.ф.-м.н. М.Н. Дроздову за измерения ВИМС, к.ф.-м.н. Д.Е. Николичеву и С.Ю. Зубкову за измерения РФЭС.

Основные публикаций автора по теме диссертации

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах

Al Ферромагнетики на основе алмазоподобных полупроводников GaSb, InSb, Ge и Si, пересыщенных примесями марганца или железа при осаждении из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Д.М. Дружнов, С.Н. Гусев, Б.А. Грибков, Д.О. Филатов, Ю.С. Степанова, С.А. Левчук//ЖЭТФ. 2008. Т. 133. В. 1. С. 1-8; А2 High-temperature ferromagnetism in laser-deposited layers of silicon and germanium doped with manganese or iron impurities / E.S. Demidov, B.A. Aronzon, S.N. Gusev, V.V. Karzanov, A.S. Lagutin, V.P. Lesnikov, S.A. Levchuk, S.N. Nikolaev, N.S. Perov, V.V. Podolskii, V.V. Rylkov, M.V. Sapozhnikov, A.V. Lashkul // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009. Vol. 321. No. 7. P. 690-694; A3 Аномальный ферромагнитный резонанс в осажденных из лазерной плазмы слоях германия, легированного марганцем и алюминием / Е.С. Демидов,

B.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев, В.В. Карзанов, Д.О. Филатов // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. В. 12. С. 852-855;

A4 Наноразмерные слои ферромагнитных сплавов кремния и марганца, полученные осаждением из лазерной плазмы / В.В. Подольский, В.П. Лесников, Е.С. Демидов, Д.Е. Николичев, В.Г. Бешенков, С.Н. Гусев, С.Ю. Зубков,

C.А. Левчук, М.В. Сапожников // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 5. С. 10-17;

А5 Наноразмерные слои осажденных из лазерной плазмы ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния и германия / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков, В.П. Лесников,

B.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. №. 10. С. 1450-1452;

А6 Формирование слоев полуметаллов MnAs и МпР для структур спинтроники / Б.Н. Звонков, О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, Ю.Н. Дроздов, A.B. Кудрин,

C.А. Левчук, Е.А. Питиримова, М.В. Сапожников // Изв. РАН. Сер. Физическая, 2010. Т. 74. В.1.С. 23-25.

А7 Anomalous Hall effect in highly Mn-doped silicon films / S.N. Nikolaev, B.A. Aronzon, V.V. Ryl'kov, V.V. Tugushev, E.S. Demidov, S.A. Levchuk, V.P. Lesnikov, V.V. Podol'skii, R.R. Gareev // JETP Letters, 2009, Vol. 89, No. 12, pp. 603-608;

Публикации в материалах международных, всероссийских и региональных конференций

А1 Ферромагнетики на основе алмазоподобных полупроводников GaSb, InSb, Ge и Si, пересыщенных примесями марганца или железа при осаждении из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Д.М. Дружнов, С.Н. Гусев, Б.А. Грибков, Д.О. Филатов, Ю.С. Степанова,

C.А. Левчук // Труды XI международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2007 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2007. Т. 1. С. 150-153;

А2 High temperature ferromagnetism in laser deposited layers of silicon and germanium doped by manganese or iron impurities / E.S. Demidov, V.P. Lesnikov, V.V. Podolskii, D.M. Druzhnov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk, M.V. Sapozhnikov // Abstract book of ESTMAG 2007 "Magnetism on nanoscale" (Kazan, August 23-26, 2007). 2007. P. 118;

A3 Ферромагнетизм осажденных из лазерной плазмы легированных марганцем слоев кремния и германия / Е.С. Демидов, В.П. Лесников, В.В. Подольский, Д.М. Дружнов, С.Н. Гусев, С.А. Левчук, М.В. Сапожников // Тезисы докладов IX международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 24-30 сентября 2007 г.). 2007. С. 153;

А4 New diluted ferromagnetics on the basis of diamondlike semiconductors GaSb, InSb, InAs, Ge and Si, supersaturated by manganese or iron impurityes at laser epitaxy / V.V. Podolskii, Yu.A. Danilov, B.N. Zvonkov, E.S. Demidov, V.P. Lesnikov, O.V. Vikhrova M.V. Sapozhnikov, V.V. Karzanov, D.M. Druzhnov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk // Abstracts of the international conference "Spin electronics: novel phenomenon and materials", "Spin electronics 07" (Tbilisi, Georgia, October 22-24, 2007). 2007. PP. 16-17;

A5 Наноразмерные ферромагнитные слои Si и Ge, легированные примесями марганца или железа при осаждении из лазерной плазмы / Е.С. Демидов,

B.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, Д.М. Дружнов, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Труды XII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2008 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2008. Т. 2. С. 263-264;

А6 Nanosized laser deposited layers of high temperature ferromagnetics based on silicon and germanium doped by manganese or iron impurities / E.S. Demidov, V.V. Podolskii, V.P. Lesnikov, M.V. Sapozhnikov, V.V. Karzanov, B.A. Gribkov,

D.M. Druzhnov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk // Abstracts MISM-2008 (Moscow, June 20-25,2008). 2008. P. 192;

A7 Наноразмерные слои разбавленных ферромагнитных полупроводников на основе легированных марганцем Si и Ge, полученные осаждением из лазерной плазмы / С.А. Левчук, В.В. Подольский, Е.С. Демидов, В.П. Лесников,

C.Н. Гусев // Тезисы докладов V международной конференции и IV школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2008» (Черноголовка, 1-4 июля 2008 г.). 2008. С. 160;

А8 Лазерный синтез высокотемпературных полупроводников на основе Ge и Si, легированных переходными элементами группы железа / Е.С. Демидов,

B.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев,

C.А. Левчук, Б.А. Грибков // Тезисы докладов X международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 4-11 октября 2008 г.). 2008. С. 136;

А9 Наноразмерные слои разбавленных ферромагнитных полупроводников на основе легированных марганцем и железом Si, полученные осаждением из лазерной плазмы / В.В. Подольский, Е.С. Демидов, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев // Тезисы докладов 7-й всероссийской молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.). 2008. С. 144-145;

А10 Ферромагнитный резонанс и эффект Керра в полученных лазерным осаждением наноразмерных слоях разбавленных магнитных полупроводников на основе германия и кремния, легированных марганцем / С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук // Тезисы докладов 7-й всероссийской молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.). 2008. С. 143-144;

А11 Высокотемпературные магнитные полупроводники на основе соединений АЗВ5, Ge и Si с примесями группы железа / Е.С. Демидов, В.В. Подольский,

B.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук, Б.А. Грибков // Тезисы докладов II всероссийской конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Казань, 28-31 октября 2008 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2008. С. 33-34;

А12 Наноразмерные слои ферромагнитных дискретных сплавов кремния и марганца, полученные осаждением из лазерной плазмы / В.В. Подольский, В.П. Лесников, Е.С. Демидов, Д.Е. Николичев, С.Ю. Зубков, В.Г. Бешенков, М.В. Сапожников,

C.Н. Гусев, С.А. Левчук // Труды XIII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 16-20 марта 2009 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2009. Т. 2. С. 500-501;

А13 Осажденные из лазерной плазмы наноразмерные слои ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, германия и 3d-металлов Cr, Mn, Fe и Со / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, Д.О. Филатов, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Труды XIII международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 16-20 марта 2009 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2009. Т. 1. С. 8889;

А14 Магнитнорезонансные и магнитооптические свойства полученных лазерным осаждением наноразмерных слоев разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, кобальта и марганца / С.Н. Гусев, С.А. Левчук, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников // Тезисы докладов

117

14-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 г.). 2009. С. 6-7;

А15 Магнитотранспортные свойства полученных лазерным осаждением наноразмерных слоев разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, кобальта и марганца / С.А. Левчук, С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников // Тезисы докладов 14-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 г.). 2009. С. 10-11;

А16 Ферромагнитные полупроводники и сплавы Гейслера на основе кремния, германия и Зё-металлов Сг, Мп, Ре и Со, синтезированные осаждением из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Тезисы докладов XI международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 25-30 мая 2009 г.). 2009. С. 319;

А17 Наноразмерные слои осажденных из лазерной плазмы ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния и германия / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Сборник трудов XXI международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ XXI) (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г.). 2009. С. 442-444;

А18 Получение осаждением из лазерной плазмы наноразмерных слоев разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев, В.В. Карзанов // Тезисы докладов VI международной конференции и V школы молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2009» (Новосибирск, 7-10 июля 2009 г.). 2009.С. 125-126;

А19 Магниторезонансные, транспортные и магнитооптические свойства осажденных из лазерной плазмы наноразмерных слоев магнитных полупроводников на основе Б!, ве и соединений III-V / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Тезисы докладов IV Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-4) (Украина, Запорожье, 15-19 сентября 2009 г.). 2009. С. 54-55;

А20 Наноразмерные слои ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, германия и 3<3-металлов, осажденные из лазерной плазмы / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, С.Н. Гусев, М.В. Сапожников, Д.О. Филатов // Труды II международного, междисциплинарного симпозиума «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (МиЬТ1РЕЮЮ1С8-2) (Ростов-на-Дону-Лоо, 23-28 сентября 2009 г.). 2009. С. 59-61;

А21 Наноразмерные слои ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния, германия и 3(¿-металлов / Е.С. Демидов, В.В. Подольский,

118

B.П. Лесников, B.B. Карзанов, M.B. Сапожников, Б.А. Грибков, С.Н. Гусев,

C.А. Левчук // Труды XIV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 15-19 марта 2010 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2010. Т. 1. С. 201-202;

А22 Магнитные свойства наноразмерных слоев сплавов CoSi и Co2MnSi, полученных методом импульсного лазерного осаждения / С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.А. Левчук, М.В. Сапожников // Тезисы докладов 15-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2010 г.). 2010. С. 70-71;

А23 Транспорт тока в наноразмерных слоях разбавленных магнитных полупроводников и сплавов Гейслера на основе кремния / Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, С.Н. Гусев, С.А. Левчук // Тезисы докладов VII международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2010» (Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010. С. 163;

А24 Магнитные свойства наноразмерных пленок кремния, легированного марганцем, полученных импульсным лазерным осаждением / С.А. Левчук, Е.С. Демидов, В.В. Подольский, В.П. Лесников, С.Н. Гусев, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков // Тезисы докладов VII международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2010» (Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010. С. 164;

А25 Магнитные свойства наноразмерных слоев сплава CoSi и сплава Гейслера Co2MnSi, полученных методом импульсного лазерного осаждения / С.Н. Гусев, Е.С. Демидов, С.А. Левчук, В.В. Подольский, В.П. Лесников, М.В. Сапожников // Тезисы докладов VII международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2010» (Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.). Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010. С. 208;

А26 Наноразмерные слоистые структуры на основе ферромагнитных полупроводников и сплавов Гейслера / Е.С. Демидов, В.В. Подольский,

B.П. Лесников, В.В. Карзанов, М.В. Сапожников, Б.А. Грибков, С.Н. Гусев,

C.А. Левчук, A.A. Тронов // Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 15-19 марта 2011 г.). Нижний Новгород: ИФМ РАН. 2011. Т. 1. С. 79-80;

А27 Nanosized layered structures on a basis of ferromagnetic semiconductors and Heusler alloys / E.S. Demidov, V.V. Podolskii, V.P. Lesnikov, M.V. Sapozhnikov, V.V. Karzanov, B.A. Gribkov, S.N. Gusev, S.A. Levchuk, A.A. Tronov // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM) (Moscow, August 21-25, 2011) Book of Abstracts. 2011. P. 286.

Заключение

В результате выполнения данной работы выяснены возможности применения технологии ИЛО для формирования слоев РМП на основе антимонидов галлия и индия, кремния и германия, легированных Зё-элементами группы железа, с применением комплекса современных магнитно-резонансных, магнитооптических, магнитотранспортных, структурных и микрозондовых методов исследования.

1. Mn Interstitial Diffusion in (Ga,Mn)As / Edmonds K.W., Boguslawski P., Wang K.Y., Campion R.P., Farley N.R.S., Gallagher B.L., Foxon C.T., Sawicki M., Dietl Т., M. Buongiorno Nardelli, Bernholc J.// Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. P. 037201

2. A Group IV Ferromagnetic Semiconductor: MnXGe 1-Х / Park Y.D., Mattson J.E., Hanbicki A.T., Erwin S.C., Hellberg C.S., Sullivan J.M., Mattson J.E., Ambrose T.F., Wilson A., Spanos G., Jonker B.T.// Science. 2002. V. 295. P. 651-654.

3. Above room temperature ferromagnetism in Mn-ion implanted Si / Bolduc M., Awo-Affouda C., Stollenwerk A., Huang M.B., Ramos F.G., Agnello G., LaBella V.P. // Phys. Rev. В. V. 71. P. 033302.

4. Свойства слоев GaSb:Mn, полученных осаждением из лазерной плазмы / Данилов Ю.А., Демидов Е.С., Дроздов Ю.Н., Лесников В.П., Подольский В.В. // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39, с. 8-12.

5. Огнев А.В., Самордак А.С. Спинтроника: физические принципы, устройства, первспективы // Вестник ДВО РАН, 2006. Т. 4, С. 70-80.

6. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices / Baibich M.N., Broto J.M., Fert A., Nguyen Van Dau F., Petroff F., Etienne P., Creuzet G., Friederich A., Chazelas J. // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. P 2472-2475.

7. Giant magnetoresistance in heterogeneous Cu-Co alloys / Berkowitz A.E., Mitchell J.R., Carey M.J., Young A.P., Zhang S., Spada F.E., Parker F.T., Hutten A., Thomas G. // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. P. 3745-3748.

8. Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure / Ohno Y., Young D.K., Beschoten В., Matsukura F., Ohno H., Awschalom D.D // Nature. 1999. London, V. 402, P. 790-792.

9. Hall K.C., Flatte M.E. Performance of a spin-based insulated gate field effect transistor // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88, P. 162-503.

10. Excitation of a magnetic multilayer by an electric current / Tsoi M., Jansen A., Bass J., Chiang W.-C., Seek M„ Tsoi V., Wyder P. // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80, P. 4281,12.