3d - інтеркаляційна модифікація шаруватих кристалів для пристроїв спінтроніки та молекулярної енергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет „Львівська політехніка”

УДК 621.315.592

3d- ІНТЕРКАЛЯЦІЙНА МОДИФІКАЦІЯ ШАРУВАТИХ КРИСТАЛІВ ДЛЯ ПРИСТРОЇВ СПІНТРОНІКИ ТА МОЛЕКУЛЯРНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Покладок Надія Теофілівна

Львів - 2011



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інженерного матеріалознавства та прикладної фізики Національного університету „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Григорчак Іван Іванович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри інженерного матеріалознавства та прикладної фізики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ціж Богдан Романович, Львівський національний університет ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Гжицького, завідувач кафедри загальнотехнічних дисциплін

доктор фізико-математичних наук, професор Корбутяк Дмитро Васильович, Інститут фізики напівпровідників імені В.Є.Лашкарьова НАН України, завідувач відділу “Напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання”

Захист відбудеться 22 вересня 2011 р. о 16³⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79000, м. Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий “ 18 ” серпня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.ф.-м.н., професор Д.М.Заячук



АНОТАЦІЯ

Покладок Н.Т. 3d -інтеркаляційна модифікація шаруватих кристалів для пристроїв спінтроніки та молекулярної енергетики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Національний університет ,,Львівська політехніка”, Львів, 2011.

Розроблено способи формування інтеркалатних структур з почерговими фоточутливими напівпровідниковими та 3d-вмісними магнітоактивними нанопрошарками із забезпеченням прояву в них гігантського магніторезистивного ефекту при кімнатній температурі, 3d-інтеркаляційного модифікування графітових кластерів. Сформульовані основні гальвано-фотомагнітні закономірності для таких структур та розвинені шляхи їх ефективного використання у спінтроніці та молекулярній енергетиці.

Уперше запропонована і експериментально обґрунтована концепція синтезу інтеркалатних наноструктур з 3d-вмісними „гостьовими” компонентами у зовнішньому магнітному полі - як ефективного способу керування їх властивостями та поведінкою у зовнішніх фізичних полях. Доведена невідома раніше можливість поєднання кулонівської блокади електричного струму гігантської величини діелектричної проникності при низькому (<1) значенні тангенса кута електричних втрат і надвеликого індуктивного відгуку в періодичному ансамблі магнітоактивних нанокластерів в напівпровідникових матрицях.

Вперше встановлено формування магнетоелектретного стану в наноструктурованих об'єктах без прикладення зовнішнього електричного поля, термічна релаксація якого за кімнатних температур є оптично керована і забезпечує майже восьмикратне зростання величини ЕРС неперервного режиму порівняно з відомим термогальванічним ефектом в SmS.

Ключові слова: інтеркалатні структури, гігантський магніторезистивний ефект, спінтроніка, магнето електрети.

фоточутливий напівпровідниковий інтеркаляційний нанопрошарок



АННОТАЦИЯ

Покладок Н.Т. 3d -интеркаляционная модификация слоистых кристал лов для устройств спинтроники и молекулярной енергетики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.07 - фізика твердого тела. - Национальный університет ,,Львовская политехника'', Львов, 2011.

Разработаны способы формирования интеркалатных структур с чередующимися фоточуствительными полупроводниковыми и 3d-вместными нанослоями с обеспечением проявления в них гигантского магниторезистивного эффекта при комнатной температуре, 3d-интеркаляционного модифицирования графитовых кластеров. Сформулированы основные гальвано-фотомагнитные закономерности для таких структур и развиты пути их эффективного использования в спинтронике и молекулярной энергетике.

Впервые предложена и експериментально обоснована концепция синтеза интеркалатных наноструктур с 3d-содержащими ,,гостевыми'' компонентами во внешнем магнитном поле - как эффективного способа управления их свойствами и поведением во внешних физических полях.

Доказана ранее неизвестна уникальная возможность сочетания кулоновской блокады электрического тока, гигантской величины диэлектрической проницаемости при низком (<1) значении тангенса угла электрических потерь и сверхвысокого индуктивного отклика в периодическом ансамбле магнитоактивных нанокластеров в полупроводниковых матрицах.

Впервые установлено формирование магнетоэлектретного состояния в наноструктурированных обьектах без приложения внешнего электрического поля, термическая релаксация которого при комнатных температурах оптически управляема и обеспечивает существенное увеличение величины ЭДС непрерывного режима.

Установлено, что не только процессы переноса, но и накопления заряда - спин-зависимые, а установлена возможность управления ими внешними физическими полями позволила впервые обеспечить коллосальное увеличение величины магнетосопротивления при комнатных температурах и слабых магнитных полях и магнето-емкостную связь сверхвысокой чувствительности.

Ключевые слова: интеркалатные структуры, гигантский магниторезистивный эффект, спинтроника, магнетоэлектреты.



ABSTRCT

Pokladok N.T. The 3d-intercalation modification of layered crystals for spintronic and molecular energetic devices. - Manuscript.

Thesis for a degree of candidate of science in field of technical science, specialty 01.04.07 -Solid state physics. Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2011.

The fabrication methods of intercalant structures with alternately located photosensitive semiconductors and 3d-containing magnetoactive nanolayers was developed with ensuring the giant magnetoresistive affect at room temperature, 3d-intercalational modification of graphite clusters. The galvano-photomagnetic peculiarities for such structures were formulated and ways of their effective application in spintronic and molecular energetic were developed.

The concept of synthesis of intercalanted nanostructures with 3d-containig “guest” components in external magnetic field as effective method for their property and behavior control in external physical fields was by the first time proposed and experimentally proved. The unknown before unique possibility of coulomb blockade of electric current, giant dielectric susceptibility value at low (<1) value of electric lose angle tangent, and overlarge inductive response in periodic structure of magnetoactive nanocluster combination in semiconductor matrices was proved.

The effect of magnetoelectrete state formation in nanostructured objects, without external electric field application, was found. Its thermal relaxation at room temperatures is optically controlled and ensures eightfoldt increase of EMF in continuous mode in comparison with well known thermogalvanic effect in SmS.

Key words: intercalated structures, giant magnetoresistive effect, spintronics, magneto electretes.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтеркаляція, як процес “конструювання” певних видів систем “господар - гість”, окрім простого розширення кола нових сполук може призводити до збагачення вихідних кристалів унікальними, непритаманними їм властивостями та відіграти роль множини технологічних підходів і конкретних операцій, що становитимуть основу нового рівня фізико - хімічного модифікування, тобто стати фундаментом нанотехнологій для низькорозмірних структур. Ще більший інтерес викликає можливість інтеркаляційного формування магнітоактивних нанокластерів з матричною ізоляцією. Такі об'єкти можуть не тільки забезпечувати кулонівську блокаду електричного струму (це явище лежить в основі роботи “одноелектронного'' транзистора), але і створювати умови для привнесення магнітних властивостей, які послужать базою для подальшого розвинення технології матеріалів - носіїв інформації. Досить навести приклад, що поява гігантського магніторезистивного ефекту (ГМРЕ) в наноструктурах з почерговими напівпровідниковими та металічними прошарками відкриває перспективу докорінної перебудови технології матеріалів для зчитування з магнітних носіїв і розвитку спінтроніки.

Сьогодні вже добре відомо, що ГМРЕ виникає в структурах, для яких характерні розміри магнітних неоднорідностей є зрівняними, чи навіть меншими від довжини вільного пробігу електронів. Для формування зазначених неоднорідностей необхідно, щоб феромагнітні області були розмежовані неферомагнітними. В якості останніх застосовують або парамагнітні перехідні метали (V, Nb, Mo, Ru, Ir) або благородні метали (Au, Ag). Проте, як нам відомо, сьогодні так і не вдалося розробити матеріали, які би забезпечували високе значення магніторезистивного ефекту при кімнатній температурі та низьких значеннях напруженості магнітного поля. Більше того, враховуючи значні зусилля напрямлені на інтеграцію магнетизму в напівпровідникову архітектуру сучасних пристроїв функціональної електроніки, надзвичайно актуально було б застосувати в якості неферомагнітної області напівпровідникову фазу. Це дозволило б ефективно керувати ГМРЕ оптично чи електрично.

Фактична зацікавленість наноструктурами з почерговими напівпровідниковими та магнітоактивними нанопрошарками значно ширша - наприклад, це і спінові конденсатори і магнетоелектрети. У більш далекій перспективі знаходиться квантова когерентна спінтроніка. Маються на увазі пристрої настільки малих розмірів, що квантова когерентність хвильової функції електрона зберігається поперек пристрою, зв'язуючи вхідні та вихідні електричні сигнали. Вже тепер передбачається широке застосування спінтроніки у галузі квантового комп'ютінга. Вважається, що наступним етапом розвитку спінтроніки стануть пристрої, в яких інформація буде передаватися не за допомогою спінів електронів, а складних кубітових пар. Наприклад, багатоконтактні спінові пристрої, які можуть бути засновані на потоках заплутаних кубітів. Практична реалізація подібних пристроїв можлива, зокрема, на базі спін-електронних транзисторів.

Водночас, можливість ефективного керування топологією гостьових компонентів, легкість формування різкоградієнтних наноструктур за інтеркаляційною технологією дасть змогу забезпечити появу високоефективного термогальванічного ефекту, який дозволить створити новий вид пристроїв молекулярної енергетики - не електрохімічні наногенератори електричної енергії, задачу побудови яких тільки нещодавно почали лише формулювати.

Власне цим важливим питанням сьогодення і присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до напрямку наукової діяльності кафедри інженерного матеріалознавства та прикладної фізики Національного університету “Львівська політехніка”: “Дослідження фізичних процесів в гетерогенних системах з нановимірною обмеженою геометрією” (№ державної реєстрації 0107U009438). Наукові положення та висновки дисертації пов'язані також з виконанням робіт за госпдоговірними темами № 6978 “Дослідження електронно-іонних процесів в дрібнодисперсних вуглецевих матеріалах” (№ державної реєстрації 0103U004643), №0042 “Дослідження впливу зольного вмісту вуглецевих матеріалів та електрично активних добавок на параметри подвійного електричного шару” (№ державної реєстрації 0106U004719) та держбюджетними темами Міністерства освіти та науки України: ДБ/Магнон “Інтеркаляційні наноструктури спінтроніки: технології, фізика, моделювання процесів” (№ державної реєстрації 0108U000382) і ДБ/Енергія “Фізико-технологічні засади формування ієрархічних та супрамолекулярних структур молекулярної енергетики і наноелектроніки (№ державної реєстрації 0110U001103).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка способів формування інтеркалатних структур з почерговими фоточутливими напівпровідниковими та 3d-вмісними магнітоактивними нанопрошарками із забезпеченням прояву в них гігантського магніторезистивного ефекту (ГМРЕ) при кімнатній температурі, 3d-інтеркаляційного модифікування графітових кластерів, з'ясування основних гальвано-фотомагнітних закономірностей для таких структур та розвинення шляхів їх ефективного використання у спінтроніці та молекулярній енергетиці.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі дослідження:

- наукове обґрунтування вибору матеріалів -“господарів” з розряду фоточутливих напівпровідників з шаруватою кристалічною структурою;

- підбір методів та режимів процесу інтеркаляції магнітоактивними компонентами для забезпечення стабільності отримуваних наноструктур та їхньої фоточутливості;

- знаходження інтервалів значень ступеня “гостьового” навантаження, що відповідають максимальному значенню ГМРЕ при кімнатній температурі;

- з'ясування будови, термодинамічних характеристик та фізичних властивостей отриманих наноструктурованих матеріалів;

- встановлення впливу накладання магнітного поля в процесі синтезу на структуру, кінетичні, поляризаційні і енергонакопичувальні процеси;

- вивчення впливу на фізичні властивості інтеркалатів з магнітоактивними нанопрошарками зовнішніх електричних і магнітних полів та освітлення;

- знаходження оптимальних режимів керування властивостями інтеркалатних структур з почерговими напівпровідниковими та 3d-вмісними магнітоактивними нанопрошарками оптично і електрично;

- розвинення підходів до застосування отриманих наноструктур як елементів магнето-ємнісного зв'язку, матеріалів зчитуючих головок з магнітних носіїв, магнетоелектретів, активних компонентів спінових блокаторів і спінових нанотранзисторів;

- знаходження умов найефективнішого прояву термогальванічного ефекту, з'ясування його фізичної природи в отриманих наноструктурах;

- розроблення 3d-інтеркаляційного модифікування графітових структур задля підвищення енерго-потужнісних характеристик молекулярних накопичувачів енергії.

Предметом дослідження є процеси інтеркаляції різними методами, структура, кінетичні і поляризаційні властивості та вплив на них зовнішніх фізичних полів, механізми процесів зарядонакопичення та електрогенерування.

Об'єкт дослідження - одержані методами інтеркалювання наноструктури з почерговими фоточутливими напівпровідниковими та 3d-вмісними магнітоактивними нанопрошарками, а також нанопористий аморфний вуглець з графітовими включеннями.

Для досягнення поставленої мети використано такі методи дослідження: рентгенодифрактометрія та метод малокутового рентгенівського розсіювання, термодинамічний аналіз за методом ЕРС, мессбауерівська спектрометрія, імпедансна спектроскопія, вольтамперометрія. Комп'ютерне моделювання і опрацювання результатів експериментів здійснювали за допомогою прикладних математичних програм.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше розроблена інтеркаляційна методика формування структур спінтроніки, яка за допомогою заздалегідь вибраного реєстру операційних режимів та зовнішніх фізичних полів забезпечує керовану д- чи періодично модульовану локалізацію почергових напівпровідникових і магнітоактивних прошарків, в яких проявляється гігантський магніторезистивний ефект заданої величини та знаку при кімнатній температурі.

2. Вперше запропонована і експериментально обґрунтована концепція синтезу інтеркалатних наноструктур з 3d-вмісними “гостьовими” компонентами у зовнішньому магнітному полі - як ефективного способу керування їх властивостями та поведінкою у зовнішніх фізичних полях.

3. Доведена, невідома раніше можливість поєднання кулонівської блокади електричного струму, гігантської величини діелектричної проникності при низькому (<1) значенні тангенса кута електричних втрат і надвеликого індуктивного відгуку в періодичному ансамблі магнітоактивних нанокластерів в напівпровідникових матрицях.

4. Виявлено, що не тільки процеси перенесення, але і накопичення заряду є спін-залежними, а встановлена можливість керування ними зовнішніми фізичними полями дозволила вперше (порівняно з відомими матеріалами для зчитуючих з магнітних носіїв головок) забезпечити колосальне зростання величини магнетоопору при кімнатних температурах та слабких магнітних полях і магнето-ємнісний зв'язок надвисокої чутливості.

5. Вперше встановлено формування магнетоелектретного стану в наноструктурованих об'єктах без прикладення зовнішнього електричного поля, термічна релаксація якого за кімнатних температур є оптично керована і забезпечує майже восьмикратне зростання величини ЕРС неперервного режиму порівняно з відомим термогальванічним ефектом в SmS.

Практичне значення одержаних результатів. Виялені нові ефекти і явища забезпечують:

- широке практичне застосування сформованих інтеркалатних структур, як матеріалів для зчитуючих з магнітних носіїв головок нового покоління, високодобротних конденсаторів надвеликої ємності та електретних наногенераторів, параметрами яких можна керувати магнітним та електричним полями, анологів яких немає у світі;

-значне підвищення (порівняно з відомим транзистором Монсма) магніто-фазової чутливості і добротності, а також ефективності магнітної блокади спінових транзисторів та спінових блокаторів, причому для слабших полів і вищих температур із забезпеченням одночасної можливості оптичного керування;

- майже трьохкратне зростання питомої ємності молекулярних накопичувачів енергії внаслідок FeCl₃ інтеркаляційної модифікації вуглецевих структур з нанообмеженою геометрією;

- формування перших практичних кроків у розвитку когерентної квантової спінтроніки, так як сформовані на атомно-молекулярному рівні наногібридні “багатоконтактні” структури та виявлені в них ефекти суперпарамагнетизму, зеєманівської делокалізації, магнітного деблокування перескокової провідності та інші створюють реальні умови для збереження квантової когерентності хвильової функції електрона впоперек пристрою, зв'язуючи вхідні і вихідні електричні сигнали.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи, подані та опубліковані в співавторстві, отримані за безпосередньої участі автора на всіх етапах роботи. Автор самостійно зробила підбір, систематизацію та аналіз літературних джерел [1-12]; здійснила підготовку зразків [1-6, 8-12]; дослідила вплив магнітного поля на термодинамічні та кінетичні параметри структур [5, 9, 10-12], виявила реалізацію ГМРЕ у сформованих лазерно-стимульованим способом структурах [1-4, 6], дослідила структури в температурному та електромагнітному полях [5, 8-10]; синтезувала масштабно-гібридні структури [4, 6] та структури шостої та другої стадій ешелонування [8]. Розробила технологію 3d-інтеркаляційного модифікування графітових структур задля підвищення енерго-потужністних характеристик молекулярних накопичувачів енергії [7].

Вибір об'єктів дослідження, постановка завдань, обговорення та аналіз одержаних результатів здійснено разом з науковим керівником д.т.н., проф. Григорчаком І.І. [1-17]. Спільно з д.ф.-м.н., проф. Лукіянцем Б.А. проведений теоретичний аналіз властивостей отриманих структур та способів керування їх магнітними властивостями [2]. Формування структур лазерно-стимульованим методом проведено спільно з к.ф.-м.н., с.н.с. Поповичем Д.І. [1-4, 6]. Рентгеноструктурний аналіз інтеркальованих структур проведений к.ф. м.н. Куликом Ю.О. [7,11,12]. Мессбауерівський спектр вугілля виміряний к.ф. м.н. Мокляком В.В. [7].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: Міжнародній науково - практичній конференції “Структурна релаксація у твердих тілах” (Вінниця, 2006), Міжнародному семінарі з наноструктурованих матерілів “Nanomat 2006” (Анталія, Туреччина, 2006), П'ятій науковій конференції професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, 2006), ХІІ Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок та наносистем (Івано-Франківськ, 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 праць, зокрема 12 статей у фахових журналах і збірниках наукових праць, 4 тези доповідей на конференціях, 1 заявка на патент.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку літератури. Основний зміст роботи викладено на 153 сторінках. Робота містить 113 рисунків, 5 таблиць і 164 бібліографічних найменування. ЇЇ загальний обсяг складає 169 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність роботи. Розкрито особистий внесок дисертанта та апробацію результатів дисертаційного дослідження на профільних наукових конференціях, висвітлена структура дисертації.

В першому розділі - ,,Інтеркаляційна кристалоінженерія і проблема електричного та магнітного керування властивостями наноструктур'' зроблено огляд літературних джерел щодо методів та технологічних умов формування напівпровідникових інтеркалатів з 3d-„гостьовим” компонентом.

Охарактеризоване явище інтеркаляції та методи інтеркалювання. Резюмується, що на фізичні властивості напівпровідникових інтеркалатів з 3d - „гостьовим” компонентом мають важливий вплив два фактори: обмін зарядом між матрицею і впровадженими компонентами, а також зміни в її кристалічній структурі. Проведений критичний аналіз відомих даних з термогальванічного ефекту. В той же час відзначена практична відсутність відомостей про інтеркаляцію шаруватих кристалів А³В⁶ 3d-елементами у зовнішніх фізичних полях застосування такого виду структур як елементів магнето-ємністного зв'язку, магнетоелектретів, активних компонентів спінових блокаторів і спінових нанотранзисторів. інтеркалатне модифікування нанопористого вуглецю.

Перший розділ завершується висновками та завданнями дослідження.

Другий розділ ,,Методи досліджень'' деталізує методи дослідження складу, структури, електричних та оптичних властивостей шаруватих кристалів та інтеркалатних наноструктур на їх основі.

Дослідження будови і фізичних властивостей сформованих структур з впровадженими 3d-компонентами проводилося низкою взаємодоповнюючих методів: рентгенівського малокутового розсіяння (РМР), мессбауерівської спектроскопії, імпедансної спектроскопії та комп'ютерного моделювання. Був також використаний термодинамічний аналіз за методом ЕРС та метод термостимульованої деполяризації.

Метод РМР ґрунтується на аналізі рівня і характеру кутового розподілу інтенсивності дифузного розсіяння під малими кутами рентгенівського пучка, що проходить крізь експериментальний зразок завтовшки. Йдеться про розсіяння рентгенівського випромінювання навколо первинного пучка, обумовлене наявністю в досліджуваному об'єкті неоднорідностей електронної густини, розмір яких перевищує довжину хвилі використовуваного випромінювання.

Для з'ясування зарядового стану заліза у графітових включеннях застосовувався метод мессбауерівської спектроскопії. Для забезпечення достатніх значень величини ефекту гостьовий компонент було доповано збільшеною дозою йонів ізотопа заліза Fe⁵⁷ (10 ~ат.%). Спектри поглинання отримано на мессбауерівському спектрометрі MS-1104Em, який працював в режимі “часового аналізу” при використанні схеми “стиснутої” геометрії зйомки та режиму задання швидкості “трикутником”.

Імпедансні вимірювання проводилися на імпедансному спектрометрі Autolab PGSTAT/ FRA - 2 в діапазоні частот 10^_2 ч 10⁵ Гц. Основна задача дослідження зводилась до побудови імпедансної моделі і відповідної до неї еквівалентної схеми, що адекватно відображає електрофізичні і хімічні процеси в об'єкті. Комп'ютерна параметрична ідентифікація дає значення параметрів цієї моделі. Модель відображає основні властивості об'єкта і для передбачає його поведінку в різних умовах.

