Structure, transport and magnetic properties of ultrathin and thin FeSi films on Si(111)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Using solid-phase and molecular-beam epitaxy methods at 350°C, polycrystalline and epitaxial films of iron monosilicide (FeSi) with a thickness of 3.2 to 20.35 nm were grown on a Si(111) substrate, which was confirmed by X-ray diffraction data. Morphological studies have shown that the films are continuous and smooth with a root-mean-square roughness of 0.4–1.1 nm when grown by solid-phase epitaxy, and in the case of molecular beam epitaxy, they have an increased roughness and consist of coalesced grains with sizes up to 1 μm and a puncture density up to 1 × 107 cm–2. In solid-phase epitaxy, an increase in thickness leads to incomplete silicide formation and the appearance of a layer of disordered iron monosilicide with a thickness of 10 to 20 nm. This is confirmed by a change in the temperature dependence of resistivity ρ from semiconductor to semi-metallic and a decrease in resistivity by one and a half to two times. The nonmonotonic nature of the temperature dependence of the resistivity ρ ultrathin FeSi film with a thickness of 3.2 nm has been established, in which a maximum at 230–240 K, a region of growth from 160 to 65 K with Eg = 14.8 meV and further growth without saturation to a temperature of 1.5 K are observed. With increasing thickness of FeSi films grown by molecular-beam epitaxy, the minimum and maximum are not observed, but the tendency of nonmonotonic growth of ρ(T) with decreasing temperature and the opening of the band gap Eg = 23 meV remains. The probable reasons for the occurrence of effects in the dependences ρ(T) are considered. In ultrathin and thin FeSi films grown by solid-phase and molecular-beam epitaxy, respectively, an anomalous Hall effect was found, which was confirmed by the weak ferromagnetic properties of the films. The results obtained proved the possibility of growing and controlling the properties of ultrathin and thin FeSi films on silicon obtained by solid-phase and molecular-beam epitaxy, which ensured the appearance of their unique transport and magnetic properties that are absent in single crystals.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. G. Galkin

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Author for correspondence.
Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

I. M. Chernev

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

E. Yu. Subbotin

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: jons712@mail.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

O. A. Goroshko

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

S. A. Dotsenko

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

A. M. Maslov

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

K. N. Galkin

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

O. V. Kropachev

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

D. L. Goroshko

Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690041, Vladivostok

A. Yu. Samardak

Far Eastern Federal University

Email: galkin@iacp.dvo.ru

Institute of High Technologies and Advanced Materials

Russian Federation, 690922, Vladivostok, Russian Isl.

A. V. Gerasimenko

Institute of Chemistry FEB RAS

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 690022, Vladivostok

E. V. Argunov

National Research Technological University “MISIS”

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Russian Federation, 119049, Moscow

