Введение к работе
Актуальность темы. Магнитосмешанные или полумагнитные полупроводники (ГМП) представляют сооой твердые растворы обычных и магнитных полупроводников. Речь идет' главным образом о смешанных растворах на основе а2в6 полупроводниковых соединений, где в качестве легирующей магнитной компоненты используются халькогеншш мп. Растворы на основе
CdS, MnS, CdSe, MnSe, CdTe, MnTe, ZnTe, MnTe ЯВЛЯЮТСЯ НЭИбОЛее
изученными соединениями из класса полумагнитных полупроводников. Интерес к этим соединениям резко возрос в конце 70-х годов, когда было обнаружено, что внесение в матрицу 'обычного полупроводника даже небольшого количества магнитной примеси х=о.оі приводит к радикальному изменению их магнитооптических характеристик, порождая такие аномальные магнитооптические явления как гигантское фарадеевское вращение, гигантский циркулярный дихроизм спектров магнитоотражения и магнитопоглощения. Дальнейшие исследования показали, что природа наблюдаемых аномальных магнитооптических свойств полумагнитных полупроводников обусловлена сильным обменным взаимодействием между зонными электронами и локализованными спиновыми моментами (ЛОМ) магнитной примеси. Целью настоящей диссертационной работы является изучение природы и свойств обменного взаимодействия между носителями и магнитной примесью на примере
ПОЛумаГНИТНОГО ПОЛуПрОВОДНИКа Cd^Mn^S.
Влияние обменного взаимодействия на электронные состояния в ПМП носит двоякий характер. Во-перьых, в магнитном поле обменное взаимодействие с магнитной примесью вызывает гигантские спиновые
расщепления (ГСР) состояний носителей в валентной зоне и зоне проводимости полупроводника. Величина ГСР при мольной доле магнитной примеси х=ол может достигать -юомэБ, существенно превышая величину экситонного ридберга, и оказывается сравнимой с константами спин-орбитального взаимодействия и кристаллического поля. Б таких условиях обменное взаимодействие оказывает сильное влияние на спектр зонных состояний, существенно меняя симметрию волновых функций в кристалле. Поскольку при концентрациях магнитной примеси x В отношении магнитных свойств полумагнитные полупроводники занимают промежуточное положение между обычными (т.е.немагнитными) и магнитными полупроводниками. В магнитных полупроводниках обменное взаимодействие между магнитными ионами является определяющим и формирует как магнитную структуру полупроводника так и, в значительной степени, энергетический спектр кристалла. В ПМП взаимодействие между магнитными ионами существенно ослаолено, поскольку среднее расстояние между атомами магнитной примеси составляет нес- колько постоянных решетки. Наиболее существенным магнитным взаимодействием в кристалле в этом случае оказывается ооменное взаимодействие носитель - магнитная примесь, которое и оказывает существенное влияние как на магнитотранспортные так и на магнитсопти- ческие свойства кристалла. ПМП представляют, в этом смысле, через-вычайно удобный объект для исследования процессов обменного взаимодействия между зонными электронами и ЛСМ магнитной примеси. С практической точки зрения, ПМП также имеют большую перспективу, связанную с возможностью создания приборов управления светом в широком спектральном диапазоне. Цель работы Основной задачей диссертационной работы являлось исследование влияния обменного взаимодействия на электронные состояния в полумагнитных полупроводниках, выяснение роли пространственных корреляций в системе дырка-магнитная примесь 'в формировании энергетического спектра носителей в ПМП. Эта задача решалась путем проведения магнитооптических исследований, включающих в себя исследование спектров магнитоотражения и спектров спин-флип комбинационного рассеяния света. Научная новизна. Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые: і. Проведено систематическое исследование констант pd и sd обменного взаимодействия в кристаллах cd „Mnxs в широком диапазоне концентраций магнитной примеси х от о.ооі до о.об. Показано, что при малых концентрациях магнитной примеси константа P-d обменного взаимодействия аномально велика. Абсолюная величина константы P-d обмена составляет nqj d=-4.об эВ для x=o.ooi. Константа s-d обменного взаимодействия равна ы j =о.гз эВ. 2. Впервые обнаружена зависимость константы P-d обменного взаимодействия от концентрации магнитной примеси х. При увеличении концентрации х до х=о.об j уменьшается более чем в два раза и достигает величины nj =-1.6 эВ. Предложена модель, связывающая О pd концентрационную зависимость обменного интеграла с эффектами пространственной корреляции в системе носитель-магнитная примесь. Используя всего один подгоночный параметр, удалось не только количественно описать величину и зависимость Ра обменной константы от концентрации х, но и объяснить различие обменных интегралов в ряду сульфидов, теллуридов И СЄЛЄНИДОВ Cd И Zn. з. Изучена зависимость ширины нижайшего экситонного состояния (А - экситона) от внешнего магнитного поля для кристаллов с малой концентрацией магнитной примеси u=o.ooi и o.oos). Ширина экситонного резонанаса в магнитном поле изменяется почти на порядок величины ОТ 16 МЭВ ДЛЯ Г* ЭКСИТОННОГО Терма ДО 2.4 мэВ для Г^ экситонного терма. Ширина линии экситонного состояния от энергии экситона. Обнаружено существование двух режимов уширения - "плато", и линейного режима. При смене режимов форма линии изменяется от асимметричной к Гауссовой. Аномальное поведение ширин экситонных резонансов является экспериментальным докозательством несимметричного характера P-d обменого взаимодействия в кристаллах cdJ_xMnxs. 3. Впервые обнаружено несимметричное расщепление экситонных 'асимметрия расщеплений связанна с зависимостью p-d ооменного интеграла от намагниченности магнитопримесной подсистемы. 4. Обнаружен обменный антикроссинг между состояниями айв - о - Научная и практическая ценность. Научная ценность диссертационной работы заключается, в первую очередь, в том,- что совокупность полученных экспериментальных результатов существенно развивают существующие взгляды на природу pd обменного взаимодействия. А именно, эффекты пространственной корреляции в системе дырка - магнитная примесь могут сильно изменять эффективную величину Pd обменного интеграла и приводить к качественным изменениям магнитооптических характеристик кристаллов. Полученные результаты носят общий характер и не ограничивайся ТОЛЬКО Кристаллами Cd^Mn^S. Аномально большие величины магнитооптических констант в кристаллах cd1_)[Mnxs, большие даже по сравнению с другими ПМП, делают эти материалы перспективными для использования в оптоэлектронике и приборах модуляции света. Научные положения, выносимые на' защиту. 1. При малых концентрациях магнитной примеси константа p-d О pd 2. Константа P-d обменного взаимодействия сильно зависит от О pd связана с эффектами пространственной корреляции в системе дырка - магнитная примесь. 3. Pd обменное взаимодействие в кристаллах cd1_xMn](s несим 4. Константа p-d обменного взаимодействия в кристаллах Cd1_]iMnj[S С бОЛЬШОЙ Концентрацией МаГНИТНОЙ ПрИМесИ ХІ0.015 сильно зависит от намагниченности магнитопримесной подсистемы. Эта зависимость проявляется в несимметричном расщепление экситонных состояний во внешнем магнитном поле. 5. Pd обменное взаимодействие в кристаллах cdlxMnxs переме Апробация работы. Основные результаты исследований, которым посвящена диссертационная работа, были представлены на на Советско-Германском симпозиуме "Физика высокотемпературных сверхпроводников, низкоразмерных систем и неупорядоченных сред" (Гурзуф, 1990), на Второй международной конференции по физике полумагнитных полупроводников (Яблона, Польша, 1988), на научных семинарах в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН, в Физическом институте им.Лебедева РАН и в Институте физики твердого тела РАН. Основные результаты опубликованы в 4 статьях в ведущих научных журналах. Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Работа содержит lis страниц текста, 27 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 72 наименования. -КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ. Материал диссертации изложен в-шести главах. Первая глава представляет собой литературный обзор. В этой главе приведены основные сведения касающиеся кристаллической структуры и энергетического спектра зонных состояний в ПМП. Подробно рассмотрено влияние обменного взаимодействия на магнитооптические свойства ПМП кубической и гексагональной структуры. Рассмотрены спиновые расщепления экситонных состояний в ПМП, а также правила отбора для зон-зонных и экситонных оптических переходов. В этой же главе обсуждаются магнитные свойства ПМП, зависимость обменного поля в ПМП от температуры концентрации магнитной примеси и магнитного поля Н. Отдельный параграф первой главы посвящен природе обменного взаимодействия, роли гибридизации между состояниями магнитной примеси и атомами немагнитной матрицы, а также результатам самосогласованных расчетов зонной структуры магнитоупорядоченных ПМП. Вторая глава диссертационной работы посвящена описанию кристаллов использованных при выполнении настоящей работы, а также описанию спектроскопических методик, с помощью которых выполнялась работа. В основном нами использовались две спектроскопические методики, - изучение спектров магнитоотражения и спектров комбинационного рассеяния света с переворотом электронного спина (сгош-флип комбинационного рассеяния света СФКР). В этой главе приведены основные сведения касающиеся спектральных приборов, оптических криостатов, соленоидов, источников лазерного возбуждения и фотоэлектрической регистрации, с помощью которых выполнялась настоящая диссертационная работа. Третья глава посвящена определению абсолютных значений pd и sd обменных интегралов в широком диапазоне концентраций магнитной примеси, p-d и s-d ооменные интегралы j и j . описывающие обменное взаимодействие ЛСМ магнитной примеси соответственно с электронами в валентной зоне и зоне проводимости полупроводника, являются одним из наиболее важных параметров характеризующих обменное взаимодействие в ПМП. К моменту выполнения диссертационной работы в литературе имелась довольно богатая информация, касающаяся sp-d обменного взаимодействия в теллуридах и селенидах cd и zn. Что касается сульфидов, то в литературе фигурировали различные цифры. Связано это с большим уширением экситонных состояний в этих кристаллах, что вызывает значительные экспериментальные трудности при изучении спиновых расщеплений экситонных состояний. Третья глава посвящена систематическому исследованию констант pd и sd обменного взаимодействия в кристаллах cd^Mn^s в диапазоне концентраций магнитной примеси х от о.ооі до о.об. При этом величины спиновых расщеплений в валентной зоне и зоне проводимости полупроводника извлекались из сравнения спектров экситонного маг-нитоотражения и <ЖР. Измерение удельной намагниченности м(Н) позволило определить ' абсолютные значения обменных констант. Подчеркнем, что все экспериментальные данные были получены на одних и тех же образцах, б одних и тех же экперименталъных условиях (в одной и той же геометрии эксперимента, при одной и той же тепературе). Оказалось, что значения обменных интегралов n j с точностью эксперимента не зэеисят от кониентраиии магнитной примеси ;; равны n j =0.22 эБ. Исключение составляет только таисталл с л=о.ооі. О ed где n,j несколько больше. Однако Бвиду малости спиновых оасщеп- (I td лений для кристаллов с малыми л- погрешность при определении л'0^в<) в этом случае сольше. Величина pd оомеиного интеграла аномально велика в соласти малых концентраций мп (x0J d = -4.06 зБ для x=o.ooi). При увеличении концентрации магнитной примеси обменный интеграл падает до n j = -і.6 эБ, но остается существенно больше, чем в остальных а2в6 ПМП. Б этой же главе излагается модель, которая позволяет оценить перенормировку семенного взаимодействия за счет эффектов пространственной корреляции. Б этой модели вопрос о взаимодействии спинового момента магнитной примеси с зонными электронами, который представляет собой, вообще говоря, многочастичную задачу и с трудом поддается теоретическому анализу, сводится к задаче о взаимодействии одного электрона с распределенным полем случайного потенциала Дг). и{г) - представляет собой набор точечных потенциалов <7=±J5/4, СО Средней ПЛОТНОСТЬЮ P = .Vx_ (ЗДЄСЬ V - КОЛИЧЄС- О О Ип О тбо элементарных ячеек в единице объема, а хМп - мольная доля мп). При этом потенциал имеет притягивающий характер для электронных состояний со спином s=i/2 и отталкивательный характер для состояний со спином s=-i/2. Предполагается, что отдельная яма не имеет связанного