Ферромагнитный полупроводниковый материал

Изобретение относится к области материалов полупроводниковой электроники и может быть использовано для создания элементов спинтронных устройств, сочетающих источник и приемник поляризованных спинов носителей заряда в тройной гетероструктуре ферромагнитный полупроводник/немагнитный полупроводник/ферромагнитный полупроводник. Техническим результатом изобретения является создание ферромагнитного полупроводникового материала, обладающего высокой намагниченностью при комнатной и выше температурах в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнитный полупроводниковый материал представляет собой ферромагнитную пленку полупроводникового диоксида титана, легированного ванадием в количестве от 3 до 5 % ат. по отношению к титану, имеющую кристаллическую структуру анатаза и выращенную на диэлектрической подложке. Пленка легированного диоксида титана дополнительно имплантирована при комнатной температуре ионами кобальта с дозой (1.3-1.6)·1017 см-2 и сохраняет при температурах не менее 300 К в отсутствие внешнего магнитного поля остаточную намагниченность не менее 70% от величины намагниченности насыщения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к области материалов полупроводниковой спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов соответствующих спинтронных приборов.

К настоящему времени в мире разработаны теоретические основы спиновой электроники и конкретные конструкции разнообразных спиновых магнитоэлектронных приборов, таких как спиновые полевые транзисторы, спиновые резонансные и светодиоды, спиновые вентили и т.д., а также перспективных элементов памяти с высокой компактностью и быстродействием, и низким энергопотреблением. Данное направление в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных для создания нового поколения приборов для хранения, передачи и обработки информации. Создание указанных материалов и приборов на их основе позволит реализовать огромные возможности полупроводниковой спиновой электроники.

Основным препятствием на пути создания спинтронных приборов в настоящее время является отсутствие полупроводниковых материалов, обладающих высокой намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля для работы при комнатной и выше температурах. Задачей настоящего изобретения является создание такого материала на основе диоксида титана, легированного ванадием, что обеспечивает собственное ферромагнитное упорядочение в полупроводнике с высокой намагниченностью насыщения при комнатной температуре, в сочетании с дополнительной имплантацией ионов кобальта в материал, позволяющей сохранить намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля на уровне не менее 70% от намагниченности насыщения.

Известна полупроводниковая структура, ферромагнитная при комнатной и выше температурах, состоящая из ферромагнитной пленки Mn-Si, осаждаемой методом магнетронного распыления на подложке монокристаллического кремния (Патент CN 1885493 А, МПК: H01L 21/203; С23С 14/35; С23С 14/58; H01L 21/324).

Известен также способ получения такой структуры на основе ферромагнитного полупроводника Si-Mn путем имплантации ионов марганца в кремниевые пластины (M.Bolduc et al., Phys.Rev.B, v.71, p.033302, 2005; А.Ф.Орлов и др. ЖЭТФ, т.136, с.703, 2009).

Недостатком указанных структур является низкая намагниченность насыщения получаемого материала и дополнительное резкое ее уменьшение при снятии внешнего магнитного поля.

Известен способ получения ферромагнитной при комнатной температуре пленки на основе диоксида титана, легированной хромом (Патент CN 101211764 А от 02.07.2008, МПК H01L 21/203; H01L 21/02). Известен также способ получения ферромагнитной при комнатной температуре диэлектрической пленки на основе диоксида титана, легированной ванадием в количестве 5% ат. (N.H. Hong et al., Phys.Rev. В, v. 70, p.195204, 2004).

Недостатком указанных материалов является низкая намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения ферромагнитного при комнатной температуре полупроводникового материала путем имплантации ионов кобальта в пластины диоксида титана (Патент RU 2361320 С1, МПК: H01L 21/425).

Недостатками полученного таким способом материала является отсутствие в нем собственного ферромагнитного упорядочения. Намагниченность материала создается при этом введением в материал кластеров ферромагнитного кобальта.

Предлагаемое изобретение отличается от известных следующими элементами:

- в качестве основы предлагается использование эпитаксиальной пленки или пластины полупроводникового в широких пределах проводимости легированного диоксида титана в модификации анатаза, проявляющего собственное ферромагнитное упорядочение при комнатной и выше температурах с высокой величиной намагниченности насыщения; при этом легирование диоксида титана выполняется ванадием при концентрации от 3 до 5% ат. по отношению к титану,

- дополнительно выполняется имплантация указанного ферромагнитного материала ионами кобальта при комнатной температуре с дозами (1.3-1.6)·1017 см-2.

