Скачать 429.43 Kb.
|
на правах рукописи АРОНЗОН Борис Аронович Магнитные нанокомпозиты и полупроводниковые структуры вблизи перехода металл – диэлектрик 01.04.07. – физика конденсированного состояния Автореферат Диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук Москва - 2012 г. Работа выполнена в НБИК-центре Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» Официальные оппоненты: Доктор физико - математических наук, профессор, академик РАН Сурис Роберт Арнольдович Доктор физико - математических наук, член – корреспондент РАН Сибельдин Николай Николаевич Доктор физико - математических наук, профессор, член – корреспондент РАН Максимов Леонид Александрович Ведущая организация: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, (Москва) Физический факультет Защита состоится «___» ________ 200__ г. в _____ часов на заседании диссертационного совета, шифр Д 520.029.01 в НИЦ «Курчатовский институт» (123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, д.1). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ «Курчатовский институт» Автореферат разослан « » 2012 г. Ученый секретарь Диссертационного совета А.В. Мерзляков Общая характеристика работы Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию электронного транспорта, магнитных свойств и механизмов, их определяющих, в магнитных нанокомпозитах и полупроводниках вблизи перехода металл – диэлектрик. Актуальность темы и направленность исследования Диссертация содержит экспериментальные исследования магнитных нанокомпозитов и полупроводников вблизи перехода металл – диэлектрик. В настоящее время в мире идут интенсивные поиски материалов для спинтроники - новой области науки, изучающей явления и эффекты, в которых существенную роль играет не только заряд, но и спин электрона. Основным направлением полупроводниковой спинтроники являются исследования полупроводников, легированных магнитными атомами, и нанокомпозитов, содержащих магнитные нановключения в твердотельной матрице. Особый интерес эти исследования получили в последние годы в связи с развитием технологии создания разбавленных магнитных полупроводников с высоким содержанием магнитных атомов (в количестве до 10 ат.%), что обеспечило увеличение температуры Кюри (≈ 170 K), и развитием технологий внедрения магнитных наночастиц в различные материалы (нанокомпозиты). С фундаментальной точки зрения интерес к разбавленным магнитным полупроводникам и магнитным нанокомпозитам связан с проявлением в них, наряду с обычными для полупроводниковых структур взаимодействиями, нового сильного магнитного взаимодействия между магнитными атомами и носителями заряда, которое меняет свойства таких веществ и ведет к появлению новых эффектов и их проявлений. С практической точки зрения интерес к этим материалам связан с тем, что увеличение объемов и скорости передачи информации приближается к пределу, связанному с принципиальными физическими ограничениями на дальнейшее уменьшение размеров активных элементов. Спинтроника является одним из наиболее перспективных путей выхода из этого тупика, поскольку открывает возможность принципиально новых решений в электронике, позволяя использовать не только заряд, но и спин электрона для хранения и передачи информации. При поиске материалов для спинтроники существенна необходимость создания этих материалов на основе полупроводников, так как только в этом случае возможны одновременное управление спиновым и зарядовым транспортом и интегрирование спинтронных устройств в технологию и схемотехнику современной электроники. До сих пор исследования разбавленных магнитных полупроводников (РМП) и магнитных нанокомпозитов в основном ограничивались изучением объемных объектов. В то же время для современной (планарной) технологии гораздо больший интерес представляют двумерные структуры. Кроме того, низкоразмерные структуры наиболее интересны и для фундаментальных исследований, так как в этом случае появляются новые эффекты, а большинство известных ранее проявляется гораздо ярче. Другим недостатком исследовавшихся до сих пор систем является крайне низкая подвижность носителей заряда (< 5 см2/Bc), что резко ограничивает скорость работы структур на их основе и возможность наблюдения целого ряда интересных квантовых явлений. Значения температуры Кюри в исследовавшихся