Структура, транспортные и магнитные свойства ультратонких и тонких пленок FeSi на Si(111)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами твердофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии при 350°С выращены поликристаллические и эпитаксиальные пленки моносилицида железа (FeSi) толщиной 3.2–20.35 нм на подложке Si(111), что подтверждено данными рентгеновской дифракции. Исследования морфологии показали, что пленки сплошные и гладкие со среднеквадратичной шероховатостью от 0.4 до 1.1 нм при росте методом твердофазной эпитаксии, а в случае молекулярно-лучевой эпитаксии имеют повышенную шероховатость и состоят из коалесцировавших зерен с размерами до 1 мкм и плотностью проколов до 1 × 107 см–2. При твердофазной эпитаксии увеличение толщины приводит к неполному образованию силицида и появлению слоя неупорядоченного моносилицида железа толщиной от 10 до 20 нм с возможным избытком железа. Это подтверждено изменением характера температурной зависимости удельного сопротивления ρ от полупроводникового до полуметаллического и уменьшением удельного сопротивления в полтора–два раза. Установлен немонотонный характер температурной зависимости удельного сопротивления ρ(T) ультратонкой пленки FeSi толщиной 3.2 нм, на котором выделены максимум при 230–240 К, участок роста от 160 до 65 К с Eg = 14.8 мэВ и дальнейший рост без насыщения до температуры 1.5 К. При увеличении толщины пленок FeSi, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, минимум и максимум не наблюдаются, но сохраняется тенденция немонотонного роста ρ(T) с уменьшением температуры и открытием запрещенной зоны Eg = 23 мэВ. Рассмотрены вероятные причины возникновения эффектов на зависимостях ρ(T). В ультратонкой и тонкой пленках FeSi, выращенных методами твердофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии соответственно, обнаружен аномальный эффект Холла, который подтвержден слабыми ферромагнитными свойствами пленок. Полученные результаты доказали возможность роста и управления свойствами ультратонких и тонких пленок FeSi на кремнии, полученных методами твердофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии, что обеспечило их уникальные транспортные и магнитные свойства, отсутствующие у монокристаллов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Г. Галкин

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

И. М. Чернев

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

Е. Ю. Субботин

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: jons712@mail.ru
Россия, 690041, Владивосток

О. А. Горошко

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

С. А. Доценко

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

А. М. Маслов

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

К. Н. Галкин

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

О. В. Кропачев

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

Д. Л. Горошко

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690041, Владивосток

А. Ю. Самардак

Дальневосточный федеральный университет

Email: galkin@iacp.dvo.ru

Институт наукоемких технологий и передовых материалов

Россия, 690922, Владивосток, о. Русский

А. В. Герасименко

Институт химии ДВО РАН

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 690022, Владивосток

Е. В. Аргунов

Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”

Email: galkin@iacp.dvo.ru
Россия, 119049, Москва

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. АСМ-изображения поверхности образцов E (а) и F (б).

Скачать (238KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограммы образцов A (1), B (2), C (3), D (4) (а) и E (5), F (6) (б). Для удобства восприятия кривые сдвинуты по шкале интенсивности.

Скачать (184KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивления образцов A (1), A + T (2), B (3), B + T (4), C (5), D (6) (а) и E (7), F (8) (б) с пленками FeSi. Кривые 1, 3, 7 и 8 измерены на установке Teslatron TP (Т = 1.5–300 К), а кривые 2, 4, 5 и 6 – на установке “Криотел” (Т = 110–450 К).

Скачать (141KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости lnρ от обратной температуры для образцов А (1), В (2) (а) и E (3), F (4) (б) для определения ширины запрещенной зоны выращенных пленок на выделенных прямолинейных участках.

Скачать (140KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости холловского сопротивления ρxy образцов А (а) и F (б) с пленками FeSi толщиной 3.2 и 20.4 нм от индукции магнитного поля (Bz) при температурах: 10 (1); 60 (2); 120 (3); 160 (4); 240 (5); 300 К (6).

Скачать (161KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости магнитного момента m от магнитной индукции В (точки) в плоскости пленки (1) и перпендикулярно ей (2) для образцов А (а) и F (б) с пленками FeSi толщиной 3.2 и 20.4 нм при комнатной температуре. Сглаживание ветвей магнитных петель (кривые) проведено в рамках фильтра Савицкого–Голея [47].

Скачать (196KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах