Магнитные и структурные свойства эпитаксиальных Fe 3ge(001) пленок

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Для начального исследования мы рассмотрели изолированный НТСП, состоящий из двух ионов меди со спином 8 = '/2 и ионом кислорода между ними. В отсутствие дырки на ионе кислорода имеется четыре состояния для двух ионов меди: одно синглетное и три триплетных. При появлении дырки на ионе кислорода, возникает 8 состояний, которые благодаря р-^обменному взаимодействию разбиваются на два дублета и один квартет (рис. 2). Все эти состояния есть поляронные состояния и рождение дырки на кислороде должно описываться переходом системы в одно из состояний поляронов.

Все эти переходы можно описать математически строго, если ввести операторы рождения изолированного НТСП, удовлетворяющих уравнению движения с гамильтонианом р-^обменной связи:

= [1 -ь А ) - - ррхг

Из этих выражений явно видно перепутывание спиновых (операторы спина) и зарядовых (операторы Хаббарда) степеней свободы.

В магнитном поле верхний уровень вырожден четырехкратно, а два нижних двухкратно, при включении магнитного поля они расщепляются, расщепление определяется g-фактором (рис. 3). По теории возмущения получаем выражения для g-фактора каждого из этих мультиплетов, черезg-факторы исходных состояний на ионах меди и кислорода. Если взять самый простейший случай, когда g-фактор на меди и кислороде равен 2, то получается, g-фактор НТСП равен 2.

Библиографические ссылки

1. V. J. Emery, PRL. v. 58, 2794 (1987).

2. V. J. Emery, G.Reiter, PRB, 38, 4547 (1988).

© Комаров К. К., 2013

УДК 541.124.16 + 662.612

В. А. Коньков1, В. Г. Мягков12, В. С. Жигалов1,2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

2 Институт физики им. Л. Киренского СО РАН, Красноярск

МАГНИТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ Fe3Ge(001) ПЛЕНОК

Представлены экспериментальные исследования твердофазных реакций в пленках Ge/Fe. Первой фазой, формирующейся на интерфейсе Fe/Ge при температуре отжига 300 °С, является фаза ß - Fe16Ge. При температуре выше 550 °С возникает фаза Fe3Ge с магнитными характеристиками К1 = 1,35105 эрг/см3 и MS = 1 080 Гс.

Получение материалов, которые одновременно обладают полупроводниковыми и магнитными свойствами, интенсивно исследуются для будущих элементов спинтроники. В настоящее время ферромагнитные полупроводники FexGe1-x привлекают большее внимание, однако, недостаточно экспериментальных данных о магнитных свойствах FexGe1-x [i; 2].

В работе исследуются твёрдофазные реакции в эпитаксиальных плёнках Ge/Fe(001). Исходные плёночные структуры Ge/Fe получены термическим осаждением на монокристаллическую подложку Mg0(001) в вакууме 10-6 мм рт.ст.. Осаждение слоёв Fe (100 нм) велось при температуре 250 °С, при которой происходил её эпитаксиальный рост на поверхности Mg0(001). Слои Ge (100 нм) осаждались при комнатной температуре для предотвращения твёрдофаз-ной реакции между слоями Ge и Fe. Исходные образцы Ge/Fe(001) подвергались термическому отжигу в температурном диапазоне от 300 °С до 700 °С с шагом 50 °С и выдержкой при каждой температуре 40 минут. Измерения магнитной кристаллографической анизотропии К1 и намагниченности насыщения MS проводили методом крутящих моментов в максимальном магнитном поле 18кЭ. На рис. 1 приведены температурные зависимости нормализированных ве-

личин К1 и MS. До температуры отжига 300 °С значения К1 и MS не зависят от TS температуры подложки, что говорит об отсутствии соединений на интерфейсе Ge/Fe. При температуре свыше 300 °С все образцы показывают уменьшение значений К1 и MS и при температуре 550 °С становятся полностью немагнитными. При температурах Т>600 °С величины К1 и MS сильно увеличиваются и при 700 °С принимают значения К1 = 1,35 • 105 эрг/см3 и MS = 1 080 Гс.

Дифракционные картины меняются в соответствии с изменением зависимостей К1(Т) и MS(T). На рис. 2 приведены рентгеновские спектры пленочной структуры Ge/Fe после отжига при температуре 350 °С, 550 °С и 700 °С. При температурном отжиге свыше 300 °С происходит возникновение и рост отражений от в - Fe1,6Ge(101) и в - Fe^Ge(202) (рис. 2, а), что говорит о формировании ориентированной в -Fe16Ge(101) фазы в продуктах реакции. Фаза в -Fe16Ge продолжает расти до температур отжига порядка 550 °С, при последующих отжигах рост пиков этой фазы не наблюдается. Фаза в - Fe16Ge является немагнитной и имеет гексагональную кристаллическую решетку. При температуре отжига выше 550 °С отражения новой фазы Fe3Ge (рисунок 2б) идет с об-

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

разованием доминирующего Ре3ве(200) пика (рисунок 2в). Фаза Бе3ве является кубической Ет3т, её параметр решетки составляет, а = 5,7439 А. Ориента-ционное соотношение с подложкой: Ре3ве(001)[100] || Mg0(001)[110]; на рисунке 3 представлен схематическое изображение роста Ре3ве на подложке Mg0.

Получены экспериментальные значения температур Кюри для этих двух фаз (рисунок 4). Для фазы Бе3ве, путем грубого аппроксимирования, было установлено, что температура Кюри составляет приблизительно 900 К. Для фазы в - Бе^ве значение температуры Кюри составило около 0 °С (~280 К).

350й С ] - МяО

.1.000 I 1 1 1 550° С

LAIL 1 1 V.. А/ Ч Л

§, 1 1 1 WC

500 £ 5 I

1 II о . 1 J о й 8 ъ Ч. i

Рис. 1. Температурные зависимости константы магнитокристаллографической анизотропии К1 и намагниченности насыщения MS

Рис. 2. Дифрактограмма эпитаксиальной Ge/Fe пленочной системы от температур отжига: 350 °C, 550 °C, 700 °C

Рис. 3. Схематическое изображение формирования Fe3Ge на поверхности MgO

Рис. 4. Температурные зависимости намагниченности MS фазы Fe3Ge и P-Fe16Ge

Таким образом, показано, что твердофазная реакция в Ge/Fe пленочных структурах стартует при температуре отжига ~300 °С с формированием немагнитной р - Fei,6Ge фазы. Эта фаза растет ориентированной на MgO(OOl). Второй образующейся фазой, имеющей температуру инициирования 550°C, является ферромагнитная фаза Fe3Ge. Определены значения намагниченности насыщения MS = 1080 Гс и константы магнитокристаллографической анизотропии К1 = 1,35 105 эрг/см3.

Библиографические ссылки

1. Jaafar R. Epitaxial Fe-Ge thin films on Ge(lll): Morphology, structure, and magnetic properties versus stoichiometry / R. Jaafar, D. Berling, D. Sebilleau, and G. Garreau - Phys.rev. B81, 155423, 2010

2. Коньков В. А., Мягков В. Г. Структура и магнитные свойства fi-Fe16Ge эпитаксиальных тонких пленок ВНКСФ-18, 2012.

© Коньков В. А., Мягков В. Г., Жигалов В. С., 2013