RU2710570C1 - Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена - Google Patents

Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена Download PDF

Info

Publication number
RU2710570C1
RU2710570C1 RU2018143465A RU2018143465A RU2710570C1 RU 2710570 C1 RU2710570 C1 RU 2710570C1 RU 2018143465 A RU2018143465 A RU 2018143465A RU 2018143465 A RU2018143465 A RU 2018143465A RU 2710570 C1 RU2710570 C1 RU 2710570C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gdsi
gadolinium
silicene
thickness
intercalated
Prior art date
Application number
RU2018143465A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Валерьевич Аверьянов
Андрей Михайлович Токмачев
Вячеслав Григорьевич Сторчак
Иван Сергеевич Соколов
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 RU2018143465A priority Critical patent/RU2710570C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2710570C1 publication Critical patent/RU2710570C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/06—Metal silicides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F17/00—Compounds of rare earth metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0682—Silicides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/542—Controlling the film thickness or evaporation rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/548—Controlling the composition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/025—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/06—Heating of the deposition chamber, the substrate or the materials to be evaporated
    • C30B23/063—Heating of the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/08—Epitaxial-layer growth by condensing ionised vapours
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/301—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying ultrathin or granular layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • H01L21/2003—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии создания двумерных магнитных материалов для сверхкомпактных спинтронных устройств. Способ получения дисилицида гадолиния GdSi2 со структурой интеркалированных слоев силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии заключается в осаждении атомарного потока гадолиния с давлением PGd (от 0,1 до менее 1)⋅10-8 Торр или PGd (от более 1 до 10)⋅10-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(111), нагретую до Ts=350 ÷ менее 400°С или Ts=более 400 ÷ 450°С, до формирования пленки дисилицида гадолиния толщиной не более 7 нм. Технический результат заключается в формировании эпитаксиальных пленок двумерного магнитного материала GdSi2 кристаллической модификации hP3 со структурой интеркалированного гадолинием многослойного силицена на подложках кремния. Такие структуры являются однородными по толщине, не содержат посторонних фаз, являются ферромагнитными. 5 ил., 4 пр.

Description

Изобретение относится к способам получения двумерных ферромагнитных материалов, а именно GdSi2 кристаллической модификации hP3 со структурой интеркалированных гадолинием слоев силицена.
Стремление создать сверхкомпактные спинтронные устройства побуждает исследователей к интенсивному поиску и изучению магнитных материалов с низкой размерностью. Разработка таких материалов способна, значительным образом преобразовать существующую элементную базу наноэлектроники, предоставляя возможность, в частности, кардинально менять свойства функционального материала за счет эффекта близости.
Рациональным подходом в стратегии создания двумерных магнитных материалов считается придание магнитных свойств уже существующим двумерным немагнитным системам. Среди таких систем одно из. центральных мест занимает силицен - гексагональный монослой атомов кремния, являющийся практически полным структурным и электронным аналогом графена. Однако, в отличие от графена, он обладает рифленой структурой: атомы кремния в нем лежат не в одной, а в двух достаточно близко расположенных плоскостях. Согласно теоретическим предсказаниям силицен должен демонстрировать широкий спектр уникальных свойств: носители заряда в нем должны быть безмассовыми дираковскими фермионами, материал должен проявлять квантовый аномальный эффект Холла, квантовый спиновый эффект Холла, квантовый долинный эффект Холла, сверхпроводимость, гигантское магнетосопротивление и т.д. Что особенно важно, ширина запрещенной зоны силицена, может управляться внешним электрическим полем или, химической функционализацией. Структурная близость с объемным кремнием должна обеспечить, силицену возможность прямой интеграции с коммерческими полупроводниковыми системами. Придание силицену магнитных свойств может сильно расширить спектр его возможных применений.
На данный момент исследования силицена остаются в большей степени теоретическими: получению свободного силицена препятствует его высокая химическая активность. В результате гибридизации электронных состояний силиценовые слои, получаемые эпитаксией на металлических подложках, имеют сильно искаженную электронную структуру.
Для уменьшения гибридизации силицена с подложкой можно интеркалировать в пространство между силиценом и подложкой; слой атомов активных металлов. Сходным образом, можно рассматривать интеракалированный многослойный силицен с силиценовыми слоями, разделенными слоями активного металла. В таких системах дираковские состояния сохраняются.
