Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование рассеяния носителей заряда на примесных атомах в металлах и полупроводниках является одной из фундаментальных проблем физики твердого тела. Актуальные задачи в этой области связаны с определением роли резонансных примесных состояний в электронных свойствах объемных кристаллов. Соединения типа II-VI, легированные 3d - переходными металлами (Fe, Со, Сг и др.), являются перспективными объектами для решения таких задач. Отличительной особенностью этих систем является то, что примеси переходных 3d - металлов могут образовывать резонансные донорные уровни в полосе проводимости кристалла-матрицы [1,2]. С ростом содержания примесей энергия Ферми электронов проводимости стабилизируется на резонансном d-уровне, и наблюдается известный эффект «зацепления» энергии Ферми. Это приводит к резонансному рассеянию электронов проводимости на примесях и формированию системы промежуточной валентности. Происходит гибридизация делокализованных (зонных) и локализованных на примесных центрах электронных состояний. Этот эффект приводит к существенному изменению характера рассеяния электронов проводимости на примесях и проявляется в аномальных концентрационных и температурных зависимостях кинетических коэффициентов исследуемых кристаллов. Поэтому комплексные исследования эффектов гибридизации имеют большое значение для развития представлений о влиянии резонансных донорных состояний переходных d-металлов на физические свойства широкого класса легированных систем.
Детальные исследования гибридизированных электронных состояний проводились ранее для валентной полосы энергий в широкозонных кристаллах [3]. Что же касается явлений гибридизации в полосе проводимости, которые характерны для узкощелевых и бесщелевых кристаллов, то до недавнего времени их роль недооценивалась. Экспериментальные данные, полученные на этих системах, интерпретировались на основе теоретических моделей, не учитывающих гибридизацию. Однако недавно в работе [4] было показано, что именно проявлениями резонансного рассеяния электронов проводимости на донорных примесях объясняются аномалии в низкотемпературных электронных свойствах исследуемых соединений.
Таким образом, для обозначенного выше класса систем стало актуальным детальное исследование эффектов гибридизации состояний и резонансного рассеяния электронов. Связанные с влиянием донорных примесей аномальные закономерности наблюдались при низких температурах в проводимости, гальваномагнитных, магнитных и других эффектах. Основным объектом для их изучения стал кристалл HgSe с примесями 3d-nepexoflHbix металлов, в котором такие закономерности проявляются особенно ярко.
Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы - комплексное экспериментальное исследование электронных свойств и количественное описание низкотемпературных аномалий, связанных с проявлениями примесей переходных металлов (Fe, Сг, Со) в полосе проводимости кристалла HgSe, в рамках теории резонансного рассеяния.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Исследовать кинетические и магнитные свойства кристалла HgSe:Fe в диапазоне составов (2-10п
Изучить влияние гибридизированных электронных состояний примесей Fe на параметры квантовых осцилляции Шубникова - де Гааза в кристалле HgSe:Fe. С этой целью исследовать поперечное магнитосопротивление данного соединения с различной концентрацией примесей (2-1018
Исследовать роль гибридизации электронных состояний на примесях Сг в низкотемпературных кинетических свойствах HgSe. Для этого провести измерения температурных зависимостей удельного электросопротивления р(Т) и коэффициента Холла Яц(Т) кристалла HgSe:Cr с различной концентрацией примесей (3-Ю18 <ЛГСг < 6-Ю20) см'3. Провести количественное описание концентрационных и температурных зависимостей кинетических коэффициентов исследуемых систем и определить основные параметры гибридизированных состояний на примесях Сг.
Оценить вклад, который вносит магнетизм гибридизированных электронных состояний примесей Со в магнитную восприимчивость HgSe. С этой целью провести исследование температурных зависимостей магнитной восприимчивости х(Т) соединения HgSe:Co в интервале концентраций (l-1018
20) см"3. Определить из экспериментальных данных значения эффективного спина примеси кобальта S; и резонансной концентрации
ДОНОрНЫХ ЭЛеКТрОНОВ Им.
