ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 2 (8), стр. 291-298

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В ПЛЕНКАХ ZnO, ИНДУЦИРОВАННОГО

ВАКАНСИЯМИ ЦИНКА, ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Яфей Юань^*, Кунь Чэнь, Чунминь Лю, Вей Чэнь, Линг Чэн, Жинг Либ

Фуданьский университет

200433, Шанхай, КНР

Поступила в редакцию 17 октября 2018 г.,

после переработки 28 ноября 2018 г.

Принята к публикации 19 января 2019 г.

Осуществлено наблюдение ферромагнетизма при комнатной температуре в пленках ZnO, полученных ме-

тодом магнетронного распыления в присутствии кислорода с последующим отжигом. В пленках, имею-

щих гексагональную структуру вюрцита, получено максимальное значение намагниченности насыщения

4.75 ед. СГСМ/см³. Предполагается, что ферромагнетизм возникает за счет вакансий цинка, а кисло-

родные вакансии не влияют на намагниченность. Для понимания причин возникновения высокотемпе-

ратурного ферромагнетизма в данном веществе проведено теоретическое исследование, основанное на

расчетах из первых принципов. Подробно изучен основной физический механизм установления ферро-

магнетизма в пленках ZnO.

DOI: 10.1134/S004445101908008X

на r-плоскости сапфировой подложки методом им-

пульсного лазерного напыления под давлением азо-

та, объясняется наличием вакансий цинка. В рабо-

1. ВВЕДЕНИЕ

те [12] показано, что вакансии цинка играют более

существенную, чем кислородные вакансии, роль в

Разбавленные магнитные полупроводники прив-

появлении ферромагнитного упорядочения в полу-

лекают большое внимание благодаря возможностям

ченных путем механического измельчения наноча-

применения в спинтронике за счет одновременного

стицах ZnO. В работе [13] установлена связь меж-

использования зарядов и спинов [1-4]. Ферромагне-

ду вакансиями цинка и намагниченностью наноча-

тизм при комнатной температуре наблюдался в ок-

стиц пероксида цинка, синтезированных гидротер-

сиде цинка ZnO, допированном переходными метал-

мическим методом, а в работе [14] содержится вы-

лами, 3d-электроны которых имеют важное значе-

вод о том, что на магнитные свойства ZnO может

ние для возникновения магнетизма в диамагнитном

оказывать большое влияние внедренный кислород.

ZnO [5-8]. Собственный ферромагнетизм при ком-

Несмотря на то что высокотемпературный ферро-

натной температуре недавно был обнаружен в чи-

магнетизм в чистом ZnO многократно наблюдался

стом полупроводнике ZnO (d⁰-магнетизм), причем

и был объяснен за счет наличия точечных дефек-

считалось, что его появление обусловлено точечны-

тов, внутренний физический механизм образования

ми дефектами, такими как вакансии цинка (V_Zn),

магнитного упорядочения пока остается под вопро-

кислородные вакансии (V_O) и внедренные атомы

сом. Для улучшения понимания связи собственного

кислорода (I_O) [9-16]. Расчеты ab initio, выполнен-

ферромагнетизма в ZnO с наличием дефектов необ-

ные в работах [9, 10], показали, что высокотемпе-

ходимы систематические подробные исследования.

ратурный ферромагнетизм должен обусловливаться

В данной работе изучены ферромагнитные свойства

внедренными атомами кислорода и вакансиями цин-

чистых пленок ZnO при комнатной температуре,

ка. В работе [11] существование высокотемператур-

осажденных методом магнетронного распыления с

ного ферромагнетизма в пленках ZnO, выращенных

последующим отжигом.

^* E-mail: yafeiyuan163@163.com

291

Яфей Юань, Кунь Чэнь, Чунминь Лю и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

2. МЕТОДИКА

Пленки ZnO напылялись на кремниевые подлож-

(002)

(110)

ки с помощью магнетронного распыления с исполь-

(102)

зованием мишени ZnO (99.999 %) при мощности

30 мин

100 Вт в течение 30 мин. Фоновое давление составля-

ло 6.5·10-6 мбар, в качестве рабочего газа использо-

валась смесь аргона и кислорода. Полный поток газа

поддерживался на постоянном уровне 70 см³/мин, в

то время как поток кислорода изменялся от 5 до

30 см³/мин. Рабочее давление поддерживалось на

60 мин

уровне примерно 3 · 10-3 мбар. После осаждения

пленки отжигались в печи при температуре от 300

до 700^◦C в течение 30 и 60 мин.

