Магнітні властивості кремнію з домішками парамагнітних атомів

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-40

Ключові слова:

кремній, марганець, нікель, нанокластер, магнітоопір, феромагнетик, гістерезис

Анотація

Одним із можливих шляхів отримання кремнію з магнітними властивостями є введення в кремній парамагнітних домішок: Cr, Mn, Fe, Ni та Co. На нашу думку, кремнієві матеріали, що містять магнітні нанорозмірні кластери, найбільш придатні для пристроїв спінтроніки. У роботі досліджено можливість отримання кремнію з магнітними властивостями шляхом дифузійного легування. Для отримання кремнію, легованого домішковими атомами Cr, Mn, Fe та Ni, використовували монокристалічний кремній p-типу з питомим опором ρ = 5 Ом·см і ρ = 0,5 Ом·см, а для легування атомами Co використовувався кремній n-типу з питомим опором ρ=10 Ом·см. Температуру та час дифузії вибирали так, щоб після дифузійного відпалу зразки з домішковими атомами Cr, Fe та Mn залишалися висококомпенсованими p-типу, а при легуванні домішковими атомами Co залишалися високоомними n-типу. Результати дослідження показали, що зі зниженням температури величина від’ємного магнітоопору Δρ/ρ у зразках Si<Mn> зростає і досягає максимального значення (близько 800%) при Т = 240 К, подальше зниження температури призводить до до зменшення магнітоопору, а при температурі T = 170 К знак магнітоопору змінюється. У зразках Si <Cr> зі зниженням температури позитивний магнітоопір переходить у від’ємний, величина якого зростає зі зниженням температури, і досягається при Т=100 К Δρ/ρ = 45–50%. У зразках Si<Fe> зі зниженням температури величина від’ємного магнітоопору монотонно зростає і при T=100 K його значення становить Δρ/ρ = (100÷120) %. Дослідження на зразках Si<Сo> показало, що зі зниженням температури величина позитивного магнітоопору зростає і при Т=100 К досягає Δρ/ρ = (17÷20) %. Дослідження магнітоопору в зразках - Si<Ni> показало, що зі зниженням температури величина позитивного магнітоопору зростає і при Т=100 К досягає Δρ/ρ = (10÷15) %. При дослідженні магнітних властивостей зразків p-Si <B, Mn> при низьких температурах (нижче Т=30 К) виявлено феромагнітний стан, тобто вдалося отримати магнітний напівпровідниковий матеріал методом дифузії парамагнітної домішки. У надкомпенсованих зразках Si <B, Mn> (тип n) магнітного гістерезису не виявлено. Це свідчить про істотний вплив на магнітні властивості домішки марганцю в кремнії його зарядового і, відповідно, спінового стану. На підставі отриманих результатів можна стверджувати, що дифузійне легування кремнію марганцем може бути використане для отримання кремнію з магнітними властивостями.

Посилання

A. Hirohata, K. Yamada, Y. Nakatani, I.L. Prejbeanu, B. Diény, P. Pirro, and B. Hillebrands, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 509, 166711 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166711

M. Bolduc, C. Awo-Affouda, A. Stollenwerk, M.B. Huang, F.G. Ramos, G. Agnello, and V.P. LaBella, Physical Review B, 71, 033302 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.033302

Hung-Ta Lin, Wei-Ji Huang, Shuo-Hong Wang, Hsiu-Hau Lin, and Tsung-Shune Chin, Journal of Physics: Condensed Matter, 20(9), 095004 (2008). http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/20/9/095004

D.J. Fisher, Diffusion in Silicon: 10 Years of Research (Scitec publications, 2010), pp. 339.

B.I. Boltaks, Diffusion and Point Defects in Semiconductors (Nauka, Leningrad, 1972), pp. 384.

