ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.............................4
ВВЕДЕНИЕ......................................................5
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛИЦИДОВ ЖЕЛЕЗА.......................................................10
1.1 Структурные особенности бинарной системы железо-кремний 10
1.2 Мессбауэровские исследования силицидов железа..........13
1.3 Фазовый состав ионно-синтезированных пленок Ее-Б1......18
1.4 Магнитные свойства тонкопленочных силицидов железа.....22
ГЛАВА 2. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.....................25
2.1 Многоуровневая мессбауэровская спектроскопия...........25
2.1.1 Селекция по глубине с использованием пропорционального детектора................................................28
2.1.2 Возможность улучшения статистического качества интегральных спектров.................................................32
2.2 Обработка мессбауэровских спектров.....................37
2.2.1 Аппроксимация спектров и оценка ошибок параметров на основе Байесового подхода.......................................37
2.2.2 Аппроксимация спектров с помощью функций Войта.40
2.3 Автодинный метод измерения магнитной восприимчивости...43
2.4 Объекты исследования...................................46
ГЛАВА 3. МЕССБАУЭРОВСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИОННО-
СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЙ....................49
3.1 Интегральный по толщине пленки фазовый анализ..........49
3.2 Селективный по глубине пленки фазовый анализ...........59
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ.................64
4.1. Угловые зависимости восприимчивости...................64
4.2. Полевые зависимости восприимчивости...................67
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ МИКРОМАГНЕТИЗМА К ОПИСАНИЮ
МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЙ..................72
2
5.1 Связь измеряемой в автодинном методе величины с магнитными характеристиками пленок............................... 72
5.2 Численное моделирование зависимостей восприимчивости....76
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................79
ЛИТЕРАТУРА....................................................81
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Is - изомерный сдвиг Q - квадрупольное расщепление Я - сверхтонкое поле Е - энергия
Xzz - диагональная z-компонента тензора дифференциальной восприимчивости G - свободная энергия намагниченности it - статистический критерий хи-квадрат
ИК - Инфракрасный
ИЛС - Ионно-Лучевой Синтез
МЛЭ (МВЕ) - Молекулярно-Лучевая Эпитаксия (Molecular Beam Epitaxy) МСКЭ (CEMS) - Мессбауэровская Спектроскопия Конверсионных Электронов (Conversion Electrons Mossbauer Spectroscopy)
СГМСКЭ (DCEMS) - Селективная по Глубине Мессбауэровская Спектроскопия Конверсионных Электронов (Depth-selective Conversion Electrons Mossbauer Spectroscopy)
MOMC (MOMS) - Магнитно-Ориентационная Мессбауэровская Спектроскопия (Magnetic Orientation Mossbauer Spectroscopy)
ТМП (TMF) - Тонкая Магнитная Пленка (Thin Magnetic Film)
КПД - Коэффициент Полезного Действия
СТС - сверхтонкая структура
xVBF - extended Voigt-based fitting
ММС - многоуровневая мессбауэровская спектроскопия
*
ВВЕДЕНИЕ
Бинарная система железо-кремний, в зависимости от компонентного состава, условий получения и обработки, проявляет широкий спектр физических свойств. Это практически важное качество объясняется многообразием возможных фазовых состояний системы [1]. Исследование сплавов железа с кремнием ведется с начала XX века [2] и стимулируется практически важной областью их применения в электротехнике.
В качестве отдельного направления за последние 20-30 лет сформировались исследования по тонким пленкам железо-кремний. Интерес к тонким пленкам объясняется рядом причин. Первая и доминирующая по числу публикаций за последние 10 лет причина - свойства фазы Р-Ре812, прямозонного полупроводника с шириной запрещенной зоны 0.85 эВ. Устойчивость Э"РеБ12 в широком диапазоне температур и технологичность кремния делает перспективным разработку инфракрасных (ИК) излучателей [3] на основе кремния, способных заменить существующие ИК-излучатели на основе 1пР (фосфида индия). Практическая реализация этих перспектив требует развития технологии получения качественных тонких пленок р-Ре812 на монокристалле кремния.
Вторая - в тонкой (<1мкм) пленке, полученной на монокристаллическом кремнии различными методами, реализуются фазы, не существующие при нормальных условиях в виде отдельного массивного кристалла, например, у-Ре812. Свойства тонких пленок, содержащих метастабильные фазы, в настоящее время мало изучены, и здесь можно ожидать появления новых интересных результатов.
Третья - магнитные свойства пленок. На основе магнитных фаз Ре-81, например, Ре381, возможно создание нового класса устройств магнитной памяти. Одно из принципиальных решений, позволяющих на порядки увеличить плотность магнитной записи, состоит в использовании в качестве
5
г
носителя информации обменно-несвязанных магнитных наночастиц вместо границ между доменами. Самоформирование наночастиц при ИЛС и МЛЭ делает возможным применение ТМП, полученных этими методами, в таких устройствах «нанопамяти» и требует изучения механизмов роста наночастиц и исследования их магнитных свойств.
Ферромагнитная фаза Fe3Si обладает металлическим типом проводимости. ,ф На границе между n-Si и пленкой Fe3Si образуется барьер Шотгки, обладающий
поляризующими свойствами для электронов проводимости, т.е. такой переход Шоттки может найти применение в зарождающейся области микроэлектроники - спинтронике [4]. Кроме того, такой переход может быть использован для создания магнитных датчиков [5].
Ферромагнитные ТМП, полученные МЛЭ и ИЛС на монокристаллической кремниевой подложке (111) проявляют неожиданную магнитную симметрию -одноосную анизотропию [6,7]. Выяснение природы этой анизотропии важно с точки зрения физики магнитных явлений.
Четвертая причина - при толщинах пленок в десятки и сотни нанометров для кристаллов проявляются эффекты размера, что пересекается с исследованиями по наноматериалам и нанотехнологиям [8-9]. Наночастицы (о механизмах самоформирования наночастиц см. [8]), формирующиеся при МЛЭ и ИЛС непосредственно относятся к области нанотехнологий [10]. Свойства квантовых точек, полученных МЛЭ на монокристаллическом кремнии уже нашли применение в создании высокочувствительных ИК-приемников, 4 повышении КПД кремниевых солнечных батарей, создании каскадных лазеров.
Легкость интеграции методов синтеза слоев железо-кремний в развитую кремниевую технологию микроэлектроники является дополнительным стимулом в изучении тонких пленок Fe-Si.
Перечисленные причины показывают актуальность данной работы. Исследования по тонким пленкам железо-кремний при высоком атомном проценте кремния весьма обширны. Только мессбауэровские исследования
6
с
представлены в обзоре [11]. В этом направлении исследований остаются нерешенные задачи, например, интерпретация мессбауэровских спектров эпитаксиальной фазы у-Ре812. Высокое содержание кремния, применение термической и радиационной постобработки пленок, высокая энергия имплантируемых ионов в методе ИИ - все это имеет конечной целью получение |3-Ре812. При этом в меньшей мере оказываются изученными тонкие
ф пленки железо-кремний включающие макроскопически ферромагнитные фазы
- фазы с высоким содержанием железа (например, Ре381). Термообработка и мезотаксиальный режим роста пленок, в случае ИЛС, приводят к распаду зародышей фазы Ре381 и до доз 7x1017 ион/см2 ферромагнитных свойств у мезотаксиальных пленок Ре-81 не наблюдается. Тогда как имплантация при комнатной температуре, хотя и сопровождается образованием большого количества дефектов, приводит к появлению магнитных свойств уже с дозы 2x1017 ион/см2.
Ф Объектами исследования, полученными ИЛС при комнатной температуре
и проявляющими макроскопические магнитные свойства и анизотропию этих свойств в плоскости пленки [6,12] обоснована научная новизна работы.
ТМП Ре-81, полученные методом МЛЭ проявляют схожие магнитные свойства [7,13,14]. ТМП, полученные методом ИЛС, отличаются тем, что для них ферромагнетизм при комнатной температуре наблюдается, начиная со среднего атомного процента Ре около 15%, что ставит задачу выяснения его природы. Ферромагнетизм может быть объяснен существованием отдельных кластеров (преципитатов) с высоким локальным содержанием железа, а также свойствами дефектов (УУ’-центров), соответствующие неспаренные электроны которых могут играть роль центров обменного взаимодействия [15], аналогично атомам железа. Отдельная задача - выяснение природы магнитной анизотропии.
Высокая концентрация дефектов, значительно превышающая дозу аморфизации, которая сопровождает получение ТМП Ре-Б1 методом ИЛС,
7
- Київ+380960830922