Кинетические и магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Cd1-xMnxGeAs2 и Cd1-xMnxGeP2 при высоком давлении до 7 ГПа Арсланов, Темирлан Расулович

Введение к работе

Актуальность темы. Новым перспективным направлением твердотельной электроники становится спиновая электроника (спинтрони-ка), где наряду с зарядом спин электрона представляет собой активный элемент для хранения и передачи информации, формирования интегральных и функциональных микросхем, конструирования новых маг-нето-оптоэлектронных приборов. Использование в устройствах спин-троники как ферромагнитных, так и полупроводниковых свойств материала, то есть спина и заряда его электронов, выдвигает на первый план задачу поиска, синтеза и исследования новых высокотемпературных ферромагнитных полупроводников (разбавленных магнитных полупроводников) с высокоподвижными поляризованными носителями тока [1]. Наиболее изученным представителем этого класса материалов является Ga!._xMn_xAs, в котором был обнаружен ферромагнетизм с температурой Кюри Т_с, не превышающей 170 К [2,3].

Тройные полупроводники AⁿB^IVC₂^v являются кристалл охимиче-ским и электронным аналогом полупроводников А В и могут найти применение в спинтронике. В матрице А¹ В С ₂ в зависимости от степени легирования переходные элементы (в частности Мп) могут замещать в различных пропорциях как позиции элементов второй группы A¹¹ (Cd, Zn), так и позиции элементов четвертой группы В (Ge). Магнетизм в разбавленных магнитных полупроводниках (РМП) дырочного типа на основе матриц AⁿB^IVC^v₂ формируется в результате конкуренции двух противоположных механизмов: антиферромагнитного сверхобменного взаимодействия Мп²⁺-Мп²⁺ и ферромагнитного двойного обменного взаимодействия Mn²⁺-Mn ⁺ [4, 5]. При низких концентрациях ионов марганца доминирует первый механизм, приводя к состоянию типа спинового стекла, а для случая с относительно высокой концентрацией ионов марганца, когда происходит частичное замещение ионов Ge⁴* ионами Мп³⁺, доминирует второй механизм обменных взаимодействий, проявляющийся в ферромагнетизме. Стоит отметить важную роль вакансий и нестехиометрии в формировании ферромагнетизма в этих РМП. Для системы CdGeP₂:Mn показано, что наличие в ней вакансий типа (Cd, V_c,Mn)GeP₂ или нестехиометрии типа (Cd, Ge, Мп) GeP₂ делает энергетически более выгодным ФМ-состояние, чем состояние спинового стекла [6].

В качестве объектов исследования были выбраны высокотемпературные ферромагнитные полупроводники CdGeAs₂:Mn и CdGeP₂:Mn. На основе CdGeP₂:Mn был впервые синтезирован высокотемпературный ферромагнетик [7]. Интерес к CdGeAs₂ и CdGeP₂ обусловлен возможностью легирования алмазоподобных матриц переходными элементами (Mn, Fe, Сг и др.) в довольно широких пределах, высокой подвижностью носителей дырочного типа, высокими температурами Кюри, а также технологичностью их получения в виде качественных моно и поликристаллов. Поскольку характер легирования и наличие свободных носителей заряда определяют не только кинетические свойства, но и магнитные свойства таких материалов то, эффективно воздействуя давлением, можно изучать процессы, происходящие в высокотемпературных ФМ полупроводниках.

Цель работы. Экспериментальное исследование влияния высокого давления до 7 ГПа на кинетические и магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Cdi__xMn_xGeAs₂ и Cdi._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп.

В рамках этой цели решались следующие задачи:

1. Разработать методики измерения удельного электросопротивления, коэффициента Холла, магнетосопротивления, относительной магнитной восприимчивости и относительного объема при высоком давлении до 7 ГПа и комнатной температуре;

2. Измерить при атмосферном давлении в интервале температур 77.6 - 420 К и магнитных полей Н<10 кЭ удельное электросопротивление и коэффициент Холла в разбавленных магнитных полупроводниках Cdi._xMn_xGeAs₂ и Cd!__xMn_xGeP₂ с различным содержанием марганца

3. Получить и проанализировать новые экспериментальные данные о влиянии высокого давления до 7 ГПа, при комнатной температуре на кинетические и магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Cdj._xMn_xGeAs₂, Cd!._xMn_xGeP₂ и.т.д. с различным содержанием Мп.

