DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2018.23.3.130790

Особливості приповерхневої провідності кремнієвих мікроструктур за низьких температур

Antolii Oleksandrovych Druzhynin, Ihor Petrovych Ostrovskyi, Yurii Mykolaiovych Khoverko, Nazar Ihorovych Kucherepa

Анотація


Досліджено особливості перенесення носіїв заряду мікрокристалів кремнію, легованих бором до концентрацій, які відповідають переходу метал-діелектрик, та нікелем, що знаходиться у приповерхневій області кристала. Досліджено намагніченість до 0,4 Тл та магнетоопір ниткоподібних мікрокристалів кремнію під дією магнітних полів до 14 Тл за температури 4,2 К. Проведено детальний аналіз результатів теоретичних досліджень магнітних та магнітотранспортних властивостей Si<B, Ni>. Встановлено квадратичний характер залежності коефіцієнту від’ємного магнетоопору від намагніченості в мікрокристалах кремнію для інтервалу намагніченості більше 5´105 A/м, що відповідає стрибковій провідності носіїв заряду по двічі зайнятим домішковим станам. Натомість для малих М до 5´105 A/м порушується квадратична залежність магнетоопору від намагніченості, що пов’язано із стрибковим механізмом перенесення носіїв заряду по однозайнятим домішковим рівням. Встановлено, що введення магнітної домішки може вплинути на електромагнітні властивості кристала, пов'язані з транспортом носіїв заряду шляхом стрибкового тунелювання в приповерхневій зоні.

Бібл. 30, рис. 5, табл. 1.


Ключові слова


стрибкова провідність; мікрокристал; негативний магнетоопір; спін; кріогенні температури

Повний текст:

PDF

Перелік посилань для Cited-By Linking


A. Fert, “The present and the future of spintronics”, Thin Solid Films, Vol.517, pp.2-5, 2008. DOI: 10.1016/j.tsf.2008.08.172

I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma, “Spintronics: Fundamentals and applications”, Rev. Mod. Phys. Vol.76, p.323, 2004. DOI: 10.1103/RevModPhys.76.323

M. W. Wu, J. H. Jiang, and M. Q. Weng, “Spin dynamics in semiconductors”, Physics Reports 493, pp.61-236, 2010. DOI: 10.1016/j.physrep.2010.04.002

A. Kamra, B. Ghosh and T. K. Ghosh, “Spin relaxation due to electron-electron magnetic interaction in high Lande g-factor semiconductors”, J. Appl. Phys. 108, p. 054505, 2010. DOI: 10.1063/1.3481063

D. Sanchez, C. Gould, G. Schmidt and L. W. Molenkamp, “Spin-Polarized Transport in II–VI Magnetic Resonant-Tunneling Devices”, IEEE Trans. Electron Devices 54, 2007, pp. 984 – 990. DOI: TED.2007.894373

H. W. Wu, C. J. Tsai, and L. J. Chen, “Room temperature ferromagnetism in Mn+-implanted Si nanowires”, Appl.Phys. Let. 90, p. 043121, 2007. DOI: 10.1063/1.2432273

A. A. Druzhinin, I. P. Ostrovskii, Yu. M. Khoverko, Iu. R. Kogut, S. I. Nichkalo, J. K. Warchulska, “Magnetic susceptibility of doped Si nanowhiskers”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.12, pp.8690–8693, 2012. DOI: 10.1166/jnn.2012.6804

A. A. Druzhinin, I. P. Ostrovskii, Yu. M. Khoverko, K. Rogacki et al, “Magnetic susceptibility and magnetoresistance of neutron-irradiated doped SI whiskers”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 393, pp.310–315, 2015. DOI: 10.1016/j.jmmm.2015.05.073

Durgun E., D. Cakir, N. Akman, and S. Ciraci, “Half-metallic silicon nanowires: First- Principles Calculations”, Phys. Rev. Lett. 99(25), p. 256806, 2007. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.256806

Anatoly Druzhinin, Igor Ostrovskii, Yuriy Khoverko, Sergij Yatsukhnenko,”Magnetic properties of doped Si<B,Ni> whiskers for spintronics”, Journal of Nano Research,Vol. 39, pp. 43–54, 2016. DOI: 10.4028/www.scientific.net/JNanoR.39.43

Liang Wei-Hua, Ding Xue-Cheng, Chu Li-Zhi, Deng Ze-Chao, Guo Jian-Xin, Wu Zhuan-Hua, Wang Ying-Long, “First-principles study of electronic and optical properties of Ni-doped silicon nanowires”, Acta Phys. Sin.,Vol. 59, Issue (11): 8071-8077, 2010. URL: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2010/V59/I11/8071

