RU2680544C1 - Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options) - Google Patents

Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options) Download PDF

Info

Publication number
RU2680544C1
RU2680544C1 RU2018120691A RU2018120691A RU2680544C1 RU 2680544 C1 RU2680544 C1 RU 2680544C1 RU 2018120691 A RU2018120691 A RU 2018120691A RU 2018120691 A RU2018120691 A RU 2018120691A RU 2680544 C1 RU2680544 C1 RU 2680544C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
europium
euo
monoxide
torr
graphene
Prior art date
Application number
RU2018120691A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Сергеевич Соколов
Дмитрий Валерьевич Аверьянов
Андрей Михайлович Токмачев
Вячеслав Григорьевич Сторчак
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2018120691A priority Critical patent/RU2680544C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2680544C1 publication Critical patent/RU2680544C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to the methods for producing epitaxial thin-film materials, namely films of europium monoxide on graphene, and it can be used to create such spintronics devices as a spin transistor and an injector of spin-polarized carriers. Method of growing europium monoxide EuO epitaxial films on graphene involves the formation of a europium submonolayer with a surface phase (√3 × √3) by molecular beam epitaxy on the surface of a preformed graphene monolayer structure/substrate at the substrate temperature T=20–100 °C and pressure of the flow of atoms of europium P=(1⋅10–1⋅10) Torr, deposition of a layer of europium monoxide EuO at the temperature of the substrate T=20–100 °C, pressure of oxygen flow P=(1⋅10–1⋅10) Torr and pressure flux of europium atoms P=(1⋅10–1⋅10) Torr, satisfying condition 10⋅P≤P≤11⋅P, to achieve the required layer thickness of europium monoxide EuO. In one of the embodiments of the invention after the above operations, a layer of europium monoxide EuO is deposited at the temperature of the substrate T=340–420 °C, oxygen flow pressure P=(1⋅10–1⋅10A) Torr and pressure flux of europium atoms P=(1⋅10–1.5⋅10A) Torr satisfying condition 10⋅P≤P≤15⋅P, to achieve the required total thickness of the layer of europium monoxide EuO. In particular cases of carrying out the invention after deposition of a film of europium monoxide, it is annealed in vacuum within the temperature range of T=490–520 °C.EFFECT: formation of epitaxial stoichiometric films of europium monoxide with the thickness of more than 5 nm with high crystalline perfection without inclusions of phases of higher oxides on graphene is obtained, which allows to obtain magnetic states in graphene to create such technical devices as a single-electron transistor and a spin filter.4 cl, 4 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов, а именно пленок монооксида европия на графене, и может быть использовано для создания устройств спинтроники, например, инжекторов спин-поляризованного тока.The invention relates to methods for producing epitaxial thin-film materials, namely, europium monoxide films on graphene, and can be used to create spintronics devices, for example, spin-polarized current injectors.

Структура EuO/Графен является перспективной основой для создания спинтронных устройств в силу уникальных свойств материалов: EuO является ферромагнитным изолятором с большим абсолютным значением магнитного момента на атом, что позволяет использовать его в качестве инжектора спин-поляризованных электронов в проводник. В то же время графен известен высокой проводимостью и большой длиной спиновой диффузии, что делает его хорошим проводником спинового тока. Кроме того, показана возможность разделения носителей заряда по спину в графене за счет эффекта близости с ферромагнитным оксидом.The EuO / Graphene structure is a promising basis for creating spintronic devices due to the unique properties of materials: EuO is a ferromagnetic insulator with a large absolute value of the magnetic moment per atom, which allows it to be used as an injector of spin-polarized electrons in a conductor. At the same time, graphene is known for its high conductivity and long spin diffusion, which makes it a good conductor of spin current. In addition, the possibility of separation of charge carriers along the spin in graphene due to the proximity effect with ferromagnetic oxide is shown.

