Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика конденсированного состояния

Диссертационная работа:

Кавеев Андрей Камильевич. Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии и изучение свойств метастабильных фаз в гетероструктурах на основе фторидов и металлов на кремнии : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 СПб., 2005 158 с. РГБ ОД, 61:05-1/1294

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Гласа 1. Обзор литературы 8

  1. Эпитаксиэльные диэлектрики 8

  2. Свойства объемных кристаллов MnF2 и ZnFa 11

  3. Свойства объемных кристаллов CdF2 17

  4. Эпитаксиальное выращивание MnFs.Zr^ и CdF^ на различных подложках 18

  5. Применение ферромагнитных и антиферромагнитных эпитаксиальных пленок в области цифровых технологий 19

  6. Свойства объемных кристаллов и эпитаксиальных пленок кобальта и никеля 22

Глава 2. Подготовка образцов и экспериментальные методики 24

  1. Физико-химическая подготовка подложек Si и CaF2 24

  2. Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии 26

  3. Дифракция быстрых электронов 32

  4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 34

  5. Прочие методики, используемые в работе 37 Глава 3. Изучение процессов роста и свойств эпитаксиальных слоев MnF2 на Si 43

3.1. Буферные слои CaF2 на кремнии 43

  1. Анизотропный рельеф поверхности СаРг( 110) 43

  2. Выглаживание поверхности CaFs{001) с помощью быстрого термического отжига 46

  3. Планарная поверхность CaF;(111), способы получения 48

3.2. Эффект гетероэпитаксиальной стабилизации ромбической кристаллической модификации типа а-РЬСЬ
фторида марганца 52

  1. Фасетированные нано- и микрокристаллы MnF2 на анизотропной поверхности (110).буферного слоя CaF2 53

  2. Наноразмерные островки на поверхности (001) буферного слоя CaF2 60

  3. Особенности роста толстых слоев MnF2 на поверхности (111) буферного слоя CaF2 63

3.3. Формирование флюоритоподобного окружения на начальных стадиях роста фторида марганца на
поверхности (111) буферного слоя CaF2 69

  1. Осцилляции зеркального рефлекса ДБЭ 69

  2. Результаты измерений ДМЭ 71

  3. Исследование фотоэлектронной эмиссии и поглощения в слоях MnF2/CaF{111) 73

  4. Результаты измерений фотоэлектронной дифракции 75

  5. Исследование кристаллической структуры фторида марганца в короткопериодных сверхрешетках на основе MnF2-CaF2 77

  1. Пленки МпРг с кристаллической структурой типа рутила, выращенные на кремнии 81

  2. Фотолюминесценция ромбической модификации фторида марганца 84

  1. Особенности фотолюминесценции нелегированных слоев MnFz 84

  2. Возникновение различных типов центров люминесценции в зависимости от структурной модификации слоя MnF2:SmF3/CaF2 88

3.6. Оценка температуры Неепя ромбической модификации фторида марганца путем анализа температурной

зависимости постоянных решетки 92

Выводы 94

Глава 4. Эпитаксиапьное выращивание и исследование свойств слоев фторидов металлов группы lib 96

4.1. Структурные исследования слоев ZnF-г и СоТг 96

  1. Стабилизация метастабипьной ромбической структуры типа а-РЬОг на CaF?(110} 96

  2. Образование полиморфных структурных модификаций при выращивании на CaF2(001) 103

  3. Доминирование тетрагональной кристаллической структуры типа рутила при выращивании на CaF2(111) 108

  4. Эффект выглаживания рельефа поверхности в гетероструктурах CdF2/CaF2(001) 111

4.2. Исследование полупроводниковых свойств ZnFa и СаЪ 113

  1. Результаты эпектрозондовой диагностики эпитаксиальных слоев ZnF2:Sm 113

  2. Результаты эпектрозондовой диагностики эпитаксиальных слоев CdF2:Er 114

4.3. Примесные центры ФЛ с участием редкоземельных ионов в слоях ZnF2 115

  1. Возникновение различных центров люминесценции в зависимости от структурной модификации слоя. Различие люминесценции MnF2:SmFj и ZnF2:SmF3 116

  2. Различие способов компенсации заряда при легировании ZnF2:SmF3 и ZnF2:Sm 117

4.4. Особенности стабилизации метастабильных структурных модификаций Мп^и ZnF2C помощью
гетероэштаксии 119

