Управление магнитными свойствами кремния с нанокластерами примесных атомов

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в области физики полупроводников одними из перспективных направлений является исследование и разработка способов управления магнитными свойствами полупроводниковых материалов и получение на их основе больших интегральных схем, элементов с магнитными свойствами, сенсоров с магнитными сопротивлениями, магнитных датчиков нового типа, фотомагнитных приборов, а также их совершенствованию. В этом аспекте создание и исследование магнитных нанокластеров в кристаллической решетке кремния, без существенного нарушения его кристаллической решетки и фазового состава, управление их магнитными свойствами является одним из важных задач наноэлектроники и промышленной электроники. На сегодняшний день в мире уделяется большое внимание созданию нанокластеров с магнитными свойствами в сплавах и гетероструктурах с помощью ионной имплантации, радиационного излучения эпитаксиального наращивания, а также химическими способами. В сфере реализации целевых научных исследований, в том числе научных изысканий, одним из важнейших задач являются: разработка способа получения магнитного наноструктурного материала за счет формирования магнитных нанокластеров атомов марганца в решетке кремния с помощью низкотемпературного поэтапного диффузионного легирования; определение структуры, размера и магнитного момента нанокластера, а также магнитной восприимчивости и намагниченности кремния, содержащего такие нанокластеры; управление магнитными свойствами кремния с магнитными нанокластерами в зависимости от их концентрации и электрофизических параметров в широким интервале температур при различных внешних воздействиях; определение ферромагнитного перехода кремния в низкотемпературной области. В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан особое внимание уделяется вопросам стимулирования научно-исследовательской и инновационной деятельности, созданию эффективных механизмов прикладного применения достижений научно-инновационной деятельности. В годы поддержки активного предпринимательства, инновационных идей и технологий, нацеленых на получение научных результатов, отвечающих современным требованиям, на научное развитие обращается особое внимание. В этом аспекте были созданы новые виды полупроводниковых приборов, датчиков освещения, давления и влажности, высоковольтные и частотные диоды, детекторы на основе новых методов образования наноструктур на поверхности полупроводниковых материалов, новые методы легирования кремния редкоземельными элементами (гадолиний, европий, гольмий и самарий), имеющими большую растворимость. Одной из актуальных проблем сегодняшнего дня является формирование нанокластеров с магнитными особенностями с управляемыми электрофизическими параметрами по всему объему материала и за счет их управление магнитными свойствами материалов. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указе Президента: № УП-4947 «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» от 7 февраля 2017 года и в Постановлениях Президента № ПП-2772 «О мерах по дальнейшему совершенствованию управления, ускоренному развитию и диверсификации электротехнической промышленности на 2017 - 2021 гг.» от 13 февраля 2017 года и № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является управление магнитными свойствами кремния с магнитными нанокластерами в зависимости от их концентрации и электрических параметров в широким интервале температур при различных внешних воздействиях. Научная новизна исследования заключается в следующем: оптимитизирован низкотемпературный поэтапный способ диффузионной техологии, позволяющий формировать нанокластеры атомов марганца с магнитными свойствами по всему объему решетки кремния с управляемыми распределением и параметрами; предложен способ повышения термостабильности параметров кремния, легированного атомами марганца при высоких температурах за счет формирования нанокластеров атомов марганца; установлено высокое отрицательное магнитосопротивление в кремнии при комнатной температуре за счет увеличения концентрации магнитных нанокластеров атомов марганца до 1015см , определено линейное увеличение отрицательного магнитосопротивления в кремнии с магнитными нанокластерами атомов марганца с ростом индукции магнитного поля; определен эффект погашения отрицательного магнитосопротивления до 100- кратного значения за счет уменьшения кратности зарядового состояния нанокластеров, имеющей мощный магнитный момент и заряд при воздействии интегрального и инфракрасного освещения. определен переход в ферромагнитное состояние кремния при низких температурах 30 К за счет упорядочения ориентации спинов магнитных нанокластеров (Мп)4, обладающих магнитным моментом; произведен расчет магнитного момента нанокластеров атомов марганца с использованием значения намагниченности кремния (Хмп), определенного из экспериментальных результатов в области низких температур (Г=10 К); определено линейное уменьшение намагниченности кремния с повышением температуры за счет разупорядочения спинов нанокластеров с повышением (кТ) энергии; показана возможность управления величиной отрицательного магнитосопротивления до 6 раз при 240 К в широкой области напряженного электрического 0,1 600 В/см и магнитного 0,2 - 2 Тл полей. Заключение На основе проведенных исследований управления магнитными свойствами кремния с магнитными нанокластерами в зависимости от их концентрации и электрических параметров в широком интервале температур, при различных внешних воздействиях сделаны следующие выводы: 1. Определен оптимальный способ получения кремния с магнитными нанокластерами, как материала наноэлектроники и спинтроники с наноразмерными структурами, обладающего новыми уникальными физическими свойствами. 2. Установлены размеры магнитных нанокластеров атомов марганца в кристаллической решетке кремния и показана возможность изменения этих размеров от 0,7 нм до 1,4 нм. 3. В кремнии с магнитными нанокластерами атомов марганца, при концентрации нанокластеров 1015 см'3 и при комнатной температуре обнаружено высокое отрицательное магнитосопротивление 300 %. 4. Показана возможность управления величиной отрицательного магнитосопротивления до 100 раз с изменением интенсивности интегрального света (0^20 Лк). 5. Установлена зависимость отрицательного магнитосопротивления от длины волны инфракрасного света, температуры и напряжённости электрического поля. 6. Обнаружено ферромагнитное состояние в кремнии с концентрацией нанокластеров марганца более 2-1014 см'3 в области низких температур (Г<30 К). 7. Определены области существования отрицательного магнитосопротивления в зависимости от положения уровня Ферми в пределах 12СН370 К температур. 8. Предложен физический механизм эффекта высокотемпературного отрицательного магнитосопротивления в кремнии с магнитными нанокластерами, обусловленный участием в проводимости локализованных носителей заряда при воздействии внешнего электрического и магнитного полей. 9. Обнаружено максимальное значение отрицательного магнитосопротивления 35 % в перекомпенсированном кремнии п- типа, легированного марганцем Si<B,Mn> в области 120^-190 К температур. 10. На основе кремния с магнитными нанокластерами атомов марганца Показана возможность создания высокочувствительных магнитных, фотомагнитных, температурных и многофункциональных датчиков, работающих в интервале температур от 200 до 360 К.