«Изучение влияния слабых магнитных полей на основе структуры ni/пдф» - Дипломная работа

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 2

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Ферромагнетики 5

1.2. Спин 10

1.3. Проводимость. 11

1.4. Полимеры с широкой запрещенной зоной 13

1.5. Полидифениленфталид (ПДФ) 14

1.6. Влияние магнитного поля на резистивные свойства наноструктур 16

1.7. Магнитные свойства тонких пленок 18

Глава 2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ЭФФЕКТОВ

2.1. Объект исследования 22

2.2. Метод нанесения полимерных слоев 22

2.3. Блок-схема эксперимента 23

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Переключение проводимости 25

3.2. Анализ полученных данных 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30

ЛИТЕРАТУРА 31

Введение

О влиянии магнитного поля (МП), на свойства “магнитных” материалов (магнитоупорядоченных, в строгой терминологии) известно давно, сегодня оно находит последовательное объяснение в рамках квантовой теории магнетизма.

В последние годы появились сообщения о таких необычных свойствах, которые проявляются на границе раздела ферромагнетик-немагнитного слоя. И немагнитный материал мог быть как неорганический полупроводник и органический полимер. Существует гигантское магнитосопротивление (ГМС) на этой границе. Этот эффект представляет большой интерес с практической точки зрения, потому что это достигнуто при комнатной температуре, магнитные поля являются относительно небольшими, и величину изменения сопротивления является большим: для органических полимеров, достигает рекордных значений - до 106 раз.

Неорганические материалы характеризуются сравнительно небольшим временем релаксации спина, органических время релаксации спина гораздо больше. Но у них есть недостатки: малая концентрация носителей заряда и их низкой подвижностью, которая приводит к небольшим значениям электрического тока, которым можно управлять и малому изменению сопротивления в магнитном поле. Это связано с особенностями электронной подсистемы сопряженных органических веществ. В определенном классе несопряженных полимерных материалов, тонких пленок показывают высокий уровень электропроводности и подвижности носителей заряда, которые сопоставимы с параметрами хороших неорганических полупроводников. Электрической проводимостью материала можно управлять, воздействуя на них, например, электрическим полем, давлением, изменяя условия на контакте металл-полимер. Один из этих представителей полидифениленфталид (ПДФ), обладающий несопряженной системой валентных - электронов и нетипичными для диэлектриков электронными характеристиками. Одной из главных проблем, ограничивающих развитие исследований проводимости полимеров, является отсутствие адекватной физической модели.

Экспериментальное изучение природы переноса заряда в этих структурах, металл/полимер с несопряженным органическим материалом, таких как транспорт под действием магнитного поля, особенно слабого, представляет большой интерес для фундаментальной науки и для перспектив практического применения.

Цель работы:

Исследовать магниторезистивные явления структуры ферромагнетик-полимер в слабом магнитном поле.

Задачи:

1. Получить исходные образцы ферромагнитных подложек с собственным механическим напряжением на границе раздела ферромагнетик-полимер.

2. Исследовать влияние слабых магнитных полей для наблюдения эффекта электронного переключения проводимости совместно с добавочным механическим давлением.

3. Исследовать возможность переключения проводимости в магнитном поле, с системе Ni-полимер-Cu, путем изменения величины разности потенциалов на сэндвич - структуре, не применяя добавочное механическое давление.

Анализируя результаты исследований электронных свойств системы полимер-ферромагнетик в слабом магнитном полем можно предположить существование возможности влияния на величину магнитного поля, который приводит к изменению проводимости в системе Ni-полимер-Cu, путем изменения величины разности потенциалов на сэндвич - структуре, не применяя добавочное механическое давление.

Выдержка из текста работы

Глава 2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ЭФФЕКТОВ

2.1. Объект исследования

В качестве полимерного материала использовался полидифениленфталид (ПДФ). Исследования проводились на системе, состоящей из поликристаллической никелевой ферромагнитной подложки, с нанесенной на нее полимерной пленкой. В качестве немагнитного электрода использовалась медная напыленная пленка (прижимной контакт). Внешнее поле не превышало 0,5 с Тл. Полимерная пленка толщиной примерно 0,8 мкм была изготовлена методом центрифугирования на поверхности ферромагнитного электрода из пятипроцентного раствора полимера в циклогексаноне.

2.2. Метод нанесения полимерных слоев

Полимерные слои были сделаны методом центрифугирования. Для образцов спинового вентиля стеклянную подложку очищали от загрязнений и этиловым спиртом и помещали в ультразвуковую ванну в течение 2 минут для окончательной очистки в дистиллированной воде. На очищенную стеклянную подложку наносились электроды методом термодиффузионного напыления. После этого экспериментального образца наносилось небольшое количество раствора полимера (в качестве растворителя использовался циклогексанон) с помощью автоматической пипетки переменного объема (Biotech), а затем помещается в центрифугу, в течение 2-4 минут для равномерного распределения полимера при скорости вращения 1500 об/мин.

Для асимметричного образца массивную подложку (поликристаллический Ni) очищали от загрязнений толуолом, а затем протирали поверхность этиловым спиртом и только после помещали в ультразвуковую ванну.

Затем, подложка с полимером сушилась на воздухе при комнатной температуре в течение 15 до 20 минут, а затем был помещен в сушильный шкаф на 40 минут при температуре 150ºC для полного удаления остатков растворителя. Согласно работе после такой процедуры в полимерной пленке остается не более 1% растворителя. Толщина полимерной пленок приходится 70 нм 75 нм, 80 нм 100 нм и были измерены с помощью профилометра контактного -130 с погрешностью измерения 8 нм.

2.3. Блок-схема эксперимента

Рис.6. Блок-схема эксперимента. 1 - вольтметры; 2 - источники питания; 3 - эталонное сопротивление; 4 - обкладки магнита; 5 - измерительная ячейка; 6 - измеритель магнитной индукции; 7 – держатель образца в магнитном поле.

На рисунке 6 представлена блок-схема эксперимента. Многослойный пленочный образец 5, приклеенный на рабочем столе, располагался между полюсами магнита 4. К столику припаивались провода, которые подсоединялись к измерительным приборам. Электрическое напряжение подается на образец стабильного источника питания 2. Балластное сопротивление (Rбал=200 кОм) был использован для ограничения тока через образец. Измеряемый сигнал подавался на регистрационный вольтметр 1 с эталонного сопротивления.

Крепление образца происходило на полюсе магнита (направление поля параллельно плоскости структуры).

Рис. 7 Экспериментальная установка для исследования электронных свойств системы фыерромагнетик-полимер в слабом магнитном поле.

При исследовании применялись следующие приборы:

1. Вольтметр Agilent 34401A 61/2 Digit Multimeter,

2. Источник питания для приставки Gw Instek PSM – 6003,

3. Источник питания для магнита Agilent Technologies N 5752A 600v/1,3A. 780w.

Заключение

1. В настоящей работе продемонстрирована возможность электронного переключения проводимости структуры Ni/ПДФ во внешнем магнитном поле при воздействии добавочного механического давления.

2. Показана возможность частичного электронного переключения проводимости структуры Ni/ПДФ во внешнем магнитном поле при воздействии предпорогового электрического напряжения.

3. На полученных структурах типа Ni/ПДФ не удалось получить полного, обратимого от диэлектрического до квазиметаллического состояния электронного переключения проводимости во внешнем магнитном поле при воздействии предпорогового электрического напряжения. Это объясняется технологическими проблемами при нанесении полимерного слоя.