У третьому розділі ,,Способи отримання, термодинамічні та фізичні властивості інтеркалатів з д - та періодично-модульованою топологією ,,гостьового'' 3d-компонента'' використані в порівняльному аспекті три способи інтеркалювання магнітоактивними компонентами: термічно-експозиційний, електрохімічний, лазерно-стимульований.

Відзначено, що вперше проведено формування інтеркалатних наноструктур в магнітному полі. Сильний вплив накладеного магнітного поля під час процесу інтеркалювання на структуру отриманих інтеркалатних комплексів добре видно з рентгенограми, показаній на рис. 1, б. Її аналіз показав докорінний перерозподіл додаткових дифракційних максимумів, які не відносяться до фази вихідного монокристалу GaSe. Зміна параметра С гратки після електрохімічної інтеркаляції залежить як від порядкового номера впровадженого 3d-компонента, так і ступеня його іонізації, і може відповідати як збільшенню відстані між шарами структури Fe_xGaSe (Fe²⁺), так і зменшенню (Fe³⁺).

Порівняння результатів для Ni_xGaSe, отриманих лазерним способом з даними для вихідних зразків (опромінених лазером без Ni - впровадження ) показує збільшення міжшарової віддалі на 0.02700.0001 ?. Розрахунок дифрактограми засвідчує появу ряду додаткових дифракційних ліній.

Накладання магнітного поля вздовж кристалографічної осі С під час синтезу суттєвим чином міняє фазово-термодинамічні характеристики електрохімічної інтеркаляції. Його вплив на термодинамічні і кінетичні параметри формування інтеркалатів Mn_xGaSe стає актуальним при значенні концентрації впровадженого марганцю, що забезпечує взаємодію між магнітними моментами “гостьовог” о компоненту і утворення зародку суперпарамагнітної фази.

Означена взаємодія у сполуках Ni_xGaSe підвищує зміну вільної енергії Гіббса процесу інтеркаляції у магнітному полі. Переважання вкладу від зеєманівській делокалізації носіїв струму над спіновим впорядкуванням зумовлює менше значення зміни енергії Гіббса процесу формування інтеркалатів Со_xGaSe та Mn_xGaSe у магнітному полі порівняно з формуванням за нормальних умов.

Накладене під час синтезу магнітне поле кардинально міняє і струмопроходження в напрямку, перпендикулярному до нанопрошарків. Наприклад, для структури Co_0.14GaSe, отриманої в магнітному полі, низькочастотна вітка діаграми Найквіста суттєво зміщена в індуктивний квадрант імпедансної площини (рис. 3). Такий ефект, відомий як явище „від'ємної” ємності, який з огляду на гігантське значення в даному разі L=3.3*10⁷ Гн/см², може бути ефективно застосований для наноструктурованих ліній затримки, в яких використання котушок індуктивності виключене ,,а-priori”. У свою чергу це дає підстави для відмови від застосовування електронних імітаторів ліній затримки і можливості вмонтовування їх як функціональних блоків у тривимірні наноструктури, що формуватимуться за висхідним принципом. Ще одна практична цінність наносруктур з магнітоактивними компонентами випливає з рис. 4. Це структури з колосальною діелектричною проникністю (~3*10⁶ на низьких частотах) при значеннях тангенса кута втрат ~0,46. Тобто, це конденсатори високої добротності.

У четвертому розділі ,,Наноструктури з почерговими напівпровідниковими та магнітоактивними прошарками у зовнішніх фізичних полях'' розглянута поведінка синтезованих структур у зовнішніх фізичних полях: магнітному, електричному, світлової хвилі. Для першого випадку один з найцікавіших виявлених ефектів - це поява гігантського магніторезистивного ефекту. На рис. 5 показано відносну зміну питомого опору _Н=[(Н)-(0)]/(Н), ((0) - опір електричному струмові при відсутності магнітного поля, (Н) - електроопір в магнітному полі напруженості Н) вздовж кристалографічної осі С лазерного інтеркалату ?Mn?_nGaSe під дією магнітного поля, орієнтованого вздовж цієї осі:

Видно, що уже після першого впровадження виникає гігантський додатній магніторезистивний ефект при кімнатній температурі. Зі збільшенням кількості впровадженого марганцю спостерігається його релаксація, яка супроводжується зміною знаку _Н. Наводиться теоретична модель, що пояснює спостережуване явище.

Цікава поведінка у магнітному полі мезо/нано масштабованих структур з модульованою д-топологічною локалізацією 3d- компонента.

Суттєва різниця між їх властивостями починає проявлятися в магнітному полі. Так накладання магнітного поля напруженістю 1,75 кОе до МГС-І викликає подальшу модифікацію діаграми Найквіста до вигляду 3 (рис. 7), який для МГС-ІІ досягається тільки при збільшенні напруженості до 2,75 кОе. Неординарною особливістю є зсув індуктивного відгуку у високочастотну область при збільшенні напруженості магнітного поля.

Комп'ютерне моделювання дозволило побудувати еквівалентні електричні схеми. В них CРЕ - елемент постійної фази, що моделює розподіленість ємності. З цього випливає важливе і цікаве практичне застосування - магнітне вмикання індуктивного відгуку та його частотне сканування величиною Н.

