Lokalne otoczenie atomów kobaltu w cienkich warstwach ZnCoO

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

Wśród materiałów na bazie ZnO do zastosowań spintronicznych, ZnCoO wzbudza największe zainteresowanie i najwięcej kontrowersji. Jest to niewątpliwie jeden z najszerzej badanych, a jednocześnie najmniej rozumianych materiałów spintronicznych. Choć faza ferromagnetyczna (FM) w temperaturze pokojowej ZnCoO była raportowana już w roku 2001 [1], natura fazy FM jest ciągle niewyjaśniona [2]. Wiązano ją z występowaniem: (i) defektów sieci ZnO [3]; (ii) wytrąceń obcych faz (na przykład CoO) [4]; (iii) wytrąceń metalicznych kobaltu [5]; (iv) niesparowanych spinów na granicy obszarów ZnCoO o wyższej zawartości kobaltu [6]. Wytrącenia te mogą mieć rozmiary rzędu kilku nanometrów, dlatego są trudne do wykrycia metodami konwencjonalnymi. Techniką doskonale nadającą się do tego typu badań jest rentgenowska spektroskopia absorpcyjna. Jej postawową zaletą jest selektywność pierwiastkowa oraz duża czułość - badania można przeprowadzać nawet dla niewielkiej koncentracji danego pierwiastka. Techniki XANES - bliskokrawędziowa (X-ray near edge fine structure) oraz EXAFS - rozciągnięta struktura subtelna (extended X-ray absorption fine structure) absorpcji pozwalają na zbadanie otoczenia lokalnego danego pierwiastka.

 

Wolska1.png

Rysunek 1. XANES na krawędzi K Co dla przykładowych próbek różniących się otoczeniem atomów kobaltu.

Cienkie warstwy ZnCoO prezentowane w tej pracy wykonane zostały metodą osadzania warstw atomowych, ALD (atomic layer deposition). Użycie tej unikatowej metody technologicznej umożliwiło osadzanie warstw ZnCoO o wysokiej jednorodności rozkładu kobaltu. Badane były warstwy o koncentracji Co od około jednego do kilkunastu procent. Ich własności magnetyczne zmieniały się od paramagnetyzmu do ferromagnetyzmu.

 

Wolska2.png

Rysunek 2. Wynik dopasowania modelu teoretycznego do widma eksperymentalnego. Wszystkie atomy Co wbudowują się w strukturę ZnO w pozycje cynku.

Pomiary absorpcji promieniowania synchrotronowego zostały przeprowadzone w laboratorium Hasylab na stacji Cemo. Wykonano pomiary widm XANES i EXAFS na krawędzi K kobaltu na próbkach schłodzonych do temperatury ciekłego azotu i przy użyciu detektora fluorescencyjnego. Dodatkowo metodą transmisyjną zmierzono widma komercyjnych proszków CoO, Co3O4 oraz cienkiej folii Co. Uzyskane dane były analizowane przy pomocy programów Athena i Artemis wchodzących w skład pakietu IFEFFIT [7].

 

Wolska3.png

Rysunek 3. Wynik dopasowania modelu teoretycznego do widma eksperymentalnego. Część atomów Co wbudowuje się w strukturę ZnO w pozycje cynku, reszta tworzy wydzielenia kobaltu metalicznego widoczne jako dodatkowy pik w odległości ok. 2.1 Å.

Widma XANES zmierzonych próbek można podzielić na dwie grupy. Na rysunku 1 grupę pierwszą reprezentuje próbka F175, zaś drugą próbka F328. Prepik w pozycji 7709 eV w widmie próbki F175 odpowiada przejściom 4p do 3d i wskazuje na symetrię tetraedryczną. [8] Można stąd wnioskować, że w przypadku grupy pierwszej, atomy kobaltu najprawdopodobniej wbudowane są w strukturę ZnO podstawiając Zn. Główna różnica pomiędzy widmami obu próbek leży w intensywności pików, nie w różnicy ich położenia. Wskazuje to na to, że w próbkach grupy drugiej również dominuje Co w pozycji podstawieniowej, ale obecna jest także druga, inna faza.

Wnioski te potwierdza analiza widm EXAFS. Transformaty Fouriera dla obu próbek różnią się znacząco. Widmo próbki F175 można dopasować przy pomocy modelu ZnO, gdzie atomy Co wbudowują się w pozycje cynku. Natomiast w widmie próbki F328 pojawia się dodatkowy pik w odległości ok. 2.1 Å. Odpowiada on wydzieleniom kobaltu metalicznego. Dopasowanie uwzględniające oba modele pokazuje, że część atomów Co wbudowuje się w strukturę ZnO w pozycje cynku, reszta zaś tworzy wydzielenia kobaltu metalicznego.

Porównanie wyników absorpcji z własnościami magnetycznymi badanych warstw pokazało wyraźne korelacje. Silny ferromagnetyzm obserwowany jest tylko dla próbek z wydzieleniami metalicznego kobaltu.

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.

Literatura

[1] K. Ueda, H. Tabata, T. Kawai, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 988.

[2] A. Ney, et al. Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 157201.

[3] J. M. D. Coey, K. Wongsaprom, J. Alaria, M. Venkatesan, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 134012.

[4] A. J. Behan, et al., Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 047206.

[5] J.H. Park, M.G. Kim, H.M. Jang, S. Ryu, Y.M. Kim, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1338.

[6] A. Bonanni and T, Dietl, Chemical Society Reviews 39 (2010) 528.

[7] B. Ravel and M. Newville, J. Synchrotron Rad. 12 (2005) 537.

[8] R. Djenadic, G. Akgul, K. Attenkofer, M. Winterer J. Phys. Chem. C 114 (2010) 9207.

 

 

