stringtranslate.com

Бета-вольфрам

Элементарная ячейка бета-вольфрама

Бета-вольфрам ( β-W ) — метастабильная фаза вольфрама , широко наблюдаемая в тонких пленках вольфрама . В то время как обычно существующий стабильный альфа-вольфрам (α-W) имеет объемно-центрированную кубическую ( A2 ) структуру, β-W принимает топологически плотноупакованную структуру A15 , содержащую восемь атомов на элементарную ячейку, [1] [2] и необратимо переходит в стабильную α-фазу посредством термического отжига до 650 °C. [3] Было обнаружено, что β-W обладает гигантским спиновым эффектом Холла , при котором приложенный ток заряда генерирует поперечный спиновый ток , и это приводит к потенциальным применениям в магниторезистивных устройствах памяти с произвольным доступом. [4]

История

β-W впервые наблюдали Хартманн и др. в 1931 году как часть дендритного металлического осадка, образующегося на катоде после электролиза фосфатных расплавов при температуре ниже 650 °C. [5] [6] На начальных этапах исследований β-W обычно обнаруживали, что кислород способствует образованию структуры β-W, поэтому дискуссии о том, является ли структура β-W фазой одноэлементного вольфрама или субоксида вольфрама, были давними [6] [7], но с 1950-х годов появилось много экспериментальных доказательств, показывающих, что кислород в тонких пленках β-W находится в состоянии нулевой валентности [ 8 ] [9] [10] и, таким образом, структура является истинным аллотропом вольфрама.

Хотя первоначальный интерес к тонким пленкам β-W был обусловлен их сверхпроводящими свойствами при низких температурах [11] , открытие гигантского спинового эффекта Холла в тонких пленках β-W Бурхманом и др. в 2012 году вызвало новый интерес к материалу для потенциальных применений в спинтронных магнитных запоминающих устройствах с произвольным доступом и спин-логических устройствах. [4]

Структура

β-W имеет кубическую структуру A15 с пространственной группой , которая принадлежит к семейству фаз Франка–Каспера . Каждая элементарная ячейка содержит восемь атомов вольфрама. Структуру можно рассматривать как кубическую решетку с одним атомом в каждом углу, одним атомом в центре и двумя атомами на каждой грани. Существуют два неэквивалентных узла вольфрама, соответствующих позициям Вайкоффа и , соответственно. На первом узле, позиции Вайкоффа , каждый атом вольфрама связан с двенадцатью эквивалентными атомами W, образуя смесь кубооктаэдра вольфрама WW 12 , разделяющего ребра и грани . На втором узле, с позицией Вайкоффа , каждый атом вольфрама связан с четырнадцатью соседними атомами вольфрама, и существует разброс длин связей W–W от 2,54 до 3,12 Å. [12] Экспериментально измеренный параметр решетки β-W составляет 5,036 Å, [6] в то время как рассчитанное методом DFT значение составляет 5,09 Å. [12]

Характеристики

Хорошо известны два ключевых свойства β-W: высокое электрическое сопротивление и гигантский спиновый эффект Холла.

Хотя точное значение зависит от условий приготовления, β-W имеет электрическое сопротивление по крайней мере в пять-десять раз выше, чем у α-W (5,3 мкОм.см) [1] [13] [14] [15] , и эта высокая проводимость останется практически неизменной в диапазоне температур от 5 до 380 К [16] , что делает β-W потенциальным тонкопленочным резистором, в то время как α-W является тонкопленочным проводником.

Тонкие пленки β-W демонстрируют гигантский спиновый эффект Холла со спиновым углом Холла 0,30 ± 0,02 и длиной спиновой диффузии около 3,5 нм. Напротив, α-W демонстрирует гораздо меньший спиновый угол Холла менее 0,07 и сопоставимую длину спиновой диффузии. [4] При спиновом эффекте Холла приложение продольного электрического тока через немагнитный материал генерирует поперечный спиновый ток из-за спин-орбитального взаимодействия , а спиновый угол Холла определяется как отношение поперечной плотности спинового тока к продольной плотности электрического тока. Спиновый угол Холла β-W достаточно велик, чтобы генерировать спиновые крутящие моменты, способные переворачивать или устанавливать намагниченность соседних магнитных слоев в прецессию посредством спинового эффекта Холла. [2]

