RU2787255C1 - Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием - Google Patents

Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием Download PDF

Info

Publication number
RU2787255C1
RU2787255C1 RU2022114816A RU2022114816A RU2787255C1 RU 2787255 C1 RU2787255 C1 RU 2787255C1 RU 2022114816 A RU2022114816 A RU 2022114816A RU 2022114816 A RU2022114816 A RU 2022114816A RU 2787255 C1 RU2787255 C1 RU 2787255C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
submonolayer
coverage
monolayer
atoms
dimensional
Prior art date
Application number
RU2022114816A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Валерьевич Аверьянов
Иван Сергеевич Соколов
Андрей Михайлович Токмачев
Вячеслав Григорьевич Сторчак
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
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"
Application granted granted Critical
Publication of RU2787255C1 publication Critical patent/RU2787255C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к способам получения двумерных магнитных материалов, а именно субмонослойных двумерных материалов на основе Eu на подложке Si(001), демонстрирующих ферромагнитные свойства. Техническим результатом является предельное уменьшение толщины функционального слоя двумерного ферромагнитного материала для устройств кремниевой наноэлектроники и спинтроники, формируемых на подложках Si(001). Для его достижения предложен способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием, заключающийся в осаждении атомов Eu при давлении PEu=(0,3÷10)⋅10-8 торр потока атомов Eu на предварительно очищенную от слоя естественного оксида поверхность подложки Si(001), поддерживаемую при температуре 705°С<Ts<735°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 1/2 монослоя, или поддерживаемую при температуре 610°С<Ts<640°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 3/5 монослоя, или поддерживаемую при температуре 480°С<Ts<510°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 2/3 монослоя, при этом за степень покрытия в монослой принимается покрытие поверхности количеством атомов, равным количеству поверхностных атомов Si(001). 4 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к способам получения двумерных магнитных материалов, а именно субмонослойных двумерных материалов на основе Eu на подложке Si(001), демонстрирующих ферромагнитные свойства.
Уровень техники
Непрерывно растущие потребности повышения производительности и функциональности электронных устройств не могут быть удовлетворены в рамках прежней парадигмы развития за счет увеличения плотности расположения базовых элементов по причине приближения к фундаментальному физическому пределу. Невозможность поддержания прежнего темпа развития с использованием прежней материально-технологической базы стимулирует создание концептуально новых устройств на основе новых функциональных материалов.
Двумерные магнитные системы считаются перспективными кандидатами на роль таких материалов. Их предельно малая толщина (единицы атомных слоев) позволяет создавать на их основе сверхкомпактные электронные устройства, оставаясь в ключе прежнего тренда на миниатюризацию. Вместе с тем, значительное изменение свойств этих материалов за счет внешних воздействий (при приложении магнитного поля, электрического поля, давления и т.п.) дает возможность кардинально преобразовать существующую элементную базу наноэлектроники.
Двумерные магнитные материалы достаточно редки: при уменьшении размерности дальние магнитные упорядочения могут подавляться тепловыми флуктуациями. Хотя в настоящее время известен ряд двумерных магнитных материалов: CrI3, CrBr3, Cr2Ge2Te6, Fe3GeTe2, MnSey, EuSi2, GdSi2 и др., с точки зрения использования в реальных электронных устройствах более предпочтительными являются те их представители, которые удовлетворяют дополнительным параметрам: могут быть интегрированы с существующими полупроводниковыми технологическими платформами, в первую очередь - с кремниевой, а также имеют предельно малые толщины. Поиск и развитие методик синтеза таких материалов является весьма актуальной задачей.