References

  1. Jaccarino V., Wertheim G.K., Wernick J.H., Walker L.R., Arajs S. // Phys. Rev. 1967. V. 160. P. 476. https://www.doi.org/10.1103/PhysRev.160.476
  2. Aeppli G., Fisk Z., Thompson J.D, Mandrus D., Hund-ley M.F., Miglori A., Bucher B., Schlesinger Z., Aeppli G., Bucher E., DiTusa J.F., Oglesby C.S., Ott H-R., Canfi-eld P.C., Brown S.E. // Comments Condens. Matter Phys. 1992. V. 16. P. 155. https://www.doi.org/10.1016/0921-4526(94)00588-M
  3. Schlesinger Z., Fisk Z., Zhang H.-T., Maple M.B., DiTusa J.F., Aeppli G. // Phys. Rev. Lett. 1993. V. 71. P. 1748. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.1748
  4. Degiorgi L., Hunt M.B., Ott H.R., Dressel M., Feenstra B.J., Gruner G., Fisk Z., Canfield P. // Europhys. Lett. 1994. V. 28. P. 341. https://www.doi.org/10.1209/0295-5075/28/5/008
  5. Damascelli A., Schulte K., Van der Marel D., Menov-sky A.A. // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. R4863. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.55.R4863
  6. Fäth M., Aarts J., Menovsky A.A., Nieuwenhuys G.J., Mydosh J.A. // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 15483. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.58.15483
  7. Samuely P., Szabó P., Mihalik M., Hudáková N., Menovsky A.A. // Physica B. 1996. V. 218. P. 185. https://www.doi.org/10.1016/0921-4526(95)00589-7
  8. Lacerda A., Zhang H., Canfield P.C., Hundley M.F., Fisk Z., Thompson J.D., Seaman C.L., Maple M.B., Aeppli G. // Physica B. 1993. V. 186–188. P. 1043. https://www.doi.org/10.1016/0921-4526(93)90780-A
  9. Breuer K., Messerli S., Purdie D., Garnier M., Hengsberger M., Baer Y., Mihalik M. // Phys. Rev. B. 1997. V. 56. P. R7061. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.56.R7061
  10. Tajima K., Endoh Y., Fischer J.E., Shirane G. // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. P. 6954. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.38.6954
  11. Beille J., Voiron J., Roth M. // Solid State Commun. 1983. V. 47. P. 399. https://www.doi.org/10.1016/0038-1098(83)90928-6
  12. Takahashi Y., Moriya T. // J. Phys. Soc. Jpn. 1979. V. 46. P. 1451. https://www.doi.org/10.1143/JPSJ.46.1451
  13. Takahashi Y., Tano M., Moriya T. // J. Magn. Magn. Mater. 1983. V. 31. P. 329. https://www.doi.org/10.1016/0304-8853(83)90266-4
  14. Evangelou S.N., Edwards D.M. // J. Phys. C. 1983. V. 16. P. 2121. https://www.doi.org/10.1088/0022-3719/16/11/015
  15. Fisk Z., Sarrao J.L., Thompson J.D., Mandrus D., Hundley M.F., Migliori A., Bucher B., Schlesinger Z., Aeppli G., Bucher E., DiTusa J.F., Oglesby C.S., Ott H.R., Canfield P.C., Brown S.E. // Physica B. 1995. V. 206–207. P. 798. https://www.doi.org/10.1016/0921-4526(94)00588-M
  16. Varma C.M. // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 9952. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.50.9952
  17. Fu C., Doniach S. // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 17439. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.51.17439
  18. Anisimov V.I., Ezhov S.Y., Elfimov I.S., Solovyev I.V., Rice T.M. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 1735. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1735
  19. Jarlborg T. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3693. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3693
  20. Klein M., Zur D., Menzel D., Schoenes J., Doll K., Roder J., Reinert F. // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 046406. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.046406
  21. Khmelevskyi S., Kresse G., Mohn P. // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. P. 125205. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.98.125205
  22. Neef M., Doll K., Zwicknagl G. // J. Phys.: Condens. Matter. 2006. V. 18. P. 7437. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/18/31/035
  23. Glushkov V.V., Demishev S.V., Kondrin M.V., Pronin A.A., Voskoboinikov I.B., Sluchanko N.E., Moshchalkov V.V., Menovsky A.A. // Physica B. 2002. V. 312–313. P. 509. https://www.doi.org/10.1016/S0921-4526(01)01329-1
  24. Glushkov V.V., Voskoboinikov I.B., Demishev S.V., Krivitskii I.V., Menovsky A., Moshchalkov V.V., Sama-rin N.A., Sluchanko N.E. // J. Experim. Theor. Phys. 2004. V. 99. P. 394. https://www.doi.org/10.1134/1.1800197
  25. Arita M., Shimada K., Takeda Y., Nakatake M. Namatame H., Taniguchi M., Negishi H., Oguchi T., Saitoh T., Fujimori A.M., Kanomata T. // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. P. 205117. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.77.205117
  26. Eo Y.S., Avers K., Horn J.A., Yoon H., Saha S., Suarez A., Fuhrer M.S., Paglione J. arXiv:2302.09996v1 [cond-mat.str-el] https://www.doi.org/110.48550/arXiv.2302.09996
  27. Klein M., Zur D., Menzel D., Schoenes J., Doll K., Röder J., Reinert F. // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 046406. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.046406
  28. Tomczak J.M., Haule K., Kotliar G. // PNAS. 2012. V. 109. P. № 9. P. 3243. https://www.doi.org/10.1073/pnas.1118371109
  29. Fang Y., Ran S. // PNAS. 2018. V. 115. № 34. P. 8558. https://www.doi.org/10.1073/pnas.1806910115
  30. Changdar S., Aswartham S., Bose A., Kushnirenko Y., Shipunov G., Plumb N. C., Shi M., Narayan A., Büchner B., Thirupathaiah S. // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 235105. https://www.doi.org/10.1103/physrevb.101.235105
  31. Breindel A.J., Deng Y., Moir C.M., Maple M.B. // PNAS. 2023. V. 120. № 8. P. e2216367120. https://www.doi.org/10.1073/pnas.2216367120
  32. Rakoski A., Eo Y.S., Kurdak C., Kang B., Song M., Cho B. // J. Supercond. Novel Magn. 2019. V. 33. № 1. P. 265. https://www.doi.org/10.1007/s10948-019-05281-8
  33. Ohtsuka Y., Kanazawa N., Hirayama M., Matsui A., Nomoto T., Arita R., Nakajima T., Hanashima T., Ukleev V., Aoki H., Mogi M., Fujiwara K., Tsukazaki A., Ichikawa M., Kawasaki M., Tokura Y. // Sci. Adv. 2021. V. 7. P. eabj0498. https://www.doi.org/10.1126/sciadv.abj0498
  34. Rashba E.I. // Sov. Phys. Solid State. 1960. V. 2. P. 1109.
  35. Hori T., Kanazawa N., Hirayama M., Fujiwara K., Tsukazaki A., Ichikawa M., Kawasaki M., Tokura Y. // Adv. Mater. 2023. V. 35. P. 2206801. https://www.doi.org/10.1002/adma.202206801
  36. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
  37. Crystallography Open Database (COD). https://www.crystallography.net/cod/result.php
  38. Vinh L.T., Chevrier J., Derrien J. // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. P. 15946. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.46.15946
  39. Mi W.B., Liu H., Li Z.Q.,Wu P., Jiang E.Y., Bai H.L. // J. Phys. D. 2006. V. 39. P. 5109. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/39/24/002
  40. Prakash R., Choudhary R.J., Sharath Chandra L.S., Lakshmi N., Phase D.M. // J. Phys.: Condens. Matter. 2007. V. 19. P. 486212. https://www.doi.org/10.1088/0953-8984/19/48/486212
  41. Thorne R.E. // Phys. Today. 1996. V. 49. № 5. P. 42. https://www.doi.org/10.1063/1.881498
  42. Mott N.F. // Philosoph. Magazine: J. Theor. Experim. Appl. Phys. 1969. V. 19. № 160. P. 835. https://www.doi.org/10.1080/14786436908216338
  43. Efros A.L. // J. Phys. C. 1975. V. 8. № 4. P. L49. https://www.doi.org/10.1088/0022-3719/8/4/003
  44. Altshuler B.L., Khmel'nitzkii D., Larkin A.I., Lee P.A. // Phys. Rev. B. 1980. V. 22. P. 5142. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.22.5142
  45. Shevlyagin A.V., Galkin N.G., Galkin K.N., Subbotin E.Y., Il’yaschenko V.M., Gerasimenko A.V., Tkachenko I.A. // J. Alloys Compd. 2022. V. 910. P. 164893. https://www.doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164893
  46. Смит Р. Полупроводники. М.: Мир, 1982. 560 с.
  47. Savitzky A., Golay M.J. // Anal. Chem. 1964. V. 36. Р. 1627. https://www.doi.org/10.1021/ac60214a047