Задача внесения магнетизма в силиценовую структуру может быть решена при помощи интеркаляции магнитными металлами. В этом контексте гадолиний, обладающий (в соединении GdSi2) наполовину заполненной 4ƒ-оболочкой, и, как следствие, магнитным моментом 7μБ/атом, является перспективным кандидатом для использования в качестве интеркалирующих атомов. Таким образом, применение такого материала не только решает проблему создания в силицене магнитных состояний, но также устраняет вопрос о его стабильности, что делает формирование двумерных магнитных материалов на его основе крайне привлекательной задачей.
Вместе с тем, хотя и известно, что объемные монокристаллы GdSi2 обладают антиферромагнитными свойствами, при уменьшении размерности дальние магнитные упорядочения могут подавляться тепловыми флуктуациями. Поэтому и а данный момент актуальным является не только развитие методов синтеза сверхтонких пленок GdSi2 со структурой интеркалированных гадолинием слоев силицена, но и исследование нетривиального вопроса о сохранений их магнитных свойств в сверхтонких слоях, а также об их эволюции с толщиной.
Уровень техники
Известна статья «Управление магнетизмом в 2D CrI3 посредством электростатического допирования» «Controlling magnetism - in 2D CrI3 by electrostatic doping» (DOI: 10.1038/s41565-018-0135-x), в которой двумерная магнитная пленка создается путем помещения монослоя CrI3 между двумя слоями графена. Графеновые листы используются в качестве защиты и предотвращают окисление на воздухе. Недостатками рассмотренной системы являются технологические сложности ее создания и масштабирования, связанные с тем, что все слои структуры переносятся на подложку отдельными листами, сильная деградация на воздухе и невозможность прямой интеграции с кремниевой технологией.
Известна статья «Открытие ферромагнетизма в двумерных ван-дер-Ваальсовских кристаллах» «Discovery of intrinsic ferromagnetism in twodimensional van der Waals crystals)) (DOI: 10.1038/nature22060). Пленки Cr2Ge2Te6 толщиной в два и три монослоя были получены методом эксфолиации и продемонстрировали ферромагнитное поведение. Недостатком этого метода является плохая воспроизводимость и масштабируемость, а также слабый магнитный сигнал в полученных пленках.
На настоящий момент не известны патенты, в которых патентуются способы создания двумерных магнитных материалов. Однако существует ряд патентов, в которых патентуются технологии получения силиценовых материалов без магнитных свойств. Наиболее близкие к данному патенту изобретения приведены ниже.
Известны патенты «Силиценовый нанокомпозитный анод для литий-ионного аккумулятора» (US 20150364754), в котором силицен был полечен методом сверхвысоковакуумного химического осаждения из газовой фазы, и «Способ получения силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на пассивированном нитриде кремния» (ЕР2867391). Недостатком этих методов 4
является невозможность формирования силицена непосредственно на кремниевой подложке.
Известен патент RU 2615099 «Способ выращивания эпитаксиальной пленки дисилицида европия на кремнии», в котором пленки EuSi2 формируются методом МЛЭ путем осаждения Eu на нагретую до Ts=400±20°С подложку кремния с ориентацией (001), однако данный метод не позволяет формировать пленки GdSi2 со структурой интеркалированных слоев силицена.
Также известен патент RU 2620197 «Способ выращивания эпитаксиальных пленок дисилицида стронция на кремнии», в котором эпитаксиальные пленки SrSi2 формируются методом МЛЭ осаждением Sr на подложку кремния с ориентацией (001) или (111), нагретую до температуры Ts=500±20°С. Однако, с помощью этого способа невозможно формировать магнитные пленки.
Известен патент RU 2663041 «Способ получения эпитаксиальной пленки многослойного силицена, интеркалированного европием», в котором эпитаксиальные пленки EuSi2 кристаллической модификации hP3 формируются методом МЛЭ. Недостатком данного метода является необходимость формирования на поверхности кремния промежуточной тонкой пленки SrSi2 с последующим формированием пленки EuSi2.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом настоящего изобретения является формирование двумерных ферромагнитных пленок GdSi2 кристаллической модификации hP3 со структурой интеркалированных гадолинием слоев силицена на кремниевых подложках.
Для достижения технического результата предложен способ создания двумерного ферромагнитного материала GdSi2 со структурой интеркалированных слоев силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока гадолиния с давлением PGd (от 0,1 до менее 1)⋅10-8 торр или PGd (от более 1 до 10)⋅10-8 торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(111), нагретую до Ts=350 менее 400°С или Ts=более 400÷450°С, до формирования пленки дисилицида гадолиния толщиной не более 7 нм.
Слой GdSi2 образуется за счет диффузии атомов, а ориентация силиценовых слоев в пленке параллельно поверхности задается структурными параметрами подложки.
В установках МЛЭ обычно имеет место неоднозначная трактовка температур подложки. В настоящем изобретении температурой подложки считается температура, определяемая по показаниям, инфракрасного пирометра. Давлением потока считается давление, измеренное ионизационным манометром, находящимся непосредственно в положении подложки.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами:
На Фиг. 1 показана структурная модель GdSi2. Маленькие шары соответствуют атомам Si, большие - атомам Gd. (а) Объемный образец GdSi2. с плоскими слоями атомов Si. (b) Пленка GdSi2 толщиной 1 монослой (monolayer, ML) с рифленым слоем атомов Si.
На Фиг. 2 представлены изображения дифракции быстрых электронов для Si(111) и пленок GdSi2: (а) реконструированная 7×7 поверхность Si(111); (b-h) GdSi2 толщиной 1 ML (b), 1÷2 ML (с), 2 ML-(d), 3 ML (e), 4-5 ML (f), ≈9 ML (g), ≈17 ML (h). Все изображения сняты вдоль азимута
Figure 00000001
подложки.
На Фиг. 3 показаны θ-2θ в рентгеновские дифрактограммы пленок GdSi2/Si(111) различной толщины, отображающие пики от GdSi2 и, помеченные *, пики от подложки Si(111).
На Фиг. 4 показана атомная структура системы GdSi2/Si(111), полученная методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ): (а) темнопольное изображение, представляющее вид сверху на пленку GdSi2; (b) вид сверху на модель структуры GdSi2; (с) светлопольное изображение, представляющее вид сверху на пленку GdSi2 и показывающее гексагональную структуру слоев атомов Si; (d) светлопольное изображение поперечного среза пленки GdSi2, снятое вдоль оси зоны [110] подложки Si(111), показывающее вид сбоку на слои атомов Si; (е) темнопольное изображение поперечного среза GdSi2 толщиной 1 ML на подложке Si(111); (f) темнопольное изображение поперечного среза GdSi2 толщиной 2 ML на подложке Si(111); (g) темнопольное изображение поперечного среза GdSi2 толщиной 4÷5 ML на подложке Si(111).
На Фиг. 5 показаны магнитные свойства сверхтонких пленок GdSi2. (a) Температурные зависимости магнитного момента GdSi2 толщиной 17 ML, измеренные в магнитном поле 1 кЭ вдоль направлений Si[111] и
Figure 00000002
(b) Температурные зависимости магнитного момента GdSi2 толщиной 4÷5 ML, измеренные в различных магнитных полях, (с) Температурные зависимости нормированного магнитного момента GdSi2 толщиной 2 ML, измеренные в 6
различных магнитных полях. (d) Полевая зависимость магнитного момента GdSi2 толщиной 2 ML при 2 К. (е) Температурные зависимости остаточного магнитного момента (после охлаждения в магнитном поле 500 Э) GdSi2 различной толщины. (f) Зависимость магнитного момента насыщения при 2 К от числа монослоев GdSi2.
Осуществление изобретения
Пример 1.
Подложка Si(111) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1⋅10-10 торр). Затем, для удаления с поверхности подложки слоя естественного оксида осуществляется ее нагрев до температуры Ts=900÷1100°С. Факт очистки поверхности подложки от оксида устанавливается in situ с помощью дифракции быстрых электронов: наблюдается реконструкция (7×7). После этого подложка остужается до ростовой температуры Ts=350 ÷ менее 400°С или Ts=более 400÷450°С и происходит открытие заслонки ячейки Gd, нагретой до такой температуры (~1200°С), чтобы обеспечивать давление потока атомов гадолиния PGd (от 0,1 до менее 1)⋅10-8 торр или PGd (от более 1 до 10)⋅10-8 торр (поток PGd=5⋅10-8 торр соответствует скорости роста пленки ≈3,5 нм/мин). Все температуры подложки указаны по пирометру, температуры ячеек - по термопаре. Ростовой цикл длится до получения пленки GdSi2 необходимой толщины, но не более 7 нм (17 ML), после чего заслонка ячейки Gd закрывается. При превышении указанной толщины пленки GdSi2, она перестает проявлять ферромагнитные свойства, характерные для сверхтонких слоев.
Для предотвращения воздействия на GdSi2 воздуха при выносе образца из камеры по окончании роста пленка закрывается сплошным защитным слоем, например, оксидом кремния SiOx толщиной более 2 нм.
Модель кристаллической структуры пленки GdSi2, получающейся в результате описанного процесса, показана на Фиг. 1. Следует отметить, что объемный GdSi2 содержит плоские кремниевые слои (Фиг. 1а). Однако, в случае сверхтонких пленок GdSi2, выращенных на Si(111), слои кремния приобретают рифленость (Фиг. 1b), характерную для силиценовых слоев.
Контроль за состоянием пленки производится in situ с помощью дифракции быстрых электронов. Динамика картин дифракции в процессе роста показана на Фиг. 2.
Исследования изготовленных образцов с помощью рентгеновской дифрактометрии (Фиг. 3а) показали, что пленки GdSi2 являются эпитаксиальными, имеют ориентацию (0001) и не содержат нежелательных фаз.
Определенный по положению пиков вертикальный параметр решетки GdSi2 изменяется с толщиной, увеличиваясь с с=4,1908±0,0014
Figure 00000003
для образца с толщиной 17 ML до с=4,287±0,009
Figure 00000003
для образца с толщиной 2 ML, что согласуется с увеличением степени рифлености силиценовых слоев у сверхтонких пленок. Анализ положения пика
Figure 00000004
проведенный для образца с толщиной 9 ML, дал возможность определить латеральный параметр решетки:
Figure 00000005
Его значение очень близко к соответствующему параметру решетки Si(111)
Figure 00000006
Таким образом, силиценовые слои в GdSi2 и поверхность кремния являются структурно, согласованными.
Исследование образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии (Фиг. 4a-d) доказывает формирование пленок GdSi2 необходимой фазы с содержанием силиценовых слоев в качестве элементов структуры, их эпитаксиальность, отсутствие в их объеме посторонних фаз, резкость интерфейсов, а также однородность пленок вдоль толщины. Также они позволяют установить ориентационные соотношения пленки относительно подложки:
Figure 00000007
Магнитные свойства пленок GdSi2 показаны на Фиг. 5 Известно, что объемные образцы GdSi2 демонстрируют антиферромагнитное поведение с температурой Нееля TN≈50 К, при этом магнитные моменты Gd ориентируются параллельно кремниевым слоям. С уменьшением -толщины пленок GdSi2 их магнитные свойства сильно меняются. Так, у образца с толщиной 17 ML, хотя магнитный переход и наблюдается при температурах близких к TN, температурная зависимость магнитного момента перестает соответствовать антиферромагнитному состоянию (Фиг. 5а). С уменьшением температуры ниже 50 К магнитный момент, лежащий в плоскости пленки, растет, что говорит о появлении ферромагнитного момента. Появление ферромагнетизма также подтверждается дополнительными измерениями остаточного магнитного момента. Дальнейшее уменьшение толщины смещает баланс в сторону ферромагнетизма еще больше. Толщина GdSi2 в 17 ML представляет, собой граничный случай между антиферромагнитцыми объемными образцами и сверхтонкими пленками с двумерным ферромагнетизмом.
Внутренне присущий двумерный магнетизм проявляет свою природу в слабых магнитных полях. На Фиг. 5b показана температурная зависимость ферромагнитного момента образца с толщиной GdSi2 4÷5 ML в- различных приложенных магнитных полях, а на Фиг. 5с зависимости Нормированной намагниченности от температуры в различных магнитных полях для образца с толщиной 2 ML. У обоих образцов наблюдается значительное повышение
Figure 00000008
с приложением магнитного поля. Сильная зависимость температуры перехода от магнитного поля является характерным признаком внутренне присущего двумерного магнетизма: приложенное поле увеличивает щель в спектре спиновых возбуждений, делая возможными дальние ферромагнитные упорядочения при ненулевой температуре. Примечательно, что магнитные свойства образцов оказываются достаточно выраженными для их измерения с помощью стандартного СКВИД-магнитометра.
Низкотемпературные зависимости М(Н) показывают хорошо различимый гистерезис, характерный для ферромагнетиков (Фиг. 5d). Возникающий (ферромагнетизм сильно зависит от толщины пленок GdSi2: на графике, показывающем зависимость остаточного магнитного момента от температуры (Фиг. 5е), видно, что
Figure 00000008
сильно увеличивается с ростом толщины. Момент насыщения на атом Gd также меняется с толщиной (Фиг. 5f), достигая максимума при толщине 2 ML. Абсолютные значения магнитных моментов насыщения гораздо меньше 7μБ/Gd, которого можно ожидать для полностью ферромагнитно упорядоченных ионов Gd с полузаполненными ƒ-оболочками. Возможная причина уменьшенного момента состоит в наличии антиферромагнитных флуктуаций, возникающих за счет конкурирующего магнитного взаимодействия.
Выход за пределы описанных режимов роста может привести к (формированию поликристаллической пленки GdSi2 или других фаз силицидов Gd, что губительно влияет на магнитные свойства структур.
Пример 2.
Очистка поверхности кремниевых подложек от атмосферного оксида происходит путем их нагрева до температуры TS=770÷800°С и экспонирования в потоке атомов Eu с давлением PEu=(0,1÷5)÷10-8 торр. В остальном способ реализуется как в Примере 1.
Пример 3.
Очистка поверхности кремниевых подложек от атмосферного оксида происходит путем их нагрева до температуры Ts=770÷800°С и экспонирования в потоке атомов Sr с давлением PSr=(0,1÷5)⋅10-8 торр. В остальном; способ реализуется как в Примере 1.
Пример 4.
Очистка подложки кремния от естественного оксида производится перед ее загрузкой в камеру промыванием в 5% водном растворе HF, при этом достигается пассивация связей кремния атомами Н, которые впоследствии при прогреве десорбируются с поверхности. В остальном способ реализуется, как в Примере 1.
Таким образом, изобретение позволяет осуществлять топотактический синтез пленок двумерного магнитного материала GdSi2, со структурой интеркалированного гадолинием многослойного силицена на подложках Si(111). Эти пленки:
- являются эпитаксиальными;
- не содержат посторонних фаз;
- содержат силиценовые слои, параллельные поверхности подложки;
- являются ферромагнитными;
Такие структуры могут быть востребованы для получения слоев силицена, при исследовании спин-зависимых явлений в силиценовой решетке, и имеют потенциал применения в компактных устройствах спинтроники.

Claims (1)

  1. Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии, заключающийся в осаждении атомарного потока гадолиния с давлением PGd (от 0,1 до менее 1)⋅10-8 Торр или PGd (от более 1 до 10)⋅10-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(111), нагретую до Ts=350 ÷ менее 400°С или Ts=более 400 ÷ 450°С, до формирования пленки дисилицида гадолиния толщиной не более 7 нм.
RU2018143465A 2018-12-07 2018-12-07 Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена RU2710570C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143465A RU2710570C1 (ru) 2018-12-07 2018-12-07 Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143465A RU2710570C1 (ru) 2018-12-07 2018-12-07 Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710570C1 true RU2710570C1 (ru) 2019-12-27

Family

ID=69022855

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018143465A RU2710570C1 (ru) 2018-12-07 2018-12-07 Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710570C1 (ru)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1769181A (zh) * 2004-11-03 2006-05-10 中国科学院半导体研究所 单相钆硅化合物以及制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1769181A (zh) * 2004-11-03 2006-05-10 中国科学院半导体研究所 单相钆硅化合物以及制备方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANDREY M. TOKMACHEV et al., Emerging two-dimensional ferromagnetism in silicene materials," NATURE COMMUNICATIONS", 26 Apri 2018, Vol.9, pp.1-9. *
CHEN J.C. et al, Interfacial reactions of Gd thin films on (111) and (001)Si, "Applied Surface Science", 1999, Vol. 142, No. 1-4, pp. 291-294. *
GEENEN F.A. et al., On the formation and structural properties of hexagonal rare earth (Y, Gd, Dy, Er and Yb) disilicide thin films," Journal of Alloys and Compounds", 2014, Vol.611, pp. 149-156. *
GEENEN F.A. et al., On the formation and structural properties of hexagonal rare earth (Y, Gd, Dy, Er and Yb) disilicide thin films," Journal of Alloys and Compounds", 2014, Vol.611, pp. 149-156. MOLNAR GY. et al., The effect of silicon substrate orientation on the formation of Gd-silicide phases, "Applied Surface Science", 1996, Vol. 102, pp. 159-162. CHEN J.C. et al, Interfacial reactions of Gd thin films on (111) and (001)Si, "Applied Surface Science", 1999, Vol. 142, No. 1-4, pp. 291-294. *
MOLNAR GY. et al., The effect of silicon substrate orientation on the formation of Gd-silicide phases, "Applied Surface Science", 1996, Vol. 102, pp. 159-162. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Realization of high Curie temperature ferromagnetism in atomically thin MoS 2 and WS 2 nanosheets with uniform and flower-like morphology
Boschker et al. Optimized fabrication of high-quality La0. 67Sr0. 33MnO3 thin films considering all essential characteristics
Luo et al. Electronic structure and magnetic properties of Fe2YSi (Y= Cr, Mn, Fe, Co, Ni) Heusler alloys: a theoretical and experimental study
Nie et al. Quest for high-Curie temperature MnxGe1− x diluted magnetic semiconductors for room-temperature spintronics applications
Sinha et al. Strain-induced effects on the magnetic and electronic properties of epitaxial Fe 1− x Co x Si thin films
RU2663041C1 (ru) Способ получения эпитаксиальной пленки многослойного силицена, интеркалированного европием
CN108341402B (zh) 一种碲化钽二维材料的合成及其应用
Zheng et al. Two-dimensional van der Waals ferromagnetic thin film CrTe2 with high Curie temperature and metallic conductivity
RU2710570C1 (ru) Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена
Ma et al. Structure and magnetism of GaMnN nanowires synthesized with nonmagnetic catalyst
Duong et al. Enhanced magneto-transport and thermoelectric properties of MnP nanorod thin films grown on Si (1 0 0)
RU2722664C1 (ru) СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВУМЕРНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ EuGe2 И GdGe2 НА ОСНОВЕ ГЕРМАНЕНА
RU2723125C1 (ru) СПОСОБ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНЕНА EuGe2 И SrGe2 С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Aouassa et al. Mn-doping effects on structural and magnetic properties of Ge nanocrystals on insulator
Pilidi et al. Structural and magnetotransport characterization of magnetron sputtered co-doped Bi2Te3 thin films
Prokhorov et al. Long-aging effects on the properties of La 0.5 Sr 0.5 CoO 3− δ films
RU2739459C1 (ru) Способ формирования тонкой пленки монооксида европия на кремниевой подложке с получением эпитаксиальной гетероструктуры EuO/Si
Cheng et al. Manipulation of film quality and magnetic properties of CrO 2 (100) films on TiO 2 substrates with carrier gas and growth temperature
RU2787255C1 (ru) Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием
Wang et al. Ge x Si 1− x virtual-layer enhanced ferromagnetism in self-assembled Mn 0.06 Ge 0.94 quantum dots grown on Si wafers by molecular beam epitaxy
Hattori et al. Systematic study of surface magnetism in Si (111)–Fe system grown by solid phase epitaxy: In situ schematic magnetic phase diagram of Si (111)–Fe
Le et al. Effect of carbon on structural and magnetic properties of Ge _ 1-x Mn _ x Ge 1-x Mn x nanocolumns
Pan et al. Structure and Magnetic Properties of (In, Mn) As Based Core-Shell Nanowires Grown on Si (111) by Molecular-Beam Epitaxy
CN112689609A (zh) 一种黑磷相超薄铋纳米片改性的复合膜及其制备方法
Kou et al. Epitaxial Insulators Growth of Bi2X3 Topological