Samoorganizujące się nanokompozyty na bazie metali przejściowych w GaN i ZnO

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Samoorganizujące się nanokompozyty na bazie metali przejściowych w GaN i ZnO"

Renata Rogowska
8 lat temu
Przeglądów:

1 Samoorganizujące się nanokompozyty na bazie metali przejściowych w GaN i ZnO M. Sawicki, S. Dobkowska, W. Stefanowicz, D. Sztenkiel, T. Dietl Instytut Fizyki PAN, Warszawa Pakiet zadaniowy: PZ2. Lider: ITE Partnerzy: IF PAN, PW, PŁ, PŚl Czas trwania: M1 M60

Z2.3 Cele Opracowanie metod otrzymywania cienkich warstw półprzewodników i tlenków o właściwościach magnetycznych przeznaczonych dla metalizacji przyrządów spintronicznych.

2 Z2.3 Cele Opracowanie metod otrzymywania cienkich warstw półprzewodników i tlenków o właściwościach magnetycznych przeznaczonych dla metalizacji przyrządów spintronicznych. Wykorzystanie samoorganizujących się nanokompozytów metal-półprzewodnik do metalizacji GaN i ZnO IF PAN: Zespół Fizyki Zjawisk Spinowych prof. dr hab. Tomasz Dietl - kierownik zespołu doc. dr hab. Maciej Sawicki eksperyment dr Dariusz Sztenkiel modelowanie/teoria dr Wiktor Stefanowicz charakteryzacja magnetyczna mgr Sylwia Dobkowska charakteryzacja magnetyczna Współpraca: Linz, Brema

Wykorzystanie samoorganizujących się nanokompozytów metal-półprzewodnik do metalizacji GaN i ZnO IF PAN: Zespół Fizyki Zjawisk Spinowych

3 Z2.3 Metalizacje z DMS i DMOs Idea: Wykorzystanie wkładu powłok d metali przejściowych do wiązań chemicznych agregacja jonów magnetycznych. Separacja faz w nano-skali dekompozycja krystalograficzna chemiczna separacja faz Delokalizacja elektronów d metaliczny charakter wydzieleń obecności silnych sprzężeń wymiennych Charakteryzacja magnetyczna

Separacja faz w nano-skali dekompozycja krystalograficzna chemiczna separacja faz

4 (Ga,Fe)N (Ga,Mn)N (Ga,Mn)N same conditions dilute

5 (Ga,Fe)N

Diluted paramagnetic behaviour of F 3+ e ions Chemical decomposition nano-scale chemical phase separation: -Regions with high magnetic ions concentration - novel magnetic phases stabilized

6 Diluted paramagnetic behaviour of F 3+ e ions Chemical decomposition nano-scale chemical phase separation: -Regions with high magnetic ions concentration - novel magnetic phases stabilized Crystallographic decomposition of known ferromagnetic, ferrimagnetic or antiferromagnetic compounds in semiconductor matrix A. Bonanni, MS, et al. PRL 08 Sterowanie procesem agregacji: 1) Szybkość wzrostu 2) Temperatura procesu 3) Ko-domieszkowanie płytkimi domieszkami

of known ferromagnetic, ferrimagnetic or antiferromagnetic compounds in semiconductor matrix A. Bonanni, MS, et al.

Magnetization [emu/cm 3 ] Wyniki Informacja magnetyczna: identyfikacja 3-ch podstawowych wkładów do namagnesowania 2 1 T = 1.85K 0.6 0.

7 Magnetization [emu/cm 3 ] Wyniki Informacja magnetyczna: identyfikacja 3-ch podstawowych wkładów do namagnesowania 2 1 T = 1.85K T Gr =950 C Measured values Brillouin function Guide for eye M Sat N [emu/cm3 ] 0-1 T Gr = 950 C T Gr = 950 o C Magnetic field [koe] 0.2 T C 430K Temperature [K] A. Navarro-Quezada,..., MS, Phys. Rev. B 81, (2010) (i) (ii) paramagnetyczny jonów Fe 3+ (podstawieniowe za Ga), podobny do superparamagnetycznego (pochodzący od ferromagnetycznych nanokryształów Fe i Fe x N), (iii) liniowy w polu magnetycznym pochodzący od nie-ferromagnetycznie uporządkowanych nanokryształów Fe x N o dużym stopniu rozcieńczenia żelaza (typu Fe 2 N) i -Fe.

0 0 100 200 300 400 500 600 Temperature [K] A. Navarro-Quezada,..., MS, Phys. Rev.

8 magnetycznych Wyniki Importance of co-doping Theory: TD, Nature Mat 06 y towards developing high TC Theory: T.Dietl, Nature Mat 06 miconductors (Ga,Fe)N:Si GaN:Fe ing TMGa = 5 sccm GaN:Fe GaN:Fe:Si SiH4=15 sccm 0, nn nferro /(n/(n ) nferro Ferro FeFe ) Ferro (Ga,Fe)N:Mg GaN:Fe:Mg T = 5K 0.3 0,40 00 Theory: T. Dietl, Nature Mat 06 0,30 płytkie domieszki Cp2Fe = 300 sccm Si 0.2 0,25 T = 5K 0,20 0, ,10 0,05 0, rogress Growth rate TMGa [sccm] Cp2Fe [sccm] szybkość epitaksji A. Bonanni, MS, et al., PRL 08 6 No precipitations!! II Spotkanie Realizatorów Projektu

(Ga,Fe)N:Mg GaN:Fe:Mg T = 5K 0.3 0,40 00 Theory: T. Dietl, Nature Mat 06 0,30 płytkie domieszki Cp2Fe = 300 sccm Si 0.2 0,25 T = 5K 0,20 0,15 0.

9 Pairing energy (ev) Wyniki ab initio pairing energy calculations: (Ga,Fe)N surface vs bulk 1) Bez Mg/Si Fe agreguje 2) Sąsiadując z Mg/Si atomy FE unikają się 3) Efekt tylko na powierzchni!! N. GONZALES SZWACKI, TD, PHYS. REV. B 83, (2011) Surface Bulk Fe+Fe Fe 2 +Mg FeMg+Mg FeMg 2 +Fe Fe+Mg FeMg+Fe Fe 2 Mg+Mg Very important finding underlying the importance of the growth mode

2 N. GONZALES SZWACKI, TD, PHYS. REV. B 83, 184417 (2011) 0.0-0.2-0.

11 (Ga,Mn)N

12 (Ga,Fe)N x 1% T C > 400 K (Ga,Mn)N x 3% T C 1 K (Ga,Mn)N same conditions dilute A. Bonanni, MS et al. [Linz, Warsaw] PRL 08 A. Bonanni, MS et al. [Linz, Warsaw] PRB 11

13 Mg p-type doping Formation of Mn Mg k cation complexes + (Ga,Mn)N (Ga,Mg)N Ab initio simulations

14 Experimental proof extended X ray absorption fine structure (ESRF BM08) Up to Mg/Mn = 3, all Mg bind to Mn in Mn Mg k cation complexes Mn K-edge EXAFS measurements: local structure around Mn number of atoms in a coordination shell nature of the surrounding atoms distance with the surrounding atoms

EXAFS measurements: local structure around Mn number of atoms in a

15 0.4%Mn 0.4%Mn Annihilation of the in plane/out of plane magnetic anisotropy for complexes Due to the distortion of the Mn N 4 thetrahedron Anisotropy proportional to n(mn 3+ )

16 Optical properties of Mn-Mg k cations complexes Photonics: GaN-based Infrared Lasers? Mg/Mn Broad and intense infrared photoluminescence PL induced by Mn 5+ in Mn-Mg 3 cations complexes

17 (Ga,Mn)N x 10% Rozcieńczony izolator ferromagnetyczny Zastosowanie: Filtr spinowy = 300 x szybsza elektronika

M (emu/cm 3 ) ALD at 200 o C (Zn,Co)O 3 1 2 60 50 40 30 F307, T g = 200 o C

18 M (emu/cm 3 ) ALD at 200 o C (Zn,Co)O F307, T g = 200 o C 2 K 5 K 15 K T 300 K nm 10 M. Sawicki Innowacyjne et al. [Warsaw] technologie arxiv: wielofunkcyjnych materiałów H (koe) 65% Co paramagnetic cations 35% in n=750 at. clusters of O = 2.5 nm /

19 (Zn,Co)O F328: d = 60 nm

20 Wnioski Technologiczna kontrola procesu agregacji Fe w GaN Temperaturą wzrostu Szybkością wzrostu Ko-domieszkowaniem i Co w ZnO Zrozumienie mikroskopowe procesu agregacji Nowe właściwości - > zastosowania Laser podczerwony Elektronika spinowa

Co w ZnO Zrozumienie mikroskopowe procesu agregacji Nowe

Podobne dokumenty

Z.R. Żytkiewicz IF PAN I Konferencja. InTechFun

Z.R. Żytkiewicz IF PAN I Konferencja Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych InTechFun 9 kwietnia 2010 r., Warszawa