Введение к работе
Актуальность темы. К полумагнитным полупроводникам относят такие полупроводниковые соединения, в которых часть катионных позиций в кристаллической решетке занята магнитными ионами, т. е. ионами, обладающими собственным магнитным моментом. Распространены и другие наименования рассматриваемого класса полупроводниковых материалов - магнитосмешанные полупроводники или, в буквальном переводе с английского, разбавленные магнитные полупроводники (diluted magnetic semiconductors). Последнее название представляется нам наиболее удачным, однако в настоящей работе мы будем пользоваться укоренившимся в русскоязычной литературе термином полумагнитные полупроводники (ПМП). Типичными представителями этого класса материалов являются твердые растворы типа A"i.xMexBvl, где A=Zn, Cd, Mg, ...; B=S, Se, Те; Me=Mn, Fe, Co, Cr и т.п. Внутри этой группы ПМП сильно различаются по ширине запрещенной зоны - от бесщелевых полупроводников в системе Нд^хМпДе до широкозонных материалов типа Zn10
Взаимодействие "встроенных" в решетку локализованных спиновых моментов (ЛСМ) между собой, с зонными носителями заряда и экситонами порождает многообразие явлений, в частности, гигантские спиновое расщепление зонных состояний и фарадеевское вращение плоскости поляризации света, гигантское отрицательное магнитосопротивление и индуцируемый магнитным полем переход металл - изолятор, образование магнитных кластеров и различные формы спинового упорядочения, магнитополяронный эффект [1J.
Ионы марганца и некоторых других переходных металлов, внедренные в матрицу AnBvl даже в значительном количестве, не оказывают заметного влияния на качество кристаллической решетки; кроме того, они электрически нейтральны и не образуют ни акцепторных, ни донорных уровней. Высокая подвижность электронов (особенно в узкозонных кристаллах), на много порядков превышающая подвижности в традиционных магнитных полупроводниках, высокий квантовый выход люминесценции, относительно высокое структурное совершенство позволяют применять к ним современные методы исследования твердых тел. Особая
привлекательность этих материалов заключается в возможности варьировать в широких пределах магнитные свойства. В зависимости от концентрации магнитной компоненты ПМП могут проявлять свойства, обусловленные изолированными магнитными ионами, изолированными магнитными кластерами, фазой спинового стекла и антиферромагнитной фазой. В некоторых случаях все эти фазы могут быть реализованы в одной системе (как, например, в Сф.хМПхТе). .
Во всех этих явлениях важную роль играет непременный атрибут ПМП - структурный беспорядок. Хаотическое распределение магнитных ионов по катионной подрешетке ПМП при относительно большом среднем расстоянии между ними исключает высокосимметричные формы спинового упорядочения, характерные для собственно магнитных полупроводников - предшественников ПМП, но порождает другие формы упорядочения, а также обусловливает иное, чем в магнитных полупроводниках [2], протекание многих явлений. С беспорядком в расположении магнитных ионов связан переход в фазу спинового стекла. По сравнению с классическими спиновыми стеклами - металлами [3] в ПМП реализуются иные механизмы спиновых взаимодействий. Физическая картина фазового перехода в ПМП, а также влияние размерности на фазовый переход до конца не выяснены. Эти проблемы представляют большой научный интерес и требуют разработки новых методов исследования.
Благодаря возможности управления шириной запрещенной зоны и параметрами решетки соединения A'VxMexB^ являются перспективными исходными материалами для создания на их основе низкоразмерных структур с квантовыми ямами, сверхрешеток, а также различных оптоэлектронных устройств. Достигнутые в последние годы успехи молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводников A"BVI позволили получить качественные гетеро-переходы и структуры пониженной размерности с полумагнитными слоями. В самое последнее время методами самоорганизации были получены полумагнитные квантовые точки [4]. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволил также получить ПМП на основе соединений AmBv с марганцем [5]. Поэтому актуальной проблемой является исследование свойств подобных структур и лежащих в их основе спиновых взаимодействий средствами оптической спектроскопии. Важно отметить, что ПМП выращиваются на основе традиционных полупроводников - это позволяет легко интегрировать эти материалы в современную оптоэлектронику.
Таким образом, можно констатировать, что в результате исследований ПМП сформировалось новое направление физики твердого тела, находящееся на стыке физики полупроводников, магнетизма и физики неупорядоченных систем.
