Синтез и магнитные свойства композитных пленок Zn3As2 - MnAs

Маренкин Сергей Федорович; Кочура Алексей Вячеславович; Изотов Александр Дмитриевич; Шелякин Алексей Алексеевич; Риль Алексей Игоревич

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ:

УДК 548.4)548.73)548.735.6

СИНТЕЗ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК Zn3As2 - MnAs

1 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, г. Москва 2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва 3 Юго-Западный государственный университет, г. Курск

Статья поступила в редакцию 23.08.2017

Целью работы было получение тонких ферромагнитных пленок с температурой Кюри выше комнатной, перспективных для устройств спинтроники. Композитные пленки Zn3As2 - MnAs, состоящие из частиц размером 2-3 нм, были получены методом вакуумно-термического испарения на кремниевых и лейкосапфировых подложках. В качестве прекурсора использовались сплавы композита, полученные путем прямого сплавления диарсенида цинка с марганцем. Пленки имели толщину 0,7-0,9 мкм и состояли из глобул размером 5-150 нм. Распределение Zn, As и Mn было равномерным. Глобулы состояли из магнитных кластеров, размеры которых были установлены с помощью методов АСМ, МСМ и уточнялись с помощью малоуглового Х-рассеяния. Исследование магнитных свойств показало, что пленки являются мягкими ферромагнетиками и имеют температуру Кюри выше комнатной (~ 320 ° K).

Ключевые слова: полупроводники; ферромагнитные пленки; метод вакуумно-термического испарения; магнитные кластеры.

Исследования проводились в рамках госзадания ИОНХРАН при частичной финансовой поддержке Программы РАН 1.14П («Научные основы создания новых функциональных материалов.

Фундаментальные основы ресурсосберегающих технологий создания металлов, сплавов, композитов и керамики с повышенными свойствами») и Минобрнауки (г/з №3.9993.2017/ДААД).

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые магнитные материалы интенсивно изучаются в связи с возможностью применения в устройствах спинтроники для управления как зарядовыми, так и спиновыми степенями свободы электронов [1]. В работах [2-4] были получены объемные образцы композитов с высокими значениями магнетосопротивления, в которых в качестве матриц использовали полупроводниковые соединения группы ЛПБ¥ - фосфиды и арсе-ниды цинка и кадмия, а в качестве ферромагнитных нанокластеров - МпР и МпЛз, соответственно. Одной из важных особенностей фосфидов и арсенидов цинка и кадмия является их конгруэнтный характер испарения [5], что делает возможным получение пленок

Маренкин Сергей Федорович, доктор химических наук, профессор. E-mail: marenkin@rambler.ru Кочура Алексей Вячеславович, кандидат физико-математических наук, доцент. E-mail: akochura@mail.ru Изотов Александр Дмитриевич, член-корреспондент РАН, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник. E-mail: izotov@igic.ras.ru Шелякин Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Риль Алексей Игоревич, ведущий технолог.

этих соединений путем вакуумно-термиче-ского испарения [6]. В работе [7] показана возможность получению пленок 7п3Л82-МпЛ8 методом вакуумно-термического испарения. В настоявшей работе проведены магнитометрические исследования пленок 2п3Лз2 - МпЛз в широком диапазоне температур и магнитных полей.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Процессы роста пленок и последующего напыления на них медных контактов проводился с помощью установки вакуумного напыления ВУП-5. Давление остаточных паров было не более 1*10-4 Па. В качестве материала мишени использовали порошки размером 2-3 мкм предварительно синтезированного композита, полученного непосредственным сплавлением диарсенида цинка с марганцем. Соотношение компонентов выбиралось так, чтобы происходило образование композита Zn3As2+MnAs. Исходный композит был ферромагнетиком с Тс ~ 320 К. В качестве материалов подложек при напылении пленок были использованы полированные пластины из лейкосапфира и кремния с ориентацией, соответственно [0001] и [001]. Эти материа-

лы имеют коэффициенты теплопроводности, близкие к Zn3As2.

Так как испарение проводилось из твердой фазы, в качестве испарителя использовались молибденовые цилиндры с отверстиями, площадью 7,5 мм2, в которые вставлялась лодочка с порошком исходного композита, обычные типы испарителей в данном случае не подходили. Расстояние между испарителем и подложками выбиралась 8-10 см, температура подложек составляла 300 К. Расположение испарителя и подложек, относительно друг друга было симметричное. Скорость испарения определяли по потере веса исходного порошка. Скорость конденсации устанавливали по изменению толщины пленки от времени испарения. Площадь подложек составляла 2,5 х 1 см2.

Структура пленок, их состав и распределение элементов были исследованы методом сканирующей электронной микроскопией (СЭМ). Поверхность пленок была в целом однородна и состояла из глобул со средним размером ~ 60 нм, которые формировались из отдельных нанокластеров. На рис. 1 (а-г) представлена морфология поверхности пленки композита Zn3As2+MnAs при различном увеличении. Для лучшей передачи объемной контрастности на рис. 1(а-в) показана дефектная часть пленки

Согласно данным энерго-дисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС), пленки отличались равномерным распределением Zn, As и Mn. Других элементов в спектрах ЭДРС обнаружено не было. Сканирующую атомно-силовую (АСМ) и магнитно-силовую (МСМ) микроскопию проводили с помощью микроскопа AIST-NT, в случае МСМ использовали магнитный кантилевер. Изображение поверхности пленки приведено на рис. 2. Глобулы, из которых состоят пленки, имеют сложную структуру и представляют собой конгломерат отдельных нанокластеров, размер которых оценивался ~10 нм. МСМ показал, что нанокластеры являются ферромагнитными. Это также подтверждает магнитометрические исследования

Магнитные свойства были исследованы с помощью СКВИД-магнитометра S600 Cryogenic Ltd. в диапазоне температур 3 - 330 К и индукции магнитного поля до 5 Т. Согласно этим измерением пленки Zn3As2-MnAs были ферромагнитными с Тк~320 °К (рис.3).

Из магнитно-полевых зависимостей намагниченности пленки композита Zn3As2

- MnAs (рис.4) следовало, что пленки являлись мягкими магнетиками с полем насыщения намагниченности ~1Т.

WD - 6.4 mm Signal А-5Е2

System Vacuum - 1.35е006 mbar Aperture Size -30.00 |im EHT- 1.00 kV

WO - 6.4 mm Sli

System Vacuum - 1.35e006 <t> Aperture Size - 30.00 pm EH

Aperture Size- 30.00pm EHT-i.ookv and Inorganic Chemistry

Рис. 1 (а-г) Морфология поверхности пленки композита 7п3Л82+МпЛ8 при различном увеличении

А

Б

В

Г

Машиностроение и машиноведение

Рис. 2. Атомно-силовая (а) и магнитно-силовая (б) микроскопия поверхности пленки Zn3As2+MnAs 0,065 -«

0,060 -

Е

и

U

0,055 -

ZFC

~Г"

50

100

—I-г

150

т,к

200

—I—

250

300

350

Рис. 3. Температурная зависимость намагниченности пленки композита Zn3As2 - MnAs

при магнитном поле Н = 100 Э

ВЫВОДЫ

Методом вакуумно-термического испарения были получены пленки композита Zn3As2+MnAs. Исследование структуры, состава и распределение элементов с помощью комплекса методов СЭМ, АЗМ, МСМ показало, что пленки имели глобулярную структуру, отличались равномерным распределением элементов, глобулы состояли из магнитных нанокластеров со средним размером 10 нм и представляли собой мяг-

кие ферромагнетики, со сравнительно низкими магнитными полями насыщения, что может представлять интерес для создания

устройств спинтроники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Синтез магнитогранулированных структур в системах полупроводник-ферромагнетик / С.Ф. Маренкин, А.Д. Изотов, И.В. Федорченко, В.М. Ново-торцев //Журнал неорганической химии. 2015. Т.60. №3. С. 343-348.

В(Т)

Рис. 4. Зависимость удельной намагниченности от магнитного поля

2. Marenkin S.F., Trukhan V.M., FedorchenkoI.V. Magnetic and Electrical Properties of Zn,P2 + MnP Materials // Inorganic materials. 2013. V. 58. № 6. P. 545-549.

3. Marenkin S.F., Trukhan V.M., Fedorchenko I.V., Trukhanov S.V., Shoukavaya T.V. Magnetic and electrical properties of Cd3As2 + MnAs composite // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. V.59. No 4. P. 355-359.

4. Kochura A.V., Marenkin S.F., Ril AI., Zheludkevich A.L., Abakumov P.V., Knjazev A.F., Dobromyslov M.B. Growth and characterization of Cd3As2 // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2015. V. 7. 2ss. 4. P. 04079.

5. Маренкин С.Ф., Трухан В.М. Фосфиды, арсениды цинка и кадмия. Минск. Изд. «Вараскин А.Н.», 2010. 224 с.

6. Юрьев Г.С., Маренкин С.Ф., Жалилов Н.С. Рентгенографическое изучение тонких пленок полупроводниковых соединений ЛПБУ// Неорганические материалы. 1992. Т.28. №6. С.1298-1302.

7. Синтез и исследование физико-химических свойств магнитных пленок Zn3Лs2+MnЛs / Кочура А.В., Маренкин С.Ф., Изотов А.Д., Васильев П.Н., Абакумов П.В., Кузьменко А.П. // Неорганические материалы. 2015. Т. 51. №8. С. 823-828.

1 Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow

2 National Research Technological University "Moscow Institute of Steel and Alloys", Moscow

3 South Western State University, Kursk

Purpose - Obtaining the thin ferromagnetic films, which possess high Curie temperatures, for creating the devices of spintronics. Zn,As2 - MnAs composite films on silicon and leucosapphire substrates was obtained by the method of vacuum thermal evaporation. The films consisted from the particles with the size of 2-3 nm of the preliminarily synthesized composite, obtained by the direct alloying of diarsenide zinc with manganese, were used as the precursor. The films were 0.7-0.9 pm thick and had a globular structure. Size of globules was 5-150 nm. The distribution of the elements Zn, As and Mn was uniform. Globules consisted of magnetic clusters, the size of which has been established by the methods of the AFM, MFM, and small-angle X-ray scattering. The Zn,As2-MnAs films were ferromagnetic with Tc ~ 320 ° K. Keywords: semiconductors, ferromagnetic films, method of vacuum thermal evaporation , magnetic clusters.

Sergey Marenkin, Doctor of Chemistry, Professor. E-mail: marenkin@rambler.ru

Аlexey Kochura, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor. E-mail: akochura@mail.ru Аlexander Izotov, Corresponding Member of RAS, Doctor of Chemistry, Professor, Chief Research Fellow. E-mail: izotov@igic.ras.ru

Аlexey Shelyakin, Candidate of Technics, Senior Research Fellow.

Аlexey Ryl, Leading Technologist.

Синтез и магнитные свойства композитных пленок Zn3As2 - MnAs Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Текст научной работы на тему «Синтез и магнитные свойства композитных пленок Zn3As2 - MnAs»