Магнітні властивості кремнію з домішками парамагнітних атомів

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.