Магнитные и структурные свойства наноразмерных слоев ферромагнетик-изолятор-ферромагнетик на основе FeSix и FeOy
Диссертация
Проведённые нами ранее исследования позволили выявить ферромагнитные полуметаллы Fe3Si и Fe304 и их комбинации в бислойных системах с туннельными изоляторами MgO и Si02 в качестве перспективных функциональных материалов для ФМ электродов и ТИ слоев в наноразмерных структурах магнитных туннельных переходов. В ходе выполнения диссертационной работы были проведены эксперименты по формированию… Читать ещё >
Содержание
- 1. Литературный обзор
- 1. 1. Спинтроника. Магнитные туннельные переходы
- 1. 2. Поиск материалов
- 1. 1. 2. Туннельный изолятор
- 1. 1. 2. Ферромагнитный электрод Fe3S
- 1. 2. 3. Ферромагнитный электрод РезС>
- 2. 1. Методики роста тонкопленочных наноразмерных слоев и структур
- 2. 1. 1. Метод импульсного лазерного осаждения
- 2. 1. 2. Исследовательский комплекс ИЛО-РФЭС-СРМИXSAM
- 2. 2. Методики анализа структурных и химических свойств
- 2. 2. 1. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
- 2. 2. 2. Спектроскопия рассеяния медленных электронов
- 2. 2. 3. Оже-электронная спектроскопия
- 2. 2. 4. Резерфордовское обратное рассеяние (POP)
- 2. 2. 5. Атомно-силовая микроскопия
- 2. 3. Методики исследования магнитных свойств и фазового состава
- 2. 3. 1. Мёссбауэровская спектроскопия конверсионных электронов
- 2. 3. 2. Спектроскопия комбинационного рассеяния
- 2. 3. 3. Вибрационная магнитометрия
- 2. 3. 4. Ферромагнитный резонанс
- 3. 1. Ферромагнитный силицид железа Fe3S
- 3. 1. 1. Твердофазная реакция Fe-Si в системе Fe3Si/S
- 3. 1. 2. Метод соосаждения Fe и Si. Синтез Fe3Si из сплавной стехиометричной мишени Fe3S
- 3. 1. 3. Магнитные свойства тонкопленочных слоев Fe3S
- 3. 2. Ферромагнитный оксид железа FeOy
- 3. 2. 1. Тонкопленочные слои Fe3C>
- 3. 2. 2. Бислойная структура Fe/Fe
- 4. 1. Формирование сверхтонких слоев MgO
- 4. 2. Формирование сверхтонких слоев S
- 5. 1. Поликристаллическая структура Fe/Fe304/Mg0/Fe3S
- 5. 2. Трёхслойная структура FeOx/MgO/FeSix
- 5. 3. Обсуждение результатов
Список литературы
- Mantovan R., Georgieva М., Fanciulli М., Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Yu. and Zenkevich A. Synthesis and characterization of Fe3Si/Si02 structures for spintronics. Phys. Stat. Sol. (a), 2008, v. 205, p. 1753−1757.
- Хоменко E.B., Чеченин Н. Г., Гойхман А. Ю., Зенкевич А. В. Обменное смещение в структурах IrMn/Co с альтернативным чередованием антиферромагнитного и ферромагнитного слоев. — Письма в ЖЭТФ, 2008, т. 88, с. 693−697.
- Mantovan R., Wiemer С., Lampereti A., Georgieva М., Fanciulli М., Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Yu. and Zenkevich A. Mossbauer spectroscopy study of interfaces for spintronics. — Hyperflne Interactions, 2009, 191, p. 41−46.
- Гойхман А.Ю., Куприянова Г. С., Прохоренко Е. Е., Черненков А. О. Магнитно-резонансные свойства тонкопленочных структур с Fe304. Вестник РГУ им. И. Канта, 2010, вып. 6, с. 81−88.
- Goikhman A. and Kupriyanova G. FMR study of sandwiched magnetic structures. In: Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism (MISM 2008), Moscow, Russia — 2008, on CD-ROM.
- Goikhman A., Kupriyanova G. and Zenkevich A. Magnetic properties of Fe/Fe304 bilayers studied by ferromagnetic resonance. In: Abstracts of International Conference on Magnetism (ICM-2009), Karlsrhue, Germany — 2009, on CD-ROM.
- Goikhman A., Zenkevich A., Guler S., Rameev B. and Kupriyanova G. FMR study of sandwiched magnetic structures. — In: Book of abstracts International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM), Antalya, Turkey 2008, on CD-ROM.
- Goikhman A., Barantsev N., Lebedinskii Y., Zenkevich A., Mantovan R. and Fanciulli M. Fe3Si/Si02/Fe functional structures formed by pulsed laser deposition. — In: Abstracts of Euro-Asian Symposium «Magnetism on nanoscale», Kazan, Russia — 2007, p. 54.
- Гойхман А. Ю., Лебединский Ю. Ю., Зенкевич A.B., Неволин B.H. Формирование функциональных структур Fe3Si/Si02/Co и Fe3Si/Si02/Fe для магнитных туннельных переходов. В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва — 2007, т. 15, с. 41.
- Гойхман А. Ю., Лебединский Ю. Ю., Зенкевич А. В., Неволин В. Н. Формирование функциональных структур Fe3Si/Si02/Co и Fe3Si/MgO/Fe (Co) для магнитных туннельных переходов. — В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва 2008, т. 7., с. 174.
- Гойхман А. Ю., Лебединский Ю. Ю., Зенкевич А. В., Неволин В. Н. Функциональные структуры магнитных туннельных переходов на основе ферромагнитных полуметаллов. — В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва- 2009, т. 2, с. 84.
- Гойхман А. Ю., Зенкевич А. В., Самсонова В. В., Перов Н. С., Неволин В. Н. Исследование формирования магнитной фазы в структуре Fe/Fe304. — В. сб.: тез. докл. Научной сессии МИФИ, Москва — 2010, т. 2, с. 170.
- Гойхман А. Ю., Лебединский Ю. Ю., Зенкевич А. В., Самсонова В. В., Перов Н. С. Многослойные эпитаксиальные структуры для магнитных туннельных переходов. — В. сб.: трудов Национальной конференции по росту кристаллов, Москва 2008, CD-ROM
- Гойхман А. Ю., Куприянова Г. С. и Зенкевич А.В. Исследование многослойных магнитных структур методом ферромагнитного резонанса. — В. сб.: тез. докл. 5-й зимней школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения», Санкт-Петербург CD-ROM
- Zutic, I., Fabian, J., and Das Sarma S. Spintronics: fundumentals and applications. Rev. Mod. Phys., 2004, 76, p. 323−410.
- Tehrani, S., Engel, В., Slaughter, J. M., Chen, E., Deherrera, M., Durlam, M., Naji, P., Whig, R., Janesky, J., Calder, J. Recent developments in magnetic tunnel junction MRAM. IEEE Trans. Magn., 2000, 36, p. 2752−2757
- Faure-Vincent J., Tiusan C., Jouguelet E., Canet F., Sajieddine M., Bellouard C., Popova E., Hehn M., Montaigne F. and Schuhl A. High tunnel magnetoresistance in epitaxial Fe/MgO/Fe tunnel junctions Appl. Phys. Lett. 2003, 82, p. 4507−4509.
- Кар Soo Yoon, Ja Hyun Koo, Young Ho Do, Ki Woong Kim, Chae Ok Kim and Jin Pyo Hong. Performance of Fe304/A10^/CoFe magnetic tunnel junctions based on half-metallic Fe304 electrodes J. Magn. Magn. Mat. 2005, 285, p. 125 — 129.
- Park B.G., Banerjee Т., Min B.C., Lodder J.C. and Jansen R. Tunnel spin polarization of Ni8oFe2o/Si02 probed with a magnetic tunnel transistor Phys. Rev. В 2006, 73, p. 172 402.
- Mantovan R., Georgieva M., Perego M., Lu H.L., Cocco S., Zenkevich A., Scarel G and Fanciulli M. Atomic Layer Deposition of Magnetic Thin Films — Acta Physica Polonica 2007, 112, p.1271.
- Отчеты за 4й и 5й этапы ГК № 02.513.11.3178, руководитель Зенкевич А. В., исполнители Гойхман А. Ю., Лебединский Ю. Ю. и др.
- Gallagher W.J. and Parkin S.S.P. Development of the magnetic tunnel junction MRAM at IBM: From first junctions to a 16-Mb MRAM demonstrator chip IBM J. Res. & Dev. 2006, 50, p.5−24.
- Mott N. F. The Electrical Conductivity of Transition Metals Proc. R. Soc. London, Ser. A 1936, 153, p. 699−717.
- Mott N. F. The Resistance and Thermoelectric Properties of the Transition Metals- Proc. R. Soc. London, Ser. A 1936, 156, p. 368 382.
- Campbell I. A., Fert A. and Pomeroy A. R. Evidence for two current conduction iron- Philos. Mag. 1967, 15, p. 977 983.
- Fert A. and Campbell I. A. Two-Current Conduction in Nickel Phys. Rev. Lett. 1968,21, p. 1190−1192.
- Julliere M. Tunneling between ferromagnetic films Phys. Lett. 1975, 54, p. 225
- Tedrow P. M. and Meservey R. Direct Observation of Spin-State Mixing in Superconductors Phys. Rev. Lett. 1971, 27, p. 919 — 921.
- Baibich M. N., Broto J. M., Fert A., Nguyen Van Dau F., Petroff F., Eitenne P., Creuzet G., Friederich A. and Chazelas J. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices Phys. Rev. Lett. 1988, 61, p. 2472 — 2475.
- Yuasa S., Nagahama Т., Fukushima A., Suzuki Y. and Ando K. Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions -Nature Mat. Lett. 2004, 3, p. 868 871.
- Faure-Vincent J., Tiusan C., Jouguelet E., Canet F., Sajieddine M., Bellouard C., Popova E., Hehn M., Montaigne F. and Schuhl A. High tunnel magnetoresistance in epitaxial Fe/MgO/Fe tunnel junctions Appl. Phys. Lett. 2003, 82, p. 4507−4509.
- Yoshimura S., Narisawa Y., Watanabe Y., Tsunoda M., Takahashi M. Oxidation process of Mg films by using high-concentration ozone for magnetic tunnel junctions — J. Magn. Magn. Mat. 2007,312, p. 176 180.
- Jonker В. Т., Prinz G. A., Idzerda Y. U. Interface formation and film morphology for growth of Fe and Co on ZnSe (OOl) J. Vac. Sci. Technol. B. 1991, 9, p. 2437 — 2444.
- В. Ю. Ирхин, М. И. Кацнельсон. Полуметаллические ферромагнетики УФН 1994,164, с. 705−724.
- Fanciulli М., Weyer G., von Kanel Н. and N. Onda. Conversion electron Mossbauer spectroscopy study of iron silicide films grown by MBE -Phys. Scripta 1994,54, p. 16—19
- Singh L. J., Barber Z. H., Miyoshi Y., Bugoslavsky Y.,. Branford W. R and Cohen L. F. Structural, magnetic, and transport properties of thin films of the Heusler alloy Co2MnSi Appl. Phys. Lett. 2004, 84, p. 2367 — 2369.
- Dowben P. A. and Skomski R. Are half-metallic ferromagnets half metals? J. Appl. Phys.2004, 95, p. 7453−7458.
- Schmidt G., Ferrand D., Molenkamp L. W., Filip A. T. and. van Wees. B. J. Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor Phys. Rev. В 2000, 62, p. R4790 -R4793.
- Tezuka N., Ikeda N., Sugimoto S., Inomata K. 175% tunnel magnetoresistance at room temperature and high thermal stability using Co2FeAl0.5Sio.5 full-Heusler alloy electrodes Appl. Phys. Lett. 2006, 89, p. 252 508.
- Schmidt G. and Molenkamp L. W. Spin injection into semiconductors, physics and experiments Semicond. Sci. Tecknol. 2002, 17, p. 310.
- Rashba E. I. Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem Phys. Rev. В 2000, p. R16267 — R16270.
- Fert A., Jaffres H. Conditions for efficient spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor Phys. Rev. В 2001, 64, p. 184 420 — 184 428.
- Zhu H. J., Ramsteiner M., Kostial H., Wassermeier M., Schonherr H.P. and Ploog. К. H. Room-Temperature Spin Injection from Fe into GaAs Phys. Rev. Lett. 2001, 87, p. 16 601−16 603.
- Hanbicki А. Т., Jonker В. Т., Itskos G., Kioseoglou G. and Petrou A. Efficient electrical spin injection from a magnetic metal/tunnel barrier contact into a semiconductor Appl. Phys. Lett. 2002, 80, p. 1240−1242.
- Motsnyi V. F., De Boeck J., Das J., Van Roy W., Borghs G., Goovaerts E. and Safarov V. I. Electrical spin injection in a ferromagnet/tunnel barrier/semiconductor heterostructure Appl. Phys. Lett 2002, 81, p. 265 — 267.
- Kudrnovsky J., Christensen, N. E. and Andersen О. K. Electronic structures and magnetic moments of Fe^Si^ and Fe3^V^Si alloys with D03-derived structure Phys. Rev. В 1991, 43, p. 5924 — 5933.
- Moroni E. G., Wolf W., Hafner J., Podloucky. R. Cohesive, structural, and electronic properties of Fe-Si compounds Phys. Rev. В 1999, 59, p. 12 860 — 12 871.
- Woo Mi-Jung, Hong Soon C. Electronic and magnetic properties of the Fe3Si (001) surface Journ. of the Korean Phys. Soc. 2006, 48, p. 1405 — 1408.
- Hines, W. A., Menotti A. H., Budnick J. I., Burch T. J., Litrenta Т., Niculescu V. and Raj K. Magnetization studies of binary and ternary alloys based on Fe3Si Phys. Rev В 1976,13, p. 4060 — 4068.
- Noh D. Y., Hwu Y., J. H. Je, M. Hong, and J. P. Mannaerts. Strain relaxation in Fe3(Al, Si)/GaAs: An xDray scattering study Appl. Phys. Lett. 1996, 68, p. 1528
- Kneedler E. M., Jonker В. Т., Thibado P. M., Wagner R. J., Shanabrook В. V. and Whitman L. J. Influence of substrate surface reconstruction on the growth and magnetic properties of Fe on GaAs (OOl) Phys. Rev В 1997, p. 56, p.8163 — 8168.
- Foniin M., Pentcheva R., Dedkov Yu.S., Sperlich M., Vyalikh D.V., Scheffler M., Riidiger U. and Guntherodt G. Surface electronic structure of the Fe304(100): Evidence of a half-metal to metal transition Phys. Rev. В 2005, p. 72, p. 104 436 — 104 443.
- Verwey E.J. Electronic Conduction of Magnetite (Fe3C>4) and its Transition Point at Low Temperatures Nature (London) 1939, 144, p.327−328
- Bollero A., Ziese M., Hohne R, Semmelhack H. C., Kohler U., Setzer A. And Esquinazi P. Influence of thickness on microstructural and magnetic properties in Fe304 thin films produced by PLD J. Magn. Magn. Mat. 2005, p. 285, p. 279−289.
- Magen C., Snoeck E. And Bobo J. F. Effect of metallic buffer layers on the antiphase boundary density of epitaxial Fe304 J. of Appl. Phys. 2008, p. 104, p. 13 913 — 13 919.
