RU2360317C2

RU2360317C2 - Method of obtaining thin-film oxide material alloyed with ferromagnetic metal ions for spintronics

Info

Publication number: RU2360317C2
Application number: RU2007127585/15A
Authority: RU
Inventors: Арнольд Самуилович Борухович (RU); Арнольд Самуилович Борухович; Нелли Ивановна Игнатьева (RU); Нелли Ивановна Игнатьева; Анатолий Иванович Галяс (BY); Анатолий Иванович Галяс; Казимир Иосифович Янушкевич (BY); Казимир Иосифович Янушкевич; Олег Федорович Демиденко (BY); Олег Федорович Демиденко; Александр Иванович Стогний (BY); Александр Иванович Стогний
Original assignee: Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской Академии наук
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2009-06-27
Also published as: RU2007127585A

Abstract

FIELD: production processes; electronics. ^ SUBSTANCE: invention refers to obtaining thin films of materials that can be used in devices of systems of semi-conducting spin electronics. Method of obtaining thin-film oxide material alloyed with ferromagnetic metal ions involves spraying of precursor on the carrier in low-density atmosphere at high temperatures. Spraying is carried out by evaporating initial granular powder alloyed with europium oxide iron (II) with particle size of 0.2-0.3 mm in vacuum (15)10-5 torr when it is supplied to evaporator heated up to 2500-3000C with velocity of 1-10 mg/s, at that, the carrier is located above evaporator at the distance of 8-12 cm. ^ EFFECT: obtaining thin film of semi-conducting spintron material with high degree of magnetisation and capable of being a spin ejector in devices of semi-conducting spin electronics at indoor temperature and temperature higher than the indoor one. ^ 4 dwg, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области получения тонких пленок материалов, способных являться при комнатных и выше температурах спиновым инжектором в создаваемых гетероструктурах ФП/П, где ФП - ферромагнитный полупроводниковый материал (или ферромагнитный композит), П-немагнитный полупроводник (спиновый приемник). Подобные структуры являются базовыми устройствами разрабатываемых систем полупроводниковой спиновой электроники, в том числе спиновой информатики, квантовых компьютеров и других спинтронных систем, работа которых основана на спиновом транспорте.The invention relates to the field of producing thin films of materials capable of being a spin injector in the created FP / P heterostructures at room and higher temperatures, where the FP is a ferromagnetic semiconductor material (or a ferromagnetic composite), a P-nonmagnetic semiconductor (spin receiver). Such structures are the basic devices of the developed systems of semiconductor spin electronics, including spin informatics, quantum computers, and other spintronic systems, whose work is based on spin transport.

Известен способ получения тонкой пленки материала на основе оксидов, в частности на основе оксидов лантанидов, путем распыления мишени из смеси оксидов соответствующих металлов в атмосфере кислорода и аргона (заявка WO 2005009905, C01G 23/04, 2005 г.). Известный материал является ферромагнитным при комнатных температурах и может быть использован в устройствах для спинтроники.A known method of producing a thin film of an oxide-based material, in particular based on lanthanide oxides, by spraying a target from a mixture of oxides of the corresponding metals in an atmosphere of oxygen and argon (application WO 2005009905, C01G 23/04, 2005). Known material is ferromagnetic at room temperature and can be used in devices for spintronics.

Тем не менее, недостатком материала, полученного известным способом в виде тонкой пленки, является невысокая степень его намагниченности при комнатной температуре, которая составляет не более 10 еми/г.However, the disadvantage of the material obtained in a known manner in the form of a thin film is the low degree of magnetization at room temperature, which is not more than 10 em / g.