Выводы 122

Глава 5. Процессы эпитаксиального роста и свойства наноструктур кобальта на кремнии 124

5.1. Структурные исследования эпитаксиальных слоев Co/CaFz/Si и Co/MnFz/Si 124

  1. Со на гофрированном буферном слое CaF2 124

  2. Со на планарной поверхности CaF^H 1) 130

  3. Особенности морфологии эпитаксиальной пары Co-MnF2, нанесенной на гетероструктуру MnF2(110)/CaF;(110)/Si 133

5.2. Электронные свойства гетероструктур на основе Со 135

  1. Гетероструткуры Co/CaF?(110)/Si и Co/CaF2(111)/Si. Особенности К-края поглощения 135

  2. Гетероструктуры Co/MnF2(110)/CaF2(110)/Si 137

  3. Рентгеновский магнитно-циркулярный дихроизм в гетероструктурах Co/CaF2(110)/Si 138

5.3. Магнито-оптический эффект Керра в гетероструктурах Co/CaF2/Si 140

  1. Связь магнито-оптического эффекта Керра с анизотропией поверхности CaF2(110} 140

  2. Интерференционное усиление магнитооптического эффекта Керра в гетероструктурах Co/CaF2(111)/Si 143

Выводы 146

Приложение. Расчет структурного фактора для кристаллической модификации типа а-РЬОг 147

Основные результаты и выводы 150

Список работ, вошедших в диссертацию 151

Список цитируемой литературы 154

Введение к работе:

Актуальность проблемы

С помощью гетероэпитаксиального наращивания тонких пленок на какую-либо подложку возможно формирование в этих пленках кристаллической структуры, метастабильной в объемных кристаллах, В тонких пленках эта структура может быть стабильна в нормальных условиях. Примером осуществленной таким образом гетероэпитаксиальной стабилизации может служить, в частности, псевдоморфный эпитакснальный слой HoF3, выращенный1 на поверхности Si(111) и имеющий тригональную кристаллическую структуру, стабильную в объемных кристаллах лишь при температурах выше 10703С. Гетероэпитаксиальная стабилизация ромбической структурной модификации фторидов марганца и цинка впервые исследована в предлагаемой диссертационной работе. Фторид марганца представляет особый интерес для исследований, поскольку его рутиловая структурная модификация, характерная для объемных кристаллов, является классическим антиферромагнетизм с хорошо изученными как магнитными, так и оптическими свойствами. Фторид цинка привлекателен в силу выраженной люминесции при легировании редкоземельными элементами. Кристаллическая структура, электронные и люминесцентные свойства ромбической модификации MnF2 и ZnF2 исследованы с помощью разнообразных методик. Стабилизированная метастабильная структура обладает высоким кристаллическим качеством и представляет собой новый материал, обладающий интересными физическими свойствами.

Эпитаксиапьные пары на основе металлов и фторидов, в частности Co-CaFs и Co-MnFs, впервые выращенные в данной работе, представляют интерес с точки зрения применения в микроэлектронике. Известно, что в слоях и наноструктурах на основе ферромагнетиков, а также в системах ферромагнетик-антиферромагнетик наблюдается ряд интересных физических эффектов, в том числе эффекты гигантского магнитоспротивления и обменного смещения. На основе этих эффектов возможна разработка новых высокоплотных магнитных носителей информации, а также считывающих устройств на основе спиновых клапанов.

В диссертационной работе также были созданы и изучены легированные редкоземельными ионами эпитаксиапьные слои фторидов цинка и кадмия, обладающие полупроводниковыми свойствами. Эффективная люминесценция в сочетании с высокими достижимыми концентрациями свободных электронов депает эти материалы многообещающими соединениями для создания электролюминесцентных приборов.

Исходя из вышеизложенного, тема представленной диссертации является весьма актуальной, имеется достаточно оснований рассматривать практическое применение гетероструктур на основе указанных материалов.

Цель работы, основные задачи

Целью данной работы является исследование процессов эпитаксиального роста и изучение свойств стабильных и метастабильных фаз в гетероструктурах на основе CdF2, MnF2 и ZnF2, а также Со и Ni на Si{111) и Si(001) с использованием буферного слоя CaF;.

