авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Университет андроненко сергей иванович магнитное состояние примесных ионов и дефектов в магнитных полупроводниках и их диэлектрических аналогах

-- [ Страница 1 ] --

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АНДРОНЕНКО СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

МАГНИТНОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ ИОНОВ

И ДЕФЕКТОВ В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АНАЛОГАХ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Казань – 2013

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Научный консультант: д. ф.-м. н., профессор Кочелаев Борис Иванович
Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор, Институт металлургии, машиностроения и транспорта ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» (специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния) Немов Сергей Александрович
д.ф.-м.н., профессор, Институт электроэнергетики и электроники, ФГБОУ ВПО «Казанский энергетический университет» (специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния) Усачев Александр Евгеньевич
д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой физики твердого тела Института Физики ФГБОУ ВПО «Казанский федеральный университет» (специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния) Тагиров Ленар Равгатович
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра РАН (КФТИ КазНЦ РАН)

Защита состоится «31» октября 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании

диссертационного совета Д212.081.15 в Казанском (Приволжском) Федеральном Университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, Институт Физики.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского (Приволжского) Федерального Университета.

Автореферат разослан «___» _________________ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физ-мат. наук М.В. Еремин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время поиск новых материалов для спинтроники является важной задачей в физике конденсированного состояния. Как известно, проводимость магнитных полупроводников определяется не только переносом заряда, но и переносом спина. Проекция спина на выбранное направление квантуется, и носители тока разделяются на два типа: электроны (дырки) со спином вверх и электроны (дырки) со спином вниз. Спины можно ориентировать (поляризовать) в заданном направлении, включая внешнее магнитное поле либо управляя направлением спонтанной намагниченности в магнитоупорядоченных системах. Существуют различные способы получения поляризации спинов в магнитном полупроводнике, в частности, используя многослойные структуры ферромагнетик / проводник / ферромагнетик. Настоящая работа была направлена на поиск и исследование материалов, где ферромагнитное упорядочивание локализованных магнитных моментов парамагнитных ионов и носители заряда существуют в одном объеме. Критерии поиска таких материалов для спинтроники можно сформулировать следующим образом:



  1. Система должна иметь свойства мягкого ферромагнетика, с очень малой коэрцитивностью и достаточно высокой намагниченностью насыщения.
  2. Температура Кюри должна быть выше комнатной температуры.
  3. Система должна обладать достаточно высокой электронной либо дырочной проводимостью.
  4. Ширина запрещенной зоны и величина проводимости должны существенно меняться при изменении состава и степени легирования полупроводника.
  5. Необходима высокая степень спиновой поляризации носителей заряда.

Таким образом, из вышеизложенного ясно, что поиск новых объектов, обладающих необходимыми для спинтроники свойствами, является актуальной задачей. В рамках этой общей задачи есть и более специальная задача: поиск материалов для высокотемпературной спинтроники, с функциональной температурой в диапазоне 1500 – 2000 С. Нами впервые рассмотрены разбавленные магнитные полупроводники на основе оксидов переходных и редкоземельных элементов, а также высокотемпературные наногранулированные керамики. Наночастицы таких оксидов (и бескислородная керамика) обладают всеми необходимыми для спинтроники свойствами: имеют температуру Кюри значительно выше комнатной, достаточно высокую намагниченность насыщения, и обладают полупроводниковыми свойствами. Размеры частиц обуславливают существенные изменения их физических свойств. При переходе от монокристаллов, в которых поверхностные дефекты несущественны, к поликристаллам, в которых увеличивается роль поверхности гранул, физические свойства материала меняются. Следующий этап – это переход к наночастицам, в которых доля поверхностных областей, обогащенных различными дефектами структуры, становится определяющей. Отметим также, что ниже некоторого порога размерности, наночастицы становятся принципиально неупорядоченными системами. Т.о. встает вопрос, где начинаются качественные изменения в физических свойствах наночастиц в зависимости от их размера. Возникает также вопрос, насколько поверхностные области отделены от внутренних областей, сохраняющих в некоторой степени кристаллическую структуру. Следует разделять также наночастицы в виде порошка, тогда важным оказывается покрытие отдельных наночастиц (инкапсулирование), сохраняющее неизменным структуру поверхности наночастицы, и наночастицы в виде гранул керамики, где важным является межгранулярное заполнение, соединяющее отдельные гранулы. Существуют также практические вопросы, касающиеся параметров магнитных свойств рассматриваемых соединений, а именно: при каких условиях синтеза наночастиц (температура отжига, концентрация примесных магнитных ионов, тип инкапсулирования) можно получить наилучшие параметры (температура Кюри, намагниченность насыщения, степень поляризации). Решению этих вопросов в последнее десятилетие посвящены многочисленные исследования. На все эти вопросы, в принципе, можно ответить на основе изучения магнитных наночастиц методом электронного магнитного резонанса, дающего сведения о локальных магнитных свойствах наночастиц. Понятно, что в процессе исследования наночастиц методом ЭМР возникают задачи, связанные с интерпретацией спектров магнитного резонанса. В частности: можно ли детектировать сигналы ФМР от ферромагнитных частиц и насколько коррелируют спектры ФМР с данными статической намагниченности? Далее: возможно ли одновременное наблюдение сигналов ФМР и ЭПР от наночастиц оксидов и насколько сигналы ЭПР от локализованных магнитных моментов коррелируют с соответствующими спектрами, полученными для объемных монокристаллов оксидов? На все эти вопросы можно получить ответ, если исследовать рассматриваемые наночастицы оксидов систематически, варьируя условия синтеза, допирование, и контролируя размер наночастиц.

Возможности метода ЭПР/ФМР для диагностики таких магнитных полупроводников заключаются в том, что он позволяет разделить различные источники магнетизма и их характер (магнитно упорядоченные системы, суперпарамагнитные кластеры, локализованные моменты), положение в решетке, а также получить информацию о транспортных свойствах системы.

Автором изучены несколько классов соединений, удовлетворяющих вышеприведенным критериям, а именно:

а) Разбавленные магнитные полупроводники, являющиеся ферромагнетиками (только в наночастицах) при комнатной температуре: CeO2/ Ni, Co (структура флюорита), SnO2/ Fe, Cr, Co (структура рутила).

Двуокись олова (SnO2) весьма привлекательная система для широкого спектра практических приложений, являясь химически стабильным прозрачным оксидным полупроводником с широкой запрещенной зоной ~ 3.6 эВ. Было показано, что допирование Co и Fe индуцирует ферромагнетизм SnO2, что позволяет рассматривать SnO2 как ферромагнитный полупроводник при комнатной температуре. Поэтому этот материал перспективен для использования в спинтронных устройствах в качестве спиновых транзисторов, спиновых LED, высокоплотной энергонезависимой полупроводниковой памяти и оптических эмиттеров с поляризованным выходом, в которых как спин, так и заряд частиц играют важную роль. Обнаружено, что кислородные вакансии и замещение ионов являются важными причинами индуцирования ферромагнетизма в полупроводниковых оксидах, допированных ионами переходных металлов. Метод ЭПР дает сведения о положении примесных ионов в структуре наночастиц и процессах диффузии при отжиге. В результате удалось выбрать условия синтеза и отжига наночастиц, оптимальные для увеличения намагниченности насыщения.

б) Бескислородный материал SiCN, активированный ионами железа либо марганца, обладающий мягким ферромагнетизмом и прыжковой проводимостью, которая меняется в широком диапазоне в зависимости от температуры отжига (размеров гранул) и уровня допирования. Метод ЭПР/ФМР позволяет выбрать наиболее оптимальные режимы синтеза и отжига нанокерамики SiCN. Керамика SiCN, допированная магнитными ионами железа и марганца, предложена нами в качестве нового материала для высокотемпературной спинтроники.

в) Редкоземельные манганиты, проявляющие колоссальное магнетосопротивление, RExA1-xMnO3, сочетающие полупроводниковую проводимость и ферромагнетизм. Метод ЭПР/ФМР позволяет проследить связь магнитных свойств манганита и проводимости, а также выявить существование ферромагнитной нанофазы в парамагнитной области.

Во всех этих соединениях объемный ферромагнетизм можно объяснить на основе различных модификаций модели Зенера, а прыжковую проводимость на основе модели Мотта. Носители заряда в таких соединениях, как правило, участвуют как в формировании магнитного упорядочения, так и в процессах переноса заряда.

Такие соединения, как правило, являются многокомпонентными, и в них для достижения необходимых свойств, в частности, колоссального магнетосопротивления, необходимо как изовалентное замещение, так и неизовалентное замещение в катионной подрешетке.

г) В последние годы получили практическое использование сложные многокомпонентные оксидные соединения, свойства которых существенно изменяются вследствие структурного разупорядочения при изовалентном и неизовалентном замещении редкоземельных ионов и ионов переходных металлов, входящих в структуру этих соединений. В реальных соединениях, включая наночастицы, велика роль дефектов, в частности, кислородных дефектов и вакансий. Таким образом, изучение влияния структурного разупорядочения и различных дефектов структуры на электрические и магнитные свойства моно- поликристаллов представляет особый интерес. Электронный парамагнитный резонанс является эффективным инструментом для изучения таких соединений. В то же время различные механизмы уширения линий ЭПР накладывают определенные ограничения на выбор объектов для исследований методом ЭПР. Сигналы ЭПР могут не наблюдаться даже в парамагнитной фазе вследствие интенсивного уширения. Поэтому одной из задач данной работы являлось исследование механизмов уширения линий ЭПР в сложных многокомпонентных магнитных оксидах.

Цель диссертации

  1. Получение информации об упорядоченном или локализованном состояниях магнитных моментов методом ЭПР/ФМР в различных магнитных полупроводниках.
  2. На основании этой информации оптимизация условий синтеза, термической обработки и состава магнитных полупроводников с целью улучшения их параметров (в частности, увеличения намагниченности насыщения).
  3. Выяснение роли различных типов структурной разупорядоченности, которая практически всегда присутствует в сложных многокомпонентных оксидных соединениях, в формировании их магнитных свойств.
  4. Повышение информативности метода ЭПР при изучении наночастиц (применение сверхвысокочастотного ЭПР) для более глубокого понимания природы магнетизма сложных оксидов.

Наиболее существенные результаты полученные в работе





В результате выполнения данной работы доказано:

  1. Сосуществование ферромагнетизма и локализованных магнитных моментов примесных ионов в наночастицах SnO2, CeO2, допированных Co, Fe, Cr, Ni; Поверхностные области наночастиц обладают ферромагнетизмом, в то время как ядро наночастицы остается диамагнитным.
  2. Подавление ферромагнетизма выше некоторого порогового уровня допирования связано с миграцией магнитных ионов на положение внедрения.
  3. Увеличение намагниченности насыщения как SnO2/Fe, так и CeO2/Ni при отжиге связано с миграцией парамагнитных ионов на положение замещения. Уменьшение намагниченности при дальнейшем повышении температуры отжига связано с образованием антиферромагнитных кластеров.
  4. Впервые синтезированы нанокерамики SiCN/Fe и SiCN/Mn и методом ФМР обнаружены ферромагнитные включения с температурой Кюри TC = 393 K, 363 K, соответствующие структурной формуле Fe5Si3, Mn5Si3.
  5. В керамиках SiCN/Fe и SiCN/Mn, синтезированных при разных температурах, методом ЭПР наблюдаются трансформация различных магнитных фаз железа, от аморфного полимера к началу кристаллизации SiCN/Fe, кристаллизация и распад примесной фазы Fe5Si3, области относительной монофазности SiCN/Fe.
  6. Керамики SiCN/Fe, SiCN/Mn обладают мягким ферромагнетизмом с коэрцитивным полем меньше 1 мТл для образцов, синтезированных при 1200 – 1400° С, и соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для спинтроники по этому параметру.
  7. Показано, что ширина линии ЭПР ионов марганца пропорциональна величине прыжковой проводимости, рассмотренной в модели прыжков переменной длины в парамагнитной фазе манганитов (La0.33Sm0.67)0.67Sr0.33-xBaxMnO3.
  8. Обнаружены локализованные дырочные пары в системе Ba1-xKxBiO3 и структурное упорядочение ионов Ba, K в этой системе.

В работе построены модели:

а) структурного упорядочения при неизовалентном замещении в системах YCaAlO4 и LaCaAlO4;

б) структурного упорядочения ионов Ba/K в структуре Ba1-xKxBiO3;

в) уширения линий ЭПР при температурах, существенно меньших температуры фазового перехода металл-диэлектрик в VO2.

Достоверность полученных результатов

Экспериментальные результаты получены с использованием современной техники ЭПР в диапазоне частот от 9.5 до 250 ГГц. Анализ данных измерений основывался на квантово-статистической теории магнитного резонанса и магнитных свойств конденсированных сред. Достоверность результатов исследований магнитных характеристик методом ЭПР была подтверждена дополнительными исследованиями с использованием методов магнитометрии, комбинационного рассеяния света, рентгеновского рассеяния, ядерного магнитного резонанса.

Научная и практическая ценность работы

На основе данных ЭПР/ФМР выработаны и оптимизированы условия синтеза, допирования различных соединений с целью образования магнитных фаз и получения лучших параметров материалов для спинтроники (в частности, намагниченности насыщения). Изучено влияние их на: магнитные свойства (высокотемпературные керамики SiCN); на структуру и, как следствие, изменение магнетосопротивления, получение колоссального магнетосопротивления (РЗ манганиты, которые можно использовать в качестве элементов магнитной памяти, сенсоров); свойства разбавленных магнитных полупроводников на основе окислов переходных металлов (SnO2, CeO2 допированные Co, Fe, Cr, Ni); а также на свойства оксидных соединений, которые используются или представляют интерес в качестве материалов для создания твердотельных лазеров (EuAlO3, TmAlO3, YCaAlO4, LaCaAlO4), люминисцентных приборов (LaNbO4, YVO4, LuPO4), сенсоров различных типов (CeO2, SnO2, VO2), основы для микроэлектромеханических систем (SiCN) и новых супермягких высокотемпературных магнитных материалов (SiCN/Mn, SiCN/Fe). Исследованы природа фазовых переходов, причины уширения линий ЭПР, механизмы проводимости.

Данная работа получила поддержку в рамках проектов КФУ РНП-31 (2011 г., Необычные сверхпроводники, эффект близости и системы с сильными электронными корреляциями) и темы Бюджет 12-19 (2012-2014, Необычная сверхпроводимость, системы с сильными корреляциями и эффект близости)

Апробация работы

Результаты работы опубликованы в 29 статьях и докладывались на следующих конференциях: XXV Всесоюзное совещание по физике низких температур, Ленинград, 1988; XXIX Совещание по физике низких температур, Казань, 1992; VI Всесоюзное совещание “Высокотемпературная химия силикатов и оксидов”, 1988; VII Международная конференция “Высокотемпературная химия силикатов и оксидов”, Ленинград, 1998; X-th International Symposium on the Jahn-Teller Effect, Kishinev, 1989; Симпозиум, посвященный 80-ти летию С.А. Альтшулера, Казань, 1991; XII Всесоюзная школа-симпозиум по магнитному резонансу, Кунгур, 1991; VIII Всесоюзная конференция по росту кристаллов, Харьков, 1992; Научно-техническая конференция “Оксидные материалы. Элементы, устройства и применения”, С.-Петербург, 1992; IX Феофиловский симпозиум по спектроскопии кристаллов активированных ионами редкоземельных и переходных металлов, Ленинград, 1990; XI-th Feofilov symposium on spectroscopy of crystals activated by rare earth and transition metal ions, Kazan, 2001; XIV International Feofilov Symposium on Spectroscopy of Crystals Doped with Rare Earth and Transition Metal Ions, Kazan, 2010; XXVII th Congress AMPERE, Magnetic resonance and related phenomena, Kazan, 1994; 1-st Asia-Pacific EPR/ESR Symposium, Hong Kong, 1997; Международная научная конференция “Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов”, Казань, 1997; 38th 41th, 43th, and 46th Annual Rocky Mountain Conference on Analytical Chemistry, Denver, 1996, 1999, 2001, 2004; American Physics Society March meeting, Montreal, 2004; International Conference “Modern Development of magnetic resonance”, Kazan, 2004; International Conference Modern Developing of Magnetic Resonance Zavoisky100, Kazan, 2007; The 2005 International Conference on MEMS, NANO, and Smart Systems, Banff, 2005; The International Conference on Magnetism 2009, Karlsruhe, 2009; 50th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, San Jose, 2005; 10th Joint Intermag/51ndMMM Conference, Baltimore, 2007; 52nd MMM conference, Tampa, 2007; 53nd MMM conference, Austin, 2008; 11th Joint Intermag/54nd MMM conference, Washington, 2009; 55nd MMM conference, Atlanta, 2010; Fourth International Workshop, “Polymer Routes to Multifunctional Ceramics for Advanced Energy and Propulsion Applications”, Boulder, 2006; The Fifth International meeting on PDCs, Boulder, 2010; XXIV Конференция по химии координационных соединений (Чугаевские чтения), С.-Петербург, 2009; International Conference “Information and structure in nanoworld”, St.-Petersburg, 2009; International Conference “Resonances in condensed matter” devoted to centenary of S.A. Altshuler, Kazan, 2011; 8 и 9 зимняя молодежная школа-конференция “Магнитный резонанс и его приложения”, С.-Петербург, 2011, 2012; 9th meeting “NMR in Heterogeneous Systems”, St.-Petersburg, 2012.

На защиту выносятся следующие результаты работы:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.