Второй этап
На основе проведенных экспериментальных исследований гетероструктур типа квантовая яма InGaAs с отдаленным нанослоем Mn и теоретических расчетов, выполненных при участии иностранного партнера:
а)Установлена природа взаимодействия КЯ InGaAs и отдаленного Mn δ – слоя.
б)Ферромагнетизм исследованных структур объясняется наличием двух вкладов в обменное взаимодействие. Один из вкладов соответствует обменному взаимодействию внутри магнитного слоя по аналогии с механизмом, описывающим ферромагнитное упорядочение в объемном разбавленном магнитном полупроводнике GaMnAs. Второй вклад соответствует резонансному косвенному обмену через двумерные дырочные состояния в КЯ.
в)Экспериментально обнаружена и объяснена немонотонная зависимость температуры Кюри от глубины КЯ.
г)Определено оптимальное значение концентрации марганца в магнитном слое равное 0.25 – 0.35 монослоя.
д)Определено оптимальное значение толщины спейсера равное 3 – 4 нм.
е)На основании анализа характера проводимости структур установлено, что исследуемые системы неоднородны, магнитный слой формирует сильный флуктуационный потенциал и состоит из ферроманитных областей, разделенных областями, в которых остутствует магнитное упорядочение. Крупномасштабный ферромагнетизм возникает в результате перколяционного магнитного перехода, а локальная температура Кюри рассматриваемых систем оказывается не ниже температуры жидкого 1 азота (78 К).
ж)Исследования аномального эффекта Холла показали, что он определяется, так называемым, собственным механизмом аномального эффекта Холла. Это первое наблюдение данного механизма в условиях прыжковой проводимости в двумерном случае.
и)Электронно-микроскопические исследования подтвердили, что структура данных систем соответствует предположенной на основании технологических данных, а также были выявлены наноструктурные свойства.
к)Проведенные исследования позволяют выработать рекомендации для получения гетероструктур типа КЯ InGaAs с отдаленным Mn δ – слоем с температурой ферромагнитного перехода, превышающей температуру жидкого азота и пригодных для использования в качестве материала для элементной базы будущей полупроводниковой спинтроники.Эти рекомендации сводятся к следующему:
1. Для получения структур использовать метод МЛЭ.
2. Создать нижний затворный электрод с применением литографии высокого разрешения.
3. Наносить на марганцесодержащий слой относительно толстый слой (3-5 монослоев) железа для реализации эффекта близости.
4. При изготовлении структур использовать определенные нами оптимальные параметры гетероструктуры: концентрация марганца 0.25 – 0.35 монослоя, толщина спейсера 3-4 нм.
5. Создавать структуры с ферромагнитными электродами.
На основе исследований магнитных и гальваномагнитных свойств и электронно-микроскопических исследований тонких пленок полупроводниковых сплавов GaSb (59 %) – MnSb (41 %).
а) Обнаружен ферромагнетизм при комнатной температуре, проявляющийся в магнитном гистерезисе, анизотропном магнетосопротивлении и аномальном эффекте Холла. При этом полупроводниковые свойства этих материалов заметно лучше, чем соответствующие характеристики широко исследуемых объемных разбавленных магнитных полупроводников, в частности, подвижность носителей заряда, дырок, (> 100 см 2 /В·с) более чем на порядок превышает ее значение в объемном GaMnAs.
б)Показано, что ферромагнетизм в системе GaSb (59 %) – MnSb (41 %) осуществляется обменом между магнитными гранулами через свободные дырки в полупроводниковой матрице образца. Этот обмен затруднен наличием барьера Шоттки, окружающего магнитные наногранулы, который препятствует взаимодействию дырок с магнитными наногранулами. Данная трудность преодолевается высокой концентрацией дырок p ~ 10 20 см -3 , при которой ширина барьера Шоттки близка к глубине проникновения волновой функции дырок в барьер.
На основе теоретических расчетов:
а) Проведен теоретический анализ результатов транспортных измерений, проанализированы экспериментальные результаты по аномальному эффект Холла (АЭХ) для нескольких образцов (гибридных гетероструктур), состоящих из квантовой ямы InGaAs и отдаленного δ - слоя марганца. Данная часть проекта выполнялась иностранным партнером.
б) с использованием функционала плотности (DFT) проведены расчёты электронной зонной структуры высшего силицида марганца (Mn4Si7 ) и моносилицида марганца (MnSi) с целью выявления взаимосвязи электронной структуры и магнитных характеристик этих материалов. Данная часть проекта выполнялась иностранным партнером.
в)С помощью теории резонансного косвенного обменного взаимодействия были проанализированы магнитные свойства гибридной гетероструктуры, состоящей из квантовой ямы InGaAs и отдаленного δ - слоя марганца. Экспериментально наблюдаемая немонотонная зависимость температуры Кюри от глубины квантовой ямы была объяснена наличием двух вкладов в ферромагнетизм. Один из вкладов соответствует обменному взаимодействию внутри магнитного слоя по аналогии с механизмом, описывающим ферромагнитное упорядочение в объемном разбавленном магнитном полупроводнике GaMnAs. Второй вклад - это резонансный косвенный обмен через двумерные дырочные состояния в квантовой яме. Данная часть проекта выполнялась при участии иностранного партнера.
В рамках сотрудничества, в марте-апреле 2015 года два сотрудника ФИАНа находились в течение месяца в командировке в Индии в лаборатории участника проекта профессора Мандара Дешмуха. Под его руководством сотрудниками ФИАНа были изготовлены образцы для проведения исследований, предусмотренных планом-графиком на третьем и четвертом этапах проекта.