Научная новизна. В работе проведено комплексное исследование кинетических и магнитных явлений в кристалле HgSe с примесями переходных металлов (Со, Сг, Fe) в широком диапазоне концентраций примесей, температур, магнитных полей и выполнено количественное описание низкотемпературных эффектов с целью определения параметров гибридизированных электронных состояний примесей.
1. В итоге детального экспериментального исследования и количест-
венного описания низкотемпературных аномалий электронных свойств кристалла HgSe:Fe (стабилизации электронной концентрации, максимума подвижности и особенностей в температурных зависимостях подвижности) определены параметры гибридизации электронных состояний на примесях Fe ("
В результате исследования осцилляции Шубникова - де Гааза на двух сериях образцов HgSe:Fe с различной концентрацией примесей Fe (2-Ю18 <ЛгРе< НО21) см"3 определена величина фактора спектроскопического расщепления уровней Ландау. Обнаружено, что g-фактор электронов проводимости немонотонно изменяется с увеличением концентрации примесей Fe. В интервале (1-1019<Л'ре<2-1019)см"3 наблюдается минимум g-фактора, который связан с резонансной аномалией магнитной восприимчивости локализованной части электронной плотности и объясняется обменным взаимодействием электронов в гибридизированных состояниях.
В экспериментах по исследованию температурных зависимостей электросопротивления и коэффициента Холла в кристалле HgSe:Cr в интервале концентраций Na = (3-Ю18 -*- 6-Ю20) см*3 и температур (2 -* 300) К наблюдались особенности в поведении электронной подвижности в зависимости от температуры и концентрации примесей. Показано, что данные аномалии в электронных свойствах FgSe:Cr связаны с влиянием примесных электронных состояний и описываются теорией резонансного рассеяния. Определены параметры резонансного уровня Сг в HgSe: полуширина пика в плотности состояний А, относительная доля нерезонансных фаз рассеяния а, сдвиг резонансной фазы <р, Г и ц0.
4. При экспериментальном исследовании магнитной восприимчивости системы HgSe:Co в концентрационном интервале примесей Wco = (1-1018 -5- 6-Ю20) см"3 и диапазоне температур (2 *-300) К установлено, что в области низких температур (2 * 30) К магнитная восприимчивость локализованных моментов на примесях Со описывается законом Кюри-Вейса, а константа Кюри линейно растет с концентрацией примесей. Показано, что экспериментально определенная концентрационная зависимость константы Кюри свидетельствует о существовании в полосе проводимости HgSe резонансного уровня Со. Рассчитаны параметры, описывающие электронные состояния примеси Со: эффективный спин 5/ и резонансная концентрация донорных электронов пм-
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований концентрационных и температурных зависимостей кинетических и магнитных параметров соединений HgSe:Fe,
HgSe:Cr, HgSe:Co, которые свидетельствуют об общих закономерностях в электронных свойствах, связанных с наличием гибридизированных состояний примесей в полосе проводимости HgSe. Экспериментальные зависимости описываются в рамках модели резонансного рассеяния: концентрационные зависимости электронной концентрации (HgSe с примесями Fe, Со); концентрационные зависимости электронной подвижности (HgSe с примесями Fe, Сг); температурные зависимости электронной подвижности (HgSe с примесями Fe, Сг); концентрационные зависимости константы Кюри (HgSe с примесями Fe, Со).
Определение набора физических параметров гибридизированных состояний примеси Fe, который описывает реальную электронную структуру резонансного донорного энергетического уровня в полосе проводимости кристалла-матрицы HgSe.
Обнаружение минимума в концентрационной зависимости g-фактора электронов проводимости в системе HgSe:Fe, который обусловлен обменным взаимодействием зонных электронов с Зс1-электронами ионов Fe.