материалах существенно ниже комнатной (~ 200 К), что также ограничивает практический интерес к ним. В отличие от исследований, проводившихся ранее, в данной работе рассматриваются двумерные ферромагнитные полупроводниковые структуры с относительно высокой подвижностью (>2000 – 3000 см2/Bc), а также ферромагнитные структуры на основе кремния и нанокомпозиты с температурой Кюри более 330 К. Принципиальным отличием этих структур является пространственное разделение ферромагнитных включений и канала проводимости. Характерной особенностью данных материалов является высокое содержание магнитных примесей или нановключений, необходимое для реализации высоких значений температуры Кюри. Эти примеси и нановключения распределены в пространстве неоднородно, приводя к разупорядоченности, которая, в свою очередь, является причиной перехода из металлического в диэлектрическое состояние (перехода металл – диэлектрик) под действием внешних воздействий или при изменении состава материала. Описание свойств РМП структур и магнитных нанокомпозитов невозможно без понимания особенностей свойств разупорядоченных полупроводников вблизи перехода металл – диэлектрик. Поэтому, а также в силу постоянного научного интереса к переходу металл – диэлектрик в полупроводниках и связанным с ним явлений (мезоскопика, квантовые поправки к проводимости и т.д.), заметная часть диссертации посвящена этим явлениям в структурах с крупномасштабным флуктуационным потенциалом. Целью работы является выяснение природы электронного транспорта, магнитных свойств и механизмов, их определяющих, в системах, близких к переходу металл – диэлектрик, при наличии магнитных примесей и включений или внешнего магнитного поля. Наиболее существенные результаты и их новизна. Представленный в диссертации цикл работ относится в основном к периоду 1988 – 2011 гг. и содержит следующие основные результаты.
Результаты данных исследований вносят вклад в создание физической основы для элементной базы спинтроники и стимулировали возникновение новых направлений в физике магнитных полупроводников: исследования структур с пространственно разделенными слоями двумерных носителей заряда (квантовой ямой) и магнитных примесей и исследования магнитных полупроводников на основе кремния с высоким содержанием магнитных атомов. По результатам этих работ нами были получены патенты Российской Федерации «Элемент памяти на планарном эффекте Холла» и «Способ получения ферромагнитного кремния для изделий спинтроники». Положения выносимые на защиту
Практическая значимость диссертации заключается в том, что: полученные в настоящей работе результаты доказывают перспективность использования исследованных ферромагнитных полупроводниковых структур и нанокомпозитов для устройств спинтроники. Конкретное личное участие автора в получении научных результатов состоит в постановке задачи и организации всех исследований, участии в создании экспериментальных установок, разработке методик и участии в проведении измерений, обработке данных, интерпретации и изложении результатов. Степень обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов, полученных соискателем высока. Она обусловлена прецезионностью выполненных экспериментов, широким набором использованных экспериментальных методик, включающих в себя измерения электронного транспорта, спектра электрических шумов, мезоскопических эффектов, квантования кондактанса и магнитных параметров вещества в широкой области температур и магнитных полей, а также рентгеновские и электронномикроскопические исследования структуры. Обоснованность научных выводов подтверждается также согласием результатов, полученных различными экспериментальными методиками. Эти результаты получили подтверждение в работах других авторов и согласуются с теоретическими расчетами. Апробация работы: Результаты диссертации апробированы на международных и российских конференциях, ввиду их большого количества приведем лишь доклады, имевшие статус приглашенных, сделанные на: VII и X Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Звенигород 2005, Н. Новгород 2011), 24 Международной конференции по физике полупроводников (Иерусалим 1999), 2, 4, 6 Российско-Французских семинарах по нанофизике и нанотехнологиям (Париж 2003 и 2010, Лилль 2005), III и IV Евро-азиатских симпозиумах по магнетизму (Казань 2008, Екатеринбург 2010), VIII – XVIII Уральских международных зимних школах по физике полупроводников (Екатеринбург, с 1990 по 2010 каждые 2 года), Международной зимней школе по физике полупроводников (С. Петербург 2006), Международных конференциях по прыжковой проводимости и связанным явлениям (Шефаим, Израиль 2001, Будапешт 1997), 12 Международной конференции «Транспорт во взаимодействующих разупорядоченных системах» (Марбург 2007), Московских международных симпозиумах по магнетизму (Москва 2007, 2009, 2011), Международной конференции «Физика на пороге 21 века» (С. Петербург 1998), Совещаниях по коррелированным электронам в сильных магнитных полях (Эйн-Геди, Израиль 2004, Дрезден 2008), совещании НАТО по передовым исследованиям «Квантовый транспорт в наноструктурах» (С. Петербург 2002), Международной конференции «Нано и Гига вызов в микроэлектронике» (Москва 2002), XI и XIV Международных симпозиумах «Нанофизика и Наноэлектроника» (Н. Новгород 2007, 2010), Российско – Финском совещании по нанотехнологиям (Турку 2005). Основные результаты диссертации опубликованы в трудах конференций и 55 статьях, список которых приведен в конце автореферата. Структура диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержание работы Введение включает в себя постановку задачи, обоснование актуальности данных исследований и ряд вспомогательных сведений. Обзор литературы по каждой конкретной задаче исследований приводится в соответствующей главе. В главе 1 «Индуцированный магнитным полем переход металл-диэлектрик в полупроводниках с крупномасштабным флуктуационным потенциалом» обсуждаются свойства полупроводников с крупномасштабным флуктуационным потенциалом (ФП), вызываемым наличием компенсации примесей K=ND/NA, где ND и NA – концентрации доноров и акцепторов, соответственно, и индуцированный магнитным полем переход металл – диэлектрик за счет локализации электронов в этом потенциале. Согласно теории Шкловского и Эфроса при наличии ФП локализация электронов происходит не на отдельные примеси, а в ямы этого ФП. Различаются два случая: число электронов локализующихся в яме ФП ограничено а) зарядом ямы (классический ФП) или б) числом квантовых состояний в яме (квантовый ФП). В начальных разделах этой главы сообщаются основные результаты теории Шкловского и Эфроса [1]. Дополнительно в разделах 1.1.3 и 1.2.3 приведены выполненные нами расчеты электронной теплоемкости, которая оказывается заметно больше теплоемкости свободных электронов и равна для невырожденных электронов Ce= в случае классического, и Ce=2kB в случае квантового ФП, а для вырожденных электронов и Ce=, соответственно. В последующих разделах этой главы приведены экспериментальные данные подтверждающие выводы теории локализации электронов в ямах крупномасштабного ФП в случае, когда переход металл – диэлектрик индуцируется магнитным полем. К ним относятся: экспериментальные зависимости магнитного поля индуцирующего переход металл – диэлектрик от концентрации электронов и степени компенсации; температурные и магнитополевые зависимости компонент тензора проводимости, результаты изучения распространения ультразвука и СВЧ волн в неупорядоченных полупроводниках. Эти результаты полностью согласуются с выводами, вытекающими из модели локализации электронов в ФП, рассматривающей материал как металлические капли в диэлектрической матрице. В зависимости от напряженности магнитного поля можно выделить ряд областей, различающихся поведением компонент тензора сопротивления при изменении температуры T и магнитного поля B. В слабых магнитных полях xx, zz и постоянная Холла RH =xy/B очень слабо зависят от B и T. В области более сильных магнитных полей как xx, так и zz являются экспоненциально растущими функциями обратной температуры и магнитного поля (с энергией активации ε0), тогда как RH слабо зависит от B и T (см. рис. 1). Наконец, в области еще более сильных магнитных полей RH также растет с ростом B и 1/T. Эти три области соответствуют металлической проводимости, локализации электронов в крупномасштабном ФП и магнитному вымораживанию на отдельные примеси, которые сменяют друг друга с ростом B. В области локализации электронов в крупномасштабном ФП вещество представляет собой металлические капли (ямы флуктуационного потенциала, заполненные