Известен способ получения пленки спинтронного материала на основе диоксида титана, легированного ионами кобальта, включающий магнетронное распыление сплавной металлической мишени-прекурсора состава Ti_0,92Co_0,08 в аргонно-кислородной атмосфере (Л.А.Балагуров, С.О.Клименский, С.П.Кобелева, А.Ф.Фролов, Н.С.Петров, Д.Г.Яркин. "О природе ферромагнетизма в полупроводниковом оксиде TiO_2-δ: Со", Письма в ЖЭТФ, 79(2), 111, (2004)). Получаемый пленочный материал является ферромагнитным полупроводником при комнатных температурах и может быть использован в электронных устройствах для спинтроники.A known method for producing a film of a spintronic material based on titanium dioxide doped with cobalt ions, including magnetron sputtering of an alloy metal target precursor of composition Ti _0.92 Co _0.08 in an argon-oxygen atmosphere (L.A. Balagurov, S.O. Klimensky, S.P. Kobeleva, A.F. Frolov, N.S. Petrov, D.G. Yarkin. "On the nature of ferromagnetism in semiconductor oxide TiO _2-δ : Co", Letters in JETP, 79 (2), 111, (2004)). The resulting film material is a ferromagnetic semiconductor at room temperature and can be used in electronic devices for spintronics.

Однако степень его намагниченности насыщения при этом оказывается невысокой, не превышающей 10 еми/г, что существенно сказывается на величине возможного спинового транспорта (инжекции) из него.However, the degree of saturation magnetization in this case is not high, not exceeding 10 emi / g, which significantly affects the value of the possible spin transport (injection) from it.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения пленок спинтронного материала, обладающего высокой степенью намагниченности и способного являться спиновым инжектором в устройствах полупроводниковой спиновой электроники при комнатных (и выше) температурах.Thus, the authors were faced with the task of developing a method for producing films of a spintronic material with a high degree of magnetization and capable of being a spin injector in semiconductor spin electronics devices at room (and above) temperatures.

Поставленная задача реализована в предлагаемом способе получения тонкопленочного оксидного материала, легированного ионами ферромагнитного металла, для спинтроники путем распыления прекурсора на подложку в разряженной атмосфере при высоких температурах, в котором распыление осуществляют путем испарения исходного сыпучего порошка, легированного железом оксида европия (II) фракции 0,2-0,3 мм, в вакууме (1÷5)·10^-5 Торр при подаче его на раскаленный до 2500-3000°С испаритель со скоростью 1-10 мг/с, при этом подложку располагают над испарителем на расстоянии 8-12 см.The problem is realized in the proposed method for producing a thin-film oxide material doped with ferromagnetic metal ions for spintronics by spraying a precursor onto a substrate in a rarefied atmosphere at high temperatures, in which sputtering is carried out by evaporation of the starting bulk powder doped with europium (II) oxide fraction 0, 2-0,3 mm in vacuo (1 ÷ 5) · 10 ^-5 Torr when applying it on the hot 2500-3000 ° C to the evaporator at a rate of 1-10 mg / s, while the substrate is positioned above the evaporator in races Toyan 8-12 cm.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения пленок оксидного спинтронного материала путем испарения исходного сыпучего порошка, легированного железом оксида европия (II) фракции 0,2-0,3 мм, в вакууме (1÷5)·10^-5 Торр при подаче порошка на раскаленный до 2500-3000°С испаритель со скоростью 1-12 мг/с.Currently, from the patent and scientific literature there is no known method for producing films of oxide spintronic material by evaporation of the initial loose powder doped with europium (II) oxide fraction 0.2-0.3 mm in vacuum (1 ÷ 5) · 10 ^-5 Torr when feeding the powder to a vaporizer heated to 2500-3000 ° С at a speed of 1-12 mg / s.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Готовят фракцию исходного порошка-прекурсора состава (EuO)_0,75-0,85Fe_0,25-0,15 с размером зерна 200-300 нм в количестве 1-10 мг (в зависимости от требуемой толщины получаемой пленки). Порошок загружают в устройство для подачи порошка на испаритель вакуумной напылительной установки. Устройство снабжено вакуумным колпаком, порошок поступает на испаритель по наклонному желобу порционно или одноразово. Процесс подачи порошка осуществляют в вакууме (1÷5)·10^-5 Торр со скоростью от 1 до 12 мг/с на раскаленную до 2500-3000°С танталовую или вольфрамовую кювету-испаритель при пропускании через него тока силой до 200А. При этом происходит мгновенное испарение исходного порошка и его осаждение в виде тонкой пленки на подложке, например оптическом стекле, находящейся на расстоянии 8-12 см над испарителем, что позволяет подложке самопроизвольно разогреваться его излучением до температуры 250-300°C. В зависимости от необходимой толщины получаемой пленки процесс подачи порошка длится от одной секунды до нескольких десятков секунд. Перед подачей порошка на испаритель его взвешивают с точностью до 0,1 мг. Подложку с осажденной пленкой выдерживают в течение 2 минут, затем начинают охлаждение до комнатной температуры путем уменьшения тока испарителя до нулевого значения и последующего его охлаждения в вакууме в течение двух часов. После чего подложку с пленкой извлекают из напылительной установки и проводят аттестацию пленки по рентгеноструктурным и физическим характеристикам.The proposed method can be implemented as follows. Prepare a fraction of the initial precursor powder of the composition (EuO) _0.75-0.85 Fe _0.25-0.15 with a grain size of 200-300 nm in an amount of 1-10 mg (depending on the required film thickness). The powder is loaded into a device for supplying powder to the evaporator of the vacuum deposition apparatus. The device is equipped with a vacuum cap, the powder enters the evaporator through an inclined trough in batches or once. The powder supply process is carried out in vacuum (1 ÷ 5) · 10 ^-5 Torr with a speed of 1 to 12 mg / s on a tantalum or tungsten cell-evaporator heated to 2500-3000 ° С when a current of up to 200A is passed through it. In this case, the initial powder is instantly evaporated and deposited in the form of a thin film on a substrate, for example, optical glass, located at a distance of 8-12 cm above the evaporator, which allows the substrate to spontaneously heat up its radiation to a temperature of 250-300 ° C. Depending on the required thickness of the resulting film, the powder supply process lasts from one second to several tens of seconds. Before feeding the powder to the evaporator, it is weighed to the nearest 0.1 mg. The substrate with the deposited film is kept for 2 minutes, then cooling to room temperature is started by reducing the evaporator current to zero and then cooling it in vacuum for two hours. After that, the substrate with the film is removed from the spraying unit and the film is certified according to x-ray structural and physical characteristics.