- Wu Han-Chun, Arora S.K., Mryasov O.N. and Shvets I. V. Antiferromagnetic interlayer exchange coupling between Fe304 layers across a nonmagnetic MgO dielectric layer App. Phys. Lett. 2008, 92, p. 182 502−182 504
- Рыкалин H. H., Углов A. A., Кокора Ф. H. Лазерная обработка материалов — Москва 1975, Машиностроение, с. 315
- Быковский Ю. А., Сильнов С. М., Сотниченко Е. А., Шестаков Б. А. Масс-спектрометрическое исследование нейтралей лазерной плазмы ЖЭТФ 1987, 93, с. 500.
- Зенкевич А. В. Диссертационная работа «Структуро- и фазообразование в лазерно-осаждённых слоях силицидов металлов» — Москва 1997, МИФИ.
- Chrisey A. and Hubler F. Pulsed Laser Deposition New York 1994, Wiley.
- Meitner L. Das B-strahlenspektrum von U Xi und seine deutung Z. Phys. 1923, 17, p. 54−66.
- Auger P. Sur l’effet photoelectrique compose J. Phys. Radium. 1925, 6, p. 205
- Harris L.A. Analysis of Materials by Electron-Excited Auger Electrons J Appl. Physics 1968., 39, p.1419
- Chu W.K., Mayer W. and Nicolet M.A., Backscattering Spectrometry.- New York 1978, Academic Press, p. 384
- Degroote S., Vantomme A., Dekoster J., and Langouche G. Cubic metastable FeSii-x epitaxially grown on Si and MgO substrates Appl. Surf. Sci. 1995, 91, p.72.
- Fanciulli, M., Rosenblad, C., Weyer, G., Von Kanel, H., Onda, N., Nevolin, V. and Zenkevich, A. Mossbauer study of Fe/Si interface Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1995, 402, p. 319
- Fanciulli, M., Weyer, G. and Zenkevich, Mossbauer investigation of silicide phases at the reactive Fe/Si interface A. Appl.Surf. Sci 1998, .123/124, p.207.
- Kilper R., Teichert St., Franke Th., Haussler P., Boyen H.-G., Cossy-Favre A. and Oclhafen P. Photoelectron spectroscopic investigations of thin FexSi.0o-x films -Appl. Surf. Sci 1995, 91, p.93.
- Fanciulli M., Zenkevich A., Wenneker I., Svane A., Christensen N. E. and Weyer G. Electric-field gradient at the Fe nucleus in e-FeSi Phys. Rev. В 1996, 54, p. 15 985−15 990.
- Fanciulli M., Weyer G., von Kanel H. and Onda N. Conversion electron Mossbauer spectroscopy study of iron silicide films grown by MBE Phys. Scripta 1994, 54, p.16
- McGuigan L., Barklie R. C., Sofin R. G. S., Arora S. K. and Shvets I. V. In-plane magnetic anisotropics in Fe304 films on vicinal MgO (lOO) Phys. Rev. В 2008, 77, p.174 424−174 432.
- Haggstrom L., Annersten H., Ericsson Т., Wappling R., Karner W. and Bjarman S. Magnetic dipolar and electric quadrupolar effects on the Mossbauer spectra of magnetite above the Verwey transition -Hyerfine. Interactions 1977, 5, p. 201.
- Voogt F. C., Hibma Т., Zhang G. L., Hoefman M., Niesen L. Growth and characterization of non-stoichiometric magnetite Fe3 8O4 thin films — Surf. Sci. 1995, v. 331, p. 1508−1514.
- Lochner E., Shaw K.A., Dibari R.C., Portwine W., Stoyonov P., Berry S.D., Lind D.M. Studies of the stoichiometrical variation of epitaxial Fe3(i5)04 thin films — IEEE Trans. Magn. 1994, v. 30, p. 4912 4914.
- Voogt F.C., Palstra T.T.M., Niesen L., Rogojanu O.C., James M.A., Hibma T. Superparamagnetic behavior of structural domains in epitaxial ultrathin magnetite films -Phys. Rev. В 1998, 57, R8107-R8110.
- Margulies D.T., Parker F.T., Berkowitz A.E. Magnetic anomalies in single crystal Fe304 thin films J. Appl. Phys. 1994, v.75, p. 6097 — 6099.
- Margulies D.T., Parker F.T., Spada F.E., Goldmann R.S., Li J., Sinclair R., Berkowitz A.E. Anomalous moment and anisotropy behavior in Fe304 films — Phys. Rev. В 1996, 53 p.9175−9187
- Fujii Т., Takano M., Katano R., Isozumi Y., Bando Y. Surface and interface properties of epitaxial Fe304 films studied by Mossbauer spectroscopy J. Magn. Magn. Mater. 1994, 130, p. 267 — 274.
- Fontijn W.F.J., Wolf R.M., Metselaar R., Zaag P.J. Investigation of the stoichiometry of MBE-grown Fe304 layers by magneto-optical Kerr spectroscopy -Thin Solid Films 1997, 292, p. 270 276.
- Han-Chun Wu, Arora S.K., Mryasov O.N. and Shvets I. V. Antiferromagnetic interlayer exchange coupling between Fe304 layers across a nonmagnetic MgO dielectric layer App. Phys. Lett. 2008, 92, p. 182 502.
- Zakeri Kh., Kebe Th., Lindner J., Farle M. Magnetic anisotropy of Fe/GaAs (001) ultrathin films Investigated by in situ ferromagnetic resonance J. Magn. Magn. Mater. 2006, 299L1-L10.
- Gasparov L.V., Tanner D.B., Rommero D.B., Berger H., Margaritondo G., Forro. L. Infrared and Raman studies of the Verwey transition in magnetite Phys. Rev. B. 2000, 62, p. 7939−7944.
- Gasparov L.V., Rush A., Guntherdot G. and H. Berger. Electronic Raman scattering in magnetite: Spin versus charge gap Phys. Rev. B. 2009, 79, p. 144 303 — 144 307.
- Tiwari S., Choudhary R.J., Prakash R. and Phase D.M. Growth and properties of pulsed laser deposited thin films of Fe3C>4 on Si substrates of different orientation — J. Phys.: Condens. Matter 2007, v. 19, p. 176 002
- Chamritski I. and Burns G. Infrared- and Raman-active phonons of magnetite, maghemite, and hematite: a computer simulation and spectroscopic study — J. Phys. Chem. В 2005, v. 109, p. 4965−4968.
- Piekarz P., Parlinski K. and Oles A. Origin of the Verwey transition in magnetite: Group theory, electronic structure, and lattice dynamics study Phys. Rev. B. 2007, 76, p. 165 124−165 139.
- Margulies D. Т., Parker F. Т., Rudee M. L., Spada F. E., Chapman J. N., Aitchison P. R., and Berkowitz A. E. Origin of the anomalous magnetic behavior in single crystal Fe304 films Phys. Rev. Letters 1997, 79, p. 5162−5165.
- Zhou W. L., Wang K.-Y., O’Connor C. J., and Tang J. Granular growth of Fe304 thin films and its antiphase boundaries prepared by pulsed laser deposition J. App. Phys 2001, v. 89, p. 7398−7400.
- Hochella Jr. M.F., Carim A.H. A reassessment of electron escape depths in silicon and thermally grown silicon dioxide thin films Surf. Sci. 1988, v. 197, p. L260 — L268.
- Kilper R., Teichert St., Franke Th., Haussler P., Boyen H.-G., Cossy-Favre A. and Oclhafen P. Photoelectron spectroscopic investigations of thin FexSiioo-x films — Appl. Surf. Sci. 1995, v. 91, p. 93 97.