состояния. Оказалось, что в случае притягивающего потенциала система сингулярных ям с заданной плотностью р приводит к появлению состояния о отрицательной энергией I к' ' 2т* где а-радиус ямы, а ;/=/ 2т*и0/ьг зависит от эффективной массы носителей т*. Тем самым, по сути дела, решается задача о нахождении псевдопогенциала или эффективного потенциала, медленно меняющегося и гладкого потенциала, действующего на частицу так же. как и система сингулярных ям. Амплитуда этого потенциала вооОще говоря не может быть получена путем простого усреднения потенциала t/u). Так в случае притяжения и0<о эффективный потенциал иэ^ оказывается больше среднего значения потенциала, '^эйЬ^'^сс'' чт0 объясняется увеличением вероятности частицы находится -в области, где потенциал отличен от нуля. Б случае же отталкивания, )иэ^<)ис-\, что с связано с выталкиванием частицы из области действия потенциала. С ростом концентрации магнитной примеси интерференция между процессами рассеяния на различных примесях приводит к сублинейной зависимости эффективного потенциала от концентрации. Численные оценки осуществлялись путем подгонки амплитуды затравочного потенциала под экспериментально определенную величину СПИНОВОГО раСЩеПЛеНИЯ В ВаЛеНТНОЙ ЗОНЄ В Cdj_ MnxS С х=0.001. Б качестве меры согласия между экспериментом и теорией анализировалась получавдася концентрационная зависимость. Оказалось, что с помощью одного затравочного модельного потенциала удается хорошо описать величину обменного взаимодействия не только в кристаллах cdt_ Mnxs, но и в других ЇЇМП. Причины аномальных свойств cd1_jiMnxs связаны при этом с большой величиной эффективной дырочной массы, что приводит к значительным корреляционным эффектам и к эффективному взаимодействию- близкому к резонансному. Четвертая глава посвящена изучению аномального поведения ширины нижайшего экситонного резонанса в зависимости от внешнего магнитного поля. В кристаллах cdixHnxs, в отличие от других ПМП, существенно обостряется А-экситонный терм, который смещается в сторону высоких энергий, в сторону диссоциированных состояний в-экситона. При этом ширина и амплитуда экситонного резонанса становится сравнимой с наблюдаемой в самых чистых и совершенных кристаллах cds. Кроме всего прочего, это говорит о структурном совершенстве и качестве изучаемых кристаллов. Резкое обострение эксито-на, смещающегося в сторону высоких энергий свидетельствует о несимметричном характере pd обменного взаимодействия в CdJ_xMni(S. Для устранения возможной ошибки в определении ширины линии нами использовался анализ Крамерса - Кронига. При этом изучалась мнимая часть диэлектрической проницаемости - приведенная "оптическая" плотность состояний. Оказалось, что поведение ширин можно описать кривой, универсальной для кристаллов с различной концентрацией магнитной примеси. На универсальной кривой существуют две области - область линейного режима уширения и область "плато". В диссертационной работе обсуждаются возможные конкретные механизмы уширения экситонных линий, в том числе и теория, применявшаяся ранее для анализа ширин экситонов в немагнитных твердых растворах (Аблязов, Райх, Эфрос, 1983). Количественная оценка степени асимметрии pd обменного взаимодействия находится в хорошем согласии . с результатами гл.з. В пятой главе исследуется небриллюэновское поведение положения экситонных резонансов в зависимости от магнитного поля. Флуктуации обменного взаимодействия сильно уширяют экситонные линии по сравнению с чистыми кристаллами. Вследствие этого экситонные линии слабо разрешаются в области магнитных полей отвечающих пересечению г* экситонного терма с В экситоном, и спектральное положение г* терма удается надежно определить только в ооласти больших спиновых расщеплений (н>1Т). Для преодоления этой трудности нами предложена для ПМП» и экспериментально реализована магнито-модуляционная методика, когда на постоянное магнитное поле накладывается неоольшое переменное ,юо Э. а сигнал детектируется на частоте переменного поля. Эффективность модуляционной методики в ПМП связана с эффектами ГСР. Модуляционный сигнал формируется в основном а-экситоном (в-экситон в магнитном поле почти не расщепляется и не дает вклад в модуляционный сигнал) и его изучение позволяет проследить за спектральным положением А-экситона даже в ооласти пересечения экситонных термов. Данная методика может эффективно использоваться и в других ПМП, например в кристаллах zn^Mn^s. Оказалось, что энергетическое положение А-экситона в нулевом магнитном поле несимметрично по отношению к г* и г" компонентам в насыщающих магнитных полях. Наблюдаемое несимметричное расщепление связано с зависимостью дырочного обменного интеграла j d от намагниченности магнитопримесной подсистемы. Для количественного анализа степени асимметрии расщеплений нами модифицировались рассчеты, сделанные в гл.з. В отличие от твердых растворов ооычных а2в6 полупроводников ПМП обладают также неупорядоченностью по спину, локализованному на узлах магнитной примеси. Эту неупорядоченность часто учитывают рассматривая всев- дотернарный раствор типа cd мп Mn s, где индексы і и 2 ,"хГхг хі х2 относятся к ориентации спина мп 5/2 -5/2. Ионы магнитной примеси со спином |т> и \*> при этом расположены случайным образом в решетке кристалла, суммарная концентрация xt и хг равна концентрации магнитной примеси х, а магнитное поле не меняет суммарную концентрацию спинов х *хг=х, изменяя соотношение *,-х2. Именно такие представления оыли положены в основу модельных рассчетов. Б этом случае модель предсказывает сильную зависимость j от намагниченности магнитопримесной подсистемы, правильный знак и величину асимметрии расщеплений, и дает хорошее количественное согласие с экспериментом в ооласти оольших концентраций магнитной примеси (.*го.оі5). Плохое согласие между экспериментом и теорией наолюдается ооласти малых концентраций магнитной примеси xso.oos, когда б эксперименте наолюдается олизкое к идеальному Бриллюэнов-ское поведение, а терия предсказывает нелинейность, заметно превышающую экспериментальную неточность. Наолюдаемые расхождения связаны, по-видимому, с ограниченной применимостью самой модели. - с невозможностью полного описания спин-спинового взаимодействия на языке потенциального. Б шестой главе рассмотривается вопрос выходящий за- рамки приолижения потенциального рассеяния, которое использовалось нами на протяжении всей диссертации. При изучении неориллюэновости маг-нитополевых зависимостей энергетического положения А-экситонного терма в кристаллах с концентрацией мп оолее х>о.ооо Оыла обнаружена осооенность в районе пересечения айв экситонов. Здесь, как и в главе пять мы пользовались модуляционной методикой для оолее подробного изучения этого вопроса. Модуляционный сигнал формируется в основном за счет А-зкситсна. так как энергетическое положение в-экситона зависит от магнитного поля значительно слэоее. 'Это оостолтельство позволило нам проследить положение А-экситона в ооласти пересечения а и в -зкоитонных термов, что невозможно сделать с помощью измерений обычного магнитоотражения. Наблюдаемая особенность имеет характер антикроссинга между а и в экситонов. Поляризационный анализ экспериментальных данных показывает, что смешиваются дырочные состояния, различающиеся ориентацией спина. Это обстоятельство, а также отсутствие антикроссинга в том случае, если пересечение экситонных термов попадает в область больших магнитных полей (кристаллы с х=о.005 н*5Т), указывает на обменный характер антикроссинга, в отличие, скажем, от экситонного механизма перемешивания. В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
состояний во внешнем магнитном поле в ПМП. Показано, что
экситонов, связанный с процессами рассеяния с переворотом спина
дырки.
обменного взаимодействия в кристаллах cd^Mr^s аномально велика
по сравнению с другими a"bvi ПМП. Абсолюная величина константы
p-d обмена составляет NnJ =-4Л эВ ДЛЯ х=0.001.
концентрации магнитной примеси х. При увеличении концентрации х до
х=о.об nqj уменьшается более чем в два раза и достигает величины
n j =-і.б эВ. Концентрационная зависимость pd обменного интеграла
метрично, по отношению к различной взаимной спиновой ориентацией
между спином дырки и спином магнитной примеси.
шивает волновые функции айв зкситонов за счет процессов рассея
ния с переворотом с спина. Это перемешивание приводит к антикрос
сингу между состояниями айв экситонов.