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. AFM images of the surface of samples E (a) and F (b).

Download (238KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of samples A (1), B (2), C (3), D (4) (a) and E (5), F (6) (b). For ease of perception, the curves are shifted along the intensity scale.

Download (184KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature dependences of the specific resistance of samples A (1), A + T (2), B (3), B + T (4), C (5), D (6) (a) and E (7), F (8) (b) with FeSi films. Curves 1, 3, 7 and 8 were measured on a Teslatron TP setup (T = 1.5–300 K), and curves 2, 4, 5 and 6 were measured on a Kriotel setup (T = 110–450 K).

Download (141KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of lnρ on the reciprocal temperature for samples A (1), B (2) (a) and E (3), F (4) (b) to determine the band gap width of the grown films on the selected straight sections.

Download (140KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of the Hall resistance ρxy of samples A (a) and F (b) with FeSi films 3.2 and 20.4 nm thick on the magnetic field induction (Bz) at temperatures: 10 (1); 60 (2); 120 (3); 160 (4); 240 (5); 300 K (6).

Download (161KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the magnetic moment m on the magnetic induction B (dots) in the plane of the film (1) and perpendicular to it (2) for samples A (a) and F (b) with FeSi films 3.2 and 20.4 nm thick at room temperature. Smoothing of the branches of magnetic loops (curves) was carried out within the framework of the Savitzky–Golay filter [47].

Download (196KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».