Известен спинтронный композиционный материал состава (EuO)_0,75-0,85Fe_0,25-0,15 с повышенной (до 50 еми/г) намагниченностью насыщения при комнатных температурах (патент РФ №2291134, С04В 35/50, 2006 г.). Однако существование известного материала в объемном виде не дает возможности использовать его в электронных устройствах для полупроводниковой спинтроники в качестве спинового инжектора в структурах ФП/П, поскольку такое использование возможно только в случае получения материала в виде пленки.Known spintronic composite material composition (EuO) _0.75-0.85 Fe _0.25-0.15 with increased (up to 50 em / g) saturation magnetization at room temperature (RF patent No. 2291134, СВВ 35/50, 2006 .). However, the existence of a known material in bulk does not make it possible to use it in electronic devices for semiconductor spintronics as a spin injector in FP / P structures, since such use is possible only if the material is obtained in the form of a film.

На приводимых ниже фиг.1 и фиг.2 показаны рентгенограммы исходного порошка-прекурсора и тонкой пленки толщиной - 200 нм, осажденной на оптическое (предметное) стекло по предлагаемому способу. Видно, что рентгенограммы идентичны, что указывает на идентичность состава пленки и исходного порошка. Увеличение толщины пленки только подтверждает эту закономерность, одновременно делая пленку монокристаллической.In the following figure 1 and figure 2 shows x-ray source powder of the precursor and a thin film with a thickness of 200 nm, deposited on an optical (slide) glass according to the proposed method. It is seen that the x-ray diffraction patterns are identical, which indicates the identity of the composition of the film and the original powder. An increase in the film thickness only confirms this pattern, while simultaneously making the film monocrystalline.