Известна статья «Управление магнетизмом в 2D CrI3 посредством электростатического допирования» «Controlling magnetism in 2D CrI3 by electrostatic doping» (DOI: 10.1038/s41565-018-0135-х), 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, а также со значительной деградацией на воздухе и невозможностью прямой интеграции с кремниевой технологией.
Известна статья «Открытие ферромагнетизма в двумерных ван-дер-Ваальсовских кристаллах» «Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals» (DOI: 10.1038/nature22060). Пленки Cr2Ge2Te6 толщиной в два и три монослоя были получены методом эксфолиации и продемонстрировали ферромагнитное поведение. Недостатками этого метода являются плохая воспроизводимость и масштабируемость, а также слабый магнитный сигнал в полученных пленках.
Известен «Способ создания двумерных ферромагнитных материалов EuGe2 и GdGe2 на основе германена», в котором двумерные ферромагнитные материалы EuGe2 и GdGe2 формируются методом МЛЭ осаждением Eu и Gd, соответственно, на нагретую подложку Ge(111) (патент RU 2722664). Данный способ не позволяет формировать двумерные магнитные материалы на кремниевых подложках.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена», в котором двумерный ферромагнитный материал GdSi2 формируется методом МЛЭ осаждением Gd на нагретую подложку Si(111) (патент RU 2710570). Однако данный способ не позволяет синтезировать аналогичные материалы на более распространенных подложках Si(001).
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение размеров устройств наноэлектроники и спинтроники, формируемых подложках Si(001), использующих двумерный магнитный материал в качестве функционального слоя.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом настоящего изобретения является предельное уменьшение толщины функционального слоя двумерного ферромагнитного материала для устройств кремниевой наноэлектроники и спинтроники, формируемых на подложках Si(001).
Для достижения технического результата предложен способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием, заключающийся в осаждении атомов Eu при давлении PEu=(0,3÷10)⋅10-8 торр потока атомов Eu на предварительно очищенную от слоя естественного оксида поверхность подложки Si(001), поддерживаемую при температуре 705°С<Ts<735°С, до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 1/2 монослоя или поддерживаемую при температуре 610°С<Ts<640°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 3/5 монослоя, или поддерживаемую при температуре 480°С<Ts<510°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 2/3 монослоя, при этом за степень покрытия в монослой принимается покрытие поверхности количеством атомов, равным количеству поверхностных атомов Si(001).
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
На фиг. 1 представлены изображения дифракции быстрых электронов, наблюдаемые по окончании формирования двумерных ферромагнитных материалов: (а) после формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 1/2 монослоя при температуре 705°С<Ts<735°С, соответствующее поверхностной фазе (ПФ) 1×2; (b) после формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 3/5 монослоя при температуре 610°С<Ts<640°С, соответствующее ПФ 1×5; (с) после формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 2/3 монослоя при температуре 480°С<Ts<510°С, соответствующее ПФ 1×3. Все изображения сняты вдоль азимута [110] подложки.