МГС-І та МГС-ІІ характеризуються суттєво відмінною поведінкою і в постійному електричному полі, прикладеному вздовж кристалографічної осі С (магнітне поле відсутнє). В той час, як величини напруг постійного зміщення (U_зм) з діапазону 0,1ч0,7 В практично не міняють частотну залежність реальної складової комплексного імпедансу (с(щ)) вздовж С-осі МГС-ІІ, для МГС-І за цих умов спостерігається суттєве зростання його частотної дисперсіїБільше того, якщо в першому випадку зміна с(щ) за величиною (наприклад, на частоті 1 кГц) при U_зм = 0,1 В практично слабо помітна і при збільшенні U_зм до 0,7 В зростає монотонно, то для МГС-І за аналогічних умов опір падає більш як на порядок з немонотонною зміною у зазначеному діапазоні напруг.

Вплив магнітного поля на процеси перенесення заряду сягає гігантського значення у інтеркалатних структурах GaSe<FeCl₃*6Н₂О> другої стадії ешелонування (рис. 8). Видно, що магнітоопір більш як в десять разів перевищує опір інтеркалатної наноструктури без магнітного поля. Характер діаграм Найквіста, як і для лазерно сформованих структур <Ni>_nGaSe, вказує на модифікацію магнітним полем енергетичного рельєфу і, як наслідок - росту частотної дисперсії годографу імпедансу. Останнє не візуалізується в інтеркалатних структурах без магнітного поля та відсутні у вихідних матрицях. Фізичний механізм виявленого додатнього ГМРЕ слід пов'язати з “магнітним” захопленням рівня Фермі смугою локалізованих станів внаслідок ефекту Зеємана.

Опромінення отриманих в магнітному полі наноструктур GaSe<FeCl₃*6Н₂О> VI і ІІ стадій ешелонування світлом із області фундаментального поглинання призводить до зменшення як уявної, так і дійсної частини комплексного імпедансу. Найцікавішим є те, що освітлення (жовтим світлом призводить до появи індуктивної вітки для структури VI стадії рис. 9, a). Таким чином, маємо можливість вмикання індуктивного відгуку, оптично. Для структури ІІ стадії ешелонування ситуація протилежна - при даному освітленні зникає низькочастотна індуктивна вітка (рис. 9, б). Така інверсія може вказувати на фотостимульоване спустошення квантових ям, утворених поблизу гетеро меж.

В наноструктурах VІ і ІІ стадій ешелонування фотоелектрорушійна сила суттєво зростає і сильно залежить від енергії падаючих фотонів, як це показано на рис. 10. Видно, що для структури VІ стадії найвище значення фото-ЕРС фіксується при освітленні жовтим світлом, на відміну від структури ІІ стадії ешелонування.

У п'ятому розділі ,,Функціональні можливості інтеркалатних наноструктур з почерговими напівпровідниковими та магнітоактивними прошарками і експлуатаційні характеристики пристроїв спінтроніки і молекулярної енергетики на їхній основі'' резюмується практичний аспект отриманих результатів у порівнянні з відомими аналогами.

Аналіз отриманих результатів показує, що у важливій для практичного застосування частотній області, де тангенс кута електричних втрат є нижчим від одиниці, реальна частина діелектричної проникливості наноструктури МГС -ІІ зазнає колосального росту під дією магнітного поля напруженістю 2,75 кОе. Тобто, можемо говорити про можливість застосування сформованих структур в якості високодобротного магніточутливого конденсатора. В нижченаведеній таблиці 1 подано параметри відомих конденсаторних систем та сформованих нами наноструктур, в якій магніточутливість за ємнісним і дисипаційним параметрами, визначена відсотковим відношенням їх значення в магнітному полі напруженості 2,75 кОе до значення без накладання магнітного поля.

Отримані нами інтеркалатні структури з ГМРЕ порівняно з відомими з мультипошаровим чергуванням феромагнітного і неферомагнітного металу вигідно відрізняються насамперед тим, що:

- колосальне значення магнітоопору проявляється в них уже при кімнатних температурах і слабких полях;

- значенням магніторезистивного ефекту можна керувати оптично і електрично.

З огляду на те, що такі пристрої, як спінові блокатори та спінові нанотранзистори у своїй структурі використовують матеріали з ГМРЕ, застосування синтезованих структур з аналогічною метою дає можливість значно підвищити магніто-фазову чутливість і добротність, а також ефективність магнітної блокади, причому для слабших полів і вищих температур та ще й з можливістю оптичного керування величини генерованої ЕРС під впливом магнітного поля при низьких температурах і зростання при високих для Со_0,09GaSe на противагу до цього ж інтеркалату, але отриманого без магнітного поля (рис.11). Це дає можливість зменшувати залежність величини струмів термодиполяризації від температури. Друга особливість - суттєва залежність величини і температурної поведінки напруги термодеполяризації від виду 3d-гостьового компонента. Порівнюючи отримані дані з відомим термогальванічним ефектом в SmS констатуємо восьмикратне зростання ЕРС неперервного режиму для наших структур.

В цьому ж розділі показано, що здатність 3d-елементів інтеркалювати шаруваті структури може бути використана в практичних цілях для покращення експлуатаційних характеристик молекулярних накопичувачів енергії.Наведені гальваностатичні зарядно-розрядні криві, які засвідчують досягнення питомої ємності С_п отриманого модифікованого матеріалу ~ 147 Ф/г. Порівнюючи його з відомими матеріалами з аналогічним значенням площі активної поверхні і функцією розподілу пор за їх розмірами можна констатувати підвищення С_п майже на 100%.