Известно изобретение «Способ и оборудование для выращивания монокристаллических оксидов, нитридов и фосфидов» (патент № US 7135699 В1), в котором слоистая структура, содержащая редкоземельный оксид, формируется на различных подложках, в т.ч. кремния, и формирует сверхрешетку. В рамках метода может реализовываться выращивание эпитаксиальных слоев монооксида европия на кремниевых подложках при осаждении металла в потоке кислорода. Недостатком изобретения является тот факт, что изобретение ориентировано на диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, а потому не учитывает особенности выращивания полупроводниковых слоев EuO, где требуется сохранение валентности ионов Eu2+. Между тем, выращивание EuO требует особого подхода для предупреждения перехода иона европия в трехвалентное состояние и, в то же время, поддержания эпитаксиального роста.The invention is known "Method and equipment for growing single-crystalline oxides, nitrides and phosphides" (patent No. US 7135699 B1), in which a layered structure containing rare earth oxide is formed on various substrates, including silicon, and forms a superlattice. Within the framework of the method, epitaxial layers of europium monoxide can be grown on silicon substrates during the deposition of metal in an oxygen stream. The disadvantage of the invention is the fact that the invention is focused on dielectrics with high dielectric constant, and therefore does not take into account the peculiarities of the growth of semiconductor EuO layers, which require the preservation of the valency of Eu 2+ ions . Meanwhile, growing EuO requires a special approach to prevent the transition of the europium ion to the trivalent state and, at the same time, to maintain epitaxial growth.

Известна статья «Атомно-слоевое осаждение оксидов металлов на чистый и функционализированный графен» «Atomic Layer Deposition of Metal Oxides on Pristine and Functionalized Graphene» (Статья DOI: 10.1021/ja8023059), в которой тонкие пленки оксидов металлов выращиваются на графене путем атомно-слоевого осаждения. Недостатком методики является невозможность получать эпитаксиальные пленки с хорошей кристаллической структурой.A well-known article is “Atomic Layer Deposition of Metal Oxides on Pristine and Functionalized Graphene” (Article DOI: 10.1021 / ja8023059), in which thin films of metal oxides are grown on graphene by atomic layer deposition. The disadvantage of this technique is the inability to obtain epitaxial films with a good crystalline structure.

Известна статья «Рост эпитаксиальных тонких пленок оксидов на графене» «Growth of Epitaxial Oxide Thin Films on Graphene» (Статья DOI: 10.1038/srep31511), в которой эпитаксиальные тонкие пленки SrTiO3 выращиваются методом лазерной абляции на графене. Недостатком изобретения является невозможность выращивать стехиометрический EuO с сохранением валентности ионов Eu2+.A well-known article is “Growth of Epitaxial Thin Films of Oxides on Graphene” “Growth of Epitaxial Oxide Thin Films on Graphene” (Article DOI: 10.1038 / srep31511), in which SrTiO 3 epitaxial thin films are grown by laser ablation on graphene. The disadvantage of the invention is the inability to grow stoichiometric EuO while maintaining the valency of Eu 2+ ions .

Известна статья «Осаждение ферромагнитного изолятора EuO на графен» «Integration of the Ferromagnetic Insulator EuO onto Graphene» (Статья DOI: 10.1021/nn303771f), в которой эпитаксиальные тонкие пленки EuO выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии на графене. Недостатком изобретения является наличие значительного количества оксида европия Eu3O4 в пленке.The well-known article is “Deposition of a EuO ferromagnetic insulator on graphene” “Integration of the Ferromagnetic Insulator EuO onto Graphene” (Article DOI: 10.1021 / nn303771f), in which EuO epitaxial thin films are grown by molecular beam epitaxy on graphene. The disadvantage of the invention is the presence of a significant amount of europium oxide Eu 3 O 4 in the film.

Известна статья «Структура и магнитные свойства сверхтонких пленок EuO на графене» «Structure and magnetic properties of ultra thin textured EuO films on graphene» (Статья DOI: 10.1063/1.4821953), в которой стехиометрические сверхтонкие пленки EuO получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Графен/Ir (111). Недостатком данного изобретения является тот факт, что изобретение ориентировано на выращивание пленок толщиной менее 10 монослоев (~2,6 нм), а потому не учитывает особенности роста пленок большей толщины с сохранением стехиометрии.The well-known article “Structure and magnetic properties of ultrathin EuO films on graphene” “Structure and magnetic properties of ultra thin textured EuO films on graphene” (Article DOI: 10.1063 / 1.4821953), in which stoichiometric ultrathin EuO films are produced by molecular beam epitaxy on substrates Graphene / Ir (111). The disadvantage of this invention is the fact that the invention is focused on growing films with a thickness of less than 10 monolayers (~ 2.6 nm), and therefore does not take into account the growth characteristics of films of greater thickness while maintaining stoichiometry.

