Search for content and authors
 

Mangan w warstwach ZnMnO hodowanych metodą osadzania warstw atomowych

Anna Wolska ,  Marcin T. Klepka ,  Bartłomiej S. Witkowski ,  Małgorzata I. Łukasiewicz ,  Elżbieta Guziewicz ,  Marek Godlewski 

Polish Academy of Sciences, Institute of Physics, al. Lotników 32/46, Warszawa 02-668, Poland

Abstract

ZnMnO (obok ZnCoO) jest jednym z intensywnie badanych materiałów do zastosowań spintronicznych. Dla ZnMnO (próbek p-typu) przewidziano możliwość osiągnięcia ferromagnetyzmu w temperaturze pokojowej. Wyniki badań przeprowadzonych przez różne grupy dostarczyły bardzo rozbieżnych danych na ten temat. Wydaje się, że raportowane właściwości magnetyczne istotnie zależały od sposobu wykonania badanych próbek. W tej pracy dyskutujemy wyniki dla próbek wykonanych w procesie osadzania warstw atomowych (atomic layer deposition - ALD).

Warstwy ZnMnO zostały wykonane metodą ALD w temperaturze 160 °C. Metoda ta pozwoliła na uzyskanie warstw o wysokiej jednorodności rozkładu manganu. Zawartość Mn zmierzona została przy użyciu EDX i wynosiła od 0.3 % do 27 %. Lokalne otoczenie atomów manganu badane było przy pomocy rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej (XANES i EXAFS). Jej postawową zaletą jest selektywność pierwiastkowa oraz duża czułość - badania można przeprowadzać nawet dla niewielkiej koncentracji danego pierwiastka.

Widma absorpcyjne na krawędzi K manganu zostały zmierzone w laboratorium Hasylab na stacji A1. Z uwagi na niewielkie zawartości badanego pierwiastka pomiary wykonano przy użyciu detektora fluorescencyjnego. Pomiary przeprowadzono w kriostacie azotowym w temperaturze ciekłego azotu. Widma tlenków manganu zmierzone zostały metodą transmisyjną.

Zarówno widma XANES, jak i EXAFS prezentowanych próbek grupują się w zależności od koncentracji Mn w objętości warstwy wyznaczonej w następujący sposób: (zawartość procentowa Mn zmierzona przy pomocy EDX) *100 / (grubość warstwy). Można podzielić je na trzy grupy: A - mała koncentracja Mn (0.06 - 1.55); B - średnia koncentracja Mn (12.5 - 16.7); C - wysoka koncentracja Mn (67.5).

Analiza wykazała, że dla warstw o niskiej zawartości Mn w jednostce objętości (grupa A), wszystkie atomy manganu podstawiają się w pozycje Zn w strukturze ZnO. Najbliższe otoczenie lokalne wbudowanych atomów manganu składa się z czterech atomów tlenu w odległości 2.04 Å. Różni się więc ono od oryginalnego otoczenia atomów Zn, gdzie jeden z atomów tlenu znajduje się w odległości 1.97 Å, a trzy pozostałe w odległości 2.04 Å.

 

 

Rysunek 1. Transformata Fouriera widm EXAFS dla przykładowych próbek z grupy A i B.

 

W przypadku grupy A zaburzenia wprowadzane przez atomy manganu nie powodują wyraźnych modyfikacji struktury. Rysunek 1 przedstawia transformatę Fouriera przykładowych oscylacji widma EXAFS. Można na nim zaobserwować wyraźne maksima odpowiadające kolejnym czterem strefom koordynacyjnym. Znaczy to, że jakość strukturalna badanej warstwy jest bardzo wysoka. Porównując to z przykładowym widmem z grupy B, można stwierdzić, że dla tej grupy maksima są dużo niższe i wręcz nie można wyróżnić czwartej strefy koordynacyjnej. Dopasowania wykonane dla próbek z grupy B pokazują, że wciąż wszystkie atomy manganu wbudowują się w strukturę ZnO, jednakże parametr określający nieporządek strukturalny jest tu wyraźnie wyższy niż dla grupy A. Wynika stąd, że zaburzenia struktury wprowadzane przez atomy manganu nie są już zaniedbywalne i znacząco pogarsza się jakość warstwy,

W przypadku próbki z grupy C już położenie krawędzi zmienia się znacząco. W porównaniu z grupami A i B przesuwa się ona o ok. 2 eV w stronę wyższych energii co wyraźnie widać na Rys. 2. Analiza wykazała, że związane jest to z obecnością wydzieleń tlenku manganu. Dopasowania widm EXAFS potwierdzają, że ok. 50% atomów Mn wbudowuje się w strukturę ZnO, zaś reszta tworzy MnO2.

 

 

Rysunek 2. Położenie krawędzi absorpcji przykładowych widm z grupy A i C w porównaniu z tlenkami manganu.

 

Z przeprowadzonej analizy widm absorpcyjnych wynika, że w warstwach ZnMnO wyhodowanych metodą ALD, atomy manganu wbudowują się równomiernie w strukturę ZnO, aż do granicy rozpuszczalności. Powyżej tej granicy powstają wydzielenia tlenków manganu.

Podziękowania: Autorzy wyrażają podziękowanie za finansowanie Unii Europejskiej z projektu European Regional Development Fund w ramach grantu Innovative Economy (POIG.01.01.02-00-008/08) a także z 7-mego projektu ramowego - projekt ELISA (FP7/2007-2013), numer kontraktu 226716.

 

Legal notice
  • Legal notice:
 

Related papers

Presentation: Poster at IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego, by Anna Wolska
See On-line Journal of IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego

Submitted: 2011-06-13 09:17
Revised:   2011-06-13 10:10