WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 10 Рост и магнитооптическое исследование наноразмерных магнитоэлектронных гетероструктур MnAs/Si(111) © А.Г. Банщиков, А.В. Кимель, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Н.С. Соколов, A. Keen, Th. Rasing, Ahsan M. Nazmul, M. Tanaka Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Research Institute for Materials, University of Nijmegen, 6525 ED Nijmegen, The Netherlands The University of Tokyo, Bunkyo–ku, 113–8654 Tokyo, Japan E-mail: pisarev@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 20 марта 2001 г.) Тонкие (6-12 nm) эпитаксиальные пленки MnAs были выращены на подложках Si(111) методом молекулярно-лучевой эпитаксии при различных технологических условиях. Пленки характеризуются существенно различной поверхностной морфологией. Это проявляется в образовании на поверхности кремния кристаллитов гексагональной формы, размеры которых меняются в зависимости от условий выращивания.

Поверхностные и объемные магнитные свойства пленок исследованы с использованием магнитооптического эффекта Керра и генерации второй оптической гармоники. Наблюдалась линейная зависимость эффекта Керра от эффективной толщины магнитного слоя. Получена оценка толщины магнитонеупорядоченного переходного слоя, образованного вблизи границы раздела с подложкой. Обнаружено различие поверхностных и объемных гистерезисных свойств пленок. Наблюдалось нечетное по намагниченности изменение интенсивности второй гармоники, вызванное интерференцией магнитного и немагнитного вкладов в нелинейную поляризацию.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, японского проекта JSPS, INTAS и программы голландско-российского сотрудничества NWO.

Гибридные гетероструктуры, образованные выращива- структурное качество и морфология поверхности пленок нием ферромагнитных пленок на поверхности полупро- исследовались с использованием дифракции быстрых водников, в настоящее время являются предметом интен- электронов, дифракции рентгеновских лучей и атомносивных исследований. Ожидается, что такие материалы силового микроскопа. Исследование магнитных свойств станут основой нового поколения магнитоэлектронных пленок основывалось на измерении магнитооптического устройств, сочетающих в себе полупроводниковые и эффекта Керра (ЭК). Поскольку ЭК формируется в магнитные свойства [1,2]. области толщиной порядка глубины проникновения свеБлагодаря ярко выраженным ферромагнитным свой- та, данная методика позволяет получить информацию о ствам арсенида марганца MnAs пленки MnAs, выра- магнитных свойствах пленок в объеме материала. Однащенные на полупроводниковых подложках арсенида гал- ко несмотря на высокую чувствительность, она является лия GaAs или кремния Si, являются одним из наибо- интегральной и не обладает необходимым пространлее перспективных материалов магнитоэлектроники [3]. ственным разрешением для исследования магнитного Большой интерес вызывает исследование тонких пле- состояния непосредственно вблизи поверхности или гранок MnAs. Это связано с возможностью появления ницы раздела с подложкой. В то же время известно, что новых, зависящих от спина кинетических и магнитооп- одним из методов, чувствительных к наличию поверхтических явлений, протекающих вблизи границы раздела ностей или границ раздела, является метод, основанный (интерфейса) магнетик-полупроводник. В то же время на измерении интенсивности генерации второй оптинесмотря на заметный прогресс в технологии выращи- ческой гармоники (ГВГ) [7]. В центросимметричных вания тонких эпитаксиальных пленок MnAs на полупро- средах ГВГ возникает благодаря нарушению операции водниках, который был достигнут в последние годы [4–6], пространственной инверсии на границах раздела сред влияние технологических условий на процессы, проис- и позволяет зондировать примыкающую к границам ходящие на начальной стадии формирования магнитного область порядка нескольких атомных слоев. В настоящей слоя и определяющие структурное и магнитное качество работе наряду с традиционным магнитооптическим ЭК пленок вблизи границы раздела с подложкой, остается для исследования магнитных свойств пленок вблизи гране до конца выясненным.

ниц раздела нами исследовалась ГВГ во внешнем магнитВ настоящей работе сообщается об исследовании ном поле. Недавно метод магнитоиндуцированной ГВГ процесса роста, поверхностной морфологии, структур- был успешно применен при исследовании граничных ного качества и магнитных свойств тонких (6-12 nm) свойств относительно толстых пленок MnAs (40-70 nm) эпитаксиальных пленок MnAs/Si(111). Процесс роста, на Si(111) [8].

Рост и магнитооптическое исследование наноразмерных магнитоэлектронных гетероструктур... Параметры гетероструктур MnAs/Si(111) Температура Соотношение Средняя Высота Отношение поперечных Образцы подложки, потоков толщина пленки, кристаллитов, размеров кристаллитов C As4/Mn nm nm к их высоте A 350 1.2 6 7 (–) B 350 2.0 12 100 1.7 : C 350 5.4 12 20 1: D 400 1.2 10 50 6: E 450 1.2 6 30 5: G 350 2.0 12 100 2: H 450 2.0 12 100 6: 1. Рост, структура и морфология образцов MnAs/Si(111) Пленки MnAs выращивались на подложках Si(111) в сверхвысоковакуумной камере (ULVAC MBC-508) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Были использованы подложки Si(111) с разориентацией около 1.5.