Известно изобретение «Способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия на кремнии» (Патент № RU 2557394), в котором методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивают субмонослой силицида европия при температуре подложки Ts=640÷680°С и давлении потока атомов европия PEu=(1÷7)⋅10-8 Торр, после чего осаждение проводят при температуре подложки Ts=340÷380°С, давлении потока кислорода PO2=(0,2÷3)⋅10-8 Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1÷4)⋅10-8 Торр, затем осаждение проводят при температуре подложки Ts=430÷490°С, потоке кислорода с давлением PO2=(0,2÷3)⋅10-8 Торр, и потоке атомов европия с давлением PEu=(1÷7)10-8 Торр. В процедуре также предусмотрен ряд отжигов в вакууме:The invention is known "A method of growing epitaxial films of europium monoxide on silicon" (Patent No. RU 2557394), in which the europium silicide submonolayer is grown by molecular beam epitaxy at a substrate temperature T s = 640 ÷ 680 ° C and a pressure of the stream of europium atoms P Eu = ( 1 ÷ 7) ⋅10 -8 Torr, after which the deposition is carried out at the substrate temperature T s = 340 ÷ 380 ° С, oxygen flow pressure P O2 = (0.2 ÷ 3) ⋅10 -8 Torr and europium atom flux pressure P Eu = (1 ÷ 4) ⋅10 -8 Torr, then the deposition is carried out at the substrate temperature T s = 430 ÷ 490 ° С, oxygen flow with pressure P O2 = (0.2 ÷ 3) ⋅10 -8 Torr, and the flux of europium atoms with a pressure P Eu = (1 ÷ 7) 10 -8 Torr. The procedure also provides for a number of vacuum anneals:

- промежуточный отжиг после осуществления первой стадии (Ts=340÷380°С) роста, осуществляемый при температуре Ts=490÷520°С;- intermediate annealing after the first stage (T s = 340 ÷ 380 ° C) of growth, carried out at a temperature T s = 490 ÷ 520 ° C;

- конечный отжиг в диапазоне температур Ts=500÷560°С- final annealing in the temperature range T s = 500 ÷ 560 ° С

Недостатком изобретения является невозможность применения методики при росте пленок EuO на графене.The disadvantage of the invention is the impossibility of applying the method for the growth of EuO films on graphene.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом настоящего изобретения является формирование эпитаксиальных стехиометрических пленок EuO толщиной более 5 нм с высоким кристаллическим совершенством без включений фаз высших оксидов на графене. Полученный результат позволил получить магнитные состояния в графене, что не было достигнуто в предыдущих работах и может быть использовано для создания таких технических устройств, как одноэлектронный транзистор и спиновый фильтр.The technical result of the present invention is the formation of epitaxial stoichiometric EuO films with a thickness of more than 5 nm with high crystalline perfection without inclusion of higher oxide phases on graphene. The result obtained made it possible to obtain magnetic states in graphene, which was not achieved in previous works and can be used to create such technical devices as a single-electron transistor and a spin filter.

Для достижения технического результата предложен способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия EuO на графене, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка формируют субмонослой европия с поверхностной фазой

Figure 00000001
при температуре подложки Ts=20÷100°С и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8÷1⋅10-7) Торр, затем осаждают слой монооксида европия EuO при температуре подложки Ts=20÷100°С, давлении потока кислорода PO2=(1⋅10-9÷1⋅10-8) Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8÷1,1⋅10-7) Торр, удовлетворяющих условию 10⋅PO2≤PEu≤11⋅PO2 до достижения необходимой толщины слоя монооксида европия EuO.To achieve a technical result, a method is proposed for growing epitaxial films of europium monoxide EuO on graphene, which consists in the fact that the method of molecular beam epitaxy on the surface of a pre-formed structure of a graphene monolayer / substrate forms a submonolayer of europium with a surface phase
Figure 00000001
at a substrate temperature T s = 20 ÷ 100 ° С and a pressure of the flux of europium atoms P Eu = (1⋅10 -8 ÷ 1⋅10 -7 ) Torr, then a layer of europium monoxide EuO is deposited at a substrate temperature T s = 20 ÷ 100 ° C, oxygen flux pressure P O2 = (1⋅10 -9 ÷ 1⋅10 -8 ) Torr and europium atomic flux pressure P Eu = (1⋅10 -8 ÷ 1.1⋅10 -7 ) Torr satisfying condition 10 OP O2 ≤P Eu ≤11⋅P O2 until the required thickness of the layer of europium monoxide EuO is reached.

Кроме того, после осаждения пленки монооксида европия EuO осуществляют ее отжиг в вакууме в диапазоне температур Ts=490÷520°С.In addition, after deposition of the film of europium monoxide EuO, it is annealed in vacuum in the temperature range Ts = 490–520 ° С.

Также для достижения того же технического результата предложен способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия EuO на графене, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка формируют субмонослой европия с поверхностной фазой

Figure 00000002
при температуре подложки Ts=20÷100°C и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8÷1,1⋅10-7) Торр, затем осаждают слой монооксида европия EuO при температуре подложки Ts=20÷100°С, давлении потока кислорода PO2=(1⋅10-9÷1⋅10-8) Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8÷1,1⋅10-7) Торр, удовлетворяющих условию 10⋅PO2≤PEu≤11⋅PO2, а затем осаждают слой монооксида европия EuO при температуре подложки Ts=340÷420°С, давлении потока кислорода PO2=(1⋅10-9÷1⋅10-8) Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8÷1,1⋅10-7) Торр, удовлетворяющих условию 10⋅PO2≤PEu≤15⋅PO2 до достижения необходимой общей толщины слоя монооксида европия EuO.Also, to achieve the same technical result, a method is proposed for growing epitaxial films of europium monoxide EuO on graphene, which consists in the fact that the method of molecular beam epitaxy on the surface of a pre-formed structure of a graphene monolayer / substrate forms a europium submonolayer with a surface phase
Figure 00000002
at a substrate temperature T s = 20 ÷ 100 ° C and a pressure of the stream of europium atoms P Eu = (1⋅10 -8 ÷ 1.1⋅10 -7 ) Torr, then a layer of europium monoxide EuO is deposited at a substrate temperature T s = 20 ÷ 100 ° С, oxygen flow pressure P O2 = (1⋅10 -9 ÷ 1⋅10 -8 ) Torr and europium atomic flow pressure P Eu = (1⋅10 -8 ÷ 1,1⋅10 -7 ) Torr, satisfying condition 10⋅P O2 ≤P Eu ≤11⋅P O2 , and then a layer of europium monoxide EuO is deposited at the substrate temperature T s = 340 ÷ 420 ° С, oxygen flow pressure P O2 = (1⋅10 -9 ÷ 1⋅10 - 8) Torr pressure and flow atoms europium P Eu = (1⋅10 -8 ÷ 1,1⋅10 -7) torr satisfying 10⋅P O2 ≤P Eu ≤15⋅P O2 d achieve the necessary total thickness of the layer of europium monoxide EuO.

Кроме того, после осаждения пленки монооксида европия EuO осуществляют ее отжиг в вакууме в диапазоне температур Ts=490÷520°С.In addition, after deposition of the film of europium monoxide EuO, it is annealed in vacuum in the temperature range T s = 490 ÷ 520 ° C.

Описанный способ позволяет выращивать однофазные эпитаксиальные пленки EuO на поверхности монослоя графена, что не может быть достигнуто способами, указанными в аналогах. Необходимо отметить, что в технологическом процессе может использоваться любая подложка с осажденным на нее монослоем графена, кроме приведенной в примерах подложки из кремния, не деградирующая при ростовых условиях. Монослой графена предварительно может быть осажден на поверхность различных подложек при помощи как ростовых технологий, так и технологий переноса пленки («Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems» (DOI: 10.1039/c4nr01600a)).The described method allows one to grow single-phase epitaxial EuO films on the surface of a graphene monolayer, which cannot be achieved by the methods indicated in the analogues. It should be noted that in the technological process any substrate with a graphene monolayer deposited on it can be used, except for the silicon substrate shown in the examples, which does not degrade under growth conditions. A graphene monolayer can be preliminarily deposited on the surface of various substrates using both growth technologies and film transfer technologies (Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems (DOI: 10.1039 / c4nr01600a)).

В установках молекулярно-лучевой эпитаксии обычно имеет место неоднозначная трактовка температур подложки. В настоящем изобретении температуры подложки выше 270°С определяются по показаниям инфракрасного пирометра, ниже - по показаниям термопары.In molecular beam epitaxy units, an ambiguous interpretation of substrate temperatures usually takes place. In the present invention, the substrate temperature above 270 ° C is determined by the readings of an infrared pyrometer, below - by the readings of a thermocouple.

Давлением потока считается давление, измеренное ионизационным манометром Баярда-Альперта, находящимся в положении подложки. При этом, различие энергий ионизации для тех или иных материалов (2,54 и 12,2 эВ для Eu и О2 соответственно) приводит к неоднозначности в оценке реальных плотностей потоков молекулярных пучков (в единицах Атом/м2⋅с) из показаний таких манометров. В нашем случае, опытным путем было установлено, что реальные атомные потоки Eu и кислорода совпадают при показаниях манометра PEu=10⋅PO2.The flow pressure is considered to be the pressure measured by the Bayard-Alpert ionization manometer in the position of the substrate. Moreover, the difference in ionization energies for certain materials (2.54 and 12.2 eV for Eu and O 2, respectively) leads to ambiguity in the estimation of real molecular beam flux densities (in units of Atom / m 2 ⋅ s) from the readings of such manometers. In our case, it was experimentally established that the real atomic fluxes of Eu and oxygen coincide with the pressure gauge P Eu = 10⋅P O2 .