Поведение удельных намагниченностей (σ) исходного порошка-прекурсора и пленки толщиной ~450 нм того же состава в области температур 77-1000 К приведены на фиг.3 и фиг.4. Измерения выполнены статическим пондеромоторным методом в поле Н=0,86 Тл. Из этих данных также видно полное подобие в поведении их зависимостей σ(Т) и близость абсолютных значений намагниченностей при комнатных температурах. Эти данные также отражены в таблице, где приведены, кроме того, величины удельных электросопротивлений исходного порошка-прекурсора и пленки. Последние величины измерялись стандартным четырехконтактным методом на промышленной установке.The behavior of the specific magnetizations (σ) of the initial precursor powder and the film with a thickness of ~ 450 nm of the same composition in the temperature range 77-1000 K is shown in Fig. 3 and Fig. 4. The measurements were performed by the static ponderomotive method in the field H = 0.86 T. From these data, one can also see the complete similarity in the behavior of their dependences σ (T) and the proximity of the absolute values of the magnetizations at room temperatures. These data are also reflected in the table, which, in addition, shows the values of the electrical resistivity of the initial precursor powder and film. The latter values were measured by the standard four-contact method in an industrial installation.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.The proposed method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Готовят фракцию исходного порошка-прекурсора состава (EuO)_0,75-0,85Fe_0,25-0,15 с размером зерна 0,2-0,3 мм в количестве 10 мг. Порошок загружают в устройство для подачи порошка на испаритель вакуумной напылительной установки. Устройство снабжено вакуумным колпаком, порошок поступает на испаритель по наклонному желобу порционно. Процесс подачи порошка осуществляют в вакууме 5·10^-5 Торр со скоростью 10 мг/с на раскаленную до 2500°С танталовую кювету-испаритель при пропускании через него тока силой 150 А. При этом происходит мгновенное испарение исходного порошка и его осаждение в виде тонкой пленки на подложке из оптического стекла, находящейся на расстоянии 12 см над испарителем, что позволяет подложке самопроизвольно разогреваться его излучением до 250°C. Перед подачей порошка на испаритель его взвешивают с точностью до 0,1 мг. Подложку с осажденной пленкой выдерживают в течение 2 минут, затем начинают охлаждение до комнатной температуры путем уменьшения тока испарителя до нулевого значения и последующего охлаждения в вакууме в течение двух часов. После чего подложку с пленкой извлекают из напылительной установки и проводят аттестацию пленки по рентгеноструктурным и физическим характеристикам (фиг.1-4). Получают пленку толщиной ~450 нм, обладающую удельной намагниченностью при комнатной температуре, равной σ=45 еми/г.Example 1. Prepare a fraction of the source powder of the precursor composition (EuO) of _0.75-0.85 Fe _0.25-0.15 with a grain size of 0.2-0.3 mm in an amount of 10 mg. The powder is loaded into a device for supplying powder to the evaporator of the vacuum deposition apparatus. The device is equipped with a vacuum cap, the powder enters the evaporator through the inclined trough in portions. The powder supply process is carried out in a vacuum of 5 · 10 ^-5 Torr at a speed of 10 mg / s on a tantalum cuvette-evaporator heated to 2500 ° С when a current of 150 A. films on an optical glass substrate 12 cm above the evaporator, which allows the substrate to spontaneously heat up to 250 ° C by its radiation. Before feeding the powder to the evaporator, it is weighed to the nearest 0.1 mg. The substrate with the deposited film is kept for 2 minutes, then cooling to room temperature is started by reducing the evaporator current to zero and then cooling in vacuum for two hours. After that, the substrate with the film is removed from the spraying unit and the film is certified according to x-ray structural and physical characteristics (Figs. 1-4). A film with a thickness of ~ 450 nm is obtained, which has a specific magnetization at room temperature equal to σ = 45 emi / g.