Доведено, що FeCl₃ - модифікування збільшує як активну поверхню активованого деревного вугілля, так і зсуває положення рівня Фермі в енергетичну область, що характеризується підвищеною густиною станів делокалізованих електронів В результаті ми отримуємо не тільки підвищення питомої ємності, потужності, але й „ідеалізацію” процесу ємнісного накопичення енергії, про що недвозначно засвідчує вигляд імпедансних спектрів та циклічних вольтамперограм.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Лазерно-інтеркаляційним способом сформовано структури <M_n>GaSe (M=Ni,Co,Mn), в яких виникає гігантський магніторезистивний ефект, величина і знак якого залежать від концентрації гостьового компоненту n. Його значення за кімнатних температур та слабких магнітних полів (напруженістю 0,5ч2,75 kOe) суттєво перевищує відповідну величину для відомих матеріалів і структур. Механізм виникнення ГМРЕ в отриманих структурах пов'язаний із зеєманівською локалізацією (делокалізацією) носіїв струму з околу рівня Фермі.

2. Сформовані лазерно-інтеркаляційним способом мезо//нано масштабовані гібридні структури з „гостьовими” 3d-елементами проявляють сильну магніто-фазову чутливість в широкому температурному діапазоні аж до кімнатної. В залежності від виду структури та величини прикладеного магнітного поля досягається індуктивний відгук в наперед заданій частотній області, механізм якого пов'язується із ефектами зеєманівської локалізації носіїв струму у квантових ямах, сформованих на міжфазних межах. В залежності від масштабно - геометричної гібридизації інтеркальованих і неінтеркальованих зон прикладанням постійної напруги зміщення вздовж осі С можна максималізувати зміни параметрів перескокової провідності чи діелектричних властивостей.

3. Вплив магнітного поля на термодинамічні і кінетичні параметри електрохімічного формування інтеркалатів Ni_xGaSe, Со_xGaSe і Mn_xGaSe стає суттєвим при концентраціях впровадженого гостьового компонента, що забезпечують взаємодію між його магнітними моментами і утворення зародку суперпарамагнітної фази. Означена взаємодія у сполуках Ni_xGaSe підвищує зміну вільної енергії Гіббса процесу інтеркаляції у магнітному полі, як і зеєманівська делокалізація носіїв струму при кімнатній температурі. Переважання вкладу від зеєманівській делокалізації носіїв струму над спіновим впорядкуванням зумовлює менше значення зміни енергії Гіббса процесу формування інтеркалатів Со_xGaSe у магнітному полі порівняно з формуванням за нормальних умов.

4. Найсуттєвіша зміна енергетичного рельєфу для перенесення заряду в інтеркалатах Ni_xGaSe, отриманих в магнітному полі, спостерігається при високому значенні х однофазних областей. Наприклад, для Со_0,14GaSe вона виражається у :

- переміщенні найнизькочастотнішої вітки діаграми Найквіста у індуктивний квадрант комплексної імпедансної площини та формуванні системи з індуктивним (від'ємноємнісним) відгуком;

- зростанні до гігантських (~3*10⁶) значень низькочастотної діелектричної проникності.

5. В наноструктурах GaSe<FeCl₃*6Н₂О> шостої та другої стадій ешелонування, синтезованих термічно-експозиційним способом у магнітному полі, виявлено нові ефекти і унікальні явища, не притаманні сполукам впровадження без магнітного поля. Вплив магнітного поля при їх синтезі полягає у формуванні квантових ям з енергетичним спектром, що забезпечує появу кулонівської блокади електричного струму при кімнатній температурі, колосального зростання значення діелектричної проникливості при меншій від одиниці величини тангенса кута електричних втрат, появі електретної поляризації та індуктивного імпедансного відгуку. Особливість поведінки синтезованих у магнітному полі наноструктур у зовнішньому електромагнітному полі полягає в тому, що діелектрична проникливість (е) вздовж кристалографічної осі С при освітленні зменшується за величиною для обох структур. При цьому характер частотної залежності е змінюють тільки фотони з енергіями ~ 2,15 еВ, водночас зменшуючи низькочастотну дисперсію, формуючи індуктивний відгук та спричиняючи найвище значення фото-ЕРС в напрямку кристалографічної осі С.

6. FeCl₃ - інтеркаляційне модифікування збільшує як активну поверхню активованого деревного вугілля, так і зсуває положення рівня Фермі в енергетичну область, що характеризується підвищеною густиною станів делокалізованих електронів. В результаті суттєво підвищується питома ємність та покращується кінетика процесів заряду - розряду подвійного електричного шару межі розділу з електролітом.

7. Виялені нові ефекти і явища забезпечують:

- широке практичне застосування сформованих наноструктур, як структур нового покоління для зчитування інформації з магнітних носіїв, високодобротних конденсаторів надвеликої ємності та електретних наногенераторів, параметрами яких можна керувати освітленням, магнітним та електричним полями;

-значне підвищення, порівняно з відомим транзистором Монсма, магніто-фазової чутливості і добротності, а також ефективності магнітної блокади спін-вентильних транзисторів та спінових блокаторів, причому для слабших полів і вищих температур з одночасною можливістю оптичного керування;

- майже трьохкратне зростання питомої ємності молекулярних накопичувачів енергії при FeCl₃ - інтеркаляційній модифікації структур з нанообмеженою геометрією та створення наногенераторів електричної енергії з ЕРС неперервного режиму, що майже у вісім разів перевищує відповідну величину для термогальванічного ефекту в SmS.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Покладок Н.Т. Структура и физические свойства селенида галлия, лазерно интеркалированного никелем / Н.Т. Покладок, И.И. Григорчак, Б.А. Лукиянец, Д.И. Попович // Физика твердого тела. - 2007. - Т. 49, № 4. - С. 681-684.

