Влияние Мn и Se на магнитные, гальваномагнитные и оптические свойства полумагнитных полупроводников Hg1-xMnxTe1-уSeу Чурилов, Игорь Андреевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время ведётся интенсивное

исследование новой группы полупроводниковых материалов, получившей название "полумагнитные полупроводники", или "разбавленные магнитные полупроводники". Полумагнитные полупроводники представляют да собвй твердые растворы, в которых одна из компонент замещается на атом переходного элемента М с некомпенсированным магнитным моментом. Наличие собственного магнитного момента определяет большое своеобразие свойств - магнитных, гальваномагнитных и магнитооптических - этого класса веществ. Полумагнитные полупроводники можно условно разделить на две больших группы: с узкой запрещенной зоной и широкозонные. Данная работа посвящена узкощелевым полумагнитным полупроводникам Hg]-xMn*Tei-_ySe_y, полученным на основе соединений HgTe и HgSc, в которых атомы Hg замещаются атомами переходного элемента Мп. Родственными по отношению к этим сплавам являются тройные полумагнитные полупроводники Hgi-хМпхТе и Hgi-jMn_xSe, которые исследовались ранее.

Изменение концентрации Мп в твёрдых растворах полумагнитных
полупроводников предоставляет возможность производить тонкую
перестройку их энергетического спектра и магнитных свойств. Например, у
Hgt-хМпхТе и Hgi-xMrixSe увеличение концентрации Мп приводит к
преобразованию зонной структуры из инверсной бесщелевой в прямую с
обычной для полупроводников положительной запрещенной зоной. Наличие
у Мп незаполненной электронной 3/і-оболочки выражается в существовании
магнитных моментов, локализованных на ионах Мп. Обменное
взаимодействие зонных электронов с 3^-электронами марганца оказывает
значительное влияние на поведение носителей тока в магнитном поле.
Именно с обменным взаимодействием связывается целый букет характерных
для узкощелевых полумагнитных полупроводников кинетических и
магнитооптических явлений, среди которых следует упомянуть гигантское
фарадеевское вращение, отрицательное магнитосопротивление,

индуцированный магнитным полем переход диэлектрик-металл.

Объекты исследования. Четырехкомпонентные сплавы

Hgi-xMn_KTei-ySe_y в широком диапазоне изменения х и у ранее не

исследовались, поэтому получение знаний об их магнитных, гальваномагнитных и оптических свойствах представляло несомненный интерес с точки зрения сравнительного анализа со свойствами тройных сплавов Hgi-хМпхТс и Hgi.*Mn_xSe. Кроме того, известно, что твёрдые растворы Hgi-xMnxTe, если их специально не легировать, являются полупроводниками р-тмаа.; в противоположность им, Hgi._xMn_xSe полупроводники п-типа с высокой концентрацией электронов. Различие в типе проводимости связано с различием в типах дефектов, характерных для этих сплавов: в Hgi-_xMn_xTe это вакансии ртути (акцепторы), в Hgi-xMruSe -вакансии селена и межузельная ртуть (доноры). Можно было ожидать, что при увеличении содержания Se в четырехкомпонентных сплавах Hgi-xMnxTei-ySey произойдёт компенсация упомянутых типов дефектов, следствием которой будет инверсия типа проводимости - ср на п.

Необходимо также отметить, что исследование полумагнитных полупроводников Hgi-xMnxTei-_ySe_y полезно и с практической точки зрения, ввиду их больших потенциальных возможностей для применения в различных оптических устройствах.

Цель работы. Основные цели работы состояли в:

1. Исследовании магнитных свойств Hgi-xMn_xTei-ySe_y в зависимости от содержания Мп и Se в широком температурном диапазоне. Особый интерес представляло исследование особенностей переходов в состояние спинового стекла.

2. Исследовании гальваномагнитных свойств Hgi.xMn_xTei-_ySe_y в области температур от комнатной до температуры жидкого гелия в зависимости от содержания магнитной компоненты Мп и от содержания Se при одной и той же концентрации Мп. Определении зонной структуры этих сплавов.

3. Исследовании спектров отражения Hg!-_xMnxTei-ySe_y в дальней инфракрасной области при разных температурах в зависимости от состава.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. 1. Магнитные свойства полумагнитных полупроводников Hgi-xMn_xTei-_ySe_y определяются наличием магнитных кластеров с косвенным обменным взаимодействием между локализованными магнитными моментами ионов Мп. В области низких температур наблюдается переход в состояние спинового стекла. Температура перехода в состояние спинового стекла

понижается по сравнению с тройными сплавами Hgi-_xMn_xTe и Hgi-_xMn_xSe с тем же содержанием Мп.

2. В полумагнитных полупроводниках Hgi-_xMiuTei-_ySe_y транспортные свойства в широкой области температур определяются электронами и двумя типами дырок в отличие от Hgi-_xMn_xTe, для объяснения гальваномагнитных свойств которых достаточно учёта электронов и дырок акцепторной зоны, и Hgi-_xMn_xSe, где при низких температурах существуют одни электроны. Тяжёлые дырки в Hgi-_xMn_xTei._ySe_y относятся к акцепторной зоне, лёгкие - к валентной.

3. При низких температурах у полумагнитных полупроводников Hgi-xMn_xTei-ySe_y с содержанием Se _у<0,10 положительное магнитосопротивление, которое наблюдается в слабых магнитных полях, с ростом напряжённости поля сменяется отрицательным. Отрицательное магнитосопротивление связано с увеличением проводимости по акцепторной зоне. Повышение концентрации Se в твёрдых растворах Hgi._xMn*Te!-_ySe_y приводит к инверсии типа проводимости этих полупроводников - ср на п.

4. В работе исследованы спектры отражения в дальней инфракрасной области (10-йЮОсм³) монокристаллов Hgt-_xMn_xTei._ySe_y с у=0,01 и х={0,01; 0,03; 0,05; 0,14} при температурах 300 К и 77 К. Кроме продольных и поперечных мод, наблюдавшихся и у тройных полумагнитных полупроводников Hgi-_xMn_xTe и Hgi._xMn_xSe, обнаружен ряд новых фононных мод. В спектрах отражения в области малых волновых чисел обнаружены оптические переходы носителей заряда из валентной в акцепторную зону с участием фононов.

Практическая значимость работы. В полумагнитных

полупроводниках с узкой запрещённой зоной возможно управление энергетическим спектром двумя независимыми способами: а) вариацией их состава; б) с помощью магнитного поля. И в том, и в другом случае для существенной перестройки спектра достаточно относительно небольших изменений параметров, будь то концентрация ионов Мп или напряжённость магнитного поля. Четырехкомпонентные сплавы Hgi-_xMn_xTei-_ySe_y предоставляют, в сравнении с тройными Hgi-_xMn_xTe и Hgi._xMn_xSe, возможность изменения свойств путём вариации не только концентрации Мп, но и концентрации Se. Эта возможность представляет несомненный интерес в

связи с открытием в данной работе того факта, что увеличение содержания Se в Hgi-xMrixTei.ySey приводит к инверсии типа проводимости. Что касается динамического управления энергетическим спектром полумагнитных полупроводников, то оно возможно при использовании относительно небольших магнитных полей с напряжённостью ~10⁴Э и поэтому легко достижимых.

Высокая электролюминесценция полумагнитных полупроводников может быть использована при разработке различных оптических приборов: датчиков, дисплеев и т.д.. Большой интерес представляют магнитооптические свойства этих сплавов. Высокая чувствительность полумагнитных полупроводников к магнитному полю может найти применение в лазерах с динамически управляемой магнитным полем длиной волны. Вариация свойств изменением состава, например - концентраций Мп и Se в Hgi-_xMnxTei-ySe_y, позволила бы получить целое семейство лазеров. Другой интересный эффект, свойственный полумагнитньш полупроводникам, -гигантское фарадеевское вращение - мог бы быть использован при создании систем уплотнения данных при передаче по оптоволоконным линиям связи.

В последнее время вызывает также интерес создание на основе полумапштных полупроводников сверхрешёток и систем с квантовыми ямами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на

следующих конференциях, совещаниях, симпозиумах:

1. 30-м Совещании по Физике Низких Температур. Дубна, Россия. 1994.

2. Международной конференции по узкощелевым полупроводникам. Санта-Фе, США. 1995.

3. 2-ой Международной Школе-Конференции по Физическим Проблемам Материаловедения Полупроводников. Черновцы, Украина. 1997.

4. На семинарах кафедры физики низких температур и сверхпроводимости МГУ им. М.В. Ломоносова.

Публикации. По теме диссертации имеется 8 публикаций в

научных журналах и сборниках. Список работ приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоят из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.

Диссертация содержит 169 страниц, включая 53 рисунка, 16 таблиц, оглавление, список цитированной литературы из 96 наименований.