Rezonansowe badania fotoemisyjne ferromagnetycznych warstw ZnCoO

Elżbieta Guziewicz 1Małgorzata I. Łukasiewicz 1Łukasz Wachnicki 1Krzysztof Kopalko 1Marek Godlewski 1,2

1. Polish Academy of Sciences, Institute of Physics, al. Lotników 32/46, Warszawa 02-668, Poland
2. Cardinal Stefan Wyszynski University, College of Science, Warszawa, Poland

Abstract

Półprzewodniki półmagnetyczne są ostatnio intensywnie badane w związku z nadzieją na zastosowania w spintronice. Wśród tych materiałów duże zainteresowanie budzi tlenek cynku z dodatkiem kobaltu. Dzieje się tak dlatego, że jony kobaltu Co2+ oraz cynku Zn2+ mają prawie identyczne promienie jonowe, dlatego możliwe jest wprowadzanie do tlenku cynku stosunkowo dużych ilości kobaltu. Ferromagnetyzm w temperaturze pokojowej dla warstw ZnCoO był opisywany już 10 lat temu [1], wciąż jednak trwają spory jakie jest jego pochodzenie. Część autorów wskazuje, że przyczyną ferromagnetyzmu w ZnCoO są defekty sieci [2], część wiąże go z wytrąceniami obcych faz, głównie tlenków kobaltu [3]. Cześć prac,

fig2.png fig1.png

fig3.pngRys. 1.Widma fotoemisyjne warstw ZnCoO. Widma mierzone były w maksimum (hν = 63 eV, pełne czarne kółka) oraz w minimum rezonansu ( hν= 58 eV, puste czarne kółka). Krzywe różnicowe ΔEDC = EDC(63 eV) – EDC(58 eV) pokazują wkład stanów Co3d do pasma walencyjnego.

w tym także nasze wcześniejsze badania [4], wskazuje, że przyczyną jest akumulacja metalicznego kobaltu w obszarze międzypowierzchni oraz wytrącenia metaliczne w warstwach.

Istnieje bardzo niewiele badań fotoemisji rezonansowej dotyczących układów ZnCoO. Brak też porównania wyników rozkładu stanów Co3d dla próbek ferro- i paramagnetycznych [5-6]. W naszej poprzedniej pracy [7] pokazywaliśmy wyniki badań paramagnetycznych warstw ZnCoO otrzymanych w niskiej temperaturze (160oC) metodą osadzania warstw atomowych (ang. Atomic Layer Deposition, ALD). Badania prowadzone metodą rezonansowej spektroskopii fotoemisyjnej (ang. Resonant Photoemission Spectroscopy, RESPES) pokazały, że wkład powłoki Co3d do pasma walencyjnego warstw ZnCoO jest różny dla próbek paramagnetycznych różniących się zawartością kobaltu. Dla badanych próbek ZnCoO największą intensywność fotoemisji z powłoki Co3d zaobserwowano dla warstwy zawierającej 3.5% Co oraz najwyższą zawartość wodoru. W tym przypadku nie zaobserwowano też struktury satelitarnej znajdującej się ok. 7 eV poniżej poziomu Fermiego, co oznacza, że stany Co3d są silnie związane ze stanami elektronowymi ligandów.

Prezentowane w tej pracy wyniki RESPES otrzymane zostały dla serii ferromagnetycznych warstw ZnCoO otrzymanych metodą ALD w temperaturach 200oC-300oC.Zawartość kobaltu w mierzonych warstwach wynosiła pomiędzy 2% a 19%. Badania fotoemisyjne zostały przeprowadzone w laboratorium synchrotronowym MAXlab (Szwecja) na linii pomiarowej I4. Fotoemisyjne krzywe rozkładu energetycznego (ang. Energy Distribution Curves, EDCs) mierzono dla energii fotonów bliskich rezonansowego przejścia Co3pCo3d. Dla tego obszaru energii fotonów (58 eV - 65 eV) obserwujemy zwiększoną intensywność fotoemisji z powłoki Co3d , co związane jest z interferencją pomiędzy dwoma ścieżkami fotoemisyjnymi opisywanymi następująco:

Co3p63d7 + hν → [Co3p53d8]* → Co3p63d6 + e

Co3p63d7+ hν → Co3p63d6+ e

Energię rezonansową przejścia określono jako 63 eV, natomiast antyrezonansową jako 58 eV [7]. Różnica pomiędzy widmami fotoemisyjnymi zmierzonymi dla energii rezonansowej oraz antyrezonansowej (ΔEDC = EDC(63 eV) – EDC(58 eV)) obrazuje wkład elektronów Co3d do struktury elektronowej pasma walencyjnego. Badania pokazały, że obliczone wkłady ΔEDC dla poszczególnych warstw ZnCoO różnią się pomiędzy sobą. Na podstawie analizy krzywych ΔEDC warstwy ZnCoO można podzielić na trzy grupy: i) warstwy, w których przy poziomie Fermiego wyraźnie widać wkład metalicznego kobaltu (rys. 1 a), ii) warstwy, w których następuje zmiana gęstości stanów macierzystego związku ZnO (krzywa antyrezonansowa 4.5 eV poniżej EF jest wyższa od krzywej rezonansowej), rys. 1 b, iii) warstwy ZnCoO, dla których wkład elektronów Co3d obserwowany jest pomiędzy 2 eV a 4 eV poniżej poziomu Fermiego (rys. 1c).

W przypadku żadnej z ferromagnetycznych warstw ZnCoO nie zaobserwowano struktury satelitarnej przy energii wiązania 7 eV. Ta ostatnia struktura obserwowana jest powszechnie w badaniach fotoemisyjnych paramagnetycznych warstw ZnCoO [5-6].

Podziękowania

Autorzy dziękują za finansowanie badań przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, poprzez grant Innovative Economy (POIG.01.01.02-00-008/08), Research Infrastructure Action w programie ramowym FP6 « Structuring the European Research Area » (Integrated Infrastructure Initiative “Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science”).

  1. Ueda, K., Tabata, H., Kawai, T., Appl. Phys. Lett. 79, 988 (2001)
  2. Coey, J.M.D., Wongsaprom, K., Alaria J., Venkatesan, M., J. Phys. D Appl. Phys. 41, 134012 (2008)
  3. Behan, A.J., Mokhtari, A., Blythe, H.J., Score, D., Xu, X-H., Neal, J.R., Fox, A.M., Gehring, G.A., Phys. Rev. Lett. 100, 047206 (2008)
  4. M. Godlewski, E. Guziewicz, M.I. Łukasiewicz, A.I. Kowalik, M. Sawicki, B.S. Witkowski, R. Jakieła, W. Lisowski, J.W. Sobczak, and M. Krawczyk, phys. stat. sol.(b) (in print, DOI 10.1002/pssb.201001142)
  5. Wi, S.C., Kang, J.-S., Kim, J.H., Cho, S.-B., Kim, B.J., Yoon, S., Suh, B.J., Han, S.W., Kim, K.H., Kim, K.J., Kim, B.S., Song, H.J., Shin H.J., Shim, J.H., Min, B.I., Appl. Phys. Lett. 84, 4233 (2004)
  6. Kobayashi, M., Ishida, Y., Hwang, J.I., Mizokawa, T., Fuijmori, A., Mamiya, K., Okamoto, J., Takeda, Y., Okane, T., Saitoh, Y., Muramatsu, Y., Tanaka, A., Saeki, H., Tabata, H., Kawai, T., Phys. Rev. B72, 201201(R) (2005)
  7. E. Guziewicz, M.I. Lukasiewicz, L. Wachnicki, K. Kopalko, A. Kovacs, R.E. Dunin-Borkowski, B.S. Witkowski, B.J. Kowalski, J. Sadowski, M. Sawicki, R. Jakiela, M. Godlewski, Rad. Phys. Chem. 2011 (doi:10.1016/j.radphyschem.2011.05.004)

 