Related papers
  1. Nanoparticles for medical imaging 
  2. The effect of annealing on properties of Europium doped ZnO nanopowders obtained by a microwave hydrothermal method
  3. Microwave conductivity of ZnO:Co and ZnO:Cu thin films with nano-size metallic Co/Cu inclusions.
  4. Tb3+ ion luminescence enhancement in yttria host lattice obtained via microwave hydrothermal process
  5. Quantum semiconductor nanostructures for applications in biology and medicine -development and commercialisation of new generation devices for molecular diagnostics on the basis of new Polish semiconductor devices
  6. Electronic and optical properties – As and As+Sb doped ZnO grown by PA-MBE
  7. Hydrothermal growth of ZnO nanorods for solar cells applications
  8. Epitaxial growth and characterization of zinc oxide nanorods obtained by the hydro-thermal method
  9. Growth of zinc oxide and dielectric films using Atomic Layer Deposition method from organic precursors
  10. Absorpcja promieniowania synchrotronowego kluczem do tajemnic nanoświata
  11. Rezonansowe badania fotoemisyjne ferromagnetycznych warstw ZnCoO
  12. Resonant photoemission study of Sm atoms on ZnO surface
  13. Location of metals in ZnO electrospined nanofibers
  14. Mangan w warstwach ZnMnO hodowanych metodą osadzania warstw atomowych
  15. Can we control the process of room temperature ferromagnetic clusters formation in GaMnAs matrix?
  16. Struktura nowych kompleksów miedzi(II) i cynku(II) z pochodnymi benzofuranu – badania z wykorzystaniem absorpcji i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego
  17. Optimization of technology for contact metallization in electronic devices - XRD and EXAFS studies
  18. Contactless electroreflectance of ZnSe layers grown by atomic layer epitaxy
  19. Electrical and optical properties of zinc oxide layers obtained by Atomic Layer Deposition
  20. Zinc oxide grown by Atomic Layer Deposition - a material for novel 3D electronics
  21. Dimethylzinc and diethylzinc as precursors for monocrystalline zinc oxide grown by Atomic Layer Deposition
  22. Thin films of ZnS and ZnSe by Atomic Layer Deposition for light sensor applications
  23. Photovoltaic cells based on nickel phthalocyanine and zinc oxide formed by atomic layer deposition
  24. Effects related to deposition temperature of ZnCoO films grown by Atomic Layer Deposition – uniformity of Co distribution, structural, electric and magnetic properties
  25. Localization of rare-earth dopants in the lattice of nanocrystalline ZrO2 - EXAFS study
  26. Effect of annealing on the structure and microstructure of Pr doped ZrO2-Y2O3 nanocrystals
  27. Phase composition study of natural minerals used as a source of white pigment production
  28. Synthesis of doped ZnO nanopowders in microwave hydrothermal reactors
  29. Synthesis of Al doped ZnO nanopowders and their enhanced luminescence
  30. How we can stimulate intra-shell emissions of rare earth and transition metal ions in thin films and in nanoparticles
  31. ZnO thin films for organic/inorganic heterojunctions
  32. Combining microwave and pressure techniques for hydrothermal synthesis of ZnO and ZrO2 nanopowders doped with a range of metal ions
  33. Luminescence properties of zinc oxide nanopowders doped with Al ions obtained by the hydrothermal and vapour condensation methods.
  34. Gd atoms on Si (111) surface – AFM and photoemission study
  35. Electronic structure of Mn atoms in (Ga,Mn)As layers modified by high temperature annealing
  36. Identification of Mg based phases in ilmenites by X-ray absorption spectroscopy
  37. Wide band-gap II-VI semiconductors for optoelectronic applications
  38. Influence of high temperature annealing on the local atomic structure around Mn atoms and magnetic properties of (Ga,Mn)As layers
  39. Low temperature ZnMnO by ALD
  40. ZnMnO Films grown by Atomic Layer Deposition with uniform Mn distribution
  41. Effect of annealing on electrical properties of low temperature ZnO films
  42. Doping of ZnO nanopowders with Mn, Ni and Cr In an ultrasound and microwave driver hydrothermal reaction
  43. Time-resolved ODMR investigations of II-VI based DMS heterostructures
  44. Method of Manganese co-doping of LT ZnO films
  45. Photoluminescence of ZnO films studied by femptosecond sapphire:Ti laser
  46. Two color spectroscopy of ZnSe:Cr
  47. Photo-EPR studies of charge tunneling processes in CdxZn(1-x)Se:Fe,Cr (0 ≤ x ≤ 0.3) crystals
  48. Luminescence of CdMnTe Crystals in Magnetic Field
  49. Luminescence of doped nanoparticles of wide band gap II-VI compounds
  50. Doping of ZnO nanopowders with Mn and Cr in an ultrasound and microwave driven hydrothermal reaction
  51. The single particles approach of x-ray miroanalysis for estimation a phase composition of altered ilmenite used in pigments production
  52. Growth and characterization of thin films of ZnO by Atomic Layer Epitaxy
  53. Dynamics of spin interactions in II-Mn-VI semiconductors studied with time-resolved optically detected magnetic resonance
  54. Influence of n-type doping on light emission properties of GaN layers and GaN-based quantum well structures
  55. Fe photoionization transition in ZnSSe:Fe crystals - photo-ESR studies
  56. In-depth and in-plane profiling of InGaN-based laser diodes and heterostructures
  57. Cathodoluminescence study of n-type doped GaN epilayers and GaN/InGaN quantum well structures
  58. Compensation mechanisms in magnesium doped GaN
  59. Optical and magnetic resonance investigations of ZnO crystals doped with transition metal ions
  60. Optical and ODMR study of GaN-based HEMT structures
  61. Photo-ESR and optical studies of Cr photoionization transition in CdZnSe:Cr crystals
  62. Luminescent properties of wide bandgap materials at room temperature

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

Submitted: 2011-05-30 14:55
Revised:   2011-09-15 23:02