Перевод названия: THEORETICAL SEARCH AND INVESTIGATION OF MAGNETIC MANGANESE SILICIDE PHASES ON SI (001) SURFACE
Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2017
Ключевые слова: силициды, квантово-химические расчеты, спинтроника, силициды марганца, интерфейс, эпитаксиальный рост, silicides, quantum-chemical calculations, spintronics, Manganese silicide, interface, Epitaxial growth
Аннотация: Необходимость уменьшения массы и размеров электронных приборов и вместе с тем увеличения их быст- родействия и энергоэффективности наиболее остро выражена в сфере космического приборостроения. Один из возможных путей развития электроники в этом направлении - переход к устройствам, базирующимся на новых физических принципах, таких кПоказать полностьюак манипулирование спином электрона. Поиск новых материалов для таких устройств требует привлечения новых подходов в рамках современного материаловедения, включая использование методов теоретического предсказания соединений для их дальнейшего экспериментального син- теза и изучения. Перспективная для спинтроники система Mn-Si является серьёзным вызовом для теоретических исследо- ваний из-за своей запутанной фазовой диаграммы с большим количеством метастабильных фаз, многие из которых обнаруживаются только в определённых наноразмерных системах, таких как тонкие пленки. Представлен поиск и исследование новых фаз силицидов марганца, образование которых возможно при эпитаксиальном росте на поверхности кремния (001). Исследование проводилось при помощи квантово- химического моделирования с использованием эволюционного алгоритма поиска стабильных структур и расчетов в рамках теории функционала электронной плотности. Из всего разнообразия обнаруженных фаз наибольшим магнитным моментом - 0,71 μB на атом марганца, обладает тетрагональная P4/mmm-фаза дисилицида мар- ганца. Для этой фазы были рассмотрены различные конфигурации интерфейсов с кристаллическим кремнием, определены их электронные и магнитные свойства. Высокое значение спиновой поляризации на уровне Ферми (-66 %) говорит о перспективности пленок такого силицида для спинтронных устройств. Выявлено влияние конечной толщины плёнки на магнитные моменты атомов марганца, вплоть до исчезновения спиновой поляри- зации. Показано, что наличие интерфейса с кремниевой подложкой существенно сказывается только на бли- жайшем к нему слое силицида, в то время как оборванные связи на поверхностном слое силицида распростра- няют свое влияние на электронную структуру 2-3 слоев вглубь силицида, что позволяет говорить о сохране- нии магнитных свойств пленок найденного силицида при их малой толщине, начиная с нескольких нанометров. Necessity to reduce the mass and dimensions of electronic devices, and at the same time, increasing their perform- ance and energy efficiency, is most pronounced in the field of space device engineering. One possible approach is to develop electronics based on new physical principles, such as manipulating electron spins. The search for materials for such devices requires new strategies within the framework of modern material science, including utilization of methods for theoretical prediction of compounds prospective for their further experimental synthesis and study. One of promising spintronics material families, the Mn-Si system, is a serious challenge for theoretical studies be- cause of its entangled phase diagram with a large number of metastable phases, many of which are found only in cer- tain nanoscale systems such as thin films. The article presents a search and investigation of new manganese silicide phases that can form epitaxial thin films on (001) surface of silicon. This theoretical study was carried out using the evolutionary algorithm for stable structure prediction and is based on the calculations within the framework of the den- sity functional theory. Among the found phases, the tetragonal P4/mmm phase of manganese disilicide has the largest magnetic moment of 0.71 μB per manganese atom. For this phase various configurations of interfaces with crystalline silicon were modeled and their electronic and magnetic properties were determined. High value of spin polarization at the Fermi level (-66 %) indicates the silicide’s great potential for spintronics applications. Additionally, the effect of the finite film thickness on the magnetic moments on manganese atoms, up to the suppression of the spin polarization, is revealed. It is shown that the presence of an in- terface with a silicon substrate significantly affects only the nearest disilicide layer, while the dangling bonds on the disilicide film surface have influence on the electronic structure of 2-3 layers deep into the silicide. This argues for the preservation of the magnetic properties in the disilicide films despite their small thickness starting from several nano- meters.
Журнал: Сибирский журнал науки и технологий
Выпуск журнала: Т. 18, № 4
Номера страниц: 939-948
ISSN журнала: 25876066
Место издания: Красноярск
Издатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева