Корреляция электрических, магнитных и гальваномагнитных характеристик композитов, полученных имплантацией ионов 3d-элементов в оксид цинка

Abstract

Исследованы электрические, магнитные и гальваномагнитные характеристики композиционных материалов, полученных имплантацией ионов 3d-металлов (Mn+, Fe+, Co+, Ni+) с энергией 40 кэВ в интервале доз 1×1016–1,5×1017 cм-2 при плотности ионного тока 4 мкА/cм2 в оксид цинка. Установлено, что при имплантации Co+ дозой 1,5×1017 cм-2 происходит переход диэлектрик-металл, обусловленный формированием перколяционного проводящего кластера. При имплантации Fe,+ Co+ и Ni+ переход не наблюдается. Формирование в модифицированном слое магнитных включений приводит к переходу суперпарамагнетик-ферромагнетик. Оценен диаметр формирующихся при имплантации Co+ и Ni+ кластеров. Показано, что на диэлектрической стороне перехода диэлектрик-металл магниторезистивный эффект обусловлен наличием сильного s-d-взаимодействия, приводящего к спиновому расщеплению примесных состояний и изменению радиуса экранирования или подвижности электронов в подзонах с противоположным направлением спина. На металлической стороне перехода диэлектрик-металл в режиме слабой локализации обнаружен гистерезис магниторезистивного эффекта. Это позволило заключить, что механизмом магниторезистивного эффекта является спин-зависимое рассеяние электронов проводимости на магнитных включениях. Показано, что размерный эффект в поперечном магнитосопротивлении тонкого магнитоупорядоченного слоя обусловлен не проявлением классического или квантового размерных эффектов, а изменением угла между направлением протекающего тока и намагниченностью во внешнем магнитном поле. Ключевые слова: оксид цинка, ионная имплантация, кобальт, железо, марганец, никель, магнитосопротивление, намагниченность.=Electrical, magnetic and galvanomagnetic properties of zinc oxide implanted by 3d-elements ions (Mn+, Fe+, Co+, Ni+) with energy 40 keV in dose range 1×1016–1,5 1017 sm-2 at ion current density 4 mА/sm2 have been investigated. The transition from insulating to metallic regimes of conductivity was observed at doze 1,5 1017 sm-2 and Co+ ions implantation only. At Fe,+ Co+ and Ni+ ions implantation no transition was observed. Formation of magnetic inclusions at implantation leads to transition from superparamagnetic-to-ferromagnetic state. The mean cluster diameter for cobalt and nickel nanoparticles have been determined. It was shown that on the insulating side of the transition from insulating to metallic regimes magnetoresistive effect is determined by strong s-d-interaction which leads to spin-spleating of impurity states and change screaning radius and electron mobility in impurity sabbands with opposite spin direction. On the metallic side of the transition from insulating to metallic regimes in the regime of weak localization it demonstrates husterisis. It allows to conclude that magnetoresistive effect due to spin-dependent scattering of electrons by magnetic inclusions.