СПИНТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ SiMn

Магнитные полупроводниковые тонкие пленки на основе сплавов Si1−xMnx, обладающие высокотемпературным ферромагнетизмом (ФМ), привлекательны для создания элементов спинтроники, легко интегрируемых в существующую микроэлектронную технологию. Пленки Si1−xMnx находят применение для создания магниторезистивной оперативной памяти, спиновых транзисторов и  магнитных сенсоров.

Методом импульсного лазерного осаждения синтезированы тонкие пленки Si1-xMnx (x ~ 0,5), обладающие высокотемпературным ферромагнетизмом (ТС ~ 400K), сопровождаемым наблюдением аномального эффекта Холла, т.е. спиновой поляризацией носителей при температурах выше комнатной, что обеспечивает возможность применения таких пленок в спинтронных устройствах. Установлена зависимость  температуры Кюри пленок Si1-xMnx от энергии осаждаемых частиц, которая может контролироваться плотностью лазерной энергии на мишени и давлением буферного газа в напылительной камере.

Публикации:

  • Parul Pandey, A.B. Drovosekov, Y. Wang, C. Xu, S.N. Nikolaev, K.Yu. Chernoglazov, A.O. Savitsky, N.M. Kreines, K.I. Maslakov, E.A. Cherebilo, V.A. Mikhalevsky, O.A. Novodvorskii, V.V. Tugushev, V.V. Rylkov, M. Helm, S. Zhou Engineering of high-temperature ferromagnetic Si1–xMnx (x ≈ 0.5) alloyed films by pulsed laser deposition: Effect of laser fluence. JMMM, 459, 206 (2018).
  • Новодворский О.А., Михалевский В.А., Гусев Д.С., Лотин А.А., Паршина Л.С., Храмова О.Д.,  Черебыло Е.А. Времяпролетные характеристики лазерного факела при абляции мишени MnSi в атмосфере аргона. Письма в ЖТФ 2018, Vol. 44, No. 6, pp. 103–110
  • О. А. Новодворский, В. А. Михалевский, Д. С. Гусев, А. А. Лотин ,Л. С. Паршина, О. Д. Храмова, Е. А. Черебыло,А. Б. Дровосеков, В. В. Рыльков, С. Н. Николаев, К. Ю. Черноглазов, К. И. Маслаков Модификация ферромагнитных свойств тонких пленок Si1−xMnx, синтезируемых методом импульсного лазерного осаждения при изменении давления буферного газа, ФТП, 2018 т 52, в 11, 1313-1316
  • А. Б. Дровосеков, А. О. Савицкий,  Н. М. Крейнес, В. В. Рыльков, С. Н. Николаев, К. Ю. Черноглазов, А.Н. Талденков, Е. А. Черебыло, В. А. Михалевский, О. А. Новодворский, К. И. Маслаков, Parul Pandey, S. Zhou Влияние плотности энергии лазерного пучка на магнитные свойства тонких пленок MnxSi1-x (x ≈ 0.5), приготовленных методом импульсного лазерного осаждения ФТТ, Физика твердого тела, 2018, том 60, вып. 11, с.2147-2151.
  • B A Aronzon, A B Davydov, A L Vasiliev, N S Perov,O A Novodvorsky, L S Parshina, M Yu Presniakov and E Lahderanta High temperature magnetism and microstructure of ferromagnetic alloy Si1−xMnx// J. Phys.: Condens. Matter 29 (2017) 055802 (10pp) DOI: 10.1088/1361-648X/29/5/055802.
  • С.Н. Николаев, К.Ю. Черноголазов, А.В. Шорохова, Л.С. Паршина, В.А. Леванов, К.И. Маслаков, О.А. Новодворский, В.В. Рыльков, Магнитотранспортные свойства нестехиометрических Si-Mn сплавов с избытком марганца относительно силицидов Mn4Si7 и MnSi, Радиотехника и электроника, 2016, том 61, № 10, с.1-5
  • К.Ю. Черноглазов, С.Н. Николаев, В.В. Рыльков, А.С. Семисалова, А.В. Зенкевич, В.В. Тугушев, А.Л. Васильев, Ю.М. Чесноков, Э.М. Пашаев, Ю.А. Матвеев, А.Б. Грановский, О.А. Новодворский, А.С. Веденеев, А.С. Бугаев, А. Драченко, Ш. Жoу. Аномальный эффект Холла в поликристаллических пленках Si1-xMnx (x0.5) с самоорганизованным распределением кристаллитов по форме и размерам. Письма в ЖЭТФ, т.103, вып.7, с.539-546, 2016.
  • S.N. Nikolaev, A.S. Semisalova, V.V. Rylkov, V.V. Tugushev, A.V. Zenkevich, A.L. Vasiliev, E.M. Pashaev, K.Yu. Chernoglazov, Yu.M. Chesnokov, I.A. Likhachev, N.S. Perov, Yu.A. Matveyev, O.A. Novodvorskii, E.T. Kulatov, A.S. Bugaev, Y.Wang, S. Zhou. Ferromagnetism of MnxSi1-x (x~0.5) films grown in the shadow geometry by pulsed laser deposition method. AIP Advances, 6, 015020, 2016.
  • A.B. Drovosekov, N.M. Kreines, A.O. Savitsky, S.V. Kapelnitsky, V.V. Rylkov, V.V. Tugushev, G.V. Prutskovb, O.A. Novodvorskii, E.A.Cherebilo, Y. Wang, S. Zhou. Magnetic anisotropy of polycrystalline high-temperature ferromagnetic MnxSi1−x (x ≈ 0.5) alloy films. EuroPhysLett. V.115, 37008 (6pp) (2016)
  • V.V. Rylkov, A.S. Bugaev, O.A. Novodvorskii, V.V. Tugushev, E.T.Kulatov, A.V. Zenkevich, A.S. Semisalova, S.N. Nikolaev, A.S. Vedeneev, A.V. Shorokhova, D.V. Aver’yanov, K.Yu. Chernoglazov, E.A. Gan’shina, A.B. Granovsky, Y. Wang, V.Ya. Panchenko, S. Zhou, High-temperature ferromagnetism of Si1–xMnx (x ≈ 0.52-0.55) alloys. JMMM, 383, 39 (2015).
  • V.V. Rylkov, A.S. Bugaev, O.A. Novodvorskii, V.V. Tugushev, E.T. Kulatov, A.V.  Zenkevich, A.S. Semisalova, S.N. Nikolaev, A.S. Vedeneev, A.V. Shorokhova,  D.V. Aver’yanov, K.Yu. Chernoglazov, E.A. Gan’shina, A.B. Granovsky, Y. Wang, V.Ya. Panchenko, S. Zhou. High-temperature ferromagnetism of Si1–xMnx (x ≈ 0.52-0.55) alloys. J. Magn. Mater., 2014 (acceptable for publication).
  • V.V. Rylkov, E.A. Gan’shina, O.A. Novodvorskii, S.N. Nikolaev, A.I. Novikov,  E.T. Kulatov, V.V. Tugushev, A.B. Granovskii and V.Ya. Panchenko, Defect-induced high-temperature ferromagnetism in Si1−xMnx (x = 0.52–0.55) alloys, Europhys Letters, 103, 57014, p. 6 (2013).
  • С.Н. Николаев, В.В. Рыльков, Б.А. Аронзон, К.И. Маслаков, И.А. Лихачев, Э.М. Пашаев, К.Ю. Черноглазов, А.С. Семисалова, Н.С. Перов, В.А. Кульбачинский, О.А. Новодворский, А.В. Шорохова, О.Д. Храмова, Е.В. Хайдуков, В.Я. Панченко, Высокотемпературный ферромагнетизм Si1−xMnx пленок, полученных лазерным напылением с использованием сепарации осаждаемых частиц по скорости, ФТП, 46(12), 1547 (2012).

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ ZnO:Co

Возможность управлять носителем заряда и его спином обеспечило бурное развитие спинтроники и разработку новых материалов с полупроводниковыми и магнитными свойствами. Прямозонный полупроводник оксид цинка, легированный переходными 3d-металлами, может быть ферромагнитным с температурой Кюри выше комнатной, что делает этот материал привлекательным для полупроводниковой спинтроники.

Методом импульсного лазерного осаждения на подложках Al2O3 (0001) при температуре 500 °C получены пленки Zn1−xCoxO (x = 0.05−0.45) толщиной 60−300 нм. Показано, что тройной твердый раствор Zn1−xCoxO сохраняет кристаллическую структуру типа вюрцита вплоть до x = 0.35 при получении пленок в условиях низкого давления буферного кислорода (∼ 10−6 Торр). Установлено, что в этих условиях концентрация электронов превышает 1020 см−3 из-за высокой плотности донорных вакансий кислорода. При этом в пленках начинает проявляться ферромагнетизм в намагниченности и аномальном эффекте Холла при температурах выше 100 K. Знак аномального эффекта Холла в пленках оказался положительным и противоположным знаку нормального эффекта Холла, так же как в металлических слоях Co, что указывает на кластерную природу ферромагнетизма пленок Zn1−xCoxO. В тонких слоях Zn1−xCoxO (d = 60 нм, x = 0.2) в поперечном магнитном поле выявлен сильный гистерезис в магнетосопротивлении, свидетельствующий о перпендикулярной магнитной анизотропии пленок. Такая анизотропия объясняется структурированностью слоев («вытянутостью» магнитных кластеров вдоль оси роста пленок), которая может приводить к заметному усилению ферромагнетизма.

Публикации:

  • A.S. Kuz’mina, А.А. Lotin, O.A. Novodvorsky, N.S. Perov, E.A. Gan’shina, L.A. Makarova, A.S. Semisalova, A.G. Shneider, M.P. Kuz’min and S.S. Kolesnikov, Magnetism and magnetooptics features of Zn1-xCoxOy thin films grown by pulsed laser deposition, Mater. Chem. and Phys., 198, 291-296 (2017) DOI:10.1016/j.matchemphys.2017.06.015
  • А.А. Лотин, О.А. Новодворский, Д.А. Зуев, О.Д. Храмова, М.А. Панков, Б.А. Аронзон, В.В. Рыльков, А.С. Семисалова, Н.С. Перов, A. Lashkul, E. Lahderanta, В.Я. Панченко, Свойства пленок Zn1-хCoхO, полученных методом импульсного лазерного осаждения с использованием скоростной сепарации осаждаемых частиц, Физика и Техника Полупроводников, 48(4), 556-563 (2014)
  • M.A. Pankov, A.A. Lotin, L.S. Parshina, A.S. Semisalova, K.Y. Chernoglazov, Magnetotransport properties of thin films of diluted magnetic oxides Zn1-хСохО, Book of Abstracts, MISM, Moscow, 520 (2014)
  • М.А. Панков, А.А. Лотин, С.В. Шмаков, А.В. Лашкул, Б.А. Аронзон, О.А. Новодворский, Магнитные свойства пленок Zn1-хCoхO при x=0.2, В сб. тезисов «22 Международной конференции Новое в Магнетизме и Магнитных Материалах» Астрахань, с. 544-545 (2012).

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ И МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЙ P-N ПЕРЕХОД НА ОСНОВЕ РАЗБАВЛЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКА InSb:Mn

Интерес к высокотемпературным ферромагнитным полупроводниковым структурам (AIII, Mn)BV на основе элементов III и V групп, состоящим из ферромагнитных нанокластеров MnSb в немагнитной матрице InSb, определяется возможностью создания из них материалов, обладающих значительным магнетосопротивлением. Такие материалы могут служить основой при создании спиновых вентилей и устройств магнитной операционной памяти, основанных на эффекте гигантского магнетосопротивления.

Методом импульсного лазерного осаждения на подложках с-сапфира получены и исследованы пленки InSb:Mn и диодные структуры p-(InSb+MnSb)/n-InSb с содержанием MnSb до 20%, отличающиеся высокой чувствительностью к магнитному полю. Методом ВАХ была определена величина магнетосопротивления пленок p-(InSb:Mn) в постоянном магнитном поле 0,15 Тл и 1 Тл при температуре от 10 К до 300 К. Наблюдалось различное поведение продольного магнетосопротивления пленок в зависимости от взаимной ориентации коллинеарных магнитного и электрического полей при комнатной температуре, что может быть вызвано отличающимися длинами свободного пробега носителей для параллельного и антипараллельного направлений полей Е и Н в тонких пленках InSb:Mn. ВАХ диодной структуры p-(96%InSb+4%MnSb)/n-InSb изменялась при приложении магнитного поля 0,15 Т  как в плоскости структуры, так и перпендикулярно ей при комнатной температуре. Величина тока в поле 0,15 Т,  перпендикулярном плоскости диодной структуры, уменьшалась более чем 9 раз от 0,35 А  до 0,04 А при напряжении 1 В.

Публикации:

  • Novodvorsky, O. Investigation of InSb:Mn thin films magnetoresistance by I-V characteristics method/ O. Novodvorsky, V. Mikhalevsky, L. Parshina, O. Khramova, A. Lotin, E. Cherebylo, S. Marenkin, A. Aronov, A. Kochura, V. Panchenko// EPJ Web of Conferences.-2018 (04 июля).-V.185.-Р. 01018.
  • O.D. Khramova, V.A. Mikhalevsky, L.S. Parshina, O.A. Novodvorsky, A.A. Lotin, E.A. Cherebilo, V.Y. Panchenko, S.F. Marenkin, A.N. Aronov, B.A. Aronzon, Magnetoresistance of the p-(InSb+MnSb)/n-InSb diode structure, Opt. Quant. Electr., 48(7), 1 (2016).
  • Marenkin S. F., Kochura A. V., Fedorchenko I. V., Izotov A. D., Vasil’ev M. G., Trukhan V. M., Shelkovaya T. V., Novodvorsky O. A., Zheludkevich A. L. / Growth of eutectic composites in the InSb-MnSb system // Inorganic materials, Vol. 52, № 3, PP. 268-273, 2016
  • С.Ф. Маренкин, О.А. Новодворский, В.В. Баранов, В.М. Трухан, Т.В. Шёлковая, А.М. Струц. Синтез, электрические и магнитные свойства пленок эвтектического состава системы GaSb-MnSb, Доклады БГУИР, № 5 (99), с. 5-10, 2016.
  • Маренкин С.Ф., Кочура А.В., Федорченко И.В., Изотов А.Д., Васильев М.Г., Трухан В.М., Шёлковая Т.В., Новодворский О.А., Желудкевич А.Л. Ферромагнетизм сплавов InSb с Mn, Неорганические материалы, т.52, №3, 309-314, 2016

ТОНКИЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ РАЗБАВЛЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКА GaSb:Mn

Одно из новых направлений спинтроники связано с созданием так называемых спиновых источников электродвижущей силы или спиновых батареек. В качестве рабочей среды спиновых аккумуляторов предлагается использовать тонкие пленки разбавленных магнитных полупроводников (AIII, Mn)BV, таких как GaMnAs или GaMnSb, содержащих нановключения магнитной фазы соответственно MnAs или MnSb. Электродвижущая сила в рассматриваемых наногетероструктурах может быть индуцирована спонтанным перемагничиванием таких включений в статическом магнитном поле.

В пленках GaMnSb, выращенных методом импульсного лазерного осаждения, обнаружен положительный эффект Холла с гистерезисом вплоть до комнатных температур. Аномальный эффект Холла в полученных пленках GaMnSb являлся свидетельством спиновой поляризации носителей заряда, зависящей от намагниченности образцов. Определены условия и механизмы контролируемого изменения магнитной анизотропии посредством термообработки пленок GaMnSb, содержащих магнитные нановключения MnSb. Термообработка пленок GaMnSb приводит к заметному увеличению характеристик, определяющихся магнитной анизотропией: температуры блокировки от 95 К до 390 К и поля магнитной анизотропии от 330 Э до 630 Э. По данным просвечивающей электронной микроскопии изменение магнитной анизотропии пленок GaMnSb в результате термообработки связано с переходом кристаллической фазы в кубическую.

АСМ изображение пленки GaSb (59%) – MnSb (41%) толщиной 120 нм: а – полученное с помощью магнитного кантилевера, б – стандартное. Стрелками показаны магнитные нанокластеры MnSb.
Намагниченность пленки GaSb (59%) – MnSb (41%) в двух ориентациях поля при температуре 300 К. Темные символы соответсвуют ориентации поля в плоскости образца, светлые – перпендикулярно плоскости образца.
Намагниченность неотожженных (а) и отожженных (b) пленок GaMnSb при разной температуре.

Публикации:

  • А.И. Дмитриев, А.В. Кочура, А.П. Кузьменко, Л.С. Паршин, О.А. Новодворский, О.Д. Храмова, Е.П. Кочура, А.Л. Васильев, Б.А. Аронзон, Влияние термообработки на дисперсию магнитной анизотропии нановключений MnSb, внедренных в тонкие пленки GaMnSb // Физика твердого тела, 2019, том 61, вып. 4, с.652-658.
  • G. G. Ziborov, S A Kostyuchenko, M S Dmitrieva L S Parshina and A I Dmitriev Effect of annealing on the magnetic properties of GaMnSb thin films, 2019 J. Phys.: Conf. Ser. Vol.1199, 012025
  • А. И. Дмитриев, А. В. Кочура, А. П. Кузьменко, Л. С. Паршина, О. А. Новодворский, О. Д. Храмова, Е. П. Кочура, А. Л. Васильев, Б. А. Аронзон Формирование магнитной анизотропии пленок GaMnSb термообработкой // ЖЭТФ, 2018, том 154, вып. 3 (9), стр. 1–8.
  • Leonid N. Oveshnikov, Elena I. Nekhaeva, Alexey V. Kochura, Alexander B. Davydov, Mikhail A. Shakhov, Sergey F. Marenkin, Oleg A. Novodvorskii, Alexander P. Kuzmenko, Alexander L. Vasiliev, Boris A. Aronzon and Erkki Lahderanta. High-temperature magnetism and microstructure of a semiconducting ferromagnetic (GaSb)1−x(MnSb)x alloy // Beilstein J. Nanotechnol. 2018, 9, 2457–2465.
  • О.В. Коплак, А.А. Поляков, А.Б. Давыдов, Р.Б. Моргунов, А.Д. Таланцев, А.В. Кочура, И.В. Федорченко, О.А. Новодворский, Л.С. Паршина, О.Д. Храмова, А.В. Шорохова, Б.А. Аронзон, Взаимосвязь намагниченности и электрических свойств пленок сплавов GaSb-MnSb, ЖЭТФ, т. 147, № 6, сс.1170-1178, 2015.
  • Koplak O., Polyakov A., Davydov A., Morgunov R., Talantsev A., Kochura A., Fedorchenko I., Novodvorskii O., Parshina L., Aronzon B. and Lahderanta E., Spin Filtering On The MnSb Cluster Interface In GaSbMn Thin Films, Solid State Phenomena, Vol. 233-234, PP. 643-647, 2015.
  • С.Ф. Маренкин, О.А. Новодворский, А.В. Шорохова, А.Б. Давыдов, Б.А. Аронзон, А.В. Кочура, И.В. Федорченко, О.Д. Храмова, А.В. Тимофеев, Неорг. матер. 50, 973 (2014).