На фиг. 2 показаны изображения, полученные методом темнопольной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения, демонстрирующие поперечный срез атомной структуры двумерных ферромагнитных материалов со степенью покрытия атомами Eu: (а) 1/2 монослоя; (b) 3/5 монослоя; (с) 2/3 монослоя. Все изображения сняты вдоль оси зоны [110] подложки.
На фиг. 3 показаны структурные модели двумерных ферромагнитных материалов, соответствующих степени покрытия атомами Eu: (а) 1/2 монослоя; (b) 3/5 монослоя; (с) 2/3 монослоя. Светлые шары соответствуют атомам Si, темные шары - атомам Eu. Элементарные ячейки материалов обведены прямоугольником.
На фиг. 4 показаны магнитные свойства сформированных двумерных магнитных материалов, полученные с помощью СКВИД-магнитометрии: (а, с, е) температурные зависимости намагниченности в различных слабых магнитных полях Н||[100], демонстрирующие сдвиг ферромагнитного перехода при приложении поля, для образцов со степенью покрытия атомами Eu: 1/2, 3/5 и 2/3 монослоя, соответственно; (b, d, f) полевые (Н||[100]) зависимости магнитного момента при 2 K для образцов со степенью покрытия атомами Eu: 1/2, 3/5 и 2/3 монослоя, соответственно.
Осуществление изобретения
Пример 1.
Подложка Si(001) 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 поверхности 2×1. После этого температура подложки устанавливается на значение в диапазоне 705°C<Ts<735°C, и происходит открытие заслонки ячейки Eu, нагретой до такой температуры (~430°С), чтобы обеспечивать давление потока атомов европия PEu=(0,3÷10)⋅10-8 торр. Ячейка Eu держится открытой в течение времени, необходимого для осаждения 1/2 монослоя атомов Eu (при давлении потока PEu=3⋅10-8 торр время осаждения составляет t=17,5 с). При этом за степень покрытия в монослой принимается покрытие поверхности количеством атомов, равным количеству поверхностных атомов Si(001). Все температуры подложки указаны по пирометру, температуры ячеек - по термопаре. После этого заслонка ячейки Eu закрывается, и температура подложки сбрасывается до комнатных значений.
Для предотвращения воздействия атмосферы на сформированную структуру при выносе из камеры по окончании роста, она закрывается сплошным защитным слоем, например, Al толщиной более 2 нм.
Контроль кристаллического состояния образца производится in situ с помощью дифракции быстрых электронов. Картина дифракции, наблюдаемая по завершении описанной процедуры и соответствующая формированию на поверхности Si(001) субмонослойной периодической структуры из атомов Eu - поверхностной фазы (ПФ) 1×2 (цифры указывают кратность увеличения периода сформированной структуры ПФ в двух ортогональных направлениях относительно периода нереконструированной поверхности Si(001)) - представлена на фиг. 1а.
Исследование образцов с помощью темнопольной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (фиг. 2а) доказывает формирование субмонослоя Eu с заявленной степенью покрытия 1/2, а также упорядочение атомов Eu в субмонослое с периодом в 2 раза больше периода Si(001), что соответствует ПФ 1×2.
Модель кристаллической структуры ПФ 1×2 Eu, построенная на основе изображений просвечивающей электронной микроскопии, показана на Фиг. 3а.
Магнитные свойства полученного двумерного материала, определенные с помощью СКВИД-магнитометрии, показаны на фиг. 4а, b. Температурные зависимости намагниченности, снятые в различных магнитных полях, приложенных вдоль направления [100] подложки (фиг. 4а), демонстрируют увеличение температуры перехода с приложением слабого магнитного поля. Проявляемая сильная зависимость температуры перехода от магнитного поля является индикатором двумерного ферромагнетизма. Приложенное магнитное поле увеличивает щель в спектре спиновых возбуждений, делая возможными дальние ферромагнитные упорядочения при ненулевой температуре. Низкотемпературная полевая зависимость намагниченности (фиг. 4b) позволяет определить момент насыщения, приходящийся на атом Eu. Полученное значение ~3,5 μБ/Eu хотя и оказывается гораздо меньше 7 μБ/Eu, которые можно ожидать для полностью ферромагнитно упорядоченных магнитных моментов ионов Eu с полузаполненными f-оболочками, тем не менее, превосходит соответствующие величины для двумерных соединений на основе Eu, формируемых на подложках Si(111) и Ge(111). Возможная причина уменьшенной величины момента может состоять в наличии антиферромагнитных флуктуаций, возникающих за счет конкурирующих магнитных взаимодействий.