Зависимости намагниченности от поля измеря-

лись с помощью сверхпроводящего квантового ин-

Рис. 1. Рентгенограммы пленок ZnO, отожженных при

терферометра (СКВИД-магнетометра) при темпе-

температуре 300^◦C в течение 30 и 60 мин в потоке кис-

ратуре

300

К. Характеризация микроструктуры

лорода 20 см³/мин

пленок проводилась при помощи рентгеновской ди-

фракции. Для определения толщины пленок приме-

нялся метод спектроскопической эллипсометрии.

казаны результаты для пленок, отожженных при

Расчеты из первых принципов выполнялись при

температуре 300^◦C в течение 30 мин и полученных

помощи программного пакета для ab initio-модели-

при различных значениях потока кислорода во вре-

рования Vienna (VASP) [17], использующего теорию

мя напыления. На вставке приведены величины на-

функционала плотности с обобщенным градиент-

магниченности насыщения M_s в зависимости от по-

ным приближением [18]. Были рассчитаны полный

тока кислорода. При изменении потока кислорода от

магнитный момент и электронная плотность состоя-

5 до 20 см³/мин величина M_s увеличивается с 0.51

ний ячейки вюрцита 3 × 3 × 2, содержащей 72 атома.

до 4.75 ед. СГСМ/см³. Однако при дальнейшем уве-

Расчет дефектов проводился путем удаления или

личении потока до 30 см³/мин наблюдается умень-

введения нейтральных атомов.

шение M_s.

Высокотемпературный ферромагнетизм пленок

ZnO можно объяснить только за счет наличия внут-

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ренних дефектов. Для пленок ZnO, полученных

Толщина пленок ZnO, определенная методом

методом магнетронного распыления в присутствии

спектроскопической эллипсометрии, составляла

кислорода, основным видом дефектов являются ва-

360 нм. Как показано на рис. 1, отожженные плен-

кансии цинка, поскольку энергия их образования

ки имели гексагональную структуру вюрцита [19].

ниже, чем у дефектов типа внедренного кислоро-

В рентгенограммах наблюдались три дифракцион-

да [19]. При увеличении потока кислорода число

ных пика при 34.4^◦, 47.7^◦ и 54.5^◦, соответствующие

дефектов обоих типов возрастает. Как показано на

пикам гексагонального ZnO (002), (102) и (110).

рис. 2б, рост намагниченности насыщения с увели-

Других фаз обнаружено не было.

чением потока кислорода означает, что наблюдае-

На рис. 2а приведена типичная петля магнитного

мый ферромагнетизм при комнатной температуре

гистерезиса, измеренная при помощи СКВИД-маг-

должен быть связан с наличием вакансий цинка

нетометра при температуре 300 К. Черными симво-

и/или внедренным кислородом. Уменьшение M_s вы-

лами показан вклад диамагнитной подложки крем-

звано усилением делокализации волновой функции

ния, а красными представлена намагниченность

электронов в области дефицита, которое будет по-

пленки вместе с подложкой, проявляющей ферро-

дробно обсуждаться далее. В то же время большое

магнитные свойства. Собственные намагниченности

количество дефектов разрушит длинные ферромаг-

пленок после вычитания сигнала от подложки при-

нитные цепочки, приводя к уменьшению намагни-

ведены на рис. 2б-2г.

ченности [20].

Данное измерение показывает, что чистые плен-

Для подтверждения природы ферромагнетизма

ки ZnO являются ферромагнитными. На рис. 2б по-

пленок ZnO было также исследовано влияние от-

292

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

Экспериментальное и теоретическое исследование. . .

М, ед. СГСМ/см³

1.5

5.0

1.0

2.5

0.5

15 20

Поток О , см /мин₂

5 см /мин³

-0.5

-2.5

10 см /мин³

20 см

/мин

-1.0

-5.0

30 см /мин³

-1.5

-10

-5

–10

–5

H, кЭ

М, ед. СГСМ/см³

5.0

30 мин

2.5

60 мин

300 400 500 600 700

-3

, С

–400-200

200

400

^Tann

H, Э

300

400

–2.5

-2.5

500

700

–5.0

-5.0

–10

–5

–10

–5

H, кЭ

Рис. 2. (В цвете онлайн) а) Намагниченность одного из образцов (кривая 1) на кремниевой подложке (кривая 2), из-

меренная при помощи СКВИД-магнетометра. б) Зависимости M(H) для пленок, отожженных во время напыления при

температуре 300^◦C в течение 30 мин при различных значениях потока кислорода (на вставке показана зависимость на-

магниченности насыщения Ms от потока кислорода). в) Зависимости M(H) для пленок, отожженных при 300, 400, 500 и

700^◦C в течение 30 мин в потоке кислорода 20 см³/мин (на вставке показана зависимость намагниченности насыщения

Ms от температуры отжига). г) Зависимости M(H) для пленок, отожженных при 300^◦C в течение 30 и 60 мин в потоке

кислорода 20 см³/мин (на вставке показан участок черной кривой)

жига на намагниченность при комнатной темпера-

ной возникновения намагниченности являются ва-

туре. На рис. 2в изображены зависимости M(H) для

кансии цинка и/или внедренный кислород. Более

пленок, отожженных при различных температурах

длительный отжиг вызывает аналогичный процесс

в течение 30 мин в потоке кислорода 20 см³/мин.

уменьшения концентрации дефектов и приводит к

Отжиг при более высокой температуре приводит к

уменьшению M_s, показанному на рис. 2г.

уменьшению M_s в пленках. В работе [15] исследо-

Вычисленные по формуле Шеррера размеры зер-

вана процедура отжига напыленных пленок ZnO

на в направлении (002) после отжига в течение 30 и

и обнаружено, что пленки, отожженные при более

60 мин составляют соответственно 22.4 и 29 нм. Ана-

высокой температуре, имели более низкую концен-

логично были вычислены размеры зерна в направ-

трацию дефектов. Связь между изменением M_s и

лении (002) для пленок ZnO, отожженных при 300,

концентрацией дефектов подтверждает, что причи-

400, 500, 700^◦C в течение 30 мин в потоке кислорода

293

Яфей Юань, Кунь Чэнь, Чунминь Лю и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

М, ед. СГСМ/см³

Свойства ферромагнетиков существенно зависят

от температуры. Для одного из образцов были про-

ведены измерения намагниченности при температу-

рах 10, 100, 200 К, результаты которых показаны на

рис. 3. Кривая при 300 К взята из рис. 2б. Очевид-

но, что намагниченность возрастает с увеличением

температуры, что отличается от поведения пленок

100

200

300

ZnO, допированных магнитными 3d-металлами.

T, K

В работе были вычислены магнитный момент и

300 K

-2

плотность состояний (density of states, DOS) сверх-

200 K

ячейки ZnO, имеющей структуру вюрцита и содер-

100 K

-4

жащей 72 атома. Для создания дефектов убирались

10 K

или добавлялись различные атомы. Магнитный мо-

-6

мент идеальной сверхячейки без дефектов состав-

-10

-5

ляет m = 10-4μ_B (μ_B — магнетон Бора), что прак-

H, кЭ

тически равно нулю. Это означает, что сверхячей-

Рис. 3. (В цвете онлайн) Зависимости M(H) для пленок,

ка без дефектов оказывается диамагнитной. Когда

отожженных при температуре 300^◦C в течение 30 мин в

убирался один произвольный атом кислорода для

потоке кислорода 20 см³/мин, измеренные при различ-

создания кислородной вакансии, магнитный момент

ных температурах (на вставке показана зависимость Ms

сверхячейки становился равным 1.3 · 10-4μ_B. Это

от температуры)

означает, что кристалл ZnO с кислородной вакан-

сией остается таким же диамагнитным, как и иде-

альный кристалл, что в данном случае исключает

возможность образования ферромагнетизма в плен-

20 см³/мин, которые соответственно составили 22.4,

ке ZnO за счет кислородных вакансий. Таким обра-

26.3, 29.8, 30.3 нм. Размеры зерна пленок ZnO уве-

зом, высокотемпературный ферромагнетизм может

личиваются с возрастанием времени и температуры

возникать только благодаря вакансиям цинка или

отжига. Как показано на рис. 2в,г, отжиг при более

внедренным атомам кислорода.