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. Resonant photoemission study of Sm atoms on ZnO surface
  11. Mangan w warstwach ZnMnO hodowanych metodą osadzania warstw atomowych
  12. Lokalne otoczenie atomów kobaltu w cienkich warstwach ZnCoO
  13. Contactless electroreflectance of ZnSe layers grown by atomic layer epitaxy
  14. Electrical and optical properties of zinc oxide layers obtained by Atomic Layer Deposition
  15. Zinc oxide grown by Atomic Layer Deposition - a material for novel 3D electronics
  16. Dimethylzinc and diethylzinc as precursors for monocrystalline zinc oxide grown by Atomic Layer Deposition
  17. Thin films of ZnS and ZnSe by Atomic Layer Deposition for light sensor applications
  18. Photovoltaic cells based on nickel phthalocyanine and zinc oxide formed by atomic layer deposition
  19. Effects related to deposition temperature of ZnCoO films grown by Atomic Layer Deposition – uniformity of Co distribution, structural, electric and magnetic properties
  20. Effect of annealing on the structure and microstructure of Pr doped ZrO2-Y2O3 nanocrystals
  21. Synthesis of doped ZnO nanopowders in microwave hydrothermal reactors
  22. Synthesis of Al doped ZnO nanopowders and their enhanced luminescence
  23. How we can stimulate intra-shell emissions of rare earth and transition metal ions in thin films and in nanoparticles
  24. ZnO thin films for organic/inorganic heterojunctions
  25. Combining microwave and pressure techniques for hydrothermal synthesis of ZnO and ZrO2 nanopowders doped with a range of metal ions
  26. Luminescence properties of zinc oxide nanopowders doped with Al ions obtained by the hydrothermal and vapour condensation methods.
  27. Gd atoms on Si (111) surface – AFM and photoemission study
  28. Wide band-gap II-VI semiconductors for optoelectronic applications
  29. ZnO homoepitaxial growth by Atomic Layer Epitaxy technique.
  30. Low temperature ZnMnO by ALD
  31. ZnMnO Films grown by Atomic Layer Deposition with uniform Mn distribution
  32. Effect of annealing on electrical properties of low temperature ZnO films
  33. Doping of ZnO nanopowders with Mn, Ni and Cr In an ultrasound and microwave driver hydrothermal reaction
  34. Time-resolved ODMR investigations of II-VI based DMS heterostructures
  35. Method of Manganese co-doping of LT ZnO films
  36. Photoluminescence of ZnO films studied by femptosecond sapphire:Ti laser
  37. Effect of the Annealing Atmosphere on the Quality of ZnO Crystal Surface
  38. Two color spectroscopy of ZnSe:Cr
  39. Photo-EPR studies of charge tunneling processes in CdxZn(1-x)Se:Fe,Cr (0 ≤ x ≤ 0.3) crystals
  40. Luminescence of CdMnTe Crystals in Magnetic Field
  41. Luminescence of doped nanoparticles of wide band gap II-VI compounds
  42. Doping of ZnO nanopowders with Mn and Cr in an ultrasound and microwave driven hydrothermal reaction
  43. Growth and characterization of thin films of ZnO by Atomic Layer Epitaxy
  44. Dynamics of spin interactions in II-Mn-VI semiconductors studied with time-resolved optically detected magnetic resonance
  45. Influence of n-type doping on light emission properties of GaN layers and GaN-based quantum well structures
  46. Fe photoionization transition in ZnSSe:Fe crystals - photo-ESR studies
  47. In-depth and in-plane profiling of InGaN-based laser diodes and heterostructures
  48. Cathodoluminescence study of n-type doped GaN epilayers and GaN/InGaN quantum well structures
  49. Compensation mechanisms in magnesium doped GaN
  50. Optical and magnetic resonance investigations of ZnO crystals doped with transition metal ions
  51. Optical and ODMR study of GaN-based HEMT structures
  52. Photo-ESR and optical studies of Cr photoionization transition in CdZnSe:Cr crystals
  53. Luminescent properties of wide bandgap materials at room temperature
  54. Mn doped ZnTe (110) (1x1) surface in Resonant Photoemission study

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

Submitted: 2011-06-19 01:18
Revised:   2011-09-19 21:21