Целью настоящей работы является всестороннее исследование фото- и магнитоиндуцированных явлений в ПМП и квантоворазмерных структурах, изучение взаимосвязи их магнитных и оптических свойств. Это исследование включает изучение: (а) возможностей управления намагниченностью кристалла с помощью света и магнитного поля; (б) оптических проявлений магнитных свойств, в том числе спин-стекольных свойств ПМП, оптической ориентации спинов носителей в ПМП и квантовых ямах на основе ПМП; (в) механизмов, ответственных за появление в магнитном поле линейной и циркулярной поляризации излучения в объемных кристаллах и в квантовых ямах; (г) эффектов магнитооптической анизотропии. Особый интерес представляет вопрос о влиянии фазового перехода парамагнетик - спиновое стекло на свойства магнитного полярона.
В качестве объектов исследований были выбраны наиболее изученные среди ПМП твердые растворы Cdi.xMnxTe в широком диапазоне концентраций марганца и квантово-размерные структуры типа CdTe/Cdi.xMnxTe.
В настоящей работе мы использовали метод поляризованной люминесценции и, в частности, метод оптической ориентации электронных спинов [6]. Соответствующие эксперименты основаны на известной связи между ориентацией электронных спинов и поляризацией испускаемых и поглощаемых квантов света. Высокочувствительный метод поляризованной люминесценции успешно решает проблему, связанную с малым количеством вещества в наноструктурах. Также были применены метод селективного возбуждения локализованных состояний и комбинационное рассеяние света.
Научная новизна работы определяется перечисленными ниже новыми результатами.
Впервые исследованы магнитоиндуцированная циркулярная и линейная поляризация люминесценции твердых растворов в широком диапазоне концентраций марганца (х=0 - 0.5). Установлены механизмы, лимитирующие «гигантскую» величину степени поляризации рекомбинационного излучения.
Обнаружена сильная кубическая анизотропия в кристаллах Cdi.xMnxTe, указывающая на существование анизотропных спиновых корреляций в системе магнитных ионов.
Впервые предложен метод регистрации фазового перехода парамагнетик - спиновое стекло по поляризации люминесценции локализованных экситонов. Осуществлена оптическая регистрация локальных внутренних полей в спиновых стеклах.
Обнаружена оптическая ориентация экситонов в квантовых ямах с полумагнитными слоями и исследована деполяризация носителей во внешнем магнитном поле.
Обнаружена инверсия знака эффекта Ханле в полумагнитных квантовых ямах.
Обнаружена и исследована латеральная анизотропия магнитоиндуцированной линейной поляризации излучения в квантовых ямах.
Продемонстрированы возможности спектроскопии поляризованной люминесценции для изучения новых явлений в ПМП и низкоразмерных структурах. Показано, что магнитоиндуцированная линейная поляризация обладает исключительно высокой чувствительностью к искажениям симметрии квантовых ям.
Научная и практическая значимость работы состоит в получении новой информации о полумагнитных полупроводниках и квантоворазмерных структурах, о связи их магнитооптических свойств с различными аспектами присущего этим системам структурного и магнитного беспорядка. Полученные результаты отражают общие закономерности, присущие полумагнитным полупроводникам и квантово-размерным структурам на их основе. Некоторые результаты и выводы не ограничиваются полумагнитными системами и могут быть также использованы при исследовании немагнитных систем. Это, в частности, относится к результатам по анизотропии магнитоиндуцированной линейной поляризации излучения. На защиту выносятся следующие основные положения:
-
В условиях селективного оптического возбуждения экситонов в кристаллах Cdi.xMnxTe имеется некоторая пороговая энергия локализации, ниже которой прекращается миграция экситонов. Эта энергия соответствует порогу подвижности экситонов и регистрируется экспериментально по зависимостям поляризации излучения и спектрального сдвига линии люминесценции от энергии возбуждающих квантов.
-
Поляризация экситонной люминесценции твердых растворов Cdi_xMnxte в магнитном поле определяется угловым распре-
делением магнитных моментов поляронов: в зависимости от концентрации марганца это распределение задается конкуренцией между ориентирующим действием магнитного поля и либо тепловым беспорядком (малые концентрации), либо пространственными флуктуациями намагниченности (большие концентрации).
