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. 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
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
(Ga,Fe)N (Ga,Mn)N (Ga,Mn)N same conditions dilute
(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 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
Magnetization [emu/cm 3 ] Wyniki Informacja magnetyczna: identyfikacja 3-ch podstawowych wkładów do namagnesowania 2 1 T = 1.85K 0.6 0.4 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 -2-10 0 10 20 30 40 50 Magnetic field [koe] 0.2 T C 430K 0.0 0 100 200 300 400 500 600 Temperature [K] A. Navarro-Quezada,..., MS, Phys. Rev. B 81, 205206 (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.
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 0,35 3+3+ ++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 0,15 0.1 0,10 0,05 0,00 0.0 0 0 rogress 2 4 50 6 8 10 12 14 100 150 Growth rate TMGa [sccm] Cp2Fe [sccm] szybkość epitaksji 16 18 200 20 A. Bonanni, MS, et al., PRL 08 6 No precipitations!! II Spotkanie Realizatorów Projektu
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!! 0.6 0.4 0.2 N. GONZALES SZWACKI, TD, PHYS. REV. B 83, 184417 (2011) 0.0-0.2-0.4 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
(Ga,Mn)N
(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
Mg p-type doping Formation of Mn Mg k cation complexes + (Ga,Mn)N (Ga,Mg)N Ab initio simulations
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
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+ )
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
(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 2 K 5 K 15 K T 300 K 4 20 5 nm 10 M. Sawicki Innowacyjne et al. [Warsaw] technologie arxiv:1201.5268 wielofunkcyjnych materiałów 0 0 10 20 30 40 50 60 H (koe) 65% Co paramagnetic cations 35% in n=750 at. clusters of O = 2.5 nm /
(Zn,Co)O F328: d = 60 nm
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