Подготовка

Хотя были некоторые сообщения о получении β-W химическими методами, такими как реакция восстановления водорода, [6] [17] почти все сообщенные β-W за последние тридцать лет были получены с помощью распыления , техники физического осаждения из паровой фазы (PVD) атом за атомом . [1] [4] [10] [18] [19] При распылении вольфрамовая мишень бомбардируется ионизированными молекулами газа (обычно Ar), в результате чего атомы вольфрама «распыляются» в плазму. Эти испаренные атомы затем осаждаются, когда они конденсируются в виде тонкой пленки на подложке, на которую наносится покрытие. Образование β-W посредством распылительного осаждения зависит от базового давления, давления Ar, температуры подложки, примесного газа, скорости осаждения, толщины пленки, типа подложки и т. д. [8] [18] [20] [21] [22] Широко замечено, что поток кислорода или азота может способствовать и необходим для образования β-W, [1] [8] [10] [15] [20] но недавно появились также сообщения о получении β-W без попадания какого-либо примесного газа во время осаждения. [18] [23] [24]

Ссылки

  1. ^ abcd Лю, Цзясин; Бармак, Катаюн (февраль 2016 г.). «Топологически плотноупакованные фазы: механизм осаждения и образования метастабильного β-W в тонких пленках». Acta Materialia . 104 : 223–227. doi : 10.1016/j.actamat.2015.11.049 . ISSN  1359-6454.
  2. ^ ab Costa, M; Costa, AT; Hu, J; Wu, RQ; Muniz, RB (2018-07-03). "β-вольфрам: перспективный металл для спинтроники". Journal of Physics: Condensed Matter . 30 (30): 305802. doi :10.1088/1361-648x/aacc08. ISSN  0953-8984.
  3. ^ Дональдсон, Оливия К.; Хаттар, Халид; Кауб, Тайлер; Томпсон, Грегори Б.; Трелевич, Джейсон Р. (2017-09-05). «Стабилизация раствором нанокристаллического вольфрама против аномального роста зерен». Журнал исследований материалов . 33 (1): 68–80. doi : 10.1557/jmr.2017.296 . ISSN  0884-2914.
  4. ^ abcd Pai, Chi-Feng; Liu, Luqiao; Li, Y.; Tseng, HW; Ralph, DC; Buhrman, RA (2012-09-17). "Устройства передачи спинового крутящего момента, использующие гигантский спиновый эффект Холла вольфрама". Applied Physics Letters . 101 (12): 122404. arXiv : 1208.1711 . doi : 10.1063/1.4753947. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Хартманн, Хельмут; Эберт, Фриц; Бретшнайдер, Отто (28 мая 1931). «Электролизен в фосфатшмельцене. I. Die elektrolytische Gewinnung von α- и β-Wolfram». Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie . 198 (1): 116–140. дои : 10.1002/zaac.19311980111. ISSN  0863-1786.
  6. ^ abcd Morcom, WR; Worrell, WL; Sell, HG; Kaplan, HI (январь 1974). «Получение и характеристика бета-вольфрама, метастабильной фазы вольфрама». Metallurgical Transactions . 5 (1): 155–161. doi :10.1007/bf02642939. ISSN  0026-086X.
  7. ^ Хэгг, Г.; Шенберг, Н. (1 апреля 1954 г.). «β-Вольфрам» как оксид вольфрама». Акта Кристаллографика . 7 (4): 351–352. дои : 10.1107/s0365110x54000989 . ISSN  0365-110X.
  8. ^ abc Petroff, P.; Sheng, TT; Sinha, AK; Rozgonyi, GA; Alexander, FB (июнь 1973 г.). «Микроструктура, рост, сопротивление и напряжения в тонких вольфрамовых пленках, нанесенных методом высокочастотного распыления». Journal of Applied Physics . 44 (6): 2545–2554. doi :10.1063/1.1662611. ISSN  0021-8979.
  9. ^ Mannella, G.; Hougen, JO (август 1956). ""β-вольфрам" как продукт восстановления оксида". Журнал физической химии . 60 (8): 1148–1149. doi :10.1021/j150542a035. ISSN  0022-3654.
  10. ^ abc Shen, YG; Mai, YW (май 2000). "Влияние кислорода на формирование и стабильность тонких пленок A15 β-W". Materials Science and Engineering: A . 284 (1–2): 176–183. doi :10.1016/s0921-5093(00)00745-0. ISSN  0921-5093.
  11. ^ Басавайя, С.; Поллак, С.Р. (1968-04-15). «Сверхпроводимость в испаренных вольфрамовых пленках». Applied Physics Letters . 12 (8): 259–260. doi : 10.1063/1.1651982 . ISSN  0003-6951.
  12. ^ ab "mp-11334: W (Cubic, Pm-3n, 223)". Проект Materials . Получено 2022-12-13 .
  13. ^ Петрофф, П. М.; Рид, ВА (март 1974 г.). «Поведение сопротивления и фазовые превращения в тонких пленках β-W». Тонкие твердые пленки . 21 (1): 73–81. doi :10.1016/0040-6090(74)90092-3. ISSN  0040-6090.
  14. ^ Десаи, PD; Чу, TK; Джеймс, HM; Хо, CY (октябрь 1984 г.). «Электрическое сопротивление выбранных элементов». Журнал справочных физических и химических данных . 13 (4): 1069–1096. doi :10.1063/1.555723. ISSN  0047-2689.
  15. ^ ab Barmak, Katayun; Liu, Jiaxing; Harlan, Liam; Xiao, Penghao; Duncan, Juliana; Henkelman, Graeme (2017-10-21). "Трансформация топологически плотноупакованного β-W в объемно-центрированный кубический α-W: сравнение экспериментов и вычислений". The Journal of Chemical Physics . 147 (15): 152709. doi :10.1063/1.4995261. ISSN  0021-9606. PMID  29055319.
  16. ^ Хао, Цян; Чэнь, Вэньчжэ; Сяо, Ган (2015-05-04). "Тонкие пленки бета (β) вольфрама: структура, электронный транспорт и гигантский спиновый эффект Холла". Applied Physics Letters . 106 (18): 182403. doi :10.1063/1.4919867. ISSN  0003-6951.
  17. ^ FEDERER, JI; STEELE, RM (февраль 1965). «Идентификация фазы бета-вольфрама в сплавах вольфрама и рения». Nature . 205 (4971): 587–588. doi :10.1038/205587b0. ISSN  0028-0836.
  18. ^ abc Чаттарадж, Ананья; Асирватам, Джошуа; Дас, Гангадхар; Манна, Гуранга; Саха, Пинку; Кумар, Виджай; Канджилал, Алоке (28 марта 2022 г.). «Зависимое от роста структурное упорядочение и стабильность в пленках β-вольфрама для приложений спинтроники». Журнал прикладной физики . 131 (12): 125301. дои : 10.1063/5.0087436. ISSN  0021-8979.
  19. ^ О'Киф, М.Дж.; Грант, Дж.Т.; Соломон, Дж.С. (август 1995 г.). «Магнетронное распыление тонких пленок вольфрама с кристаллической структурой A-15 и bcc». Журнал электронных материалов . 24 (8): 961–967. doi :10.1007/bf02652968. ISSN  0361-5235.
  20. ^ ab Barmak, Katayun; Liu, Jiaxing (2017-11-01). "Влияние скорости осаждения, нижних слоев и подложек на образование β-вольфрама в напыленных пленках". Journal of Vacuum Science & Technology A . 35 (6): 061516. doi :10.1116/1.5003628. ISSN  0734-2101.
  21. ^ Vink, TJ; Walrave, W.; Daams, JLC; Dirks, AG; Somers, MAJ; van den Aker, KJA (1993-07-15). «Напряжение, деформация и микроструктура в тонких вольфрамовых пленках, осажденных методом магнетронного распыления на постоянном токе». Journal of Applied Physics . 74 (2): 988–995. doi :10.1063/1.354842. ISSN  0021-8979.
  22. ^ Weerasekera, IA; Shah, S. Ismat; Baxter, David V.; Unruh, KM (1994-06-13). "Структура и стабильность тонких пленок бета-вольфрама, нанесенных распылением". Applied Physics Letters . 64 (24): 3231–3233. doi :10.1063/1.111318. ISSN  0003-6951.
  23. ^ Нагакубо, А.; Ли, Х.Т.; Оги, Х.; Морияма, Т.; Оно, Т. (2020-01-13). «Упругие константы тонких пленок бета-вольфрама, изученные с помощью пикосекундного ультразвука и теории функционала плотности». Applied Physics Letters . 116 (2): 021901. doi : 10.1063/1.5131768. hdl : 11094/83934 . ISSN  0003-6951.
  24. ^ Чжу, Фэй; Се, Чжэн; Чжан, Чжэнцзюнь (2018-03-01). "Фазовый контроль и модуль Юнга тонкой пленки вольфрама, полученной методом двойного ионно-лучевого распыления". AIP Advances . 8 (3): 035321. doi : 10.1063/1.5021009 .