Для получения атомарно чистой поверхности кремния подложки подвергались химической очистке, после чего загружались в ростовую камеру и отжигались при температуре 900C в потоке As4 в течение нескольких минут. Процесс роста начинался при подаче в камеру потока Mn. Для исследования влияния технологических условий на качество магнитного слоя выращивание образцов производилось при различных температурах подложки и различном соотношении потоков Mn и As4.

Исходя из данных о количестве осажденного на подложку вещества, оценивалась средняя толщина пленок.

Параметры исследуемых пленок представлены в таблице. Качество пленок контролировалось in situ методом дифракции быстрых электронов (RHEED) с энергией 20 keV. Анализ RHEED-изображений показал, что однородный гладкий слой MnAs со сверхструктурой (2 2) формируется только в случае образца A. Для остальных образцов характерен островковый рост слоя MnAs.

Морфология поверхности полученных образцов исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа фирмы ”Digital Instruments”. Образцы характеризуются существенно различной морфологией. На рис. представлена топография поверхностей трех различных образцов. В образце A (рис. 1, a) осажденное вещество однородно распределено по поверхности подложки и формирует практически гладкую поверхность с размером неоднородностей порядка нескольких нанометров.

В образцах B и D (рис. 1, b, c) на поверхности кремния наблюдается рост кристаллитов. Форма кристаллитов в проекции на плоскость подложки представляет собой шестиугольник, что характерно для гексагональной 6/mmm структуры MnAs. Размеры кристаллитов заметно меняются в зависимости от условий выращивания. Данные о Рис. 1. Топография поверхности исследуемых структур, полувысоте и поперечных размерах кристаллитов в различ- ченная с помощью атомно-силового микроскопа: a — пленка A, b — пленка D, c — пленка B.

ных образцах представлены в таблице.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1866 А.Г. Банщиков, А.В. Кимель, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Н.С. Соколов, A. Keen, Th. Rasing...

Рис. 2. Рентгенограмма, полученная на пленке D.

Качество кристаллической структуры полученных пле- не обнаруживают существенной анизотропии. Полевые нок исследовалось с помощью дифракции рентгеновских зависимости ЭК в полярной геометрии в магнитном лучей в геометрии - 2. Дифракционные исследо- поле ±1.5 kOe показали отсутствие насыщения, привания показали, что имеет место эпитаксиальный рост.

чем величина полярного эффекта в различных пленках На рентгенограммах наряду с интенсивными пиками от примерно на порядок меньше меридионального. Это кремния хорошо видны дифракционные пики от плосуказывает на наличие ”оси трудного намагничивания”, костей типа (0001), (0002) и (0004) гексагональной ориентированной перпендикулярно поверхности.

структуры MnAs (рис. 2). Плоскостью роста является Зависимости величины меридионального ЭК и коэрплоскость (0001).

цитивного поля от средней толщины пленок представлены на рис. 4, a и b. Из рис. 4, a следует, что ЭК возрастает с увеличением средней толщины пленок. При 2. Магнитооптическое исследование этом экспериментальные точки могут быть аппроксимированы линейной зависимостью. Сравнение результатов, Исследования ЭК и ГВГ проводились при отражении представленных на рис. 4, b, с данными таблицы и рис. света по методике, описанной в [8]. Измерения ГВГ были показывают, что наибольшие значения коэрцитивных повыполнены в меридиональной, а ЭК — в меридиональной и полярной геометриях эксперимента [9]. Использовалось излучение фемтосекундного титан-сапфирового лазера ( = 0.8 µm) с длительностью импульса 100 fs и частотой повторения 82 MHz и непрерывного гелийнеонового лазера ( = 0.633 µm). Чувствительность измерения поворота плоскости поляризации света при измерениях ЭК составляла 10. Поскольку MnAs характеризуется сравнительно низким значением температуры Кюри (TC = 318 K [10]), для исключения возможного нагрева образцов средняя мощность света, падающего на образец, не превышала 15 mW. Для изучения азимутальных зависимостей ЭК и ГВГ в эксперименте была предусмотрена возможность поворота образца в диапазоне азимутальных углов 0 < < 360. К образцам прикладывалось магнитное поле в диапазоне ±1.5kOe.

На рис. 3 для пленок A и B представлены полевые зависимости меридионального ЭК, измеренные на длине волны = 0.633 µm при угле падения света на образец = 15. Петли гистерезиса являются симметричными Рис. 3. Полевые зависимости меридионального эффекта и имеют характерную для ферромагнитных образцов Керра, измеренные на = 0.63 µmпри = 15 в пленках A форму. Азимутальные зависимости меридионального ЭК и B.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Рост и магнитооптическое исследование наноразмерных магнитоэлектронных гетероструктур... исследованных более толстых пленках [8]. В остальных образцах величина магнитного контраста не превышала 2%. На рис. 6, a, b представлены полевые зависимости магнитоиндуцированной ГВГ и меридионального ЭК, измеренные в одном из максимумов азимутальных зависимостей в образцах C и G. Видно, что для ГВГ петли гистерезиса более узкие, чем для ЭК. Ранее это обстоятельство также было отмечено в [8].