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

На Фиг. 1 даны изображения дифракции быстрых электронов на исходной поверхности Графен/SiO2/Si до отжига (а) и поверхностной фазе в процессе формирования реконструкции поверхности графена -

Figure 00000003
после завершения процедуры ее формирования (б).In FIG. Figure 1 shows the images of diffraction of fast electrons on the initial graphene / SiO 2 / Si surface before annealing (a) and the surface phase in the process of reconstruction of the graphene surface -
Figure 00000003
after completion of the procedure for its formation (b).

На Фиг. 2 дана характерная картина дифракции быстрых электронов на пленках EuO.In FIG. Figure 2 gives a characteristic picture of the diffraction of fast electrons on EuO films.

На Фиг. 3 представлена θ-2θ рентгеновская дифрактограмма, полученная на образце SiOx/EuO (80 нм)/Графен/SiO2/Si(100).In FIG. Figure 3 presents an θ-2θ X-ray diffraction pattern obtained on a SiO x / EuO (80 nm) / Graphene / SiO 2 / Si (100) sample.

На Фиг. 4 показана зависимость намагниченности образца SiOx/EuO(67 нм)/Графен/SiO2/Si(100) от температуры, согласно которой температура Кюри для EuO в пленке составляет 68,3 K, что отвечает данным по объемным монокристаллам и говорит об отсутствии примесей и вакансий кислорода, которые повышают температуру ферромагнитного перехода.In FIG. Figure 4 shows the dependence of the magnetization of the SiO x / EuO (67 nm) / Graphene / SiO 2 / Si (100) sample on the temperature, according to which the Curie temperature for EuO in the film is 68.3 K, which corresponds to the data on bulk single crystals and indicates the absence of impurities and oxygen vacancies that increase the temperature of the ferromagnetic transition.

Пример 1. осуществления способа изобретения.Example 1. The implementation of the method of the invention.

Структура Графен/SiO2/Si помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р~1⋅10-10 Торр). Затем, для очистки поверхности графена, осуществляется прогрев структуры до температуры Ts=600°С. Тот факт, что графен очищен, устанавливается с помощью дифракции быстрых электронов (Фиг. 1а). После чего структуру охлаждают до Ts=20÷100°С, затем открывают на 20 сек заслонку ячейки Eu предварительно прогретой до температуры, обеспечивающей давление потока PEu=(1⋅10-8÷1,1⋅10-7) Торр, что соответствует покрытию субмонослоя толщиной 1/6 монослоя.The graphene / SiO 2 / Si structure is placed in an ultrahigh-vacuum chamber (residual vacuum P ~ 1⋅10 -10 Torr). Then, to clean the surface of graphene, the structure is heated to a temperature T s = 600 ° С. The fact that graphene is purified is established by fast electron diffraction (Fig. 1a). After that, the structure is cooled to T s = 20 ÷ 100 ° С, then the shutter of the Eu cell is preheated for 20 sec to a temperature providing the flow pressure P Eu = (1⋅10 -8 ÷ 1.1⋅10 -7 ) Torr, which corresponds to the coating of a submonolayer with a thickness of 1/6 of the monolayer.

Во время осаждения чистого Ей на картинах дифракции быстрых элктронов появляются промежуточные рефлексы (Фиг. 16). Эти изменения свидетельствуют об образовании периодичного субмонослойного покрытия металлического европия с поверхностной структурой типа

Figure 00000004
позволяющей провести выращивание стехиометрического EuO.During the deposition of pure Her, intermediate reflections appear in the patterns of fast electron diffraction (Fig. 16). These changes indicate the formation of a periodic submonolayer coating of metallic europium with a surface structure of the type
Figure 00000004
allowing to grow stoichiometric EuO.

После формирования поверхностной реконструкции происходит одновременное открытие заслонки ячейки Eu, нагретой до такой температуры, чтобы обеспечивать давление потока атомов Eu PEu=6,2⋅10-8 Торр, и кислорода, давление молекулярного пучка которого составляет PO2=6⋅10-9 Торр, при этом обеспечивается соблюдение условия 10⋅PO2≤PEu≤11⋅PO2. Температура подложки поддерживается на уровне Ts=20÷100°C. Открытие ячейки Eu и кислорода производится на 30 минут, что соответствует толщине пленки EuO в 20 нм при скорости роста пленки 0,66 нм/мин при заданных потоках веществ. Контроль над состоянием пленки производится in situ с помощью дифракции быстрых электронов. Картина дифракции от пленки EuO в процессе роста показана на Фиг. 2. Выход за пределы описанного режима приводит к формированию аморфных или кристаллических высших оксидов Eu2O3 и Eu3O4, или их смеси с EuO.After the surface reconstruction is formed, the flapper of the Eu cell is heated simultaneously to such a temperature as to ensure the pressure of the atom flux Eu P Eu = 6.2 610 -8 Torr, and oxygen, the molecular beam pressure of which is P O2 = 6⋅10 -9 Torr, while ensuring compliance with the condition 10⋅P O2 ≤P Eu ≤11⋅P O2 . The substrate temperature is maintained at the level of T s = 20 ÷ 100 ° C. The opening of the Eu and oxygen cell is performed for 30 minutes, which corresponds to a EuO film thickness of 20 nm at a film growth rate of 0.66 nm / min at given flows of substances. Control over the state of the film is carried out in situ by diffraction of fast electrons. The diffraction pattern from the EuO film during growth is shown in FIG. 2. Going beyond the limits of the described regime leads to the formation of amorphous or crystalline higher oxides Eu 2 O 3 and Eu 3 O 4 , or a mixture thereof with EuO.

Поскольку пленка крайне чувствительна к окислению, по окончании роста пленку закрывают сплошным защитным слоем, например, Al или SiOx толщиной не менее 2 нм.Since the film is extremely sensitive to oxidation, at the end of growth, the film is closed with a continuous protective layer, for example, Al or SiO x with a thickness of at least 2 nm.

Исследования изготовленных образцов с помощью рентгеновской дифрактометрии (Фиг. 3) показали, что пленки EuO являются текстурированными: в силу симметрийных соображений (интеграция ГЦК решетки с гексагональной) кристаллиты латерально развернуты друг относительно друга на угол 30°, подавляющее большинство из них имеют ориентацию, нормальную к поверхности, (001). Включения с ориентацией (111) также присутствуют, однако оценка из интенсивности пиков показывает, что их количество составляет не более 10% от объема пленки. Положения рефлексов EuO свидетельствуют, что кристаллической решетке пленки EuO соответствует кубическая сингония Fm3m.Studies of the prepared samples using x-ray diffractometry (Fig. 3) showed that EuO films are textured: due to symmetry considerations (integration of the fcc lattice with the hexagonal), the crystallites are laterally rotated relative to each other at an angle of 30 °, the vast majority of them have a normal orientation to the surface, (001). Inclusions with the (111) orientation are also present, however, an estimate from the peak intensities shows that their amount is no more than 10% of the film volume. The positions of the EuO reflections indicate that the cubic syngonium Fm3m corresponds to the crystal lattice of the EuO film.

Пример 2.Example 2

По окончании осаждения 20 нм пленки EuO образец подвергается вакуумному отжигу при температуре Ts=490÷520°С. В остальном способ реализуется, как в Примере 1.At the end of the deposition of a 20 nm EuO film, the sample is subjected to vacuum annealing at a temperature T s = 490–520 ° С. The rest of the method is implemented as in Example 1.

Пример 3.Example 3

По окончании осаждения 20 нм пленки EuO при температуре Ts=20÷100°С производится осаждение 30 нм пленки EuO при температуре подложки Ts=340÷420°С. В остальном способ реализуется, как в Примере 1.Upon completion of the deposition of a 20 nm EuO film at a temperature of T s = 20 ÷ 100 ° C, 30 nm of a EuO film is deposited at a substrate temperature of T s = 340 ÷ 420 ° C. The rest of the method is implemented as in Example 1.

Пример 4.Example 4

По окончании осаждения пленки EuO образец подвергается вакуумному отжигу при температуре Ts=490÷520°С. В остальном способ реализуется, как в Примере 3.After the deposition of the EuO film is completed, the sample is subjected to vacuum annealing at a temperature T s = 490–520 ° С. The rest of the method is implemented as in Example 3.