Пример 2. Готовят фракцию исходного порошка-прекурсора состава (EuO)_0,75-0,85Fe_0,25-0,15 с размером зерна 0,2-0,3 мм в количестве 1 мг. Порошок загружают в устройство для подачи порошка на испаритель вакуумной напылительной установки. Устройство снабжено вакуумным колпаком, порошок поступает на испаритель по наклонному желобу одноразово. Процесс подачи порошка осуществляют в вакууме 1·10^-5 Торр со скоростью 1 мг/с на раскаленную до 3000°C вольфрамовую кювету-испаритель при пропускании через него тока силой 200 А. При этом происходит мгновенное испарение исходного порошка и его осаждение в виде тонкой пленки на подложке, например оптическом стекле, находящейся на расстоянии 8 см над испарителем, что позволяет подложке самопроизвольно разогреваться его излучением до 300°C. Перед подачей порошка на испаритель его взвешивают с точностью до 0,1 мг. Подложку с осажденной пленкой выдерживают в течение 2 минут, затем начинают охлаждение до комнатной температуры путем уменьшения тока испарителя до нулевого значения и последующего охлаждения в вакууме в течение двух часов. После чего подложку с пленкой извлекают из напылительной установки и проводят аттестацию пленки по рентгеноструктурным и физическим характеристикам (фиг.1-4). Получают пленку толщиной ~200 нм, обладающую удельной намагниченностью при комнатной температуре σ=32 еми/г.Example 2. Prepare a fraction of the initial powder of the precursor composition (EuO) _0.75-0.85 Fe _0.25-0.15 with a grain size of 0.2-0.3 mm in an amount of 1 mg. The powder is loaded into a device for supplying powder to the evaporator of the vacuum deposition apparatus. The device is equipped with a vacuum cap, the powder enters the evaporator through the inclined trough once. The powder supply process is carried out in a vacuum of 1 · 10 ^-5 Torr at a speed of 1 mg / s on a tungsten cuvette-evaporator heated to 3000 ° C with a current of 200 A passing through it. In this case, the initial powder is instantly evaporated and it is deposited in the form of a thin films on a substrate, for example optical glass, located at a distance of 8 cm above the evaporator, which allows the substrate to spontaneously heat up its radiation to 300 ° C. Before feeding the powder to the evaporator, it is weighed to the nearest 0.1 mg. The substrate with the deposited film is kept for 2 minutes, then cooling to room temperature is started by reducing the evaporator current to zero and then cooling in vacuum for two hours. After that, the substrate with the film is removed from the spraying unit and the film is certified according to x-ray structural and physical characteristics (Figs. 1-4). A film with a thickness of ~ 200 nm is obtained, which has a specific magnetization at room temperature σ = 32 emi / g.

Сравнительные характеристики исходного порошка-прекурсора и пленки из него, нанесенной на стеклянную подложкуComparative characteristics of the initial precursor powder and a film of it deposited on a glass substrate ОбразецSample Намагниченность Т=300 К, еми/гMagnetization T = 300 K, emi / g Удельное электросопротивление, Т=300 К, Ом·смElectrical resistivity, T = 300 K, Ohm · cm Исходный порошок (фракция ~0,3 мм)Source powder (fraction ~ 0.3 mm) 5555 66 Пленка (толщина ~450 нм)Film (thickness ~ 450 nm) 4545 >4,5> 4,5 Пленка (толщина ~200 нм)Film (thickness ~ 200 nm) 3232 3,03.0

Таким образом, предлагаемый способ получения тонких пленок спинтронного материала позволяет получать в них повышенные физические характеристики. Это делает реальным применение пленок в качестве инжекторов спинов в спинтронных базовых устройствах полупроводниковой спиновой электроники ФП/П.Thus, the proposed method for producing thin films of a spintronic material allows one to obtain enhanced physical characteristics in them. This makes it possible to use films as spin injectors in spintron basic devices of semiconductor spin electronics FP / P.

Claims

A method of producing a thin-film oxide material doped with ferromagnetic metal ions for spintronics by spraying a precursor onto a substrate in a rarefied atmosphere at high temperatures, characterized in that the spraying is carried out by evaporation of the starting bulk powder doped with iron of europium (II) oxide fraction 0.2- 0.3 mm in vacuum (1 ÷ 5) · 10 ^-5 Torr when it is fed to an evaporator heated to 2500-3000 ° С at a speed of 1-10 mg / s, while the substrate is placed above the evaporator at a distance of 8-12 cm.