Исследование кристаллической структуры и магнитных свойств эпитаксиальных пленок метастабильной ε-фазы оксида железа
ВВЕДЕНИЕ
В настоящий момент возможности дальнейшего развития традиционной полупроводниковой электроники подходят к своему пределу. Интеграция полупроводниковых и магнитных материалов в единую гетероструктуру открывает возможности для разработки новых функциональных спинтронных устройств. Оксиды железа образуют семейство магнитных материалов, обладающих широким разнообразием физических свойств. Среди них наиболее интересным полиморфом является метастабильная фаза ε-Fe2O3. Данная модификация оксида железа является ферримагнетиком с огромной магнитокристаллической анизотропией, ответственной за значения коэрцитивной силы, обычно превышающие 2 Тл для нанокристаллической формы и 1 Тл для эпитаксиальных пленок. Высокие значения коэрцитивного поля при комнатной температуре, сегнетоэлектрические и магнитоэлектрические свойства делают ε-Fe2O3 перспективным материалом для использования в магнитных устройствах хранения информации с низким энергопотреблением. Большинство работ, связанных с ε-Fe2O3, были посвящены наночастицам. Недавно была показана возможность эпитаксиального роста тонких пленок ε-Fe2O3 на полупроводниковых подложках. Предполагается, что сознание структур, объединяющих в себе полупроводниковые и магнитные слои имеет технологическое значение для потенциального расширения возможностей современных микроэлектронных устройств. Размещение слоя ферримагнетика комнатной температуры с регулируемой намагниченностью/поляризацией в контакте с полупроводником предоставляет возможность управления оптическими, электронными и магнитными свойствами гетероструктуры посредством прикладываемого напряжения.
СОДЕРЖАНИЕ
Список аббревиатур и сокращений 7
Введение 8
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Применение оксидов железа 10
1.2. Получение оксидов железа в наноразмерной форме 12
1.3. Кристаллическая структура различных фаз оксидов железа 14
1.4. Обзор проведенных к настоящему моменту исследований ε-Fe2O3 16
Глава 2. Экспериментальные методы 23
2.1. Импульсное лазерное осаждение 23
2.2. Дифракция быстрых электронов 26
2.3. Атомно силовая микроскопия 27
2.4. Просвечивающая электронная микроскопия 29
2.5. Методы рентгеновской рефлектометрии 31
2.5.1. Рентгеновская рефлектометрия 31
2.5.2. Резонансная рентгеновская рефлектометрия 34
Глава 3. Исследования кристаллической структуры и магнитных свойств ε-Fe2O3 37
3.1. Изготовление образцов 37
3.2. Исследования кристаллической структуры ε-Fe2O3 41
3.3. Исследования структур методом резонансной рентгеновской рефлектометрии 50
Заключение 66
Не найдено
На рисунке 3.7 представлены изображения бездефектных фрагментов области переходного слоя, полученные с помощью HRTEM в двух различных азимутах. Анализ карт FFT, полученных от областей HRTEM-изображений, соответствующих переходному слою (рис. 3.7), позволяет сделать предположение о строении его кристаллической решетки. Для описания кристаллической решетки наилучшим образом подходит кубическая шпинель, ориентированная осью [111] вверх и осью [11-2] в плоскости, параллельной GaN [1-10]. Вертикальная периодичность 2.40 Å в буферном слое хорошо соответствует расстоянию 2.405 Å между атомными плоскостями (111) в кубической шпинели γ-Fe2O3 (постоянная решетки a = 8.33 Å). Решетки прочих модификаций оксида железа имеют следующие параметры, - межплоскостные расстояния 2.424 Å и 2.50 Å между плоскостями (111) в Fe3O4 и FeO; 2.368 Å между плоскостями (001) в ε-Fe2O3 и 2.291 Å между плоскостями (0001) в α-Fe2O3. Приведенные значения сильно отличаются от наблюдаемой периодичности переходного слоя.
Как показано на рисунке 3.7, между смоделированными проекциями плотности катионных электронов, соответствующими решетке γ-Fe2O3, и экспериментальными изображениями HRTEM, измеренными в двух различных азимутах, достигается хорошее соответствие. В работах [21, 22] упоминается, что на изображениях HRTEM [11-2]-зоны оксидной шпинели железа имеется ярко выраженная двухслойная периодичность d = 2.4 + 2.4 Å. Такая периодичность соответствует различным структурам нечетных и четных (111) слоев железа в кубической шпинели. Атомы металла в нечетных слоях находятся в чисто октаэдрической координации, в то время как четные слои содержат как тетраэдрически, так и октаэдрически скоординированные атомы металла. В моделях прямого пространства (в двух перпендикулярных азимутах), соответствующей переходному слою в исследуемых в настоящей работе образцах (см. рис. 3.7), также наблюдается такая двухслойная периодичность.