Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках проекта синтезированы плёнки германида марганца на подложках n-Si(111) и p-Si(111) разной степени легирования методом молекулярно-лучевой эпитаксии с одновременным осаждением Mn и Ge из эффузионных ячеек Кнудсена с BN-тиглем на Si(111) 7×7. Синтез выполнен на сверхвысоковакуумной установке молекулярно-лучевой эпитаксии «Ангара». Для синтеза была выбрана технология с двумя нестехиометричными буферными слоями с последующим напылением стехиометрического слоя Mn5Ge3 заданной толщины. Рост плёнок контролировался непосредственно в камере с помощью ДОБЭ in situ. Во всех экспериментах скорость осаждения германия составляла 0,32 нм/мин, а скорость осаждения марганца варьировалась от 0,28 до 0,3 нм/мин. Этот диапазон скоростей включает режим соотношения потоков для получения стехиометрического Mn5Ge3, который составляет V(Mn)/V(Ge)=0,926. По данным ДОБЭ установлено, что тип и степень легирования не влияют на формирование кристаллической структуры пленок. После синтеза, морфология поверхности плёнок исследована методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Плёнки обладают низкой шероховатостью, Sq = 1,35±0,11 нм. При этом величина среднеквадратичной шероховатости, посчитанная для профиля сечения Rq = 0,91±0,01 нм. Измерены температурные зависимости удельного сопротивления пленок Mn5Ge3. При 300К удельное сопротивление лежит в диапазоне от 330 до 410 мкОм*см, а при 4,2К в диапазоне от 30 до 50 мкОм*см. Вариации удельного сопротивления образцов при температуре 4,2К обусловлены разной концентрацией дефектов в образцах, что подтверждается данными РСА, АСМ и ПЭМ. По величинам удельного сопротивления, а также RRR-фактора, который лежит в диапазоне от 13,4 до 17,5, можно утверждать о хорошем качестве образцов. По производным удельного сопротивления d(T)/dT определены температуры магнитного перехода парамагнетик/ферромагнетик который лежит в области 297К+/- 3К. А также установлено, что при температурах подложки 430С в процессе синтеза формируется примесная фаза Mn11Ge8. По температуре низкотемпературного магнитного перехода в области 75К косвенно можно сделать вывод об отсутствии напряжений в пленках. Такого результата удалось добиться подбором толщины и состава буферных слоев. Для исследования неравновесных процессов при формировании поверхностных состояний на границе раздела Mn5Ge3/Si(111), была проведена серия экспериментов по синтезу при различных температурах подложки (от 310°С до 430 °С). При не эпитаксиальном режиме роста неравновесные условия приводят к формированию кристаллитов, имеющих ориентации, отличающиеся от Mn5Ge3(0001) || Si(111). Методом ДОБЭ определены закономерности формирования кристаллической структуры пленки при совместном напылении марганца и германия на подложку Si(111) в зависимости от температуры синтеза. Установлено, что имеется узкий диапазон температуры 390 °С (с вариациями в диапазоне ± 20 °С), при котором формируется однофазная пленка Mn5Ge3 c низкой шероховатостью поверхности. При увеличении температуры синтеза до 430 °С наблюдается изменение общей интенсивности дифракционной картины, значительное снижение яркости рефлексов относительно фона, что свидетельствует о высокой шероховатости поверхности плёнки. Были определены скорости прецизионного жидкого химического травления тонких плёнок Mn5Ge3/Si(111). При проектировании и изготовлении планарных структур из пленок германида марганца с использованием традиционных литографических методов критически важным является знание информации об ограничениях на создание минимальных элементов при изготовлении. Процесс изготовления структур ферромагнетик/полупроводник включает процессы проектирование чертежа шаблона, изготовление маски с помощью метода лазерной безмасковой литографии и химическое травление. Методом АСМ была определена глубина травления плёнки в зависимости от времени обработки в растворе и определена средняя скорость травления равная 4,2 ± 0,2 нм/с. Обнаружено, что скорости растворения плёнок Mn5Ge3/Si(111) при процессе жидкого химического травления могут варьироваться (на ~ 21 %) в зависимости от кристалличности плёнки. Несмотря на то, что состав буферного слоя является более сложным соединением и не является стехиометрическим Mn5Ge3, при подобранном времени обработки возможно получение вертикальной границы травления. Эффект Холла в исследуемых образцах демонстрирует наличие двух вкладов: аномальный эффект Холла, который пропорционален намагниченности пленки, и нормальный эффект Холла, линейно зависящий от поля. Холловское сопротивление в поле 0,9Т составляет около 200 мОм. Так же выполнены измерения планарного эффекта Холла. Из данных холловских измерений определены такие параметры как поле насыщения в двух геометриях: поле в плоскости образца и поле перпендикулярно плоскости образца. Данный способ хорошо подходит для пленок толщиной менее 60 нм, в силу того, что традиционным магнитостатическим методам нахватает чувствительности. Для образцов толщиной более 60нм поля насыщения дополнительно определены из данных вибрационной магнитометрии, полученные результаты хорошо согласуются с холловским измерениями. По отработанной технологии травления изготовлены простейшие диоды Шоттки, в которых в качестве металлической обкладки выступает пленка Mn5Ge3, а вторым контактом является кремниевая подложка. Исследования полученных диодов Шоттки методом импедансной спектроскопии показали наличие глубоких примесных уровней на границе раздела пленка/подложка, энергия уровней составляет 0,5+/-0,1 эВ, что может соответствовать как примесным уровням Mn так и Ge. Из измерений емкости диодов Шоттки установлено, что концентрация примесных уровней растет с повышением температуры подложки. Рост температуры от 330°С до 390°С приводит к двукратному увеличению концентрации примесных уровней. При дальнейшем увеличении температуры концентрация изменяется незначительно.