close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Корреляция транспортных и магнитных характеристик в тонких пленках ZnO легированных Li..pdf

код для вставкиСкачать
Химия и металлургия
водных. Рига: Знание, 1987. 230 с.
4. Карманов А.П., Деркачева О.Ю. Применение ИК-Фурьеспектроскопии для исследования свойств лигнинов травянистых растений // Химия растительного сырья. 2012. № 1.
С. 61–70.
5. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: учеб.
пособие для вузов. М.: Экология, 1991. 320 с.
6. Conley R.T. Infrared spectroscopy. Boston: Allyn and Bacon,
1972. 355 р.
7. Ehara, K., Saka, S. A comparative study on chemical conversion of cellulose between the batch-type and flow-type systems
in supercritical water // Cellulose. 2002. № 9. Р. 301–311.
8. Faix O. Investigation of Lignin Polymer Models (DHP’s) by
FTIR Spectroscopy // Holzforschung. 1986. V.40, № 46.
P. 273–280.
9. Lin S.Y., Dence C.W. Methods in lignin chemistry. SpringerVerlag, 1992. 578 p.
УДК 538.911
КОРРЕЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ И МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ
ZnO, ЛЕГИРОВАННЫХ Li
© А.C. Журавлёва1
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Методом импульсного лазерного осаждения получены тонкие пленки ZnO, легированные литием (2, 4 и 6 ат. %).
С помощью оптического интерферометра определены толщины синтезированных пленок (90–117 нм). Исследована взаимосвязь электрических и магнитных свойств образцов. Обнаружен слабый ферромагнетизм ZnO:Li при
комнатной температуре. Показано, что с ростом концентрации лития наблюдаются усиление ферромагнитного
сигнала, увеличение концентрации носителей заряда и возрастание удельного сопротивления в тонких пленках.
Изменение транспортных и магнитных характеристик почти пропорционально.
Ключевые слова: тонкие пленки; оксид цинка; литий; импульсное лазерное осаждение.
CORRELATION BETWEEN TRANSPORT AND MAGNETIC CHARACTERISTICS IN LI–DOPED ZNO THIN FILMS
A.S. Zhuravleva
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Lithium–doped (2, 4, and 6 at. %) ZnO thin films are obtained by pulsed laser deposition. Thickness of the synthesized
films is determined with an optical interferometer (90–117 nm). Correlation between electric and magnetic properties of
the samples is studied. Weak ferromagnetism of ZnO:Li has been detected at room temperature. It is shown that the
growth of lithium concentration is accompanied with the amplification of a ferromagnetic signal, densification of charge
carriers and increased specific resistance in thin films. Changes in transport and magnetic characteristics are almost
proportional.
Keywords: thin films; zinc oxide; lithium; pulsed laser deposition.
Изучение структуры и свойств оксида цинка (ZnO)
имеет особую значимость как для фундаментальной,
так и для прикладной науки. Несмотря на то что этот
материал уже давно широко используется во многих
областях промышленности, техники и медицины, интерес к получению и исследованию свойств ZnO, в
особенности тонких пленок ZnO, значительно возрос в
последнее десятилетие [1, 2]. Это обусловлено сочетанием оптических, ферроэлектрических, пьезоэлектрических, ферромагнитных свойств оксида и, как
следствие, его многофункциональностью. Оксид цинка
может применяться для создания солнечных элементов, светодиодов, катодолюминофоров, полупроводниковых лазеров, пьезопреобразователей, газовых
сенсоров, детекторов ультрафиолетового (УФ) излучения. Также оксид цинка представляет особый интерес для создания материалов и устройств спинтроники благодаря ожидаемым новым свойствам, в особенности ферромагнитным при комнатной температуре
(Тк) вследствие квантоворазмерных эффектов. Хотя в
последнее время ведутся многочисленные исследования по изучению свойств и эффектов в тонких пленках на основе других полупроводников (например, на
основе оксида титана и оксида индия-олова [3–6]),
перспективность тонких пленок на основе оксида цинка с учетом значимости материала не вызывает сомнения.
Обнаружение высокотемпературного ферромагнетизма (Т≥Тк) в тонких пленках ZnO открывает возможность управления с помощью магнитного поля электрическими свойствами материала, а с помощью
электрического поля – его магнитными свойствами.
