Superparamagnetism in Si1 – xGex <B, Hf> Whiskers

Abstract

Стаття присвячена дослідженню намагніченості та магнітної сприйнятливості ниткоподібних кристалів Si1 – xGex <B, Hf> (x = 0,05) діаметром близько 1 мкм в діапазоні температур 77-300 К та магнітних полях до 4,28 кЕ. Отримані результати показали, що магнітна сприйнятливість ниткоподібних кристалів суттєво відрізняється від типового діамагнітного об'ємного матеріалу. Основна відмінність пов'язана з існуванням парамагнітних центрів, локалізованих в нанопористому покритті, так званій структурі ядро-оболонка, ниткоподібних кристалів Si1 – xGex. Це призводить до виникнення їх магнітного впорядкування та появи парамагнітної складової в магнітній сприйнятливості. Збільшення парамагнітної складової спостерігалося завдяки введенню домішок Hf як окремих парамагнітних центрів. Було також виявлено наявність кисню в структурі "ядро-оболонка" відповідно до результатів Оже-спектроскопії, що пов'язано з ПРК-механізмом росту ниткоподібних кристалів Si1 – xGex. В результаті відбувається утворення HfO2-кластерів як об'ємного матеріалу, що характерно для діамагнетиків. Поведінка польової залежності магнітної сприйнятливості має суперпарамагнітний характер, що є типовим для насичення намагніченості суперпарамагнетизму та відсутності гістерезису в інтервалі температур 77-300 К. Отже, виявлені явища пояснюються наявністю обірваних зав'язків, а також кластерів HfO2 в нанопористій оболонці ниткоподібних кристалів, що приводить до магнітного впорядкування та появи суперпарамагнетизму в зразках Si1 – xGex <B, Hf>.

The paper deals with studies of magnetization and magnetic susceptibility of Si1 – xGex <B, Hf> (x = 0.05) whiskers with a diameter of about 1 μm in the temperatures range 77-300 K and magnetic fields up to 4.28 kOe. The obtained results have showed that the whisker magnetic susceptibility differs substantially from the typical diamagnetic bulk material. The main difference is connected with the existence of paramagnetic centers localized in the nanoporous coating, the so-called core-shell structure, of Si1 – xGex whiskers. This leads to the emergence of magnetic ordering in them and appearance of a paramagnetic component in the magnetic susceptibility. An increase in the paramagnetic component was observed due to the introduction of Hf dopants as separate paramagnetic centers. The oxygen presence in the whisker coreshell structure was also found due to Auger spectroscopy associated with the VLS mechanism of the Si1 – xGex whisker growth. As a result, HfO2 clusters are formed as a bulk material typical of diamagnets. The field behavior of the magnetic susceptibility component has a superparamagnetic character, which is characteristic of superparamagnetism saturation of magnetization and hysteresis absence in the temperature range 77-300 K. Therefore, the observed phenomena are explained by the existence of dangling bonds, as well as HfO2 clusters, in the whisker nanoporous coating according to magnetic ordering and the superparamagnetism appearance in Si1 – xGex <B, Hf> whiskers.