Основные задачи, поставленные в данной работе, следующие. Исследование процессов роста MnF2 и ZnF2 на подложках кремния с ориентациями (111) и (001)

поверхности и нахождение оптимальных режимов роста,

Исследование морфологии поверхности и кристаллической структуры полученных эпитаксиальных слоев, подробная диагностика возможных метастабильных фаз,

Выращивание и изучение фотолюминесцентных свойств эпитаксиальных слоев MnF2 и ZnF2, легированных самарием,

Изучение проводимости эпитаксиальных слоев CdFz:Er и ZnF2:Sm,

Выращивание, изучение кристаллической структуры, электронных и магнитных свойств эпитаксиальных слоев на основе CaF?, Со и Ni на кремнии.

Научная новизна и практическая значимость

Новизна проведенной работы состоит в получении с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии новых материалов на основе MnF2H ZnFa, а также в проведении комплексных исследований структурных, магнитных и оптических свойств этих материалов и гетероструктур на их основе. Впервые изучены режимы роста и свойства гетероэпитаксиальных пар Со-СаРг и Co-MnF2. Ромбическая структурная модификация МпРги ZnF2Tnna а-РЬОг на кремниевых подложках с поверхностью (111) и {001) с использованием буферного слоя CaF2 также стабилизирована впервые. Толщина эпитаксиальных слоев MnFj и ZnF2 при этом может достигать микрона и более, что существенно больше толщин, характерных для эпитаксиально стабилизированных метастабильных фаз. Тщательно исследована морфология поверхности слоев MnF2 и ZnFa, показана ее существенная зависимость от условий эпнтаксиальиого роста. Кроме того, исследовано! неизвестные ранее особенности кристаллической структуры первых моноспоев MnF;, нанесенных на поверхность (111) CaF2 при комнатной температуре. Впервые исследована зависимость фотолюминесцентных свойств MnF2 и ZnF2 от кристаллической структуры. Исследована возможность получения проводящих эпитаксиальных слоев на основе ZnF2 и CdF2, легированных редкоземельными ионами.

Метастабильная ГЦК структура Со стабилизирована на подложках Si(001) и Si(111) с использованием буферного слоя CaF2. В зависимости от режимов роста возможно получение эпитаксиальных слоев, имеющих разнообразную контролируемую морфологию поверхности. В прямой зависимости от морфологии находятся магннто-оптичеше свойства эпитаксиапьной пары Co-CaF2. Проведено сравнение кристаллических структур Co/CaF2(110)nNi/CaF2(110).

Результаты диссертации являются качественно новыми и интересны как с точки зрения практического применения, так и с точки зрения фундаментальных исследований. Эти результаты не только вносят вклад в разработку новых магнитных носителей информации и электропюминесцентных приборов, но и расширяют понимание процессов стабилизации метастабильных структурных модификаций с помощью гетероэпитаксии, а также влияния структурных переходов на магнитное упорядочение, оптические и электронные свойства исследованных материалов.

Основные положения, выносимые на защиту

В процессе эпитаксиального роста MnFj, имеющего в объемных кристаллах структуру типа рутила, на подложках Si возможно формирование двух его метастабильных кристаллических модификаций: флюоритоподобной кубической, наблюдаемой на начальных стадиях роста, и ромбической со структурой

типа а-РЬОг. При этом кубическая модификация доминирует до толщин 3-4 монослоя, а затем переходит в ромбическую, которая остается преобладающей вплоть до толщин более 1 микрона.

В слоях ZnFs на Si эффект гетероэпитаксиальной стабилизации выражен менее ярко, что в некоторых случаях может проявляться в одновременном сосуществовании метастабильной ромбической и стабильной тетрагональной фаз. Путем легирования в процессе выращивания ионами Sm3+ и Ег3*- эпитаксиальные пленки ZnFs (а также CdF2) могут быть превращены из широкозонных диэлектриков в полупроводники п-типа с минимальным удельным сопротивленем, не превышающим единиц Ом-см.