C. Awo-Affouda, M. Bolduc, M.B. Huang, F. Ramos, K.A. Dunn, B. Thiel, G. Agnello, and V.P. LaBella, Journal of Vacuum Science and Technology A, 24, 1644 (2006). https://doi.org/10.1116/1.2189265

M.K. Bakhadyrkhanov, G.Kh. Mavlonov, and Kh.M. Iliev, Technical Physics, 59(10), 1556 (2014). http://dx.doi.org/10.1134/S1063784214100089

M.K. Bakhadyrkhanov, and Z.T. Kenzhaev, Technical Physics, 66(7), 851 (2021). http://dx.doi.org/10.1134/S1063784221060049

M.K. Bakhadyrkhanov, S.B. Isamov, Z.T. Kenzhaev, D. Melebaev, K.F. Zikrillayev, and G.A. Ikhtiyarova, Applied Solar Energy, 56(1), 13 (2020). http://dx.doi.org/10.3103/S0003701X2001003X

K.A. Ismailov, Z.T. Kenzhaev, S.V. Koveshnikov, E.Z. Kosbergenov, and B.K. Ismaylov, Physics of the Solid State, 64(3), 154 (2022). https://doi.org/10.1134/S1063783422040011

M. K. Bakhadirkhanov, G.H. Mavlonov, X.M. Iliev, K.S. Ayupov, O.E. Sattarov, and C.A. Tachilin, Semiconductors, 48(8), 986 (2014). http://dx.doi.org/10.1134/S106378261408003X

Y.H. Kwon, T.W. Kang, H.Y. Cho, and T.W. Kim, Solid State Communications 136, 257 (2005). http://dx.doi.org/10.1016/j.ssc.2005.08.011

A.F. Orlov, I.V. Kulemanov, Yu.N. Parkhomenko, N.S. Perov, and A.S. Semisalova, Russian Microelectronics, 41(8), 443 (2012). https://doi.org/10.1134/S1063739712080136

T. Kim, M. Shima, Journal of Applied Physics, 101(9), 09M516 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2712825

H. Hejase, S.S. Hayek, S. Qadri, Y. Haik, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 324, 3620 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2012.03.043

A.B. Rinkevich, A.V. Korolev, M.I. Samoylovich, S.M. Kleshcheva, and D.V. Perov, Technical Physics, 61(2), 194 (2016). https://doi.org/10.1134/S1063784216020183

M.K. Bakhadyrkhanov, Kh.M. Iliev, G.Kh. Mavlonov, K.S. Ayupov, S.B. Isamov, and S.A. Tachilin, Technical Physics, M, 64(3), 385 (2019). http://dx.doi.org/10.1134/S1063784219030046

N.F. Zikrillaev, G.A. Kushiev, S.B. Isamov, B.A. Abdurakhmanov, and O.B. Tursunov, Journal of Nano- and Electronic physics, 15(1), 01021,4pp (2023), https://doi.org/10.21272/jnep.15(1).01021

J. Kreissl, and W. Gehlhoff, Physics Status Solid (b), 145(2), 609–617, (1988), https://doi.org/10.1002/pssb.2221450227

A.T. Lino, J.R. Leite, L.V.C. Assali, and V.M.S. Gomes, International Journal of Quantum Chemistry, 36(S23), 701 (2009), https://doi.org/10.1002/qua.560360872

Z.A. Yunusov, S.U. Yuldashev, K.T. Igamberdiev, Y.H. Kwon, T.W. Kang, M.K. Bakhadyrkhanov, S.B. Isamov, and N.F. Zikrillaev, Journal of the Korean Physical Society, 64(10), 1461 (2014), https://doi.org/10.3938/jkps.64.1461

G.P. Moharana, R. Kothari, S.K. Singh, P.D. Babu, H.K. Narayanan, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 555, 169358, (2022), https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169358

M. Zhang, X. Zeng, P.K. Chu, R. Scholz, and C. Lin, J. Vac. Sci. Technol. A, 18(5), 2249 (2000).

I. T. Yoon, C. J. Park, T.W. Kang, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 311(2), 693–696. (2007). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.08.042

G.P. Moharana, S.K. Singh, and H.K. Narayanan, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 527, (2021), https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167707

N. Filonenko, A. Babachenko, G. Kononenko, and E. Domina, East Eur. J. Phys. 4, 90 (2020), http://dx.doi.org/10.26565/2312-4334-2021-4-14

Завантаження

Опубліковано

2023-09-04

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають