Ферромагнитный материал на основе ZnSiAs2

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ZnSiAs ₂

Перспективным направлением твердотельной электроники становится спинтроника, где, наряду с зарядом, спин электрона рассматривается как активный элемент для хранения и передачи информации. Ключевая проблема спинтроники – поиск и синтез новых ферромагнетиков, которые совместимы с «кремниевой технологией», имеют высокую температуру Кюри и способны инжектировать высокоподвижные поляризованные по спину носители тока [1]. В работах [2-4] путём введения в CdGeAs₂ , CdGeP₂ , ZnGeAs₂ и ZnSnAs₂ марганца удалось создать ферромагнетики с температурой Кюри выше комнатной. Для выбора оптимальных условий синтеза ZnSiAs₂ , на основе анализа бинарных фазовых диаграмм Zn-As, Si-As, Si-Zn [5], проведена триангуляция тройной системы Zn-Si-As. Наиболее вероятные квазибинарные разрезы – Si-ZnAs₂ , Zn-SiAs₂ , в которых образуется тройное конгруэнтно плавящееся соединение ZnSiAs₂ с Т_пл =1096⁰ С [6].

Исходя из анализа тройной системы Zn-Si-As, синтез ZnSiAs₂ с Mn проводили по разрезу ZnAs₂ –Si, непосредственным сплавлением порошков Si и ZnAs₂ с общим содержанием примесей ~10^‑4 масс.% с добавлением в шихту высокочистого порошка марганца при температуре на 10-15⁰ выше Т_пл ZnSiAs₂ .

Гетероструктуры Si/ZnSiAs₂ {Mn}, получали термической обработкой предварительно напылённых плёнок ZnAs ₂ и Mn определённой толщины на монокристаллические подложки кремния. Термический отжиг проводили при температурах 900-1000⁰ С в парах цинка и мышьяка. Отношение толщин плёнок ZnAs₂ к Mn составляло 10:1. Общая толщина гетероструктур 3-6 мкм. Образование ZnSiAs₂ проходило по реакции ZnAs₂ +Si=ZnSiAs₂ . После отжига граница раздела между кремнием и диарсенидом цинка-кремния в гетероструктуре была резкой из-за малой растворимости кремния в ZnSiAs₂ .

Идентификацию образцов проводили с помощью РФА, рентгенофлуоресцентного микроанализа и сканирующего электронного микроскопа. Согласно РФА образцы состояли только из фазы ZnSiAs ₂ с параметрами а = 5,6084; c = 10,8816Å, что хорошо согласовывается с данными JCPDS. Из рентгенофлуоресцентного анализа установлено, что содержание Zn, Si и As в образцах соответствовало 28:12:60 масс.% т.е. 1:1:1,91, что было близко к стехиометрическому составу ZnSiAs₂ . Содержание марганца было около 1 масс.%. На некоторых образцах наблюдались микронеоднородности, их примерный состав был 48-52, 27-28, 18-26 масс.% As, Zn и Si, что, по-видимому, соответствовало тройной эвтектике ZnSiAs₂ -Si-SiAs. Из исследований электрических и магнитных свойств установлено, что объемные образцы высокоомные, обладают p-типом проводимости и являются ферромагнетиками с температурой Кюри выше комнатной.

Изучение гетероструктуры Si/ZnSiAs₂ {Mn} проводили с помощью оптического микроскопа Epiquant и сканирующего электронного микроскопа. Фотографии структур до и после термической обработки представлены на рис.1 (а, б).

Рис. 1. Фотографии гетероструктуры Si/ZnSiAs₂ {Mn} до (а) и после (б) термической обработки.

По данным рентгенофлуоресцентного анализа поверхность гетероструктуры примерно на 1/3 отвечала составу ZnSiAs₂ , наблюдались и микровключения тройной эвтектики ZnSiAs₂ -Si-SiAs и ZnAs₂ . Лучшие результаты получены, при напылении марганца на плёнку ZnAs₂ . Неоднородности удаляли путем проведения прецизионного травления поверхности гетероструктуры.

С помощью сканирующего электронного микроскопа установлено распределение элементов в центре гетероструктуры, соотношение Zn:Si:As было близко к 1:1:2, содержание марганца соответствовало ~ 1масс.% (рис. 2).

Магнитные свойства гетероструктуры Si/ZnSiAs₂ {Mn} исследовали с помощью СКВИД магнетометра в интервале температур от 4,2 до 300 К и горизонтальных торсионных весов с электромагнитной компенсацией в интервале температур от 300 до 650 К (рис. 3). Температурная зависимость электросопротивления определялась 4-х зондовым методом (рис. 4).

Из анализа температурной зависимости намагниченности гетероструктуры Si/ZnSiAs₂ {Mn} при напряжённости магнитного поля 6кЭ в интервале температур от 4,2 до 650 К установлено, что переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние происходит при температурах значительно выше комнатных. Температурная зависимость электросопротивления гетероструктуры характерна для вырожденного полупроводника.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных иссл