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.

 

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. Can we control the process of room temperature ferromagnetic clusters formation in GaMnAs matrix?
  15. Struktura nowych kompleksów miedzi(II) i cynku(II) z pochodnymi benzofuranu – badania z wykorzystaniem absorpcji i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego
  16. Optimization of technology for contact metallization in electronic devices - XRD and EXAFS studies
  17. Lokalne otoczenie atomów kobaltu w cienkich warstwach ZnCoO
  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: 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