Необычное ферромагнитное поведение эпитаксиальных пленок SnO₂ с имплантированной примесью кобальта

Авторы: Р.И. Хайбуллин¹*, В.В. Базаров¹, Е.М. Бегишев¹, В.Ф. Валеев¹, И.Р. Вахитов^1,2, А.И. Гумаров^1,2, А.Л. Зиннатуллин^1,2, В.И. Нуждин^1,2, А.Г. Киямов ^1.2, Н.М. Лядов^1,2, А.А. Суханов¹, И.А. Файзрахманов¹

С целью получения магнитного полупроводника на основе диоксида олова (SnO₂) для спинтроники впервые проведены эксперименты по имплантации ионов Co⁺ с энергией 40 кэВ в тонкие эпитаксиальные пленки SnO₂ с дозами более, чем 3.0×10¹⁶ ион/см². Показано, что высокодозной имплантация кобальта вызывает значительные изменения в микроструктуре пленок SnO₂ (формированию наночастиц и твердого раствора примеси кобальта, рис.1a) и приводит к явлению ферромагнетизма с температурой Кюри выше комнатной. Установлено сильное влияние температуры подложки во время имплантации, а также среды последующего отжига (на воздухе или в вакууме) на элементно-фазовый состав и магнитные свойства имплантированных пленок SnO₂. Наблюдаемый ферромагнетизм проявляет ряд особенностей. Первое, необычно высокие значения коэрцитивного поля (H_c ≥ 2500 Э) в случае имплантации при комнатной температуре. Напротив, коэрцитивность пленок, имплантированных при повышенной температуре подложки, существенно ниже (рис. 1b). Второе, как петли магнитного гистерезиса, так и спектры ферромагнитного резонанса в низкокоэрцитивных образцах проявляют слабую out-of-plane угловую зависимость, что не типично для тонких магнитных пленок. Третье, сильное химическое воздействие этанола на магнетизм и спектры ФМР и четвёртое это спад намагниченности (рис.1c) и исчезновение сигналов ФМР с понижением температуры, что не обычно для ферромагнетизма в целом.

Рис. 1. Микроструктура (a) и магнитные свойства (b, c) пленок SnO₂, имплантированных ионами кобальта с дозой 1.0×10¹⁷ ион/см² при комнатной (a,b) или повышенной (b,c) температуре подложки.

Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 22-19-00712 (рук. Хайбуллин Р.И.)