3. Обсуждение результатов Результаты исследований полевых зависимостей меридионального и полярного ЭК говорят о том, что выращенные пленки обладают анизотропией типа ”легкая плоскость”. В то же время зависимость величины ЭК (рис. 4, a) и коэрцитивного поля (рис. 4, b) от средней толщины указывают на различие объемных магнитных свойств пленок.

Зависимость величины ЭК от средней толщины (рис. 4, a) можно объяснить в предположении, что эффективная толщина магнитного слоя в различных пленках неодинакова и зависит от толщины переходного слоя. Этот слой образуется на начальном этапе процесса выращивания непосредственно вблизи границы с подложкой и не обладает структурным и магнитным порядком. На наличие переходного слоя исследуемых структур указывает тот факт, что прямая на рис. 4, a Рис. 4. Зависимости величины эффекта Керра (a) и коэрципересекает ось абсцисс не в начале координат, а вблизи тивного поля (b) от средней толщины пленок, измеренные на = 0.63 µmпри = 15. точки 2 nm. Для проверки этого предположения данные рис. 4, a были построены в осях, где по оси ординат была отложена величина ЭК, а по оси абсцисс — параметр, определяющий эффективную толщину магнитлей наблюдаются в пленках, характеризуемых большими ного слоя. Параметр рассчитывался, исходя из данных размерами кристаллитов.

рентгеновских измерений, и определялся как отношеНа рис. 5 представлены азимутальные зависимости ние суммарной интенсивности дифракционных пиков от интенсивности ГВГ в пленке G, измеренные в мериплоскостей типа (0001), (0002), (0004) гексагональной диональной геометрии на = 0.8 µm при угле паструктуры MnAs к суммарной интенсивности пиков от дения света = 15. Измерения проводились для плоскостей (111) и (222) кремниевой подложки. Резульчетырех комбинаций PP, PS, SP, SS входной и выходной таты построения представлены на рис. 7, из которого поляризаций линейно поляризованного света. Азимувидно, что экспериментальные точки хорошо ложатся тальные зависимости интенсивности второй гармоники на прямую линию, проходящую через начало координат.

для PP- и SP-комбинаций поляризаций можно описать Полученный результат подтверждает предположение о выражением существовании переходного слоя в исследуемых струк турах, толщина которого составляет примерно 2 nm.

I(2, ) = a cos(3) +b cos() +c, (1a) В пределе малых толщин зависимость ЭК от толщины для PS- и SS-комбинаций поляризаций — выражением пленки при малых углах падения можно описать выражением [11] I(2, ) = a sin(3) +b sin() +c, (1b) ±k + ik =(2/c) Ns/(1 - Ns ) Qh, (2) где a, b, c — расчетные коэффициенты. Азимутальные зависимости ГВГ в других образцах имеют качественно где — поворот плоскости поляризации, — эллиптичаналогичный вид. В образцах C и G для PS- и SS-ком- ность, Q — магнитооптический параметр среды, который бинаций поляризаций наблюдалось небольшое, но за- пропорционален намагниченности, Ns — показатель преметное по величине изменение интенсивности ГВГ при ломления подложки, — угол падения света на образец.

перемагничивании. Величина магнитного контраста ГВГ Из (2) следует, что ЭК растет пропорционально толщине в образцах C и G для PS-комбинации поляризаций и не зависит от показателя преломления пленки. Таким составила 3-5%, что существенно меньше, чем в ранее образом, наблюдаемый на рис. 7 линейный рост отражает Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1868 А.Г. Банщиков, А.В. Кимель, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Н.С. Соколов, A. Keen, Th. Rasing...

Рис. 5. Азимутальные зависимости ГВГ, измеренные в пленке G для различных комбинаций входной и выходной поляризаций света на = 0.8 µmпри = 15.

Рис. 6. Полевые зависимости магнитоиндуцированной второй оптической гармоники (точки) и эффекта Керра (сплошная линия), измеренные в пленках C (a) и G (b) на = 0.63 µmпри = 15.

общую характерную особенность ЭК в тонких магнит- яснить в предположении, что размеры кристаллитов ных пленках. MnAs достаточно малы и образование доменов в них Широкий диапазон значений коэрцитивных полей, является энергетически невыгодным процессом. В этом наблюдаемых в эксперименте (рис. 4, b), можно объ- случае перемагничивание образцов может осуществлятьФизика твердого тела, 2001, том 43, вып. Рост и магнитооптическое исследование наноразмерных магнитоэлектронных гетероструктур... поляризацию от поверхности, тонкого слоя MnAs вблизи интерфейса и объема пленки должен быть изотропным.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.