Наибольший интерес научных коллективов направлен
на исследования магнитных и магнитотранспортных
свойств тонких пленок ZnO, легированных 3dметаллами [7, 8]. Использование щелочных металлов,
в частности лития, в качестве легирующей примеси
для получения ферромагнитного упорядочения недо-
___________________________
1
Журавлёва
Алина
Сергеевна,
аспирант
Физико-технического
института,
тел.:
89500523500,
e-mail: zhuravlyova–alina@yandex.ru
Zhuravleva Alina, Postgraduate of Physico-Technical Institute, tel.: 89500523500, e-mail: zhuravlyova–alina@yandex.ru
118
ВЕСТНИК ИрГТУ № 11 (106) 2015
ISSN 1814-3520
Химия и металлургия
оценено. Количество работ о ферромагнетизме в тонких пленках ZnO:Li довольно мало. Кроме того, определенную взаимозависимость магнитных и электрических свойств не всегда удавалось установить однозначно [9, 10].
Известно, что для создания тонких пленок с необходимыми характеристиками важным является правильный выбор метода синтеза. В настоящее время
для получения пленок на основе оксида цинка применяется импульсное лазерное напыление (PLD), которое имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами – молекулярной эпитаксией,
осаждением из газовой фазы при термическом, лазерном или магнетронном распылении. Прежде всего
это высокая степень соответствия катионной стехиометрии формируемых пленок составу материала мишени, высокая для тонкопленочных методов скорость
напыления, а также практически полное отсутствие
загрязнений пленки компонентами материалов камеры. К недостаткам метода можно лишь отнести возможность загрязнения пленки микрокаплями расплава
материала мишени при высоких скоростях осаждения.
В связи со сказанным выше целью настоящей работы является обнаружение высокотемпературного
ферромагнетизма в тонких пленках ZnO:Li, полученных PLD-методом, и исследование его корреляции с
электрическими свойствами структуры.
Синтез тонких пленок LiхZn1-хO (х = 0,02; 0,04; 0,06)
проводился на сапфировых подложках с-среза с линейными размерами 5×5×0,33 мм методом импульсного лазерного осаждения (установка PLD–450A,
США) с использованием эксимерного KrF-лазера
( =248 нм). Подложки предварительно были химически очищены последовательно по 5 мин в ацетоне
(99,5%), этаноле (99,8 %), дистиллированной воде,
затем высушены и в течение 3–4 с обработаны азотом. В качестве мишеней использовались таблетки,
спрессованные из порошков ZnO (х.ч.) и Li2CO3 (х.ч.) в
необходимом стехиометрическом соотношении и зао
тем отожжённые при температуре 900 С в течение 2 ч.
-3
Давление в рабочей камере (4,2⋅10 Па) достигалось
при помощи турбомолекулярного и криогенного насосов. Технологические параметры синтеза тонких пленок ZnO:Li приведены в табл. 1.
Ранее с помощью рентгеновской дифрактометрии,
атомно-силовой микроскопии и масс-спектрометрии
вторичных ионов исследованы структурные особенности и морфология синтезированных образцов. Установлено, что тонкие пленки однофазны и имеют хорошо текстурированную структуру и гладкую поверхность без значительных дефектов и примесей. Однако
на поверхности всех образцов, кроме Li(6)-1, наблюдались немногочисленные микрокапли, связанные с
несовершенством PLD-технологии. Некоторые результаты исследований представлены в работе [11].
Толщины тонких пленок определялись оптическим
интерферометром NewView 7300 компании ZYGO
(США), работа которого основана на принципе сканирующей интерферометрии белого света. На рис. 1
показана интерференционная картина на границе
ISSN 1814-3520
пленки Li(6)-1 и подложки.
Таблица 1
Технологические параметры осаждения тонких
пленок ZnO:Li
Параметр
Концентрация, ат. %
Подложка
Температура подложки,
о
Tп , С
Энергия лазера, E, мДж
Частота, , Гц
Дистанция
мишень−подложка, l, см
-3
Давление, P ∙ 10 , Па
Номер образца
Li(2)-1
Li(4)-1
Li(6)-1
2
4
6
c-Al2O3
500
300
2
8
4,2
Рис. 1. Интерференционная картина образца Li(6)-1
(на границе – тонкая пленка-подложка)
По наблюдаемым максимумам и минимумам интенсивности была построена 3D-модель (рис. 2, а),
численный анализ которой позволил определить толщину исследуемого образца. Из рис. 2, б видно, что
переход «пленка – подложка» довольно резкий – ~0,03
мм, а толщина пленки Li(6)-1 равна 90 нм. Аналогичным образом были определены толщины Li(2)-1 и
Li(4)-1, они соответственно равны 100 и 117 нм. Погрешность измерений составляет ±0,1 нм.
Электрические свойства образцов были исследованы методом Холла при комнатной температуре.
Концентрация, подвижность носителей заряда, удельное сопротивление тонких пленок ZnO:Li определялись с помощью автоматизированной установки HSM
3000 в поле постоянного магнита 1 Тл. Измерения
проводились по четырехконтактной схеме Ван-дерПау. Электрические параметры полупроводников в
общем случае связаны формулой
=
1

,
где  – удельное сопротивление, Ом⋅см; n – концен-3
трация носителей заряда, см ; e – заряд электрона,
2
Кл;  – подвижность носителей заряда, см /В⋅).