-
Благодаря локальной анизотропии магнитной восприимчивости, вызванной анизотропными спиновыми корреляциями в системе магнитных ионов, в полумагнитных полупроводниках наблюдаются эффекты кубической анизотропии.
-
Поглощение поляризованного света в спиновых стеклах Cd^ хМпхТе из-за наличия флуктуации намагниченности даже в отсутствии магнитного поля приводит к анизотропному угловому распределению магнитных моментов поляронов. В результате люминесценция оказывается линейно или циркулярно поляризованной - в зависимости от поляризации возбуждающего света. Спиновое стекло с хаотически направленными флуктуациями намагниченности представляет случай среды со скрытой анизотропией. Эта модель адекватно описывает круг явлений оптически индуцированной поляризации люминесценции, возникающих при селективном возбуждении локализованных экситонов в спиновых стеклах Cdi.xMnxTe.
5. Температурные зависимости поляризации люминесценции,
индуцируемой слабым магнитным полем, дают возможность
оптически регистрировать фазовый переход парамагнетик -
спиновое стекло в твердых растворах Cdi.xMnxTe.
-
Механизм спиновой релаксации локализованных экситонов в кристаллах Cd^xMnxTe зависит от величины магнитного поля: в сильном поле доминирует туннелирование (пространственный перенос) экситона с переворотом спина, в слабом поле преобладает переворот спина без изменения пространственной локализации экситона.
-
В квантовых ямах CdTe/Cdi.xMnxTe в стационарных условиях наблюдается оптическая ориентация экситонов. Деполяризация экситонного излучения в поперечном магнитном поле (эффект Ханле) происходит в два этапа. В слабых полях деполяризуется спин электрона, в более сильном поле смешивание состояний дырочных подзон приводит к деполяризации спина дырки.
-
В полумагнитных квантовых ямах магнитная деполяризация излучения оптически ориентированных локализованных экситонов определяется сложной спиновой динамикой, связанной с прецессией локальной намагниченности в обменном поле
локализованной дырки. Этот процесс приводит к инверсии знака эффекта Ханле - росту поляризации в поперечном магнитном поле (аномальный эффект Ханле).
9. Степень магнитоиндуцированной линейной поляризации люми
несценции в квантовых ямах CdTe/Cdi_xMnxTe сильно зависит от
направления магнитного поля в плоскости квантовой ямы. Эта
анизотропия является следствием более низкой (чем номинальная)
симметрии реальных квантовых ям и обусловлена слабыми
искажениями, вносимыми во время роста гетероструктуры. Магнито-
индуцированная линейная поляризация обладает исключительно
высокой чувствительностью к искажениям симметрии квантовых ям.
10. Модель эффективного спина размерно-квантованной дырки с
анизотропным g-фактором адекватно описывает основные законо
мерности поведения магнитоиндуцированной линейной поляриза
ции. g-фактор тяжелой дырки, индуцированный низкосимметричным
(C2v) возмущением, оказывается предельно анизотропным: дхх=-дуу.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991), на I, II и IV Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993, Зеленогорск, 1996, и Новосибирск, 1999), на XX, XXII и XXIII Международных конференциях по физике полупроводников (Салоники, 1990, Ванкувер, 1994 и Берлин, 1996), на Международном симпозиуме "Гетероструктуры в науке и технике" (Вюрцбург, Германия, 1995), на 15-й Генеральной конференции Отделения конденсированных сред Европейского физического общества (Бавено-Стреза, Италия. 1996), на XXIII Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, 1996), на международных конференциях "Экситоны в конденсированных средах" (Санкт-Петербург. 1997) и "Физика на рубеже XX века" (Санкт-Петербург, 1998), на Международном совещании "Оптические свойства полупроводниковых наноструктур" (Яшовец, Польша, 1999), а также на семинарах лабораторий ФТИ им.Иоффе, Института физики Польской Академии наук и Технического Университета г. Тампере.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 29 печатных работах [А1-А29], перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка работ автора из 29 наименований и списка цитированной литературы из 261
наименования. Объем диссертации - 255 страниц, включая 78 рисунков и 1 таблицу.
Похожие диссертации на Фото- и магнитоиндуцированные эффекты в полумагнитных полупроводниках и квантоворазмерных структурах
