Перспективным направлением твердотельной электроники становится спинтроника, где, наряду с зарядом, спин электрона рассматривается как активный элемент для хранения и передачи информации. Ключевая проблема спинтроники – поиск и синтез новых ферромагнетиков, которые совместимы с «кремниевой технологией», имеют высокую температуру Кюри и способны инжектировать высокоподвижные поляризованные по спину носители тока [1]. В работах [2-4] путём введения в CdGeAs2, CdGeP2, ZnGeAs2 и ZnSnAs2 марганца удалось создать ферромагнетики с температурой Кюри выше комнатной. Для выбора оптимальных условий синтеза ZnSiAs2, на основе анализа бинарных фазовых диаграмм Zn-As, Si-As, Si-Zn [5], проведена триангуляция тройной системы Zn-Si-As. Наиболее вероятные квазибинарные разрезы – Si-ZnAs2, Zn-SiAs2, в которых образуется тройное конгруэнтно плавящееся соединение ZnSiAs2 с Тпл=10960С [6].

Исходя из анализа тройной системы Zn-Si-As, синтез ZnSiAs2 с Mn проводили по разрезу ZnAs2–Si, непосредственным сплавлением порошков Si и ZnAs2 с общим содержанием примесей ~10‑4масс.% с добавлением в шихту высокочистого порошка марганца при температуре на 10-150 выше Тпл ZnSiAs2.

Гетероструктуры Si/ZnSiAs2{Mn}, получали термической обработкой предварительно напылённых плёнок ZnAs2 и Mn определённой толщины на монокристаллические подложки кремния. Термический отжиг проводили при температурах 900-10000 С в парах цинка и мышьяка. Отношение толщин плёнок ZnAs2 к Mn составляло 10:1. Общая толщина гетероструктур 3-6 мкм. Образование ZnSiAs2 проходило по реакции ZnAs2+Si=ZnSiAs2. После отжига граница раздела между кремнием и диарсенидом цинка-кремния в гетероструктуре была резкой из-за малой растворимости кремния в ZnSiAs2.

Идентификацию образцов проводили с помощью РФА, рентгенофлуоресцентного микроанализа и сканирующего электронного микроскопа. Согласно РФА образцы состояли только из фазы ZnSiAs2 с параметрами а = 5,6084; c = 10,8816Å, что хорошо согласовывается с данными JCPDS. Из рентгенофлуоресцентного анализа установлено, что содержание Zn, Si и As в образцах соответствовало 28:12:60 масс.% т.е. 1:1:1,91, что было близко к стехиометрическому составу ZnSiAs2. Содержание марганца было около 1 масс.%. На некоторых образцах наблюдались микронеоднородности, их примерный состав был 48-52, 27-28, 18-26 масс.% As, Zn и Si, что, по-видимому, соответствовало тройной эвтектике ZnSiAs2-Si-SiAs. Из исследований электрических и магнитных свойств установлено, что объемные образцы высокоомные, обладают p-типом проводимости и являются ферромагнетиками с температурой Кюри выше комнатной.

Изучение гетероструктуры Si/ZnSiAs2{Mn} проводили с помощью оптического микроскопа Epiquant и сканирующего электронного микроскопа. Фотографии структур до и после термической обработки представлены на рис.1 (а, б).

Рис. 1. Фотографии гетероструктуры Si/ZnSiAs2{Mn} до (а) и после (б) термической обработки.

По данным рентгенофлуоресцентного анализа поверхность гетероструктуры примерно на 1/3 отвечала составу ZnSiAs2, наблюдались и микровключения тройной эвтектики ZnSiAs2-Si-SiAs и ZnAs2. Лучшие результаты получены, при напылении марганца на плёнку ZnAs2. Неоднородности удаляли путем проведения прецизионного травления поверхности гетероструктуры.

С помощью сканирующего электронного микроскопа установлено распределение элементов в центре гетероструктуры, соотношение Zn:Si:As было близко к 1:1:2, содержание марганца соответствовало ~ 1масс.% (рис. 2).

Магнитные свойства гетероструктуры Si/ZnSiAs2{Mn} исследовали с помощью СКВИД магнетометра в интервале температур от 4,2 до 300 К и горизонтальных торсионных весов с электромагнитной компенсацией в интервале температур от 300 до 650 К (рис. 3). Температурная зависимость электросопротивления определялась 4-х зондовым методом (рис. 4).

Из анализа температурной зависимости намагниченности гетероструктуры Si/ZnSiAs2{Mn} при напряжённости магнитного поля 6кЭ в интервале температур от 4,2 до 650 К установлено, что переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние происходит при температурах значительно выше комнатных. Температурная зависимость электросопротивления гетероструктуры характерна для вырожденного полупроводника.