В слоях метастабильной ромбической фазы MnF2 и ZnF2 ионы Sm3t образуют новые, характерные для этой фазы центры люминесценции. В проводящих слоях ZnFa доминирует центр люминесценции Sm1t, в котором компенсация избыточного положительного заряда осуществляется за счет электрона проводимости, в отличие от остальных центров, имеющих в качестве компенсатора ион фтора. В ромбической кристаллической структуре MnF2, также как и в рутиловой, наблюдается эффективный механизм передачи энергии фотонов трехвалентным примесям за счет возбуждения и релаксации экситонов. Вид спектров собственной фотолюминесценции ромбической модификации MnFs, а также рентгенодифракционные измерения указывают на ее антиферромагнитную природу.

Кобальт на подложках кремния с буферным слоем CaF2 кристаллизуется в метастабильной кубической гранецентрированной структуре с ориентацией основных кристаллографических осей параллельно соответствующим направлениям фторида кальция. Путем выбора условий роста могут быть получены массивы упорядоченных наночастиц, кваэиодномерные структуры, а также сплошные эпитаксиальные спои кобальта.

В эпитаксиальных слоях кобальта на буферном слое СаРг{110) наблюдается существенная анизотропия магнитных свойств, обусловленная особенностями их морфологии. Наблюдаемое интерференционное усиление магнитооптического эффекта Керра в гетероструктурах Co/CaF2/Si позволяет существенно расширить область применимости этой методики для изучения магнитных свойств ферромагнитных наноструктур.

Апробация работы

По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ. Результаты диссертационной работы докладывались более, чем на 20 международных научных конференциях:

10:fl International Conference on Solid Films and Structures (ICSFS), Princeton, 2000;

Internationa! Conference on Matreials for Advanced Technologies (ICMAT), Singapore, 2001,2003,2005;

International Symposium on Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, 2002,2004,2005;

5;h Seminar on Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology, St. Petersburg, 2002;

12:h International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE), San Francisco, 2002;

2^ International Conference on Luminescence (ICL), Budapest, 2002;

Internationa! Conference on Advanced Materials and Nanotechnology (AMN), Wellington, 2003; Queenstovvn, 2005.

Symposium on Dynamical Processes in Excited States of Solids (DPC-14, 15), Christchurch, 2003; Shanghai, 2005.

Semi nar ELETTRA, Trieste, 2003,2004;

Xll-th Feofilov symposium on spectroscopy of crystals activated by rare earth and transition metal tons, Ekaterinburg, 2004;

10* International Conference on Formation of Structural Interfaces (ICFSI), Aix-en-Provence, 2005;

23rd European Conference on Surface Science (ECOSS), Berlin, 2005;

8;fl International Symposium: Order, Disorder and Properties of Oxides (ODPO), Sochi, 2005;

13* International Symposium on Itinerant and Localized States (SILS), Modena, 2005.

Перечень публикаций, раскрывающий основное содержание диссертационной работы, представлен в конце диссертационной работы.

Подобные работы
Буденкова Ольга Николаевна
Численное исследование особенностей теплообмена при выращивании оксидных кристаллов методом Чохральского
Васильева Наталья Владимировна
Влияние примесных ионов на оптическое поглощение и люминесценцию монокристаллических пленок галлиевых гранатов, выращиваемых методом жидкофазной эпитаксии
Румянцев Дмитрий Сергеевич
Исследование процессов радиационного дефектообразования и радиационного легирования в слоях n- и p-типов карбида кремния, выращенных методом сублимационной эпитаксии
Сабинина Ирина Викторовна
Дефекты структуры в пленках CdxHg1-xTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии
Сафонов Кирилл Леонидович
Исследование зарождения и роста нанокластеров при молекулярно-пучковой эпитаксии в системах SiC/Si, Ge/Si, InAs/GaAs методом компьютерного моделирования
Волков Николай Александрович
Изучение равновесных свойств решеточных моделей незаряженного полимера и полиэлектролита методом Монте-Карло с использованием алгоритма Ванга-Ландау
Солин Михаил Владимирович
Теоретическое изучение сегнетоэлектрических свойств материалов семейства K3H(SO4)2 с применением методов квантовой химии
Киселев Глеб Александрович
Изучение сенсорных свойств органических и полимерных пленок на твердой подложке
Искандарова Инна Марсовна
Моделирование роста диэлектрической пленки ZrO2 (HfO2) и изучение электрических свойств границы раздела диэлектрик-металл
Алавердян Юрий Синокович
Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния на серебре в органических средах для изучения структуры и свойств новых краунсодержащих фотохромных ионофоров

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net