ВЕСТНИК ИрГТУ № 11 (106) 2015
119
Химия и металлургия
а
б
Рис. 2. А – 3D-модель образца Li(6)-1 (на границе – тонкая пленка-подложка);
б – график толщины тонкой пленки Li(6)-1
С целью получения максимально достоверных характеристик пленок было проведено по 5 измерений,
причем каждое из полученных значений уже являлось
статистической обработкой 10-ти измерений, задаваемых в программе к установке HSM 3000. На рис. 3
представлены графики изменения концентрации, подвижности носителей заряда и удельного сопротивления от концентрации лития в ZnO-пленке.
Черная линия является полиномиальной аппрок-
симацией множества точек вида
 = с1  2 + с2  + ,
где b, c1, c2 – константы. Близкие к единице величины
2
достоверности аппроксимации (R >0,93) свидетельствуют о хорошем совпадении кривой с данными. Полученные транспортные характеристики представлены в табл. 2.
а
б
в
Рис. 3. Зависимости концентрации носителей заряда (а), подвижности носителей заряда (б),
удельного сопротивления (в) от концентрации Li (черная линия – полиномиальная аппроксимация)
120
ВЕСТНИК ИрГТУ № 11 (106) 2015
ISSN 1814-3520
Химия и металлургия
Таблица 2
Транспортные характеристики исследуемых образцов
Номер образца
Параметр
Li(2)-1
Li(4)-1
Толщина пленки, d, нм
100
117
19
-3
Средняя концентрация носителей заряда, ̅ ∙ 10 , см
-2,6374
-2,0858
2
Средняя подвижность носителей заряда, ̅, см /В⋅с
14,338
14,696
-2
Среднее удельное сопротивление, ̅ ∙ 10 , Ом⋅см
1,6516
2,06
Анализ данных показал, что все исследуемые образцы имеют электронную проводимость (n-тип). Концентрации носителей заряда для Li(2)-1 и Li(2)-1 в
пределах погрешности почти равны. Увеличение концентрации Li до 6 ат. % позволило увеличить n почти в
2 раза (~1,98 раза), при этом подвижность носителей
заряда уменьшилась в 7 раз. Удельное сопротивление
с увеличением концентрации легирующей примеси
возрастает в 3,53 раза. Важно отметить, что оно изменяется по закону, близкому к закону n – концентрация
Li (константы с1 очень близки).
Магнитные измерения образцов показали наличие
слабого ферромагнетизма. На рис. 4 представлены
зависимости изменения магнитного момента исследу-3
2
емых образцов, выраженных в эме (1 эме=10 А∙м ), в
диапазоне полей ±1000 Э. Зависимости получены при
температуре 300 К с помощью вибрационного магнитометра Lake Shore 7407. Поворот кривых на некоторый угол в диамагнитную область связан с диамагнитным вкладом подложки и держателя образца. Их вли-
Li(6)-1
90
-5,2452
2,089
5,8424
яние велико в связи с тем, что магнитный отклик пленок очень мал. С этим же связаны и шумы на графиках. Поэтому было важно провести обработку полученных зависимостей.
Обработка хода кривых проводилась вычитанием
диамагнитных сигналов подложки и держателя образца, а устранение шумов – математической корректировкой (аппроксимацией) с помощью функции Ланжевена [12]. Известно, что в классическом пределе, когда допустимы все ориентации магнитных моментов,
функция Ланжевена имеет следующий вид [13]:
1
 ∞ () = ℎ − .

-6
Несмотря на достаточно слабые сигналы (~10
эме), отчетливо виден ферромагнитный ход кривых.
Магнитные характеристики пленок ZnO:Li представлены в табл. 3.
а
б
в
Рис. 4. Полевые зависимости магнитного момента образцов Li(2)-1 (а), Li(4)-1 (б), Li(6)-1 (в)
при температуре 300 К (черная линия – математическая корректировка)
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ № 11 (106) 2015
121
Химия и металлургия
Таблица 3
Магнитные характеристики исследуемых образцов
Номер образца
Параметр
Li(2)-1
Li(4)-1
-6
Магнитный момент насыщения, Ms∙10 , эме
4,3
4,8
-6
Остаточный магнитный момент, Мr∙10 , эме
1,7
2
Магнитная индукция насыщения, Hs, Э
159
240
Коэрцитивная сила, Нс, Э
23
40
Аналогично данным электрических измерений
магнитные характеристики образцов Li(2)-1 и Li(4)-1
очень близки. Для них магнитный момент насыщения
-6
-6
соответственно равен 4,3∙10 эме и 4,8∙10 эме, а
коэрцитивная сила – 28 и 40 Э. Наиболее явно выраженный ферромагнитизм наблюдается на образце
Li(6)-1. Для него характерна более широкая петля гистерезиса с коэрцитивной силой 72 Э и наибольший
среди исследуемых образцов магнитный момент
-6
насыщения – 7∙10 эме. Увеличение концентрации Li в
3 раза (с 2 до 6 ат. %) позволяет увеличить коэрцитивную силу почти пропорционально – ~ в 3,2 раза.
Изменение остаточного магнитного момента и магнитной индукции насыщения от концентрации имеет более плавный ход; они возрастают ~ в 2,35 и 2,11 раза
соответственно. Эти результаты очень хорошо согласуются с транспортными измерениями пленок ZnO:Li.
Таким образом, при увеличении концентрации ли-
Li(6)-1
7
4
336
72
тия в тонких пленках на основе оксида цинка наблюдается усиление ферромагнитного сигнала, что, повидимому, связано с увеличением концентрации носителей заряда и удельного сопротивления в образцах.
Изменение электрических и магнитных характеристик
почти пропорционально.
В настоящей работе был обнаружен слабый ферромагнетизм в тонких пленках ZnO (90–117 нм), легированных литием (2, 4, 6 ат. %), и было показано, что
в них существует корреляция транспортных и магнитных свойств.
Автор выражает благодарность научному руководителю А.Г. Шнейдеру, А.Н. Семисаловой (МГУ им.
М.В. Ломоносова), О.А. Новодворскому (ИПЛИТ РАН)
и А.А. Лотину (ИПЛИТ РАН) за помощью в проведении измерений и участие в обсуждении результатов
исследования.
Статья поступила 25.09.2015 г.
Библиографический список
1. Ферромагнетизм нанозеренных пленок оксида цинка /
ский, В.В. Рыльков [и др.] // Физика и техника полупроводниБ.Б. Страумал, С.Г. Протасова, Б. Барецки [и др.] // Письма в
ков. 2014. Т. 48. № 4. С. 556–563.
ЖЭТФ. 2013. Т. 97. № 6. С. 415–426.
8. Giant negative magnetoresistance in manganese–substituted
2. Satischandra B. Ogale Thin films and heterostructures for
zinc oxide / Wang X.L., Shao Q., Zhuravleva A.S. [and others] //
oxide electronics. Springer, 2005. 419 p.
Scientific Reports. 2015. Т. 5. С. 9221.
3. Кузьмин М.П. Эффект замещения индия алюминием в
9. Ferromagnetism in Delute Magnetic Semiconductors thought
тонких пленках оксида индия-олова // Вестник ИрГТУ. 2013.
defect engineering: Li-doped ZnO / J.B. Yi, C.C. Lim, G.Z. Xing
№ 9 (80). С. 196–201.
[and others] // Physical Review Letters. 2010. 104. 137201.
4. Кузьмина М.Ю., Кузьмин М.П. Явление электрохромного
10. Room Temperature Ferromagnetism in Lithium-Doped ZnO /
эффекта в тонких пленках оксида титана // Вестник ИрГТУ.
C. J. Ran, X. G. Xu, H. L. Yang [and others] // IEEE transactions
2011. № 2 (49). С. 136–142.
on magnetics. 2012. V. 48, № 11. P. 3422–3425.
5. Кузьмина М.Ю., Кузьмин М.П. Электрохромные свойства
11. Журавлёва А.С. Структурные особенности тонких пленок
оксидов титана // Известия вузов. Прикладная химия и биоLi0,06Zn0,94O, полученных методом импульсного лазерного
технология. 2011. Т. 1. № 1. С. 115–120.
напыления // Вестник ИрГТУ. 2014. № 9 (92). С. 24–29.
6. Кузьмина М.Ю., Кузьмин М.П. Коэффициент контраста
12. Николаев В.И., Третьякова О.П. Математические методы
титанового электрохромного электрода // Вестник ИрГТУ.
реставрации изображений в магнетизме наночастиц // Фун2011. № 8 (55). С. 139–144.
даментальная и прикладная математика. 2009. Т. 15.
7. Свойства пленок Zn 1-xCoxO, полученных методом импуль№ 6. C. 99–117.
сного лазерного осаждения с использованием скоростной
13. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. III Электричество:
сепарации осаждаемых частиц / А.А. Лотин, О.А. Новодвор4-е изд., стереот. М.: Изд-во МФТИ, 2004. 656 с.
122
ВЕСТНИК ИрГТУ № 11 (106) 2015
ISSN 1814-3520
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
531 Кб
Теги
корреляция, магнитные, пленках, легированных, pdf, характеристика, тонкий, zno, транспортной
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа