Document
Defects and magnetic properties in Mn-implanted 3C-SiC
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2008
Language
English
English abstract
Abstract
The effect of structural and chemical disorder on magnetism of Mn-implanted single 3C-SIC(100) and polycrystalline 3C-SiC(111) is investigated experimentally using Rutherford backscattering channeling spectroscopy (RBS/C), X-ray diffraction (XRD), micro-Raman spectroscopy (URS) and magnetometry; and theoretically using ab-initio calculations. Single 3C-Siç epilayer on Si(001) was implanted at room temperature with Mn ions at 80 keV at a dose of 5x1018 cm?. RBS data shows the formation of a highly disordered implanted layer of ~45 nm with a peak Mn atomic concentration of ~1.8% randomly distributed, in agreement with SRIM simulation. The experimental results of magnetic moment per Mn are interpreted by assuming that the implanted layer consists of two respective main regions C-rich and Si-rich as reflected by the presence of a graphitic phase, in which the local atomic environements of Mn is essentially C. Annealing seems to favor Mn substitution into Si sites indicated by the substantial expansion of the lattice constant due to larger covalent Mn radius and high local tensile strain as observed by XRD and URS, respectively. The temperature dependence of magnetization shows an insulating-like character for the as-implanted film and metallic-like for the annealed-implanted film with Curie temperature above room temperature. In addition, the magnetic moment per Mn increases strongly with annealing from 0.23 to 0.65ub. For the polycrsyalline film, different trends have been observed for the implantation and annealing-induced diffusion process. By contrast to single film, the graphitic phase in the as-implanted poly film was found to grow larger and the magnetism was also reduced due to annealing. The experimental interpretation is supported by our ab-initio calculations showing that magnetism in Mn-doped 3C-SiC can be enhanced by carefully growing a structure with Mn in Si sites using C-deficient single SiC host, possibly resulting in localized magnetic interactions.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
الخلاصة
في هذا البحث تم التحقق تجريبيا من تأثير الاختلال التركيبي و الاختلال الكيميائي على المغناطيسية الناشئة من تطعيم المنجنيز في أحادي البللورة التكعيبية لكربيد السيليكون ( 3c SiC ) بتوجيه (100) و متعددة البللورة التكعيبية بتكيف (111) باستخدام جهاز (RBS / C ), جهاز حيود الأشعة السينية (XRD) و (RS) و كذلك باستخدام جهاز قياس المغناطيسية كما تم التحقق نظريا من هذا التأثير باستخدام ما يعرف بحسابات (
ab - initio calculations). لقد تمت عملية تطعيم المنجنيز لطبقات أحادي البللورة التكعيبية المرسخة على
السيليكون بتوجيه في درجة حرارة الغرفة باستخدام طاقة تعادل (keV 80) و بجرعة تعادل(5x105 cm )
أوضحت البيانات المتحصل عليها من RBS بتكون اضطراب كبير في المنطقة المطعمة بعمق (mm
45), مع تركيز ذري للمنجنيز يقارب 1 . 8 % موزع بشكل عشوائي. هذه البيانات تتفق مع النتائج المتحصل عليها من نظام محاكاة يعرف ب (SRIM). تفسير النتائج التجريبية للعزم المغناطيسي لكل ذرة منجنيز تم بافتراض أن الطبقة المطعمة تحتوي على منطقتين رئيسيتين متواليتين ألا و هما منطقة غنية بالكربون و منطقة غنية بالسليكون و هذا ما تم عکسه بوجود الطور الجرافيتي, حيث أن البيئة الذرية المحلية للمنجنيز هي الكربون. يبدو أن عملية التسخين للعينات أدت إلى تفضيل المنجنيز لإحلال مواقع السيليكون و هذا ما دل عليه تمدد معامل الشبيكة للبلورة بسبب كبر نصف قطر ذرات المنجنيز المرتبطة تساهميا و ظهور التوتر الإنفعالي الملاحظ بواسطة نتائج ال ( MRS ) , ( XRD ). أظهرت نتائج اعتماد درجة الحرارة على المغنطة وجود خاصيتين: الأولى هي شبيه العازل للعينة المطعمة فقط و شبيه المعدن العينات المطعمة و المعرضة لعملية تسخين. كما كشفت هذه النتائج أن درجة حرارة كوري اعلى من درجة حرارة الغرفة. بالاضافة إلى ذلك فإن العزم المغناطيسي للمنجنيز ازداد بقوة بعد عملية التسخين من (مير 0
. 23) إلى ( nر 0 . 65), أما عينة البللورة التكعيبية المتعددة أظهرت ميل مختلف لعملية التطعيم و عملية التسخين المولدة للانتشار, خلافا لأحادي البللورة التكعيبية وجد أن الطور الجرافيتي للعينة المطعمة المتعددة البللورات ينمو بشكل أكبر, كما أن المغناطيسية تناقصت بفعل عملية التسخين. " دعما لتفسير النتائج المتحصل عليها تجريبيا, تم استخدام حسابات (initio calculations- ab) التي أظهرت أن المغناطيسية لعينات البللورة التكعيبية لكربيد السيليكون المطعمة بالمنجنيز يمكن أن يحسن بزرع حذر لبناء المنجنيز في مواقع السليكون باستخدام نقص الكربون في أحادي البللورة لكربيد السيليكون المضيفة التي من الممكن أن تؤدي إلى تفاعلات مغناطيسية محلية.
