Propriétés stucturales et magnétiques du 6H-SiC implanté Mn

Structural and magnetic properties of Mn implanted 6H-SiC

• Auteur / Autrice : Maya Al-Azri
• Direction : Salim-Mourad Cherif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions -- Implantation

Carbure de silicium

Mots clés libres

Calculs ab-initio

Résumé

In this study, n-Type 6H-SiC(0001) substrates were implanted with three fluencies of Mn' 5x10¹⁵ Mn/cm² (Mn content : 0. 7%), 1x10¹⁶ (~2 %), and 5x10¹⁶ cm² (7%) with implantation energy of 80 keV and substrate temperature of 365°C. The samples were characterized using Rutherford Backscattering and Channeling Spectroscopy (RBS/C), High Resolution X-Ray Diffraction technique (HRXRD), micro Raman Spectroscopy (μRS) and Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) techniques. The aims were to investigate implantation-induced defects upon dose and to study any correlation between disorder-composition and magnetic properties. RBS/C spectra were fitted using McChasy code, and the corresponding results show that 41% of Mn occupy substitutional sites for the lowest dose, 63% for intermediate Mn content, whereas an almost amorphization occurred for the highest dose. The hysteresis loops of the all samples have typical ferromagnetic shapes. The maximum magnetic moments were obtained for the fluence of 1×10¹⁶ Mn/cm² at which the ratio of Mn at substitutional site was maximum. In addition, we investigated the structural and magnetic properties of Mn-doped 6H-SiC using ab-initio calculations. Various configurations of Mn sites and vacancy types were considered. The calculations showed that a substitutional Mn atom at Si site possesses larger magnetic moment than Mn atom at C site. A model is introduced to explain the dependence of the magnetic structure on site occupation. The magnetic properties of ferromagnetically (FM) and antiferromagnetically (AFM) coupled pair of Mn atoms with and without neighboring vacancies have also been explored.

Dans cette étude, des substrats 6H-SiC (0001) de type-n ont été implantés avec trois concentrations de Mn' : 5 x 10¹⁵ Mn/cm² (teneur en Mn : 0,7%), 1 x 10¹⁶ (~ 2%), et 5 x 10¹⁶ cm² (7 %) à une énergie d'implantation de 80 keV et pour une température de substrat de 365° C. Les échantillons ont été caractérisés par spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford, diffraction des rayons-X à haute résolution, spectroscopie micro-Raman et magnétométrie SQUID. L’objectif est d’étudier l’effet des défauts induits par l'implantation et de déduire une corrélation avec les propriétés magnétiques. Les résultats obtenus à partir des résultats de RBS/C montrent que 41% des Mn occupent les sites de substitution pour la plus faible concentration, 63% pour la concentration intermédiaire, alors qu’une structure amorphe apparaît pour la dose la plus élevée. Les cycles d'hystérésis présentent des formes typiques d’une réponse ferromagnétique. Le moment magnétique maximal a été obtenu pour la concentration 1×10¹⁶ Mn/cm² à laquelle le taux de Mn en site de substitution est maximal. Les résultats expérimentaux ont été confrontés aux résultats des calculs ab initio. Différentes configurations de sites Mn et types d'occupation ont été pris en compte. Les calculs ont montré qu'un atome de Mn substitué sur le site d’un atome de Si possède un moment magnétique supérieur à celui d’un atome Mn sur un site C. Un modèle est introduit pour expliquer la dépendance de la structure magnétique au type d'occupation des sites. Les propriétés magnétiques de paires d’atomes Mn couplés, type ferromagnétique (FM) et antiferromagnétique (AFM), avec et sans sites voisins vacants, ont également été explorées.