Анализ температурных зависимостей электронной подвижности кристалла HgSe:Cr в рамках модели резонансного рассеяния. Получены численные оценки параметров гибридизации электронных состояний на примесях Сг: полуширины пика в плотности состояний, относительной доли нерезонансных фаз рассеяния, резонансной подвижности, полуширины резонансного интервала.
Количественное описание концентрационной зависимости константы Кюри в примесной магнитной восприимчивости кристалла HgSe:Co в рамках модели гибридизации электронных состояний на примесях, которая линейно зависит от концентрации примесей Со. Определены параметры St - 1.52 (эффективный спин) и П018см"3 (резонансная концентрация донорных электронов Со).
Научная и практическая ценность работы. Диссертационная работа выполнена по плану РАН (тема№ г.р. 01.2.006 13395), а также в рамках инициативных проектов РФФИ (грант № 03-02-16246, грант № 06-02-16919, грант № 09-02-01389). Экспериментальные результаты, полученные в работе, и их интерпретация развивают представления о гибридизации примесных электронных состояний в полосе проводимости объемного кристалла и ее влиянии на низкотемпературные электронные свойства. Научная и практическая ценность работы состоит:
в получении комплекса экспериментальных данных по электрическим, гальваномагнитным и магнитным свойствам кристаллов HgSe:Me (Me = Fe, Со, Сг), которые подтверждают существование гибридизированных состояний примесей в полосе проводимости кристалла-матрицы;
в определении физических параметров гибридизированных состояний примесей переходных металлов, которые содержат информацию об электронной структуре исследуемых донорных уровней.
Личный вклад автора. Комплекс работ, выполненных автором, включал в себя: проведение экспериментов по измерению температурных зависимостей электросопротивления и коэффициента Холла, эффекта Шубникова -де Гааза кристалла HgSe:Fe совместно с к.ф.-м.н. Сабирзяновой Л.Д., обработку экспериментальных данных. С использованием стандартного программного пакета MathCAD -13.0 автором проведено количественное описание всех концентрационных и температурных зависимостей кинетических и термодинамических коэффициентов кристаллов HgSe:Fe, HgSe:Co, HgSe:Cr в рамках теории резонансного рассеяния, разработанной Окуловым В.И., и определены параметры модели.
В работе использовались данные по магнитным измерениям для кристаллов HgSe:Fe и HgSe:Co и по температурным зависимостям электросопротивления и коэффициента Холла для кристалла HgSe:Cr, полученные соавтором публикаций к.ф.-м.н. Королевым А.В. в центре магнитометрии Института физики металлов УрО РАН. Постановка задачи, планирование экспериментов, обсуждение результатов, написание статей и тезисов докладов проводились совместно с научным руководителем.
Степень достоверности результатов, приведенных в диссертации, обеспечивается использованием аттестованных монокристаллических образцов, применением современных апробированных методик измерений на аттестованных приборах, воспроизводимостью результатов измерений, использованием лицензионных программных пакетов для обработки экспериментальных данных (Origin-8.0, MathCAD-13.0) и обсуждением результатов исследования на основе общепринятых представлений физики твердого тела.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: VII Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники - 2005», Москва (2005); XXXIV Совещание по физике низких температур, Ростов-на-Дону - п. Лоо (2006); XX Международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва (2006); XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург - Кыштым (2006); VIII Российская конференция по физике полупроводников «Полупроводники-2007», Екатеринбург (2007); XVII Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург - Новоуральск (2008); а также на семинарах кафедры низких температур Физического факультета МГУ, Москва (2008), кафедры компьютерной физики Физического факультета УрГУ, Екатеринбург (2009); на семинарах лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УрО РАН (2007,2008,2010) и на научной сессии Института физики металлов УрО РАН по итогам 2007 года.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией - 4, статей в сборниках и трудах конференций и тезисов докладов - 6.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 118 страниц, включая 39 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 60 наименований.
