Способ получения ферромагнитного композита AlSb-MnSb
METHOD FOR OBTAINING A FERROMAGNETIC COMPOSITE AlSb-MnSb

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к созданию новых композиционных материалов, состоящих из полупроводника антимонида алюминия и ферромагнетика антимонида марганца, которые могут найти применение для создания магниточувствительных диодных структур, магнитных переключателей и сенсоров магнитных полей на основе ферромагнитного композита.
2
(1-X)
X
2
(1-X)
X
2
Известны способы получения ферромагнитных композитов на основе полупроводника и ферромагнетика путем непосредственного сплавления указанных соединений в стехиометрическом составе с дальнейшим напылением на подложку или путем совместного напыления полупроводника и ферромагнетика и последующей термической обработки при температуре выше температуры плавления композита. Получают как объемные композиты [I.V. Fedorchenko, L. Kilanski, I. Zakharchuk, P. Geydt, E. Lahderanta, P.N. Vasiliev, N.P. Simonenko, A.N. Aronov, W. Dobrowolski, S.F. Marenkin, Composites based on self-assembled MnAs ferromagnet nanoclusters embedded in ZnSnAs semiconductor // Journal of Alloys and Compounds, V. 650, (2015), pp. 277-284], так и пленочные гетероструктуры [Making ferromagnetic heterostructures Si/ZnMnSiAs and Ge/ZnMnGeAs / I.V. Fedorchenko, A. Rumiantsev, T. Kuprijanova, L. Kilanski, R.A. Szymczak, W. Dobrowolski, L.I. Koroleva // Solid State Phenomena, 2011, Vols. 168-169, 2011, pp. 313-316. - ISSN: 1662-9779].
К недостаткам указанных методик относится то, что получение композита AlSb-MnSb указанными способами невозможно в принципе, поскольку температура термического разложения антимонида марганца значительно ниже, чем температура плавления получаемого композита, т.е. антимонид марганца перитектически разлагается раньше, чем плавится композит, а значит, способы, основанные на плавлении не пригодны.
1-X
x
Наиболее близкой по технической сущности являются известные тонкие пленки разбавленного магнитного полупроводника InMnSb, где х = 0,0025 и 0,0135 [Diluted magnetic semiconductor (In,Mn)Sb: Transport and Magnetic properties, V.M. Ivanov, O.N. Pashkova, V.P. Sanygin, P.M. Sheverdyaeva, V.N. Prudnikov, N.S. Perov, A.G. Padalko // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310 (2007) 2132-2134] (прототип), которые получают из раствора расплава исходного стехиометрического состава.
Недостатком прототипа является узкая ширина запрещенной зоны InSb 0,13эВ [Group IV Elements, IV-IV and III-V Compounds. Part b - Electronic, Transport, Optical and Other Properties,Volume 41A1b of the series  - Group III Condensed Matter pp 1-5], что приводит к вырождению полупроводниковой матрицы при добавлении антимонида марганца, что в принципе не позволяет получить туннельное магнитное сопротивление на таких магнитных структурах.
Технической задачей является создание ферромагнитного композита, состоящего из фаз AlSb и MnSb.
Предлагаемое изобретение направлено на изыскание способа получения композита на основе антимонида алюминия с антимонидом марганца, пригодного для создания ферромагнитного материала с высокими значениями температуры Кюри на основе широкозонного полупроводника.
Высокотемпературный ферромагнетизм определяется наличием в структуре антимонида марганца, известного ферромагнетика, с температурой Кюри 587К [Electronic and Magnetic Properties of MnSb Compounds, R. Masrour, E.K. Hlil, M. Hamedoun, A. Benyoussef, O. Mounkachi, H.El Moussaoui // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 2015, V. 28, Issue 6, pp 1815-1819], а большая ширина запрещенной зоны определяется матрицей антимонида алюминия, полупроводника с шириной запрещенной зоны 1.61эВ [The 6.1  family (InAs, GaSb, AlSb) and its heterostructures: a selective review, H. Kroemer // Physica E 20 (2004) 196-203].
Технический результат достигается тем, что предложен способ получения ферромагнитного композита AlSb-MnSb, заключающийся в том, что поочередно наносят тонкие пленки марганца, сурьмы и алюминия в их стехиометрических соотношениях на диэлектрическую подложку, при этом пленку сурьмы наносят между марганцем и алюминием, далее полученную гетероструктуру подвергают термической обработке в бескислородной среде при температуре от 400 до 450°С в течение 2-4 часов до образования пленки двухфазного композита MnSb-AlSb.
Целесообразно, что нанесение тонких пленок металлов на подложку осуществляют методом вакуумно-термического напыления.
Целесообразно также, что в качестве диэлектрической подложки используют кремний или сапфир.
Указанный результат достигается также тем, что термическую обработку полученной гетероструктуры осуществляют в вакууме или в инертной среде.
Температура термической обработки определяется тем, что при температуре ниже 400°С реакция идет очень медленно, а ввиду мелкодисперсности нанесенных слоев и, как следствие, большой реакционной способности компонентов нагрев выше 450°С может приводить к образованию дополнительных фаз.
Время термической обработки определяется тем, что при термической обработке менее двух часов при заданных температурах реакция не успевает пройти до конца из-за медленной скорости диффузии, а при отжиге более четырех часов существенных изменений в композите не наблюдается.
Сущность изобретения состоит в том, что предложен уникальный способ получения композита из тонких пленок марганца, сурьмы и алюминия без достижения температуры плавления собственно композита, что позволяет избежать перитектического разложения антимонида марганца.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями:
Фиг. 1. Микрофотография поверхности гетероструктуры из тонких пленок марганца, сурьмы и алюминия (по данным атомно-силовой микроскопии).
Фиг. 2. Микрофотография композита AlSb-MnSb после термической обработки гетероструктуры (по данным атомно-силовой микроскопии).
Заявляемый композит получали следующим образом:
С помощью метода вакуумно-термического напыления на подложку из кремния и сапфира последовательно наносили тонкие пленки сначала марганца, затем сурьмы и алюминия, соответствующие стехиометрическому составу композита. При этом порядок нанесения пленок является существенным условием, т.к. адгезия между пленками алюминия и марганца отсутствует (материал шелушится и отслаивается). Подложки с нанесенными пленками помещали в кварцевые ампулы, которые затем вакуумировали и подвергали термической обработке при температуре от 400 до 450°С от 2 до 4 часов.
По данным атомно-силовой микроскопии до термической обработки поверхность гетероструктуры из тонких пленок марганца, сурьмы и алюминия является гладкой, Фиг. 1, а после термообработки наблюдается образование субмикронных, 400-900 нм, кластеров композита MnSb-AlSb Фиг. 2.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать композит на основе антимонида алюминия с антимонидом марганца, пригодного для создания ферромагнитного материала с высокими значениями температуры Кюри и со свойствами широкозонного полупроводника.