Пример 2.
Способ реализуется, как в примере 1, за исключением того, что осаждение Eu при формировании двумерного ферромагнитного материала происходит на подложку, температура которой установлена на значение в диапазоне 610°С<Ts<640°С. При этом ячейка Eu держится открытой в течение времени, необходимого для осаждения 3/5 монослоя атомов Eu (при давлении потока PEu=3⋅10-8 торр время осаждения составляет t=24 с).
Картина дифракции быстрых электронов, наблюдаемая по завершении описанной процедуры и соответствующая формированию ПФ 1×5, представлена на фиг. 1b.
Изображение темнопольной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (фиг. 2b) доказывает формирование субмонослоя Eu с заявленной степенью покрытия 3/5, а также упорядочение атомов Eu в субмонослое с периодом в 5 раз больше периода Si(001), что соответствует ПФ 1×5.
Модель кристаллической структуры ПФ 1×5 Eu, построенная на основе изображений просвечивающей электронной микроскопии, показана на Фиг. 3b.
Температурные и полевые зависимости намагниченности полученной структуры, представленные на фиг. 4с, d, демонстрируют поведение, аналогичное показанному в примере 1 и соответствующее магнитным свойствам двумерного ферромагнитного материала.
Пример 3.
Способ реализуется, как в примере 1 за исключением того, что осаждение Eu при формировании двумерного ферромагнитного материала происходит на подложку, температура которой установлена на значение в диапазоне 480°С<Ts<510°С. При этом ячейка Eu держится открытой в течение времени, необходимого для осаждения 2/3 монослоя атомов Eu (при давлении потока PEu=3⋅10-8 торр время осаждения составляет t=27 с).
Картина дифракции быстрых электронов, наблюдаемая по завершении описанной процедуры и соответствующая формированию ПФ 1×3, представлена на Фиг. 1с.
Изображение темнопольной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (фиг. 2с) указывает на формирование субмонослоя Eu со степенью покрытия, близкой к заявленным 2/3, а также упорядочение атомов Eu в субмонослое с периодом в 3 раза больше периода Si(001), что соответствует ПФ 1×3.
Модель кристаллической структуры ПФ 1×3 Eu, построенная на основе изображений просвечивающей электронной микроскопии, показана на фиг. 3с.
Температурные и полевые зависимости намагниченности полученной структуры, представленные на фиг. 4е, f, демонстрируют поведение, аналогичное показанному в примерах 1 и 2 и соответствующее магнитным свойствам двумерного ферромагнитного материала.
Пример 4.
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 Примерах 1-3.
Пример 5.
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 Примерах 1-3.
При выходе ростовых параметров за указанные диапазоны может сформироваться отличающаяся структура, не проявляющая требуемых магнитных свойств, или структура с нарушением сплошности двумерного магнитного материала.
Таким образом, изобретение позволяет осуществлять синтез двумерных ферромагнитных материалов в виде субмонослоя Eu с различной степенью покрытия на подложках Si(001). Эти материалы:
- интегрированы с базовым полупроводниковым материалом;
- обладают регулярной структурой;
- имеют сплошное покрытие;
- не содержат посторонних фаз.
Такие материалы могут быть востребованы в качестве функционального слоя в сверхкомпактных устройствах наноэлектроники и спинтроники.