Таким образом, показана возможность получения эпитаксиальной пленки EuO большой толщины без включений фаз высших оксидов на монослое графена, приводящей к появлению в нем магнитных состояний, что позволит создавать устройства спинтроники, например спиновые фильтры и инжекторы спин-поляризованного тока.Thus, the possibility of producing a thick EuO epitaxial film without the inclusion of higher oxide phases on the graphene monolayer, which leads to the appearance of magnetic states in it, has been shown, which will make it possible to create spintronics devices, for example, spin filters and spin-polarized current injectors.

Claims (4)

1. Способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия EuO на графене, включающий формирование субмонослоя европия с поверхностной фазой
Figure 00000005
методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка при температуре подложки Ts=20-100°С и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8-1⋅10-7) Торр, осаждение слоя монооксида европия EuO при температуре подложки Ts=20-100°C, давлении потока кислорода PO2=(1⋅10-9-1⋅10-8) Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8-1⋅10-7) Торр, удовлетворяющих условию 10⋅PО2≤PEu≤11⋅PO2, до достижения необходимой толщины слоя монооксида европия EuO.
1. A method of growing epitaxial films of europium monoxide EuO on graphene, including the formation of a submonolayer of europium with a surface phase
Figure 00000005
by molecular beam epitaxy on the surface of a pre-formed graphene monolayer / substrate structure at a substrate temperature T s = 20-100 ° С and a pressure of the flux of europium atoms P Eu = (1⋅10 -8 -1⋅10 -7 ) Torr, layer deposition europium monoxide EuO at a substrate temperature T s = 20-100 ° C, oxygen flux pressure P O2 = (1⋅10 -9 -1⋅10 -8 ) Torr and europium atom flux pressure P Eu = (1⋅10 -8 - 1⋅10 -7 ) Torr, satisfying the condition 10⋅P О2 ≤P Eu ≤11⋅P O2 , until the required thickness of the layer of europium monoxide EuO is reached.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после осаждения пленки монооксида европия EuO осуществляют ее отжиг в вакууме в диапазоне температур Ts=490-520°С.2. The method according to p. 1, characterized in that after the deposition of the film of europium monoxide EuO carry out its annealing in vacuum in the temperature range T s = 490-520 ° C. 3. Способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия EuO на графене, включающий формирование субмонослоя европия с поверхностной фазой
Figure 00000005
методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка при температуре подложки Ts=20-100°С и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8-1⋅10-7) Торр, осаждение слоя монооксида европия EuO при температуре подложки Ts=20-100°С, давлении потока кислорода РО2=(1⋅10-9-1⋅10-8) Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8-1,1⋅10-7) Торр, удовлетворяющих условию 10⋅PO2≤PEu≤11⋅PO2, после чего осаждают слой монооксида европия EuO при температуре подложки Ts=340-420°С, давлении потока кислорода PO2=(1⋅10-9-1⋅10-8) Торр и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8-1,5⋅10-7) Торр, удовлетворяющих условию 10⋅PO2≤PEu≤15⋅PO2, до достижения необходимой общей толщины слоя монооксида европия EuO.
3. A method of growing epitaxial films of europium monoxide EuO on graphene, including the formation of a submonolayer of europium with a surface phase
Figure 00000005
by molecular beam epitaxy on the surface of a pre-formed graphene monolayer / substrate structure at a substrate temperature T s = 20-100 ° С and a pressure of the flux of europium atoms P Eu = (1⋅10 -8 -1⋅10 -7 ) Torr, layer deposition europium monoxide EuO at a substrate temperature T s = 20-100 ° С, oxygen flow pressure Р О2 = (1⋅10 -9 -1⋅10 -8 ) Torr and europium atom flow pressure P Eu = (1⋅10 -8 - 1.1⋅10 -7 ) Torr, satisfying the condition 10⋅P O2 ≤P Eu ≤11⋅P O2 , after which a layer of europium monoxide EuO is deposited at a substrate temperature T s = 340-420 ° С, oxygen flow pressure P O2 = (1⋅10 -9 -1⋅10 -8 ) Torr and the pressure of the flux of europium atoms P Eu = (1⋅10 -8 -1.5⋅10 -7 ) Torr, satisfying the condition 10⋅P O2 ≤P Eu ≤15 ⋅P O2 , until the required total thickness of the layer of europium monoxide EuO is reached.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после осаждения пленки монооксида европия EuO осуществляют ее отжиг в вакууме в диапазоне температур Ts=490-520°С.4. The method according to p. 3, characterized in that after the deposition of the film of europium monoxide EuO carry out its annealing in vacuum in the temperature range T s = 490-520 ° C.
RU2018120691A 2018-06-05 2018-06-05 Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options) RU2680544C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120691A RU2680544C1 (en) 2018-06-05 2018-06-05 Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120691A RU2680544C1 (en) 2018-06-05 2018-06-05 Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2680544C1 true RU2680544C1 (en) 2019-02-22