Yatsukhnenko S., Druzhinin A., Ostrovskii I., Khoverko Yu., Chernetskiy M., “Nanoscale conductive channels in silicon whiskers with nickel impurity”, Nanoscale Research Letters, Vol. 12:78, pp.1-7, 2017. DOI: 10.1186/s11671-017-1855-9

D. Ferrand, J. Cibert, A. Wasiela, C. Bourgognon, S. Tatarenko, G. Fishman, T. Andrearczyk, J. Jaroszyski, S. Kole'snik, T. Dietl, et al., “Carrier-induced ferromagnetism in p−Zn1−xMnxTe”, Phys. Rev. B 63, p. 085201, 2001. DOI: 10.1103/PhysRevB.63.085201

H. Ohno, H. Munekata, T. Penney, S. von Moln'ar, and L. L. Chang, “Magnetotransport properties of p-type (In,Mn)As diluted magnetic III-V semiconductors”, Phys. Rev. Lett. 68, pp.2664-2667, 1992. DOI: 10.1103/PhysRevLett.68.2664

S. Patibandla, S. Pramanik, S. Bandyopadhyay and G. C. Tepper, “Spin relaxation in a germanium nanowire”, J. Appl. Phys. 100, p. 044303, 2006. DOI: 10.1063/1.2230012

C. Tahan, R. Joynt. “Rashba spin-orbit coupling and spin relaxation in silicon quantum wells”, Phys. Rev. B 71, p. 075315, 2005. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.075315

Saroj P. Dash, Sandeep Sharma, Ram S. Patel, Michel P. de Jong & Ron Jansen, “Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature”, Nature 462, pp. 491–494, 2009. DOI: 10.1038/nature08570

Druzhinin, I. Ostrovskii, Y. Khoverko, R. Koretskii, “Strain-induced effects in p-type Si whiskers at low temperatures”, Materials Science in Semiconductor Processing,Vol. 40, pp. 766–771, 2015. DOI: 10.1016/j.mssp.2015.07.015

A. Druzhinin, I. Ostrovskii, Yu. Khoverko, S. Nichkalo, R. Koretskyy, Iu. Kogut, “Variable-range hopping conductance in Si whiskers”, Phys. Status Solidi A Vol. 211, №2, pp.504–508, 2014. DOI: 10.1002/pssa.201300162

Druzhinin A.A., I.P. Ostrovskii, Yu.M. Khoverko, N.S. Liakh-Kaguj and Iu.R. Kogut,”Strain effect on magnetoresistance of SiGe solid solution whiskers at low temperatures”, Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 14, № 1, pp.18–22, 2011. DOI: 10.1016/j.mssp.2010.12.012

Toyozawa Y. “Theory of Localized Spins and Negative Magnetoresistance in the Metallic Impurity Conduction”, J. Phys. Soc. Japan 17, p.986-1004, 1962. DOI: 10.1143/JPSJ.17.986

Sasaki W., “Negative Magnetoresistance in the Impurity Conduction of n-type Germanium,” Journal of Physical Societty of Japan,Vol.30, p.825-833, 1965. DOI: 10.1143/JPSJ.20.825

Matsubara T. and Y. Toyozawa Theory of Impurity Band Conduction in Semiconductors: An Approach to Random Lattice Problem, Prog. Theoret. Phys. 26, p. 739, 1961. DOI: 10.1143/PTP.26.739

B.. E. Sernelius, and M. Morling, in “Shallow Impurities in Semiconductors” 1988, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 95, edited by B. Monemar (IOP, Bristol, 1989), p. 555.

B. E. Sernelius, “Generalized Drude approach to the conductivity relaxation time due to electron-hole collisions in optically excited semiconductors”, Phys.Rev.B40, p.12438, 1989. DOI: 10.1103/PhysRevB.40.12438

B. E. Sernelius, “Intraband relaxation time in highly excited semiconductors”, Phys.Rev.B43, p.7136, 1991. 10.1103/PhysRevB.43.7136

J. M. Ziman, “A theory of the electrical properties of liquid metals. I: The monovalent metals”, Philos. Mag.6, p.1013, 1961. DOI: 10.1080/14786436108243361

Antonio Ferreira da Silva, Alexandre Levine and Zahra Sadre Momtaz, Henri Boudinovm, Bo E. Sernelius, “Magnetoresistance of doped silicon”, Physical Review B 91, p.214414, 2015. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.214414

A. O. Druzhynin, Yu. M. Khoverko, O. P. Kutrakov, R. M. Koretskyi, S. Yu. Yatsukhnenko “Sensitive element of a two-function magnetic field sensor and microcrystal deformation Si<B, Ni>” [Chytluvuj element dvofunkcijnogo sensora magnitnogo polya ta deformacii na osnovi microkrustaliv Si<B,Ni>], Technology and design in electronic equipment, no. 3, p. 24–29, 2017. DOI: 10.15222/TKEA2017.3.24

Yatsukhnenko S., A. Druzhinin, I. Ostrovskii, Yu. Khoverko, R. Koreckii,”Impedance of boron and nickel doped silicon whiskers”, Journal of Molecular Crystal and Liquid Crystal 661(1), p.12-19, 2018. DOI: 10.1080/15421406.2018.1460233


Перелік посилань


  1. A. Fert, “The present and the future of spintronics”, Thin Solid Films, Vol.517, pp.2-5, 2008. DOI: 10.1016/j.tsf.2008.08.172
  2. I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma, “Spintronics: Fundamentals and applications”, Rev. Mod. Phys. Vol.76, p.323, 2004. DOI: 10.1103/RevModPhys.76.323
  3. M. W. Wu, J. H. Jiang, and M. Q. Weng, “Spin dynamics in semiconductors”, Physics Reports 493, pp.61-236, 2010. DOI: 10.1016/j.physrep.2010.04.002
  4. A. Kamra, B. Ghosh and T. K. Ghosh, “Spin relaxation due to electron-electron magnetic interaction in high Lande g-factor semiconductors”, J. Appl. Phys. 108, p. 054505, 2010. DOI: 10.1063/1.3481063
  5. D. Sanchez, C. Gould, G. Schmidt and L. W. Molenkamp, “Spin-Polarized Transport in II–VI Magnetic Resonant-Tunneling Devices”, IEEE Trans. Electron Devices 54, 2007, pp. 984 – 990. DOI: TED.2007.894373
  6. H. W. Wu, C. J. Tsai, and L. J. Chen, “Room temperature ferromagnetism in Mn+-implanted Si nanowires”, Appl.Phys. Let. 90, p. 043121, 2007. DOI: 10.1063/1.2432273
  7. A. A. Druzhinin, I. P. Ostrovskii, Yu. M. Khoverko, Iu. R. Kogut, S. I. Nichkalo, J. K. Warchulska, “Magnetic susceptibility of doped Si nanowhiskers”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.12, pp.8690–8693, 2012. DOI: 10.1166/jnn.2012.6804
  8. A. A. Druzhinin, I. P. Ostrovskii, Yu. M. Khoverko, K. Rogacki et al, “Magnetic susceptibility and magnetoresistance of neutron-irradiated doped SI whiskers”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 393, pp.310–315, 2015. DOI: 10.1016/j.jmmm.2015.05.073
  9. Durgun E., D. Cakir, N. Akman, and S. Ciraci, “Half-metallic silicon nanowires: First- Principles Calculations”, Phys. Rev. Lett. 99(25), p. 256806, 2007. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.256806
  10. Anatoly Druzhinin, Igor Ostrovskii, Yuriy Khoverko, Sergij Yatsukhnenko,”Magnetic properties of doped Si<B,Ni> whiskers for spintronics”, Journal of Nano Research,Vol. 39, pp. 43–54, 2016. DOI: 10.4028/www.scientific.net/JNanoR.39.43
  11. Liang Wei-Hua, Ding Xue-Cheng, Chu Li-Zhi, Deng Ze-Chao, Guo Jian-Xin, Wu Zhuan-Hua, Wang Ying-Long, “First-principles study of electronic and optical properties of Ni-doped silicon nanowires”, Acta Phys. Sin.,Vol. 59, Issue (11): 8071-8077, 2010. URL: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2010/V59/I11/8071
  12. Yatsukhnenko S., Druzhinin A., Ostrovskii I., Khoverko Yu., Chernetskiy M., “Nanoscale conductive channels in silicon whiskers with nickel impurity”, Nanoscale Research Letters, Vol. 12:78, pp.1-7, 2017. DOI: 10.1186/s11671-017-1855-9
  13. D. Ferrand, J. Cibert, A. Wasiela, C. Bourgognon, S. Tatarenko, G. Fishman, T. Andrearczyk, J. Jaroszyski, S. Kole'snik, T. Dietl, et al., “Carrier-induced ferromagnetism in p−Zn1−xMnxTe”, Phys. Rev. B 63, p. 085201, 2001. DOI: 10.1103/PhysRevB.63.085201
  14. H. Ohno, H. Munekata, T. Penney, S. von Moln'ar, and L. L. Chang, “Magnetotransport properties of p-type (In,Mn)As diluted magnetic III-V semiconductors”, Phys. Rev. Lett. 68, pp.2664-2667, 1992. DOI: 10.1103/PhysRevLett.68.2664
  15. S. Patibandla, S. Pramanik, S. Bandyopadhyay and G. C. Tepper, “Spin relaxation in a germanium nanowire”, J. Appl. Phys. 100, p. 044303, 2006. DOI: 10.1063/1.2230012
  16. C. Tahan, R. Joynt. “Rashba spin-orbit coupling and spin relaxation in silicon quantum wells”, Phys. Rev. B 71, p. 075315, 2005. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.075315
  17. Saroj P. Dash, Sandeep Sharma, Ram S. Patel, Michel P. de Jong & Ron Jansen, “Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature”, Nature 462, pp. 491–494, 2009. DOI: 10.1038/nature08570
  18. Druzhinin, I. Ostrovskii, Y. Khoverko, R. Koretskii, “Strain-induced effects in p-type Si whiskers at low temperatures”, Materials Science in Semiconductor Processing,Vol. 40, pp. 766–771, 2015. DOI: 10.1016/j.mssp.2015.07.015
  19. A. Druzhinin, I. Ostrovskii, Yu. Khoverko, S. Nichkalo, R. Koretskyy, Iu. Kogut, “Variable-range hopping conductance in Si whiskers”, Phys. Status Solidi A Vol. 211, №2, pp.504–508, 2014. DOI: 10.1002/pssa.201300162
  20. Druzhinin A.A., I.P. Ostrovskii, Yu.M. Khoverko, N.S. Liakh-Kaguj and Iu.R. Kogut,”Strain effect on magnetoresistance of SiGe solid solution whiskers at low temperatures”, Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 14, № 1, pp.18–22, 2011. DOI: 10.1016/j.mssp.2010.12.012
  21. Toyozawa Y. “Theory of Localized Spins and Negative Magnetoresistance in the Metallic Impurity Conduction”, J. Phys. Soc. Japan 17, p.986-1004, 1962. DOI: 10.1143/JPSJ.17.986
  22. Sasaki W., “Negative Magnetoresistance in the Impurity Conduction of n-type Germanium,” Journal of Physical Societty of Japan,Vol.30, p.825-833, 1965. DOI: 10.1143/JPSJ.20.825
  23. Matsubara T. and Y. Toyozawa Theory of Impurity Band Conduction in Semiconductors: An Approach to Random Lattice Problem, Prog. Theoret. Phys. 26, p. 739, 1961. DOI: 10.1143/PTP.26.739
  24. B.. E. Sernelius, and M. Morling, in “Shallow Impurities in Semiconductors” 1988, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 95, edited by B. Monemar (IOP, Bristol, 1989), p. 555.
  25. B. E. Sernelius, “Generalized Drude approach to the conductivity relaxation time due to electron-hole collisions in optically excited semiconductors”, Phys.Rev.B40, p.12438, 1989. DOI: 10.1103/PhysRevB.40.12438
  26. B. E. Sernelius, “Intraband relaxation time in highly excited semiconductors”, Phys.Rev.B43, p.7136, 1991. 10.1103/PhysRevB.43.7136
  27. J. M. Ziman, “A theory of the electrical properties of liquid metals. I: The monovalent metals”, Philos. Mag.6, p.1013, 1961. DOI: 10.1080/14786436108243361
  28. Antonio Ferreira da Silva, Alexandre Levine and Zahra Sadre Momtaz, Henri Boudinovm, Bo E. Sernelius, “Magnetoresistance of doped silicon”, Physical Review B 91, p.214414, 2015. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.214414
  29. A. O. Druzhynin, Yu. M. Khoverko, O. P. Kutrakov, R. M. Koretskyi, S. Yu. Yatsukhnenko “Sensitive element of a two-function magnetic field sensor and microcrystal deformation Si<B, Ni>” [Chytluvuj element dvofunkcijnogo sensora magnitnogo polya ta deformacii na osnovi microkrustaliv Si<B,Ni>], Technology and design in electronic equipment, no. 3, p. 24–29, 2017. DOI: 10.15222/TKEA2017.3.24
  30. Yatsukhnenko S., A. Druzhinin, I. Ostrovskii, Yu. Khoverko, R. Koreckii,”Impedance of boron and nickel doped silicon whiskers”, Journal of Molecular Crystal and Liquid Crystal 661(1), p.12-19, 2018. DOI: 10.1080/15421406.2018.1460233


Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.




Copyright (c) 2018 Дружинін А. О., Островський І. П., Ховерко Ю. М., Кучерепа Н. І.

Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN: 2523-4447
e-ISSN: 2523-4455