Список литературы

1. Baibich M.N., Broto J.M., Fert A. et al. // Phys. Rev. Lett. 1988. V.61. P.2472-2475.

2. Лачинов А.Н., Воробьева Н.В., Лачинов А.А. « Особенности гигантского магнетосопротивления в системе ферромагнетик-полимер», Письма в ЖЭТФ – том 84, вып. 11, C. 720-722.

3. Коршак Ю.В., Овчинников А.А., Шапиро А.М., Медведева Т.В., Спектор В.Н. Органический полимерный ферромагнетик // Письма в ЖЭТФ. – 1986. – Т. 43, № 6. – С. 309-311.

4. В.Гуляев, П.Е.Зильберман, Э.М.Эпштейн «Природа», №5, 2007.

5. Seki T. et al. Nature Mater. 7 125 (2008).

6. Ramos A.V. et al. Appl. Phys. Lett. 91 122107 (2007).

7. Wang F., Vardeny Z.V. Recent advances in organic spin-valve devices // Synth. Met. –2010. – V.160, N3-4. Pp. 210-215.

8. Р.Б. Салихов, А.Н. Лачинов, Р.Г. Рахмеев «Физика и техника полупроводников» – 2007. – том 41, вып. 10.

9. А.Н. Лачинов Письма в ЖТФ 24(13) 89(1998).

10. А.Н. Лачинов, Н.В. Воробьева. Электроника тонких слоев широкозонных полимеров УФН – 2006 – Т.176 № 12, С. 1249-1266.

11. Pham Nam Hai, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Stewart E. Barnes and Sadamichi Maekawa. Electromotive force and huge magnetoresistance in magnetic tunnel junctions Nature 458, 489-492 (2009).

12. Б. П. Захарченя, В.Л. Коренев. Интегрируя магнетизм в полупроводниковую электронику. УФН, 2005, Т 175, № 5, С.629-635.

13. А.А. Лачинов, Н.В. в Воробьева. Влияние внешнего магнитного поля на вольт-амперные характеристики структуры ферромагнетик-полимер, 2008, №10.

14. В.Ю., Кацнельсон М.И., Трефилов А.В. // Письма в ЖЭТФ. – 1991. – Т. 53. С.351.

15. А.Н. Лачинов, Н.В. Воробьева. Электроника тонких слоев широкозонных полимеров УФН – 2006 – Т.176 № 12, С. 1249-1266.

16. Н. В. Воробьева, А.Н. Лачинов, Jan Genoe, А.А. Лачинов, Б.А.Логинов. О возможности управления величиной магнитного поля переключения в гетероструктуре Ni-полимер – Cu.

17. Воробьева Н.В., Лачинов А.Н., Логинов Б.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. – 2006 –Т.5.С.22.

18. Xie S.J., Ahn K.H., Smith D.L., Bishop A.R., Saxena A. Ground-state properties of ferromagnetic metal / conjugated polymer interfaces. // Phys. Rev. B. – 2003. – V.67. P. 125202 (7 p.).

19. Dedue V., Murgia M., Matacotta F., Taliani C., Barbanera S. Room temperature spin polarized injection in organic semiconductor // Solid State Comm. –2002. –V.122. –Pp.181-184.

20. Pham Nam Hai, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka, Stewart E. Barnes & Sadamichi Maekawa, Nature, 458, 489 (2009).

21. А.Н. Лачинов, В.М. Корнилов, Т.Г. Загуренко, А. Ю. Жеребов. К вопросу о высокой проводимости несопряженных полимеров. ЖЭТФ – 2006 – т129, №4, 728-739.

22. Н.В. Воробьева, А.Н. Лачинов, Jan Genoe, А.А. Лачинов, Б.А.Логинов, Нанотехника 15 – (2008) – 3.

23. С.В.Вонсовский. Магнетизм.Наука, М.(1971)с.836.

24. А.Н. Лачинов, Н.В. Воробьева А.А Лачинов. Роль слоя широкозонного полимера для существования переключения проводимости в вентильной структуре, ФТТ–2012. – том 54. вып .2.