Научпая новизна состоит в том, что впервые:

проведены исследования температурных и магнетополевых зависимостей коэффициента Холла при атмосферном давлении в разбавленных магнитных полупроводников Cdi__xMn_xGeAs₂ и Cdi._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп, которые позволили

определить тип, подвижность и концентрацию носителей заряда. Выделены нормальная и аномальная составляющая коэффициентов Холла в Cd!._xMn_xGeAs₂c (х=0.18,0.24 и 0.30);

обнаружено индуцированное высоким давлением отрицательное магнетосопротивление в Cd!._xMn_xGeAs₂ и Cdi._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп. Выявлена взаимосвязь магнетосопротивления с магнитными свойствами исследованных образцов;

обнаружено, что в Cdi__xMn_xGeAs₂ и Cdi._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп вблизи температуры магнитного упорядочения индуцируется давлением метамагнитныи переход из состояния с низкой намагниченностью в состояние с высокой намагниченностью;

обнаружен индуцированный высоким давлением магнетообъ-емный эффект в Cdi__xMn_xGeAs₂ и Cdi._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп.

Практическая и научная ценность работы. Полученные в диссертации данные о влиянии давления на электрические и магнитные свойства образцов Cd!._xMn_xGeAs₂ и Cd_bxMn_xGeP₂ могут быть полезны для дальнейшего целенаправленного исследования свойств этих материалов путем воздействия высоких давлений. Усовершенствованное устройство для исследования кинетических и магнитных свойств твердых тел при высоком давлении, а также экспериментальные методы создания гидростатического давления до 7 ГПа и измерения удельного сопротивления, коэффициента Холла, магнетосопротивления, относительной магнитной восприимчивости и относительной объемной- сжимаемости в этих условиях могут применяться для решения ряда фундаментальных и прикладных задач. В частности, метод точного измерения давления при комнатной температуре может применяться для контроля и управления давлением в технологических процессах получения новых материалов при высоких давлениях.

Основные положения, выносимые на защиту:

4. Результаты исследования эффекта Холла в Cdi__xMn_xGeAs₂ и Cdi__xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп в диапазоне температур 77.6 4-420 К и магнитных полей Н<10 кЭ при атмосферном давлении.

5. Результаты исследования магнетосопротивления в Cdi._xMn_xGeAs₂ и Cdi__xMn_xGeP₂ при высоком давлении до 7 ГПа.

3. Результаты исследования относительной магнитной восприимчивости в Cdi._xMn_xGeAs2 и Cdi._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп при высоком давлении до 7 ГПа.

4. Результаты исследования относительного объема в Cdi._xMn_xGeAs₂ и Cdj._xMn_xGeP₂ с различным содержанием Мп при высоком давлении до 7 ГПа.

Вклад автора. В цикле исследований, составляющих данную диссертационную работу, автору принадлежит основная роль в критическом анализе имеющихся литературных данных, постановке задачи, организации и проведении экспериментов, интерпретации и анализе полученных результатов, формировании основных положений и выводов, а также в написании диссертации.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: 13-ой Международной конференции «Высокие давления и физика полупроводников» (HPSP 13) (Форталеза, Бразилия, 2008); Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах» (г. Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2008, 2009 гг.); ГХ Международном семинаре «Магнитные фазовые переходы» (Махачкала, 2009); Международной конференции «Европейской исследовательской группы по материалам» (E-MRS) (Варшава, Польша, 2009); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ-2009)» (Минск. 2009); 4-ой Международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» СЭМСТ-4 (г. Одесса, 2010); 48-ой Международной Европейской конференции по высоким давлениям (Упсала, Швеция, 2010); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах», посвященной 75-летию член-корреспондента РАН И.К.Камилова (Махачкала, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка цитированной литературы из 161 наименования. Содержание работы изложено на 133 страницах, включая 54 рисунка и 13 таблиц.

Похожие диссертации на Кинетические и магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Cd1-xMnxGeAs2 и Cd1-xMnxGeP2 при высоком давлении до 7 ГПа

Кинетические и магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Cd1-xMnxGeAs2 и Cd1-xMnxGeP2 при высоком давлении до 7 ГПаАрсланов Темирлан Расулович

Электрофизические свойства поверхностной реконструкции Si(111) - 7 х 7 слаболегированного кремнияОдобеско, Артём Борисович

Эффекты гибридизации состояний и резонансного рассеяния электронов на примесях переходных элементов в низкотемпературных свойствах полупроводникаГоворкова Татьяна Евгеньевна

Оптические, фотоэлектрические и электрофизические свойства полупроводников TiGaSe2 и твердых растворов на их основеЕвлоев Алихан Макшарипович

Микромеханические свойства полупроводников, облученных малыми дозами бета-частицДмитриевский, Александр Александрович

Свойства компенсированных полупроводников вблизи индуцированного магнитным полем перехода металл-диэлектрикЧумаков Николай Константинович

Катионное распределение и электронные свойства оксидных магнитных полупроводников со структурами шпинели и перовскитаПарфенов Виктор Всеволодович

Оптические свойства дислокаций в полупроводникахШтейнман Эдуард Александрович

Электронные свойства поверхностей металлов, полупроводников, диэлектриков со структурными дефектами, адсорбатами и тонкими пленкамиЕремеев Сергей Владимирович

Теоретическое исследование электронных свойств низкоразмерных систем в полупроводниках Васильченко Александр Анатольевич