электронами) в диэлектрической матрице. В силу крупномасштабости ФП внутри этих капель проводимость может быть описана классическими выражениями. Случай квантового ФП характеризуется наличием холловского провала - минимум на зависимости RH(B) (см. рис. 1), - природа которого проанализирована в диссертации. Также, в этом случае, соотношение между предэкспоненциальными множителями компонент тензора проводимости имеет вид . Экспериментальные исследования электронной теплоемкости Се продемонстрировали ее слабую зависимость от B и соответствующие расчетным ее значения, что свидетельствуют в пользу локализации электронов в ямах крупномасштабного ФП, как механизма перехода металл – диэлектрик. Дальнейшие разделы (1.6.1 и 1.6.2) этой главы посвящены описанию низкотемпературного поведения проводимости в неупорядоченных полупроводниках с крупномасштабным флуктуационным потенциалом. Как известно, при низких температурах проводимость металлического типа определяется квантовыми поправками к формуле Друде, возникающими вследствие интерференции рассеянных электронных волн (слабая локализация) и перенормировки электрон - электронного взаимодействия. Температурная и магнитополевая зависимости проводимости при этом определяются соотношениями и . Рис.1. Магнитополевые зависимости энергии активации проводимости (+, Δ, ▼, ■, x) и коэффициента Холла RB(●, 0, ▲) для n-InSb (n = 5,4·1015см-3, K ≈ 0,8) (●, 0, ■) – A = 0,9 мэВ и нескольких образцов Hg1 - x Cdx Te () – А = 0,23 мэВ; (х) – А = 0,25 мэВ; (+) – A = 0,125 мэВ; (Δ) – А = 0,125 мэВ. Измерения выполнены при Т, К: (●) - 0,35; (0) - 4,2; (▲) - 2,2. В нашем случае для образцов близких к перколяционному переходу металл – диэлектрик характер температурной и магнитополевой зависимостей соответствует предсказаниям теории, однако значения коэффициентов а и b с ними не совпадают. Обнаруженное отличие расчетных и экспериментальных значений коэффициентов a и b объясняется тем, что перколяционный кластер, по которому осуществляется проводимость, занимает лишь часть объема образца. В силу этого локальные значения проводимости и концентрации электронов в канале протекания отличаются от эффективных, рассчитанных в предположении об однородности среды. Учет локальных значений параметров полупроводника приводит к значениям коэффициентов a и b, согласующимся с теоретическими расчетами. В разделе 1.6.2 приведены результаты наблюдения необычного отрицательного магнетосопротивления (ОМС), которое в отличие от обычного ОМС имеет сразу 2 минимума или 2 максимума проводимости, как показано на рис.2. Рис.2. Зависимости изменения поперечной σxx и продольной σzz составляющих проводимости от магнитного поля для одного из образцов сильнолегированного и компенированного InSb (n =3 1015см-3, К = 0.95). В Рис.3. Фазовая диаграмма электронной системы в протекательной среде в магнитном поле, pc – концентрация, соответствующая перколяционному переходу; М – металл; АД – андерсоновский диэлектрик; ДС – двухфазная среда, возникающая после перколяционного перехода металл – диэлектрик; КД – классический диэлектрик, электроны локализованы на примесях. Стрелками обозначены переходы, зафиксированные экспериментально. торой максимум проводимости связан с расщеплением спиновых подзон. В системах с малым временем релаксации электронного импульса и большим временем спиновой релаксации , когда <<1, а >>1, уровни Ландау не расщеплены, а спиновые подзоны расщепляются на величину. Это приводит к увеличению энергии Ферми в магнитном поле и, тем самым, к уменьшению сопротивления. На основе полученных результатов нами построена фазовая диаграмма перехода металл – диэлектрик, показанная на рис. 3, описание которой приведено в параграфе 1.6.3. В главе 2 «Некогерентная мезоскопика и квантование кондактанса в МДП структурах с крупномасштабным флуктуационным потенциалом» рассмотрены особенности мезоскопических эффектов в условиях перколяционной проводимости. Обычно мезоскопические эффекты присущи объектам, размеры которых соизмеримы с характерными масштабами их электрической неоднородности. Для некогерентных мезоскопических явлений в системах с перколяционной проводимостью это соответствует условию L< Физическая картина наблюдаемого явления представляется следующей. При положительных значениях Vg вблизи интерфейса