Отличительные признаки обеспечивают необходимые электрические и магнитные характеристики указанного материала.

Задачей настоящего изобретения является создание ферромагнитного полупроводникового материала, обладающего высокой намагниченностью при комнатной и выше температурах в отсутствие внешнего магнитного поля.

Технический результат заключается в получении материала на основе диоксида титана, легированного ванадием, что обеспечивает собственное ферромагнитное упорядочение в полупроводнике с высокой намагниченностью насыщения при комнатной температуре, в сочетании с дополнительной имплантацией ионов кобальта в материал, позволяющей сохранить намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля на уровне не менее 70% от намагниченности насыщения.

Поставленная задача решается тем, что ферромагнитный полупроводниковый материал представляет собой ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку на диэлектрической подложке или пластину легированного ванадием полупроводникового диоксида титана, дополнительно имплантированного ионами кобальта; согласно изобретению пленка или пластина диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 5% ат. по отношению к титану, дополнительно имплантирована ионами кобальта от 0,1 до 5% ат. при комнатной температуре с дозой (1.3-1.6)·1017 см-2 и имеет кристаллическую структуру анатаза и удельное электрическое сопротивление в широком диапазоне от 10-1 до 103 Ом·см.

Изобретение поясняется чертежами, демонстрирующими достижение заявляемым ферромагнитным полупроводниковым материалом (Примеры 1-3) указанного свойства, а именно: на фиг.1 представлена петля магнитного гистерезиса пленки TiO2:5% V, имплантированной ионами Со с дозой 1.5·1017 см-2 при комнатной температуре, коэрцитивное поле Hc=80 Э, остаточная намагниченность Mr=75% (результаты Примера 1); на фиг.2 - кривая магнитного гистерезиса пластины TiO2:5% V, имплантированной ионами Co с дозой 1·1017 см-2 при комнатной температуре, Hc=350 Э, Mr=55% (Пример 2); на фиг.3 - кривая магнитного гистерезиса пластины ТiO2: 5% V, имплантированной ионами Со с дозой 1.5·1017 см-2 при комнатной температуре, Нс=490 Э, Mr=89% (Пример 3).

Заявляемые составы легированного полупроводника на основе диоксида титана при его дополнительной имплантации ионами кобальта обеспечивают сохранение высокой остаточной намагниченности материала при температурах выше комнатной и изменение его удельного электрического сопротивления в широком диапазоне.

Обоснование заявленных параметров материала:

- для получения пленок ферромагнитного полупроводника используется металлическая мишень состава VxTi100-x, где 3≤x≤5% ат. Такая же величина легирования ванадием используется при выращивании кристаллов VxTi100-xО2-δ. Диапазон концентраций легирования обусловлен тем, что при содержании ванадия менее 3% ат. наблюдаются низкие значения намагниченности насыщения, а при содержании ванадия более 5% не гарантируется однофазный состав материала;

- процесс высокочастотного магнетронного распыления мишени для получения пленок диоксида титана проводится в смеси кислорода с аргоном с соотношением компонентов в диапазоне 1/150 - 1/200 при давлении в камере 10-2 Торр. При больших концентрациях кислорода в смеси получаемые пленки являются диэлектриком, а при меньших имеют металлическую проводимость;

- в качестве подложки при выращивании пленок используют монокристаллический алюминат лантана LaAlO3, что обеспечивает получение кристаллической модификации анатаза материала;

- при дозах имплантации ионов кобальта менее 1.3·1017 см-2 не обеспечивается высокая остаточная намагниченность материала, а при дозах выше 1.6·1017 см-2 наблюдается сильное распыление материала ферромагнитного полупроводника.

Параметры получаемых ферромагнитных полупроводников контролировались методом рентгеноструктурного анализа, локального рентгеноспектрального анализа (состав), методом фотоэлектронной спектроскопии (химическое состояние примеси ванадия), измерением удельного электросопротивления и измерением намагниченности методом индукционной магнитометрии.

Заявленные характеристики ферромагнитного полупроводникового материала иллюстрируются следующими примерами.

Пример №1.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti0.95V0.05 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. После имплантации в пленку ионов кобальта с дозой 1.5·1017 см-2 величина остаточной намагниченности составляла 75% от намагниченности насыщения (фиг.1).

Пример №2.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti0.95V0.05 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. Доза имплантации ионов кобальта в пластину состава Ti0.95V0.05O2-δ составляла 1·1017 см-2. В этом случае величина остаточной намагниченности составляла 55% от намагниченности насыщения (фиг.2).

Пример №3.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti0.95V0.05 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. Доза имплантации ионов кобальта в пластину того же состава составляла 1.5·1017 см-2. Величина остаточной намагниченности составляла 89% от намагниченности насыщения (фиг.3).

Таким образом, заявляемое решение обеспечивает создание ферромагнитного полупроводникового материала с высокой остаточной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля при температурах выше комнатной и удельным электрическим сопротивлением в широком диапазоне. Такой материал может эффективно использоваться в качестве инжектора и приемника поляризованных носителей заряда в приборах и устройствах спиновой электроники.

1. Ферромагнитный полупроводниковый материал, представляющий собой ферромагнитную пленку полупроводникового диоксида титана, легированного ванадием в количестве от 3 до 5% ат. по отношению к титану, имеющую кристаллическую структуру анатаза, выращенную на диэлектрической подложке, имплантированную ионами кобальта в количестве от 0.1 до 5% ат. для формирования высокой остаточной намагниченности не менее 70% от намагниченности насыщения.

2. Ферромагнитный полупроводниковый материал по п.1, характеризующийся тем, что в качестве диэлектрической подложки использован алюминат лантана.

3. Способ получения ферромагнитного полупроводникового материала, включающий выращивание на диэлектрической подложке пленки диоксида титана, легированной ванадием в количестве от 3 до 5% ат. по отношению к титану, имеющей кристаллическую структуру анатаза, и имплантацию в полученную пленку при комнатной температуре атомов кобальта с дозой (1.3-1.6)·1017 см-2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения ферромагнитных полупроводниковых материалов. .

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к производству фотоприемных устройств, линеек, матриц, МДП-фотодиодов, приборов зарядовой связи и инжекции ИК-диапазона.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к фотоэлектронике и может быть использовано для создания многоэлементных ИК-фотоприемников на основе n+/n-p- или n+/p-/p- и МДП-фотодиодов, а также приборов зарядовой связи (ПЗС) или инжекции (ПЗИ).
Изобретение относится к пигменту на основе диоксида титана с высокой непрозрачностью, а также - к способу его получения и применения для изготовления декоративной бумаги или декоративной фольги.

Изобретение относится к способу получения фотокаталитических покрытий диоксида титана на стекле, а также к составам, используемым для получения таких покрытий. .
Изобретение относится к получению диоксида титана, используемого в производстве фотоактивных катализаторов, кремнийорганических и тиоколовых герметиков. .

Изобретение относится к углеродсодержащему фотокатализатору на основе диоксида титана, который является фотоактивным в видимой области спектра, в дальнейшем называемому vlp-TiO2 .

Изобретение относится к получению титановых концентратов с низким содержанием радионуклидных элементов и может быть использовано в производстве пигментов на основе диоксида титана.
Изобретение относится к светоустойчивым полимерным композициям. .
Изобретение может быть использовано в производстве солнцезащитных продуктов. Частицы диоксида титана обладают медианным средневзвешенным диаметром частиц более 70 нм, а также Е524 менее 9 л/г/см, E360 от 25 до 50 л/г/см и отношением Е360/Е308 от 0,5 до 1,0. Способ получения указанных частиц диоксида титана включает получение частиц-прекурсора диоксида титана со средней длиной от 40 до 100 нм и/или средней шириной от 3 до 25 нм и обжиг частиц-прекурсора при температуре от 450 до 850°C. Изобретение позволяет получить частицы диоксида титана, обладающие свойствами эффективного поглощения ультрафиолетового излучения спектра В (УФВ) и высокой эффективностью в отношении ультрафиолетового излучения спектра А (УФА). 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 пр.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения образцов наноразмерного диоксида титана со структурами рутила или смеси анатаза и рутила в разном соотношении получают реакционную смесь диспергированием порошкообразного гидратированного сульфата титанила с пероксосоединением. Затем продукт подвергают отжигу. В качестве пероксосоединения могут быть использованы пероксодисульфат аммония, аддукт карбамида с пероксидом водорода, 30%-ный водный раствор пероксида водорода. Изобретение позволяет упростить процесс получения наноразмерного диоксида титана, уменьшив количество стадий. 3 з. п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.,16 пр.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения наночастиц диоксида титана проводят откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, зажигание электрической дуги постоянного тока между графитовым электродом и металл-углеродным композитным электродом. Композитный электрод представляет собой графитовый стержень с просверленной по центру полостью, которая заполнена спрессованной смесью порошков титана и графита. Весовое соотношение титан/графит составляет 1/2. В плазме электрического дугового разряда распыляют композитный электрод. Отжиг синтезированного материала проводят путем нагрева в кислородсодержащей среде при атмосферном давлении до температуры 900-1000°С и выдержки в течение 1 ч. Изобретение позволяет получить диоксид титана со структурой рутила с высокоразвитой поверхностью, без затрат на коррозионностойкое оборудование и высоких требований к качеству сырья. 1 з.п. ф-лы, 12 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано в химической, добывающей, пищевой отраслях промышленности и в медицине. Для получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированного наноразмерными частицами оксида титана, к исходному СВМПЭ при интенсивном перемешивании добавляют тетрахлорметан-бензольную смесь. В образовавшуюся суспензию прикапывают бензиловый спирт. Реакционную массу интенсивно перемешивают, поддерживая температуру 180-210°C. К образовавшейся суспензии прикапывают тетрахлорметан-бензольный раствор тетрахлорида титана. Указанный раствор содержит тетрахлорид титана в количестве, соответствующем его мольному соотношению к бензиловому спирту, равному 1:4-4,2. Смесь перемешивают, поддерживая температуру 180-210°C. Полученную суспензию охлаждают, подвергают фильтрации, обработке хлороформом, отгонке растворителей и сушке. Изобретение позволяет получить модифицированный наночастицами оксида титана СВМПЭ в виде белого порошка с размером частиц 50 - 200 мкм с высокими физико-механическими свойствами, повысить прочность на разрыв и модуль упругости полученного материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованиям в области химии, относящимся к получению оксида алюминия путем экстракции алюминия из материалов и/или оксида титана путем экстракции титана из материалов, содержащих титан. Указанные способы также могут являться эффективными при получении других продуктов, таких как гематит, MgO, оксид кремния и оксиды различных металлов, хлорид титана, а также редкоземельные элементы и алюминий. Указанные способы могут включать выщелачивание исходного материала с применением HCl с получением продукта выщелачивания и твердого вещества. Твердое вещество можно обрабатывать с обеспечением таким образом по существу селективного экстрагирования титана из указанного твердого вещества, тогда как продукт выщелачивания можно обрабатывать с обеспечением таким образом по существу селективного выделения хлорида первого металла из указанного продукта выщелачивания. Технический результат изобретения направлен на концентрирование редкоземельных элементов до очень высокой степени чистоты при помощи совмещенных стадий способа, а также на селективное удаление компонентов, которое обеспечивает концентрирование редкоземельных элементов до достижения очень высоких концентраций. 9 н. и 150 з.п. ф-лы, 10 ил., 28 табл., 7 пр.

Изобретение относится к области материалов полупроводниковой электроники и может быть использовано для создания элементов спинтронных устройств, сочетающих источник и приемник поляризованных спинов носителей заряда в тройной гетероструктуре ферромагнитный полупроводникнемагнитный полупроводникферромагнитный полупроводник. Техническим результатом изобретения является создание ферромагнитного полупроводникового материала, обладающего высокой намагниченностью при комнатной и выше температурах в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнитный полупроводниковый материал представляет собой ферромагнитную пленку полупроводникового диоксида титана, легированного ванадием в количестве от 3 до 5 ат. по отношению к титану, имеющую кристаллическую структуру анатаза и выращенную на диэлектрической подложке. Пленка легированного диоксида титана дополнительно имплантирована при комнатной температуре ионами кобальта с дозой ·1017 см-2 и сохраняет при температурах не менее 300 К в отсутствие внешнего магнитного поля остаточную намагниченность не менее 70 от величины намагниченности насыщения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

Наверх