высокой температуре и в течение более длительно-

В работе [9] считалось, что основной причиной

го времени приводит к ухудшению ферромагнитных

ферромагнетизма является внедренный кислород,

свойств изученных пленок при комнатной темпера-

поскольку на основе расчетов было получено значе-

туре. Таким образом, чем меньше размер зерен, т.е.

ние магнитного момента 2μ_B на один дефект. Этот

чем больше отношение площади поверхности к объ-

результат согласуется с нашими вычислениями. Од-

ему, тем сильнее проявляется ферромагнитное по-

нако если основной причиной магнитного упорядо-

ведение. Этот результат согласуется с результатами

чения является внедренный кислород, то величина

работы [21].

M_s должна монотонно возрастать при увеличении

Кислородные вакансии являются неизбежным

потока кислорода, поскольку это приводит к уве-

дефектом напыленных пленок ZnO за счет более

личению количества таких дефектов. Кроме того,

низкой энергии их образования по сравнению с ва-

на основе расчетов не удается получить стабиль-

кансиями цинка и внедренным кислородом в случае

ную структуру после внедрения в сверхячейку двух

пленок с избытком как цинка, так и кислорода, о

атомов кислорода на близких позициях, что озна-

чем сообщалось в нескольких работах [19,22]. Поэто-

чает невозможность существования системы ZnO с

му кислородные вакансии должны существовать в

большой концентрацией данных дефектов. Вместо

пленках, полученных методом магнетронного напы-

этого более вероятно, что в результате релаксации

ления, несмотря на то что основным дефектом в та-

решетки образуются вакансии цинка. Таким обра-

ких пленках являются вакансии цинка. Однако они

зом, внедренный кислород не может являться основ-

не могут являться причиной возникновения высо-

ной причиной образования ферромагнетизма в этих

котемпературного ферромагнетизма. Если бы фер-

пленках, даже если в принципе он может приводить

ромагнетизм вызывался кислородными вакансиями,

к возникновению магнитного упорядочения.

то пленки, напыленные при большем потоке кисло-

Далее была исследована сверхячейка с вакансия-

рода, имели бы меньшую намагниченность, что про-

ми цинка. Магнитный момент, вычисленный для

тиворечит данным на рис. 2б.

сверхячейки с вакансией цинка на произвольной по-

294

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

Экспериментальное и теоретическое исследование. . .

TDOS

Также была изучена сверхячейка с двумя ва-

E_F

кансиями цинка. Были рассмотрены два случая:

1) изолированные вакансии, исключающие взаимо-

1V_Zn

действие между ними; 2) вакансии, расположенные

–20

1.7983

достаточно близко, чтобы между дефектами суще-

-40

ствовало взаимодействие, приводящее к значитель-

ному усилению делокализации волновой функции

электронов в области недостатка цинка. В предель-

2V_Zn

ном случае из сверхячейки удалялись два атома

–20

цинка, связанные с одним и тем же атомом кислоро-

3.6672

–40

да. Оба случая показаны на рис. 5 (серым цветом по-

казаны атомы цинка, красным — атомы кислорода).

Расчет дает значение намагниченности 3.6672μ_B в

2V_Zn

первом случае и 1.6713μ_B во втором. Полные плот-

ности состояний изображены на рис. 4б,в. Есте-

–20

1.6713

-40

ственно, в первом случае полный магнитный мо-

мент приблизительно равен сумме моментов от оди-

-5

-4

-3

-2

-1

E, эВ

ночной вакансии, поскольку взаимодействие между

двумя изолированными дефектами практически от-

Рис. 4. Полная плотность состояний сверхрешетки (total

сутствует. Во втором случае, когда в пленке име-

density of states, TDOS) для случаев, когда спины направ-

ется большое количество вакансий цинка, в некото-

лены вверх (кривые 1) и вниз (кривые 2): а — с одной

рых местах вакансии могут оказаться поблизости,

вакансией цинка V_Zn; б — с двумя изолированными вакан-

что неизбежно приведет к их взаимодействию [22].

сиями цинка; в — с двумя близко расположенными вакан-

В результате за счет делокализации волновой функ-

сиями цинка

ции электронов в этих областях полная намагничен-

ность уменьшится. Исходя из зависимости M_s от по-

тока кислорода (см. рис. 2б), увеличение M_s можно

объяснить видом плотности состояний, изображен-

ным на рис. 4б, в то время как плотность состояний

на рис. 4в точно соответствует уменьшению M_s.

V_Zn

Несмотря на то что было доказано происхож-

дение высокотемпературного ферромагнетизма пле-

нок ZnO, напыленных в присутствии кислорода, за

счет вакансий цинка, необходимо дальнейшее изуче-

ние частичной плотности состояний связанных элек-

тронов, для того чтобы точно определить, отку-

да возникает ферромагнетизм. Как указано в рабо-

Рис. 5. (В цвете онлайн) Сверхячейка с двумя вакансиями

те [23], в ГПУ-структуре локальный момент в ос-

цинка: а — две изолированные вакансии; б — две близкие

новном возникает от четырех ближайших позиций

вакансии

кислорода и в незначительной степени от двена-

дцати ближайших позиций цинка. В данной рабо-

зиции, равен 1.7983μ_B, а ее полная плотность состо-

те получен похожий, но не полностью совпадающий

яний показана на рис. 4а. Эта величина согласуется

результат. Моделирование показывает, что четыре

со значением 1.77μ_B, полученным в работе [9]. Чер-

ближайших позиции кислорода дают разный вклад

ными и красными линиями показаны плотности со-

в магнитный момент. Была рассчитана частичная

стояний электронов со спином соответственно вверх

плотность состояний при наличии одиночной вакан-

и вниз. Уровень Ферми E_F обозначен вертикальной

сии цинка. Следует отметить, что четыре ближай-

синей линией. Очевидно, что высокая плотность со-

шие кислородные позиции заняты атомами кисло-

стояний вблизи поверхности Ферми дает большой

рода двух разных типов, поскольку позиция вакан-

полный магнитный момент, что подтверждает про-

сии цинка не является геометрическим центром тет-

исхождение высокотемпературного ферромагнетиз-

раэдра (рис. 6а). На рисунке указаны длины ребер

ма в данных пленках за счет вакансий цинка.

тетраэдра, образуемого ближайшими кислородными

295

Яфей Юань, Кунь Чэнь, Чунминь Лю и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

магниченности, в то время как вакансия цинка при-

водит. Как показано на рис. 6а, после удаления ато-

ма цинка из тетраэдра с образованием вакансии че-

3.219

тыре ближайших атома кислорода оказывают воз-

3.407

3.199

3.225

3.407

действие наружу. Следует отметить, что радиус ато-

ма кислорода составляет 0.66Å, в то время как дли-

3.261

3.460

на ребра тетраэдра превышает 3.4

Å. В то же вре-

3.460

3.238

3.148

3.460

мя оба электрона связи Zn-O находятся в различ-

ных поляризованных состояниях (спин вверх и спин

вниз), так что их полный спин равен нулю. После

удаления атома цинка с образованием нейтральной

вакансии на каждом ближайшем атоме кислорода

3.205

2.775

возникает полный спин 2p-электрона. Таким обра-

3.205

2.775

зом, сумма всех отдельных полных спинов атомов

2.869

кислорода вносит основной вклад в ферромагнетизм

3.245

2.869

3.245

2.869

всей системы.

Вакансия кислорода оказывается полностью

противоположным случаем. Четыре ближайших

атома цинка вокруг кислородной вакансии, наобо-

Рис. 6. (В цвете онлайн) а) Воздействие атомов кислорода

наружу (outward) в случае вакансии цинка. б) Воздействие

рот, оказывают воздействие внутрь, как показано

атомов цинка внутрь (inward) в случае кислородной вакан-

на рис. 6б. В идеальной сверхячейке длины ребер

сии (длины ребер приведены в ангстремах)

тетраэдра, образуемых четырьмя ближайшими ато-

мами цинка, уменьшаются от 3.2 до 2.8

Å. Радиус

атома цинка составляет около 1.39

Å, в результате

позициями (в

Å). Атом кислорода на вершине обо-

чего неизбежно перекрытие электронных волновых

значен как O-I, а остальные три атома как O-II.

функций этих четырех ближайших атомов с обра-

Очевидно, что атомы O-II вносят больший вклад в

зованием сложного связанного состояния между

наблюдаемый ферромагнетизм, чем атом O-I, что

ними. Поэтому суммировать спины каждого отдель-

продемонстрировано на рис. 7а,б. Как показано на

ного электрона цинка невозможно. Взаимодействие

рис. 6а, прослеживается отчетливое воздействие на-

электронов цинка приводит к тому, что полный

ружу ближайших атомов кислорода, за счет которо-

спин всей системы равен нулю, что объясняет

го возникает делокализация электронной волновой

отсутствие вклада кислородных вакансий в полную

функции в отдельной области, что слегка подавляет

намагниченность. Случаи вакансий кислорода и

намагниченность. Этот эффект аналогичен случаю

цинка изображены на рис. 8.

двух близко расположенных вакансий цинка. Ча-

Теперь можно объяснить аномальный темпера-

стичные плотности состояний атома цинка вблизи

турный эффект, который демонстрируют пленки

атомов кислорода приведены на рис. 7в,г. Связь по-

ZnO. Благодаря воздействию наружу четырех бли-

зиции цинка с атомами O-II вносит больший вклад,

жайших атомов вокруг вакансии цинка, полный

чем связь с атомом O-I. Однако позиции цинка при-

магнитный момент пленок уменьшается вследствие

водят к образованию намного меньшей намагничен-

естественного возникновения перекрытия электрон-

ности по сравнению с позициями кислорода (не бо-

ных волновых функций. При изменении температу-

лее 10 %).

ры сила воздействия наружу должна изменяться.

Очевидно, что вакансия цинка играет основную

При охлаждении пленки до достаточно низкой тем-

роль в образовании ферромагнетизма при комнат-

пературы атомы с большой вероятностью остают-

ной температуре в пленках ZnO с гексагональной

ся в равновесном положении. Однако при увеличе-

структурой вюрцита, причем ферромагнетизм воз-

нии температуры у атомов появляется возможность

никает в основном от четырех ближайших атомов

выходить из равновесного положения за счет теп-

кислорода и в некоторой степени от двенадцати бли-

лового усиления колебаний решетки. Таким обра-

жайших атомов цинка. Для лучшего понимания ме-

зом, воздействие наружу может слегка подавлять-

ханизма возникновения ферромагнетизма за счет

ся, и перекрытие электронных волновых функций

дефектов необходимо обсудить причину, по которой

будет давать меньший эффект. В результате воз-

вакансия кислорода не приводит к появлению на-

можно увеличение полной намагниченности систе-

296

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8),

2019

Экспериментальное и теоретическое исследование. . .

PDOS

1.5

E_F

1.0

0.5

-0.5

–1.0

-1.0

–1.5

-1.5

-2

-1

–2

–1

E, эВ

PDOS

0.4

0.3

E_F

0.2

0.1

–0.1

-0.2

–0.2

-0.3

-0.4

–2

–1

–2

–1

E, эВ

Рис. 7. Частичные электронные плотности состояний (partial DOS, PDOS): a — 2p-электрон атома O-I; б — 2p-электрон

атома O-II; в — 3d-электрон атома цинка, связанного с атомом O-I; г — 3d-электрон атома цинка, связанного с атомом

O-II

4. ВЫВОДЫ

O 2p

Zn 3d

Исследована роль вакансий цинка в образова-

нии ферромагнетизма пленок ZnO при комнатной

температуре, полученных методом магнетронного

распыления в атмосфере кислорода. Рентгеногра-

V_Zn

фические измерения показывают, что все пленки

V_O

имели гексагональную структуру вюрцита. Обна-

ружена зависимость намагниченности насыщения

Рис. 8. Вакансии кислорода и цинка

M_s от потока кислорода. Наибольшая величина

M_s наблюдалась в образце, полученном в потоке

кислорода 20 см³/мин и отожженном при 300^◦C

мы ZnO с вакансиями кислорода. Физический ме-

в течение 30 мин. Дальнейшее увеличение темпе-

ханизм наведения ферромагнетизма в пленках ZnO

ратуры и продолжительности отжига приводило к

за счет вакансий цинка естественным образом при-

уменьшению M_s. На основе расчетов ab initio изучен

водит к усилению намагниченности при повышении

внутренний механизм образования высокотемпера-

температуры.