Family

ID=65479335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018120691A RU2680544C1 (en) 2018-06-05 2018-06-05 Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2680544C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2697517C1 (en) * 2019-01-31 2019-08-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of producing spin-polarized charge carriers in graphene

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2360317C2 (en) * 2007-07-18 2009-06-27 Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской Академии наук Method of obtaining thin-film oxide material alloyed with ferromagnetic metal ions for spintronics
US20140151770A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 International Business Machines Corporation Thin film deposition and logic device
RU2557394C1 (en) * 2014-05-27 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of growing epitaxial europium monoxide films on silicon
RU2574554C1 (en) * 2014-09-12 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of producing protective dielectric layer
CN105778132A (en) * 2016-03-31 2016-07-20 沈阳化工大学 Preparation method of polyaniline-based europium oxide/graphene conductive film

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2360317C2 (en) * 2007-07-18 2009-06-27 Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской Академии наук Method of obtaining thin-film oxide material alloyed with ferromagnetic metal ions for spintronics
US20140151770A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 International Business Machines Corporation Thin film deposition and logic device
RU2557394C1 (en) * 2014-05-27 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of growing epitaxial europium monoxide films on silicon
RU2574554C1 (en) * 2014-09-12 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of producing protective dielectric layer
CN105778132A (en) * 2016-03-31 2016-07-20 沈阳化工大学 Preparation method of polyaniline-based europium oxide/graphene conductive film

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2697517C1 (en) * 2019-01-31 2019-08-15 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method of producing spin-polarized charge carriers in graphene

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8318510B2 (en) Method and apparatus for manufacturing magnetoresistive element
JP5351140B2 (en) Manufacturing method of magnetic tunnel junction device
RU2557394C1 (en) Method of growing epitaxial europium monoxide films on silicon
US20110089415A1 (en) Epitaxial growth of single crystalline mgo on germanium
Bogle et al. Epitaxial magnetic oxide nanocrystals via phase decomposition of bismuth perovskite precursors
Cai et al. Epitaxial growth of barium hexaferrite film on wide bandgap semiconductor 6H–SiC by molecular beam epitaxy
RU2663041C1 (en) Method of producing an epitaxial film of a multilayer silicen intercalated by europium
RU2680544C1 (en) Method of cultivation of epitaxial films of europium monoxide on graphene (options)
RU2739459C1 (en) Method of forming a thin film of europium monoxide on a silicon substrate to obtain an epitaxial heterostructure euo/si
KR900001667B1 (en) Epitaxial insulation film manufacturing method for semiconductor device
Chen et al. Ultrathin BaTiO3 templates for multiferroic nanostructures
Balashev et al. Growth of Fe 3 O 4 films on the Si (111) surface covered by a thin SiO 2 layer
Zhang et al. Two-step growth of high-quality Nb/(Bi0. 5Sb0. 5) 2Te3/Nb heterostructures for topological Josephson junctions
Sapkota et al. Influence of post-deposition annealing on the transport properties of sputtered Bi2Se3 thin films
Gómez et al. Deposition of YBaCo4O7+ δ thin films on (001)-SrTiO3 substrates by dc sputtering
RU2723125C1 (en) Method of producing germanene-based euge2 and srge2 materials with high mobility of charge carriers
Dwivedi et al. Enhanced magnetoresistance in pulsed laser deposited stable chromium oxide thin films
RU2768948C1 (en) METHOD FOR FORMING EPITAXIAL HETEROSTRUCTURES EuO/Ge
Lee et al. Influence of Vacuum Annealing on Structural, Optical, Electrical, and Magnetic Properties of Zn $ _ {0.94} $ Co $ _ {0.05} $ Al $ _ {0.01} $ O Diluted Magnetic Semiconductor Thin Films
Pisarenko et al. The influence of seed layer on growth of magnetite films on the SiO2/Si (001) surface
RU2615099C1 (en) Method for europium disilicide epitaxial film growing on silicon
Overberg et al. Growth of the dilute magnetic semiconductor GaMnN by molecular-beam epitaxy
Cho et al. Enhanced thermal stability of high-dielectric Gd 2 O 3 films using ZrO 2 incorporation
JP5119434B2 (en) Magnetic semiconductor thin film and method of manufacturing magnetic semiconductor thin film
Dillemans et al. Epitaxial growth of V2O3 on Al2O3 by reactive MBE