полупроводник – оксид формируется квази-2D канал прыжковой проводимости, определяемый прыжками носителей заряда между ближайшими акцепторами, образующими случайную сетку [2, 3]. Средний размер ячеек такой сетки, характеризующий пространственный масштаб электрической неоднородности объекта, определяется корреляционной длиной перколяционного кластера Lc. С возрастанием Vg квази-2D канал прыжковой проводимости смещается вглубь слоя p-Si по нормали к поверхности, что сопровождается изменением конфигурации перколяционной сетки и, соответственно, вариацией локального потенциала в пределах ~ 2ExLc. По этой причине потенциал холловских зондов при изменении Vg испытывает флуктуации амплитудой 2ExLc, проявляющиеся в зависимости Vy (Vg) (см. рис. 4), что можно использовать для измерения Lc и использовано в главе 5. Рис. 4. Зависимость напряжения между холловскими зондами Vy от затворного напряжения Vg для кремниевой МОП структуры со встроенным каналом при Vx = 0.125 В при различных температурах, K: 1, 1’ - 23.6; 2 - 20.5; 3 - 18.1; кривая 1’ получена в магнитном поле 0.7 Тл, остальные - в отсутствии магнитного поля. В Рис. 5. Кривые эффекта поля для кремниевых транзисторных МНОП (металл-нитрид-оксид-полупроводник) структур с длинным (Lc< 2.5 ·1012см-2 (1, 2), 4.5 ·1012см-2 (3), 5.3 ·1012см-2 (4), 6.5 ·1012см-2 (5). |
Основная образовательная программа магистратуры (далее магистерская... Общая характеристика магистерской программы «Физика конденсированного состояния» по направлению подготовки 03. 04. 02 «Физика» | Реферат по курсу: ''эдсс'' на тему: ''Магнитные материалы для микроэлектроники'' Необходимы магнитные материалы, прозрачные в оптическом и ик-диапазоне, обладающие большой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения,... | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Последние получитли преимущественное распространение и называются моп- (металл-окисел-полупроводник) или мдп-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник).... | Рабочая программа учебной дисциплины Федерального Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (фгос впо) третьего поколения по направлению... | ||
Программа вступительных экзаменов в аспирантуру Укрупненная группа... ... | Рабочая программа дисциплины Компьютерные технологии в науке и производстве... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | ||
Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности... Программа предназначена для поступающих в аспирантуру кафедры | Урок «Обобщение по теме «Металлы» Физика конденсированного состояния по физико-математическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274... | ||
Рабочая программа дисциплины «история и философия науки» Физика конденсированного состояния, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274 от 08. 10. 2007 г., и учебным... | Рабочая программа учебной дисциплины «аморфные и микрокристаллические материалы» «Основы научных исследований», «Физика и химия конденсированного состояния/Теория электронного строения твердых тел», «Материаловедение... | ||
Радиационная стойкость системы вторичного электропитания космического... Физика конденсированного состояния по физико-математическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274... | Покоев Александр Владимирович, профессор, доктор физико-математических наук рабочая программа Физика конденсированного состояния по физико-математическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274... | ||
Рефераты №2-3-2014 С учетом комплексного влияния химического состава и способов обработки на магнитные и прочностные свойства стали были выбраны технологические... | Моделирование процесса конденсации инертных газов на поверхности... С 1 по 5 февраля в Томском государственном университете впервые проходят Дни науки: необычные лекции с применением эксперимента собрали... | ||
Урок «Агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание» Цель: повторить и обобщить зун по теме «Агрегатные состояния вещества»; сформировать представления о фазе вещества и фазового перехода;... | Рабочая программа по внеурочной деятельности в начальной школе «Занимательная физика» Кружок «Занимательная физика» является одним из важных элементов структуры средней общеобразовательной школы наряду с другими школьными... |