СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ОКСИДНОГО МАТЕРИАЛА, ЛЕГИРОВАННОГО ИОНАМИ ФЕРРОМАГНИТНОГО МЕТАЛЛА, ДЛЯ СПИНТРОНИКИ
METHOD OF OBTAINING THIN-FILM OXIDE MATERIAL ALLOYED WITH FERROMAGNETIC METAL IONS FOR SPINTRONICS

Изобретение относится к области получения тонких пленок материалов, способных являться при комнатных и выше температурах спиновым инжектором в создаваемых гетероструктурах ФП/П, где ФП - ферромагнитный полупроводниковый материал (или ферромагнитный композит), П-немагнитный полупроводник (спиновый приемник). Подобные структуры являются базовыми устройствами разрабатываемых систем полупроводниковой спиновой электроники, в том числе спиновой информатики, квантовых компьютеров и других спинтронных систем, работа которых основана на спиновом транспорте.
Известен способ получения тонкой пленки материала на основе оксидов, в частности на основе оксидов лантанидов, путем распыления мишени из смеси оксидов соответствующих металлов в атмосфере кислорода и аргона (заявка WO 2005009905, C01G 23/04, 2005 г.). Известный материал является ферромагнитным при комнатных температурах и может быть использован в устройствах для спинтроники.
Тем не менее, недостатком материала, полученного известным способом в виде тонкой пленки, является невысокая степень его намагниченности при комнатной температуре, которая составляет не более 10 еми/г.
0,92
0,08
2-δ
Известен способ получения пленки спинтронного материала на основе диоксида титана, легированного ионами кобальта, включающий магнетронное распыление сплавной металлической мишени-прекурсора состава TiCo в аргонно-кислородной атмосфере (Л.А.Балагуров, С.О.Клименский, С.П.Кобелева, А.Ф.Фролов, Н.С.Петров, Д.Г.Яркин. "О природе ферромагнетизма в полупроводниковом оксиде TiO: Со", Письма в ЖЭТФ, 79(2), 111, (2004)). Получаемый пленочный материал является ферромагнитным полупроводником при комнатных температурах и может быть использован в электронных устройствах для спинтроники.
Однако степень его намагниченности насыщения при этом оказывается невысокой, не превышающей 10 еми/г, что существенно сказывается на величине возможного спинового транспорта (инжекции) из него.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения пленок спинтронного материала, обладающего высокой степенью намагниченности и способного являться спиновым инжектором в устройствах полупроводниковой спиновой электроники при комнатных (и выше) температурах.
-5
Поставленная задача реализована в предлагаемом способе получения тонкопленочного оксидного материала, легированного ионами ферромагнитного металла, для спинтроники путем распыления прекурсора на подложку в разряженной атмосфере при высоких температурах, в котором распыление осуществляют путем испарения исходного сыпучего порошка, легированного железом оксида европия (II) фракции 0,2-0,3 мм, в вакууме (1÷5)·10 Торр при подаче его на раскаленный до 2500-3000°С испаритель со скоростью 1-10 мг/с, при этом подложку располагают над испарителем на расстоянии 8-12 см.
-5
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения пленок оксидного спинтронного материала путем испарения исходного сыпучего порошка, легированного железом оксида европия (II) фракции 0,2-0,3 мм, в вакууме (1÷5)·10 Торр при подаче порошка на раскаленный до 2500-3000°С испаритель со скоростью 1-12 мг/с.
0,75-0,85
0,25-0,15
-5
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Готовят фракцию исходного порошка-прекурсора состава (EuO)Fe с размером зерна 200-300 нм в количестве 1-10 мг (в зависимости от требуемой толщины получаемой пленки). Порошок загружают в устройство для подачи порошка на испаритель вакуумной напылительной установки. Устройство снабжено вакуумным колпаком, порошок поступает на испаритель по наклонному желобу порционно или одноразово. Процесс подачи порошка осуществляют в вакууме (1÷5)·10 Торр со скоростью от 1 до 12 мг/с на раскаленную до 2500-3000°С танталовую или вольфрамовую кювету-испаритель при пропускании через него тока силой до 200А. При этом происходит мгновенное испарение исходного порошка и его осаждение в виде тонкой пленки на подложке, например оптическом стекле, находящейся на расстоянии 8-12 см над испарителем, что позволяет подложке самопроизвольно разогреваться его излучением до температуры 250-300°C. В зависимости от необходимой толщины получаемой пленки процесс подачи порошка длится от одной секунды до нескольких десятков секунд. Перед подачей порошка на испаритель его взвешивают с точностью до 0,1 мг. Подложку с осажденной пленкой выдерживают в течение 2 минут, затем начинают охлаждение до комнатной температуры путем уменьшения тока испарителя до нулевого значения и последующего его охлаждения в вакууме в течение двух часов. После чего подложку с пленкой извлекают из напылительной установки и проводят аттестацию пленки по рентгеноструктурным и физическим характеристикам.
0,75-0,85
0,25-0,15
Известен спинтронный композиционный материал состава (EuO)Fe с повышенной (до 50 еми/г) намагниченностью насыщения при комнатных температурах (патент РФ №2291134, С04В 35/50, 2006 г.). Однако существование известного материала в объемном виде не дает возможности использовать его в электронных устройствах для полупроводниковой спинтроники в качестве спинового инжектора в структурах ФП/П, поскольку такое использование возможно только в случае получения материала в виде пленки.
На приводимых ниже фиг.1 и фиг.2 показаны рентгенограммы исходного порошка-прекурсора и тонкой пленки толщиной - 200 нм, осажденной на оптическое (предметное) стекло по предлагаемому способу. Видно, что рентгенограммы идентичны, что указывает на идентичность состава пленки и исходного порошка. Увеличение толщины пленки только подтверждает эту закономерность, одновременно делая пленку монокристаллической.
Поведение удельных намагниченностей (σ) исходного порошка-прекурсора и пленки толщиной ~450 нм того же состава в области температур 77-1000 К приведены на фиг.3 и фиг.4. Измерения выполнены статическим пондеромоторным методом в поле Н=0,86 Тл. Из этих данных также видно полное подобие в поведении их зависимостей σ(Т) и близость абсолютных значений намагниченностей при комнатных температурах. Эти данные также отражены в таблице, где приведены, кроме того, величины удельных электросопротивлений исходного порошка-прекурсора и пленки. Последние величины измерялись стандартным четырехконтактным методом на промышленной установке.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
0,75-0,85
0,25-0,15
-5
Пример 1. Готовят фракцию исходного порошка-прекурсора состава (EuO)Fe с размером зерна 0,2-0,3 мм в количестве 10 мг. Порошок загружают в устройство для подачи порошка на испаритель вакуумной напылительной установки. Устройство снабжено вакуумным колпаком, порошок поступает на испаритель по наклонному желобу порционно. Процесс подачи порошка осуществляют в вакууме 5·10 Торр со скоростью 10 мг/с на раскаленную до 2500°С танталовую кювету-испаритель при пропускании через него тока силой 150 А. При этом происходит мгновенное испарение исходного порошка и его осаждение в виде тонкой пленки на подложке из оптического стекла, находящейся на расстоянии 12 см над испарителем, что позволяет подложке самопроизвольно разогреваться его излучением до 250°C. Перед подачей порошка на испаритель его взвешивают с точностью до 0,1 мг. Подложку с осажденной пленкой выдерживают в течение 2 минут, затем начинают охлаждение до комнатной температуры путем уменьшения тока испарителя до нулевого значения и последующего охлаждения в вакууме в течение двух часов. После чего подложку с пленкой извлекают из напылительной установки и проводят аттестацию пленки по рентгеноструктурным и физическим характеристикам (фиг.1-4). Получают пленку толщиной ~450 нм, обладающую удельной намагниченностью при комнатной температуре, равной σ=45 еми/г.
0,75-0,85
0,25-0,15
-5
Пример 2. Готовят фракцию исходного порошка-прекурсора состава (EuO)Fe с размером зерна 0,2-0,3 мм в количестве 1 мг. Порошок загружают в устройство для подачи порошка на испаритель вакуумной напылительной установки. Устройство снабжено вакуумным колпаком, порошок поступает на испаритель по наклонному желобу одноразово. Процесс подачи порошка осуществляют в вакууме 1·10 Торр со скоростью 1 мг/с на раскаленную до 3000°C вольфрамовую кювету-испаритель при пропускании через него тока силой 200 А. При этом происходит мгновенное испарение исходного порошка и его осаждение в виде тонкой пленки на подложке, например оптическом стекле, находящейся на расстоянии 8 см над испарителем, что позволяет подложке самопроизвольно разогреваться его излучением до 300°C. Перед подачей порошка на испаритель его взвешивают с точностью до 0,1 мг. Подложку с осажденной пленкой выдерживают в течение 2 минут, затем начинают охлаждение до комнатной температуры путем уменьшения тока испарителя до нулевого значения и последующего охлаждения в вакууме в течение двух часов. После чего подложку с пленкой извлекают из напылительной установки и проводят аттестацию пленки по рентгеноструктурным и физическим характеристикам (фиг.1-4). Получают пленку толщиной ~200 нм, обладающую удельной намагниченностью при комнатной температуре σ=32 еми/г.
Сравнительные характеристики исходного порошка-прекурсора и пленки из него, нанесенной на стеклянную подложку
Образец
Намагниченность Т=300 К, еми/г
Удельное электросопротивление, Т=300 К, Ом·см
Исходный порошок (фракция ~0,3 мм)
55
6
Пленка (толщина ~450 нм)
45
>4,5
Пленка (толщина ~200 нм)
32
3,0
Таким образом, предлагаемый способ получения тонких пленок спинтронного материала позволяет получать в них повышенные физические характеристики. Это делает реальным применение пленок в качестве инжекторов спинов в спинтронных базовых устройствах полупроводниковой спиновой электроники ФП/П.