Способ получения на подложке пленок с ферромагнитными кластерами MnGeO в матрице GeO

Изобретение относится к области технологических процессов, связанных с получением ферромагнитных фаз в диэлектрической матрице при низких температурах. Получаемая Mn₅Ge₃O_x фаза может быть использована в качестве элементов спинтроники.

Известен способ получения материала, содержащего оксид металла и ферромагнитный металл, который может применяться в спинтронике. В качестве оксида металла используют монооксид европия, а в качестве ферромагнитного металла - α-железо, при следующем соотношении компонентов, вес %: монооксид европия EuO - 75-85; железо α-Fe - 25-15 [патент RU 2291134 С2, МПК С04В 35/50, С30В 29/22, опубл. 10.01.2007].

Недостатками данного изобретения являются низкая температура Кюри (Тс) равная 300 K, невысокая намагниченность (M_s) порядка 280 emu/cm³, высокие поля насыщения (Н) 10 кЭ. Самый главный недостаток - высокая стоимость европия и его химическая активность.

Известен способ получения полупроводниковой, ферромагнитной гетероструктуры, функционирующей при комнатной и выше температурах, состоящей из ферромагнитной пленки Mn-Si, осаждаемой методом магнетронного распыления монокристаллического кремния на подложку [патент CN 1885493 А, МПК H01L 21/203; С23С 14/35, опубл. 27.12.2006].

Недостатком данной технологии является неоднородность интерфейса Mn/Si, а также низкая намагниченность насыщения, температура Кюри чуть выше комнатной. Кроме того, из-за химической активности кремния требуется сверхвысокий вакуум, предварительная очистка поверхности, и нет возможности изготовления таких структур на гибких подложках.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является ферромагнитная фаза Mn₅Ge₃, обладающая намагниченностью выше, чем магнитные фазы в системе Mn/Si [В.Г. Мягков, В.С. Жигалов, А.А. Мацынин и др. Фазовые превращения в системе Mn-Ge и в разбавленных полупроводниках Ge_xMn_1-x. - Письма в ЖЭТФ, 2012, том 96, вып. 1, с. 42-45]. Известно, что в данной системе можно получить фазу Новотного, которая обладает еще более высокой намагниченностью насыщения и температурой Кюри по сравнению с Mn₅Ge₃. Эту фазу можно получить легированием образца углеродом с последующим отжигом при температуре около 500°C, получая соединение Mn₅Ge₃C_x.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа получения Mn₅Ge₃O_x-GeO₂ диэлектрических пленок, обладающих ферромагнитными свойствами (высокой намагниченностью насыщения) при температурах выше комнатной.

Техническим результатом данного изобретения является способ получения на подложке пленок с ферромагнитными кластерами Mn₅Ge₃O_x в матрице GeO₂, в котором уменьшается количество технологических циклов и требования к вакууму, снижается температура образования Mn₅Ge₃O_x (фазы Новотного) до 300°C, достигаются высокие магнитные характеристики: M_s=600 emu/cm³, Тс=420 K.

Технический результат достигается тем, что способ получения на подложке диэлектрической пленки включает подготовку подложки, нанесение на нее слоя германийсодержащего вещества, нанесение слоя марганца и отжиг полученного двухслойного образца, новым является то, что в качестве германийсодержащего вещества на подложку термически наносят слой моноокиси германия, а перед нанесением слоя марганца осуществляют охлаждение подложки с нанесенным слоем моноокиси германия до комнатной температуры, при этом отжиг полученного образца выполняют при температуре 300°C.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известного тем, что в качестве диэлектрика на подложку наносят моноокись германия, после охлаждения подложки до комнатной температуры наносят слой марганца и отжигают образец при температуре 300°C.

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены при изучении других известных технических решений в данной области техники и, следовательно, обеспечивают ему соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена петля гистерезиса образца GeO/Mn после вакуумного отжига при 300°C.

Пример осуществления

В пленочном состоянии магнитный нанокомпозит Mn₅Ge₃O_x-GeO₂ получают в следующей технологической последовательности:

1. Подготовка подложки: стеклянную подложку или другой полимерный материал очищаем с помощью водных растворов и перекиси водорода, высушиваем в парах изопропилового спирта.

2. При высоком вакууме нагреваем подложки до температуры 250°C для обезгаживания и лучшей адгезии пленки с подложкой.

3. Осаждаем моноокись германия на подложку с помощью термического метода напыления. Расстояние между испарителем и подложкой составило 30 см, вакуум 10^-6 Torr, толщина напыляемого слоя 150 нм, она контролировалась с помощью кварцемера.

4. После остывания первого слоя моноокиси германия до комнатной температуры, чтобы избежать вторичных реакций, осаждаем слой марганца при комнатной температуре толщиной 15 нм, при тех же условиях, что и моноокись германия.

5. Далее полученные двухслойные образцы GeO/Mn подвергались вакуумному отжигу при температуре 300°C и длительностью 60 минут. Этого времени достаточно, чтобы полностью прошли последовательные твердофазные реакции (1) и (2):

Намагниченность насыщения M_s измерялась на вибрационном магнитометре и на крутильном магнетометре, температура Кюри Тс измерялась на SQUID-магнетометре MPMS-XL фирмы Quantum Design в магнитном поле до 5 кЭ. Идентификация образующихся фаз была проведена на дифрактометре ДРОН-4-07.

Полученные образцы являются диэлектриками и обладают следующими магнитными характеристиками: M_s=600 emu/cm³, Тс=420 K.

Благодаря невысокой температуре образования нанокомпозитных пленок Mn₅Ge₃O_x-GeO₂ данная технология может быть использована для нанесения их на различные подложки (включая гибкие), которые выдерживают температуру 300°C.

Получаемые нанокомпозитные Mn₅Ge₃O_x-GeO₂ пленки, содержащие ферромагнитные Mn₅Ge₃O_x нанокластеры, вложенные в непроводящую GeO₂ матрицу, могут быть использованы в современных элементах спинтроники и микроэлектроники. Это связанно с тем, что представленные материалы обладают одновременно полупроводниковыми (диэлектрическими) и магнитными свойствами. Данные материалы используются для разработки прототипов компьютерной памяти, процессоров и других элементов, построенных на совершенно новых принципах, отличных от принципов построения современной электроники, где единицей информации является не электрический заряд, а электрон (электроны) со строго определенным спином.