2. Pokladok N.T. Peculiarites of magnetoresistance in single cristals InSe and GaSe, laser intercalated by chrome / N.T. Pokladok I.I. Grygorchak, B.A. Lukiyanets, D.I. Popovych, R.I. Ripetskyy // Міжнародний науково-технічний журнал „Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології”. - 2008. - Т. 15, № 1. - С. 1141-18.

3. Покладок Н.Т. Гігантський магніторезистивний ефект в напівпровідниках з магнітоактивними нанопрошарками / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, Д.І. Попович, Я.М. Бужук, І.М. Будзуляк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2008. - Т. 6, № 1.- С. 9-16.

4. Покладок Н.Т. Гібридні мезо/нано масштабовані структури з почерговими напівпровідниковими і магнітоактивними зонами: формування та магніто-імпедансний відгук / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, Д.І. Попович // Фізична інженерія поверхні. - 2009. - Т. 7, № 1-2. - С. 60-68.

5. Покладок Н.Т.. Влияние магнитного поля на термодинамические и кинетические параметры интеркаляции селенида галлия никелем / Н.Т. Покладок, И.И.Григорчак // Журнал физической химии. - 2009. - Т. 83, № 3. - С. 575-579.

6.Покладок Н.Т. Интеркалатные структуры с д -топологической зоной чередующихся полупроводниковых и магнитоактивных нанослоев и их импедансное поведение в магнитном и электрическом поле / Н.Т. Покладок, И.И.Григорчак, Я.М. Бужук // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80, № 2. - С. 77-82.

7. Покладок Н.Т. Вплив фізико-хімічної модифікації активованого вугілля трихлоридом заліза на структуру і параметри подвійного електричного шару межі його розділу з електролітом / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, М.В. Матвіїв, Ю.О. Кулик, В.В. Мокляк // Фізика і хімія твердого тіла. - 2009. - Т. 10, № 4. - С. 889-895.

8. Покладок Н.Т Наноструктури GaSe<FeCl₃> з магніто впорядкованими „гостьовими” конфігураціями в температурному та електромагнітному полях / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, О.І. Григорчак, Ф.О. Іващишин, П.Й. Стахіра // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2010. - Т.1(7), № 4. - С. 68-78.

9. Покладок Н.Т. Вплив магнітного поля на термодинамічні та кінетичні параметри формування і фізичні властивості інтеркалатів Co_xGaSe / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, І.М. Будзуляк, Б.К. Остафійчук // Фізика і хімія твердого тіла. - 2010, - Т. 11, № 3. - С. 580-587.

10. Покладок Н.Т. /Вплив магнітного поля на термодинамічні та кінетичні параметри формування і фізичні властивості інтеркалатів Mn_xGaSe Н.Т. Покладок // Фізична інженерія поверхні. -2010. - Т. 8, № 2, - С. 155-160.

11. Покладок Н.Т. Спін-залежні кінетичні та поляризаційні процеси в наноструктурах з почерговими напівпровідниковими та магнітоактивними прошарками / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, Р.Й. Ріпецький, Я.М. Бужук, Ю.О. Кулик // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Серія: Електроніка. - 2006. -№ 558. - С.113-118.

12. Бахматюк Б.П. Влияние зарядового состояния катионов железа на кинетику процесса интеркаляции моноселенидов индия и галлия и физические свойства их интеркалатов / Б.П. Бахматюк., И.И. Григорчак, Н.Т. Покладок, Ю.О.Кулик // Восточно - европейский журнал передовых технологий. - 2006. - Т. 20, № 2/3. - С. 17-21.

13. Покладок Н.Т. Гігантський магніторезистивний ефект та його релакскція в сполуках інтеркалювання Mn_xGaSe / Покладок Н.Т., І.І. Григорчак, Д.І. Попович, Я.М. Бужук // Матеріали Міжнародної науково -практичної конференції “Структурна релаксація у твердих тілах”, 23 - 25 травня 2006р.: тези доп. - Вінниця, 2006. - С.122-124.

14. Бахматюк Б.П. Дослідження дифузії інтеркальованого заліза в моноселеніді індію з шаруватою кристалічною структурою / Б.П. Бахматюк, І.І. Григорчак, Н.Т. Покладок // П'ята наукова конференція професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук Національного університету “Львівська політехніка”, 5 - 6 жовтня 2006 р.: тези доп. - Львів, 2006. - С. 69.

15. I. Grygorchak Formation of nanosystems for higly capacity generating of energy and spintronic devices / I. Grygorchak, B.Lukiyanets, A. Pidluzhna, N. Pokladok, M. Matvijiv, I. Bordun // Proc. International workshop on nanostructured materials “Nanomat 2006”, 21 - 23 June 2006. - Antalya, Turkey, 2006. - P. 83.

16. Покладок Н.Т. Вплив FeCl₃ - інтеркаляційної модифікації нанопористого вугілля на структуру і властивості подвійного електричного шару межі його розділу з електролітом / Н.Т. Покладок, І.І. Григорчак, В.В. Мокляк // Матеріали ХІІ міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок та наносистем, 18 - 23 травня 2009 р.: тези доп. - Т.1. - Івано-Франківськ, 2009 - С. 435 - 437.

17. Заявка № а200907578. Україна. /Іоністор та спосіб його виготовлення. / І.І.Григорчак, Н.Т.Покладок, Г.В.Понеділок, Р.Я.Швець. Заявлено 20.07.2009. Опубл. Промислова власність № 7, 2010.

Размещено на Allbest.ru

...