турного ферромагнетизма. Показано, что основной

297

Яфей Юань, Кунь Чэнь, Чунминь Лю и др.

ЖЭТФ, том 156, вып. 2 (8), 2019

причиной возникновения ферромагнетизма явля-

K. R. Kittilstved, W. K. Liu, and D. R. Gamelin,

ются вакансии цинка. Основной вклад в полную

Nature Mater. 5, 291 (2006).

намагниченность вносят

2p-электроны четырех

X. Zuo, S.-D. Yoon, A. Yang et al., J. Appl. Phys.

ближайших атомов кислорода и в незначительной

105, 07C508 (2009).

степени

3d-электроны двенадцати ближайших

атомов цинка гексагональной структуры ZnO.

10.

C. Peng, Y. Liang, K. Wang et al., J. Phys. Chem.

Внедренный кислород также приводит к ферро-

C 116, 9709 (2012).

магнетизму, однако вносит значительно меньший

11.

M. Khalid, M. Ziese, A. Setzer et al., Phys. Rev. B 80,

вклад по сравнению с вакансиями цинка. Данная

035331 (2009).

работа должна способствовать пониманию природы

высокотемпературного ферромагнетизма в пленках

12.

T.-L. Phan, Y. D. Zhang, D. S. Yang et al., Appl.

ZnO, относящихся к d⁰-полупроводникам.

Phys. Lett. 102, 072408 (2013).

13.

D. Gao, J. Zhang, G. Yang et al., J. Phys. Chem.

Финансирование. Авторы признательны за

C 115, 16405 (2011).

финансовую поддержку, оказанную в рамках На-

14.

H. You, J. Yang, J. Y. Zhu et al., Appl. Surf. Sci.

циональной программы ключевых исследований и

258, 4455 (2012).

развития Китая (грант № 2017YFE0112000), а также

Главного муниципального проекта по науке и техно-

15.

X. Xu, C. Xu, G. Chen et al., Europhys. Lett. 101,

логиям Шанхая (грант № 2017SHZDZX01).

27009 (2013).

16.

H. Ren, G. Xiang, G. Gu et al., J. Nanomater. 2012,

295358 (2012).

ЛИТЕРАТУРА

17.

J. F. G. Kresse and J. Furthmüller, Comput. Mater.

Sci. 6, 15 (1996).

1. H. Ohno, Science 281, 5379 (1998).

18.

John P. Perdew, Kieron Burke, and Matthias Ernzer-

2. H. O. T. Dietl, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferr,

hof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).

Science 287, 5455 (2000).

19.

U. Ozgur, Y. I. Alivov, C. Liu et al., J. Appl. Phys.

3. D. Wolf, R. A. Buhrman, J. M. Daughton et al., Sci-

98, 041301 (2005).

ence 294, 5546 (2001).

20.

S. K. Mahadeva, J. Fan, A. Biswas et al., Nanomate-

4. K. Ando, Science 312, 5782 (2006).

rials 3, 486 (2013).

5. P. Sharma, A. Gupta, K. V. Rao et al., Nature Mater.

21.

Б. Б. Страумал, С. Г. Протасова, А. А. Мазилкин

2, 637 (2003).

и др., Письма в ЖЭТФ 97, 416 (2013).

6. K. Ueda, H. Tabata, and T. Kawai, Appl. Phys. Lett.

22.

Y. W. Heo, D. P. Norton, and S. J. Pearton, J. Appl.

79, 988 (2001).

Phys. 98, 073502 (2005).

7. H.-J. Lee, S.-Y. Jeong, C. R. Cho, and C. H. Park,

23.

H. Peng, H. J. Xiang, S. H. Wei et al., Phys. Rev.

Appl. Phys. Lett. 81, 4020 (2002).

Lett. 102, 017201 (2009).

298