Claims (1)

  1. Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием, заключающийся в осаждении атомов Eu при давлении PEu=(0,3÷10)⋅10-8 торр потока атомов Eu на предварительно очищенную от слоя естественного оксида поверхность подложки Si(001), поддерживаемую при температуре 705°С<Ts<735°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 1/2 монослоя, или поддерживаемую при температуре 610°С<Ts<640°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 3/5 монослоя, или поддерживаемую при температуре 480°С<Ts<510°С до формирования субмонослоя Eu со степенью покрытия 2/3 монослоя, при этом за степень покрытия в монослой принимается покрытие поверхности количеством атомов, равным количеству поверхностных атомов Si(001).
RU2022114816A 2022-06-01 Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием RU2787255C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787255C1 true RU2787255C1 (ru) 2023-01-09

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218247U1 (ru) * 2022-10-31 2023-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Устройство для получения силицена

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5827802A (en) * 1993-11-12 1998-10-27 Ufinnova Method of depositing monomolecular layers
WO2012158847A2 (en) * 2011-05-16 2012-11-22 The University Of Chicago Materials and methods for the preparation of nanocomposites
RU2528581C1 (ru) * 2013-03-06 2014-09-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Способ получения слоистого наноматериала
RU2548225C2 (ru) * 2013-03-06 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владивостокский государственный университет экономики и сервиса" (ВГУЭС) Способ получения дисперсной частицы

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5827802A (en) * 1993-11-12 1998-10-27 Ufinnova Method of depositing monomolecular layers
WO2012158847A2 (en) * 2011-05-16 2012-11-22 The University Of Chicago Materials and methods for the preparation of nanocomposites
RU2528581C1 (ru) * 2013-03-06 2014-09-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Способ получения слоистого наноматериала
RU2548225C2 (ru) * 2013-03-06 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владивостокский государственный университет экономики и сервиса" (ВГУЭС) Способ получения дисперсной частицы

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU218247U1 (ru) * 2022-10-31 2023-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Устройство для получения силицена

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ranno et al. Production and magnetotransport properties of CrO 2 films
Lyadov et al. Structural and magnetic studies of thin Fe57 films formed by ion beam assisted deposition
Rau et al. Two-dimensional ferromagnetism of ultra-thin artificial vanadium films
Giordano et al. Ni 80 Fe 20 nanotubes with optimized spintronic functionalities prepared by atomic layer deposition
Kumar et al. Room-temperature magnetoelectricity and magnetic field sensing characteristics of 2–2 phase connected Ni–Mn–In/PLZT layered multiferroic heterostructure
RU2787255C1 (ru) Способ создания субмонослойных двумерных ферромагнитных материалов, интегрированных с кремнием
Sharko et al. Elastically stressed state at the interface in the layered ferromagnetic/ferroelectric structures with magnetoelectric effect
Wang et al. Epitaxial growth and room-temperature ferromagnetism of quasi-2D layered Cr4Te5 thin film
Duan et al. Facile micro-patterning of ferromagnetic CoFe2O4 films using a combined approach of sol–gel method and UV irradiation
Zdoroveyshchev et al. Micromagnetic and Magnetooptical Properties of Ferromagnetic/Heavy Metal Thin Film Structures
Tsunoda et al. Extra large unidirectional anisotropy constant of Co–Fe/Mn–Ir bilayers with ultra-thin antiferromagnetic layer
Chen et al. Large-area freestanding Weyl semimetal WTe2 membranes
Ranjbar et al. Composition dependence of exchange anisotropy in PtxMn1− x/Co70Fe30 films
Singh et al. Magnetic and magnetotransport study of Si/Ni multilayers correlated with structural and microstructural properties
Suschke et al. Observation of multiple magnetic phases and complex nanostructures in Co implanted amorphous carbon films
Lyadov et al. Structure features of the nanocrystalline Ni films formed by ion sputtering technique
RU2710570C1 (ru) Способ создания двумерного ферромагнитного материала дисилицида гадолиния со структурой интеркалированных слоев силицена
Liu et al. The magnetic properties of cobalt films produced by glancing angle deposition
Zhou et al. Tunneling magnetoresistance (TMR) materials and devices for magnetic sensors
Qayoom et al. Modification of structural, topographical and magnetic properties induced by Ag ion irradiations in pure and divalent metal (Zn2+ and Co2+)-doped iron oxide thin films
Naganuma et al. Dependence of ferroelectric and magnetic properties on measuring temperatures for polycrystalline BiFeO 3 films
Fischer et al. Atomic structure governed diversity of exchange-driven spin helices in Fe nanoislands: Experiment and theory
Wang et al. Strain-controllable high Curie temperature and magnetic anisotropy energy in two-dimensional Fe2Si and Fe2Ge
Han et al. Magnetic and structural properties of AlN-Co-Fe thin films prepared by two-facing-target type DC sputtering (TFTS) system
Kochura et al. Synthesis and Investigation of Nanoscale Structured Magnetic Films