Рентгеновская диагностика

Рис. 33. Схематическое изображение экспериментальной гетероструктуры GaAs/MgO/Fe для двух- и трехточечных методов измерений.

Рис. 34. Вольтамперные характеристики образца с толщиной слоя MgO 5 нм при T=9 K.

Для получения статистических данных о структуре образца с толщиной барьерного слоя 2 нм проведена рентгеновская рефлектометрия по результатам которой так же рассчитано распределение диэлектрической проницаемости по толщине (рис. 35). Как можно видеть слои MgO и Fe куда более качественные чем у образца с предыдущей серии, граница раздела GaAs/MgO более резкая, но слой MgO имеет увеличенную плотность.

Рис. 35. Распределение действительной части диэлектрической проницаемости по глубине, восстановленное из данных рентгеновской рефлектометрии образца с толщиной слоя MgO 2 нм. Пунктирными линиями указаны значения для GaAs и MgO. На вставке изображение наноструктуры, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Области постоянной плотности, соответствующие материалам слоев, совпадают по глубине с данными просвечивающей электронной микроскопии. Следовательно, структура слоев оксида магния, наблюдаемая в электронном сохраняется в латеральном направлении на расстояниях порядка 1 см, соответствующих области засветки рентгеновским пучком при измерении кривой отражения. Таким образом, для создания прототипов транзисторов со спиновой инжекцией, по совокупности структурных и электрических характеристик, наиболее подходящими являются структуры с толщиной слоя оксида 2 нм, не подвергнутого отжигу.

5. Заключение

Проведена комплексная диагностика наноструктур на основе оксида магния, технологию получения которых планируется применять для изготовления прототипов спинтронных транзисторов. В работе представлены результаты рентгеновских исследований, а также их подтверждения методами атомно-силовой микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и электрическими измерениями.

- Установлено, что нанослои оксида магния при атмосферном воздействии более месяца деградируют до полного распада, продемонстрирована эффективность применения защитных металлических покрытий для обеспечения стабильности характеристик слоев оксида магния.

- Для образцов наноструктур с толщинами слоев оксида магния 2 и 2,5 нм произведено сопоставление результатов рентгеновской рефлектометрии и просвечивающей электронной микроскопии, получено хорошее согласование.

- Представлены результаты исследований влияния отжига, как на структуру образцов, так и на электрические характеристики, выявлено улучшение кристаллических свойств но ухудшение электрических, предположительно вследствие возникновения новых фаз на границах раздела.

- Результаты исследований рентгеновскими методами использованы для оптимизации технологии получения наноструктурированных туннельных барьеров МgO. Для слоев толщиной 5 нм обнаружено увеличение эффективности инжекции спин-поляризованных электронов из металла в полупроводник в 2 раза, нежели без использования слоя MgO.

Некоторые полученные результаты могут служить основой для дальнейших исследований спиновой инжекции.

Часть результатов работы доложены на Ежегодной научно-технической конференции им. Е.В. Арменского в 2015 году.

6. Список литературы

[1] O. van't Erve, A.T. Hanbicki, M. Holub et al. Spin injection, manipulation, and detection in lateral devices // SPIE Newsroom. - 2010. - Vol. 01.

[2] А.В. Огнев, А.С. Самардак. Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы // Вестник ДВО РАН. - 2006. - № 4. - C.70 - 80.

[3] X. Jiang, R. Wang, R. M. Shelby et al. Highly Spin-Polarized Room-Temperature Tunnel Injectorfor Semiconductor Spintronics using MgO(100) // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 94, N 5. - P. 056601-1 - 056601-4.

[4] Y. J. Park, M. C. Hickey, M. J. Van Veenhuizen et al. Efficient spin transfer phenomena in Fe/MgO/GaAs structure // J. Phys.: Condens. Matter - 2011. - Vol. 23, N 11. - P. 116002-1 - 116002-5.

[5] G. Schmidt, D. Ferrand, L. W. Molenkamp, A. T. Filip, and B. J. van Wees, Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, N 8. - P. R4790 - R4793.

[6] E.I. Rashba. Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, N 24. - P. R16267 - R16270.

[7] ERA.Net RUS SpinBarrier project web page. http://iap.physnet.uni-hamburg.de/group_w/?n=SpinBarrier.HomePage

[8] С.А. Никитин. Гигантское магнитосопротивление // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - № 2. - C. 92 - 98.

[9] А.В. Кудинов. Спинтроника и спиновая физика. Презентация. http://rpp.nashaucheba.ru/docs/index-84507.html

[10] B. Landgraf. Structural, magnetic and electrical investigation of Iron-based III/V-semiconductor hybrid structures: Dipl.-Phys. Thesis - Hamburg University, 2014 - 146 p.

[11] А.К. Звездин, В.А. Котов, Магнитооптика тонких плёнок. - М.: Наука, 1988. - 192 с.

[12] K.C. Kim, Y.G. Yoo, W.S. Cheong et al. // Phys. Stat. Sol. (a). - 2004. - Vol. 201, N 8. - P. 1871 - 1874.

[13] S. Wolski, T. Szczepanski, V. K. Dugaev et al. Spin and charge transport in double-junction Fe/MgO/GaAs/MgO/Fe heterostructures // J. Appl. Phys. - 2015. - Vol. 117, N 4. - P. 043908-1 - 043908-7.

[14] А.В. Виноградов, И.В. Кожевников. Отражение и рассеяние рентгеновского излучения от шероховатых поверхностей // Труды ФИАН. - 1989. - Т. 196. - С. 18 - 46.

[15] Б.С. Рощин. Строение поверхностей аморфных и монокристаллических материалов, отличающихся по типу химической связи, и нанесённых на них многослойных покрытий по данным рентгеновской рефлектометрии: Дис. канд. физ.-мат. наук. - Москва: ИК РАН, 2009. - 136 с.

[16] В.Е. Асадчиков, И.В. Кожевников, Ю.С. Кривоносов. Рентгеновские исследования поверхностных шероховатостей // Кристаллография. - 2003. - Т. 48, № 5. - С. 909 - 924.

[17] А.В. Виноградов, И.А. Брытов, А.Я. Грудский и др. // Зеркальная рентгеновская оптика. - Л.: Машиностроение, 1989. - 463 с.

[18] И.И. Самойленко. Интерпретация данных рентгеновской и нейтронной рефлетометрии тонких пленок с применением глобальной минимизации: Дис. канд. физ.-мат. наук. - Москва: ИК РАН, 1999. - 144 c.

[19] I.V. Kozhevnikov. Physical analysis of the inverse problem of X-ray reflectometry // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2003. - Vol. 508. - P. 519-541.

[20] В.Е. Асадчиков, И.В. Кожевников, Б.С. Рощин и др. // Мир измерений. - 2012. - № 7. - C. 22 - 28.

[21] ООО ИТЦ «Радикон». Научные приборы. http://radicon.spb.ru

[22] Ю.С. Кривоносов. Определение шероховатости подложек и тонких пленок по рассеянию рентгеновских лучей в условиях внешнего отражения: Дис. канд. физ.-мат. наук. - Москва: ИК РАН, 2003. - 126 с.

[23] Среда разработки LabVIEW. http://www.labview.ru

[24] Python programming language. https://www.python.org

[25] В.Е. Асадчиков, В.Г. Бабак, А.В. Бузмаков и др. Рентгеновский дифрактометр с подвижной системой излучатель-детектор // Приборы и техника эксперимента. - 2005. - № 2. - С. 1 - 9.

[26] Tango open-source community collaborating. http://www.tango-controls.org

[27] W.F. Brinkman, R.C. Dynes, J.M. Rowell. Tunneling Conductance of Asymmetrical Barriers // J. Appl. Phys. - 1970. - Vol. 41. - P. 1915-1921.

Размещено на Allbest.ru