في هذا البحث تم التحقق تجريبيا من تأثير الاختلال التركيبي و الاختلال الكيميائي على المغناطيسية الناشئة من تطعيم المنجنيز في أحادي البللورة التكعيبية لكربيد السيليكون ( 3c SiC ) بتوجيه (100) و متعددة البللورة التكعيبية بتكيف (111) باستخدام جهاز (RBS / C ), جهاز حيود الأشعة السينية (XRD) و (RS) و كذلك باستخدام جهاز قياس المغناطيسية كما تم التحقق نظريا من هذا التأثير باستخدام ما يعرف بحسابات (
ab - initio calculations). لقد تمت عملية تطعيم المنجنيز لطبقات أحادي البللورة التكعيبية المرسخة على
السيليكون بتوجيه في درجة حرارة الغرفة باستخدام طاقة تعادل (keV 80) و بجرعة تعادل(5x105 cm )
أوضحت البيانات المتحصل عليها من RBS بتكون اضطراب كبير في المنطقة المطعمة بعمق (mm
45), مع تركيز ذري للمنجنيز يقارب 1 . 8 % موزع بشكل عشوائي. هذه البيانات تتفق مع النتائج المتحصل عليها من نظام محاكاة يعرف ب (SRIM). تفسير النتائج التجريبية للعزم المغناطيسي لكل ذرة منجنيز تم بافتراض أن الطبقة المطعمة تحتوي على منطقتين رئيسيتين متواليتين ألا و هما منطقة غنية بالكربون و منطقة غنية بالسليكون و هذا ما تم عکسه بوجود الطور الجرافيتي, حيث أن البيئة الذرية المحلية للمنجنيز هي الكربون. يبدو أن عملية التسخين للعينات أدت إلى تفضيل المنجنيز لإحلال مواقع السيليكون و هذا ما دل عليه تمدد معامل الشبيكة للبلورة بسبب كبر نصف قطر ذرات المنجنيز المرتبطة تساهميا و ظهور التوتر الإنفعالي الملاحظ بواسطة نتائج ال ( MRS ) , ( XRD ). أظهرت نتائج اعتماد درجة الحرارة على المغنطة وجود خاصيتين: الأولى هي شبيه العازل للعينة المطعمة فقط و شبيه المعدن العينات المطعمة و المعرضة لعملية تسخين. كما كشفت هذه النتائج أن درجة حرارة كوري اعلى من درجة حرارة الغرفة. بالاضافة إلى ذلك فإن العزم المغناطيسي للمنجنيز ازداد بقوة بعد عملية التسخين من (مير 0
. 23) إلى ( nر 0 . 65), أما عينة البللورة التكعيبية المتعددة أظهرت ميل مختلف لعملية التطعيم و عملية التسخين المولدة للانتشار, خلافا لأحادي البللورة التكعيبية وجد أن الطور الجرافيتي للعينة المطعمة المتعددة البللورات ينمو بشكل أكبر, كما أن المغناطيسية تناقصت بفعل عملية التسخين. " دعما لتفسير النتائج المتحصل عليها تجريبيا, تم استخدام حسابات (initio calculations- ab) التي أظهرت أن المغناطيسية لعينات البللورة التكعيبية لكربيد السيليكون المطعمة بالمنجنيز يمكن أن يحسن بزرع حذر لبناء المنجنيز في مواقع السليكون باستخدام نقص الكربون في أحادي البللورة لكربيد السيليكون المضيفة التي من الممكن أن تؤدي إلى تفاعلات مغناطيسية محلية.
Category
Theses and Dissertations
File size
3.25 MB
0
0
