Спинтронный композиционный материал

Изобретение относится к материалам спиновой электроники - спинтронике, способным служить источниками спинов - спиновыми инжекторами при комнатных и выше температурах в гетероструктурах ФП/П, где ФП - ферромагнитный полупроводниковый материал или ферромагнитный композит, П - немагнитный полупроводник или спиновый приемник. Техническим результатом изобретения является создание спинтронного композиционного материала, обладающего высокими значениями ферромагнитного момента насыщения и полупроводниковой проводимости, при этом получаемого в объемном виде. Указанный технический результат достигается тем, что спинтронный композиционный материал содержит оксид металла и ферромагнитный металл, в качестве оксида металла он содержит монооксид европия, а в качестве ферромагнитного металла - α-железо при следующем соотношении компонентов, вес.%: монооксид европия EuO - 75-85; железо α-Fe - 25-15. 2 ил.

 

Изобретение относится к материалам спиновой электроники (спинтронике), способным служить источниками спинов (спиновыми инжекторами) при комнатных и выше температурах в гетероструктурах ФП/П, где ФП - ферромагнитный полупроводниковый материал (или ферромагнитный композит), П - немагнитный полупроводник (спиновый приемник).

Известен спинтронный композиционный материал на основе твердого раствора, содержащий диоксид титана и кобальт и имеющий состав Т1о,92Соо,о80з. Известный материал получают в виде пленки магнетронным распылением сплавной металлической мишени Ti_0,92 в аргонно-кислородной атмосфере (Л.А.Балагуров, С.О.Климонский, С.П.Кобелева, и др. Письма в ЖЭТФ, 79 (2), 111 (2004).

Известный пленочный материал является ферромагнитным и полупроводниковым при комнатных температурах, однако, степень его намагниченности насыщения много меньше, чем в металлическом кобальте. Следствием этого является пониженная в сравнении с металлом степень спиновой поляризации носителей заряда в таком материале.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является композиционный материал, содержащий в качестве оксида металла - монооксид европия (EuO), в качестве ферромагнитного металла - α-железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: α-Fe - 0.1-30, EuO - остальное (GB 128519, кл. H 01 F 10/02, опубл. 13.09.1972). Недостатком указанного материала является то, что он обладает металлической проводимостью и не может быть получен в объемном (компактном) виде.

Таким образом, перед авторами стояла задача создания спинтронного композиционного материала, обладающего высокими значениями ферромагнитного момента насыщения и полупроводниковой проводимости, вследствие чего способного являться спиновым инжектором при комнатных температурах, при этом получаемого в объемном (компактном) виде.

Поставленная задача решена в предлагаемом спинтронном композиционном материале, получаемом в объемном виде и содержащим монооксид европия с диспергированными в него микрочастицами железа α-Fe при следующем соотношении компонентов (вес.%):

монооксид европия EuO - 75-85;

железо α-Fe - 25-15.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен спинтронный композиционный материал, содержащий монооксид европия и железо в предлагаемом интервале значений содержания компонентов.

Предлагаемый композиционный материал обладает при комнатной температуре полупроводниковой проводимостью на уровне 0,1-1 (Ом·см)^-1 при концентрации носителей тока на уровне 10¹⁷-10¹⁸ см^-3 и сохраняет ферромагнитные свойства, присущие металлическому железу, на уровне его долевого содержания в композите. Указанные свойства обеспечиваются как качественным, так и количественным содержанием компонентов материала, и могут быть получены только в заявляемых пределах содержания компонентов. Так, при содержании монооксида европия более 85 мас.%, а железа - менее 15 мас.% материал обладает достаточно высокой намагниченностью насыщения, но при этом имеет низкую температуру Кюри, вследствие чего при комнатных температурах такой материал становится парамагнитным и не способен служить спиновым инжектором спинтронных структур. При содержании монооксида европия - менее 75 мас.%, а железа - более 25 мас.% значительно повышается электропроводность материала и снижается степень спиновой поляризации носителей заряда в нем, что также припятствует использованию его в качестве спинового инжектора спинтронных структур.

Предлагаемый материал может быть получен путем восстановления высших оксидов железа и европия углеродом. Количественный расчет исходного состава шихты для получения продукта предлагаемого массового содержания оксидной и металлической фазы проводят с учетом основной реакции

Fe₂О₃+Eu₂О₃+С→2Fe+2EuO+СО↑.

Порошки исходных оксидов Fe₂О₃ и Eu₂О₃ и углерод, например, в виде сажи, компактируют, помещают в вакуумную печь и нагревают при температуре 1300-1350°С и вакууме 10^-5-10^-6 Па в течение 3 часов. Полученный спеченный материал в виде штабика подвергают химическому и рентгенофазовому анализам.

Композиционный спинтронный материал представляет собой монооксид европия с диспергированными в него микрочастицами железа и имеет состав (мас.%): монооксид европия EuO - 75-85; железо α-Fe - 15-25.

Экспериментальные кривые магнитных характеристик предлагаемого спинтронного материала приведены на фиг.1 и 2, которые показывают полевую и температурную зависимости ферромагнитного момента насыщения (намагниченность) материала. Магнитные характеристики предлагаемого материала позволяют сделать вывод о возможности его использования в качестве спинового инжектора спинтронных структур.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Для приготовления исходной смеси берут 1,00 г порошка оксида железа Fe₂О₃; 2,20 г порошка оксида европия Eu₂O₃ и смешивают с 0,30 г ацетиленовой сажи. Исходную смесь тщательно перемешивают, компактируют, помещают в вакуумную печь и нагревают при температуре 1300°С при остаточном давлении 10^-5 Па в течение 3 часов. Получают готовый спеченный продукт в виде штабика. По данным химического и рентгенофазового анализов получают материал состава (мас.%): монооксид европия EuO - 75; железо α-Fe - 25, который обладает следующими магнитными характеристиками: ферромагнитным моментом насыщения при Т=300 К и при Т=2 К, соответственно, которые позволяют использовать его в качестве спинового инжектора спинтронных структур.

Пример 2. Для приготовления исходной смеси берут 1,00 г порошка оксида железа Fe₂O₃; 4,18 г порошка оксида европия Eu₂О₃ и смешивают с 0,37 г ацетиленовой сажи. Исходную смесь тщательно перемешивают, компактируют, помещают в вакуумную печь и нагревают при температуре 1350°С при остаточном давлении 10^-6 Па в течение 3 часов. Получают готовый спеченный продукт в виде штабика. По данным химического и рентгенофазового анализов получают материал состава (мас.%): монооксид европия EuO - 85; железо α-Fe - 15, который обладает следующими магнитными характеристиками: ферромагнитным моментом насыщения при Т=300 К и при Т=2 К, соответственно, которые позволяют ипользовать его в качестве спинового инжектора спинтронных структур.

Таким образом, предлагаемый спинтронный композиционный материал, обладая высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах, позволяет использовать его в качестве спинового инжектора спинтронных структур.

Предлагаемое изобретение выполнено в рамках гранда Министерства образования РФ Е02.3-46.

Спинтронный композиционный материал, получаемый в объемном виде и содержащий монооксид европия с диспергированными в него микрочастицами железа α-Fe при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Монооксид европия EuO 75-85

Железо α-Fe 25-15