Введение к работе
Актуальность проблемы
Работа направлена на решение фундаментальной проблемы физики магнитных явлений и физики конденсированного состояния - изучение электронной структуры и взаимосвязи электронной и магнитной подсистем в сильнокоррелированных соединениях (СКС) монооксиде меди и манганитах. К сильнокоррелированным системам относятся соединения переходных металлов с сильным кулоновским отталкиванием между 3d электронами. СКС обладают тесной взаимосвязью зарядовых, спиновых и решёточных степеней свободы, а также богатством фазовых диаграмм Особенности свойств сильнокоррелированных соединении во многом связаны с двойственной природой электронных состояний (локализованные и делокализованные) [1] и с тенденцией к зарядовому и магнитному разделению фаз [2, 3] К сильнокоррелированным соединениям относятся оксиды 3d металлов, в том числе оксиды меди, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП), манганиты Ri.xAxMn03, где R - редкоземельный ион, А - Ag, Na, Sr, Ва, Са и др., обладающие колоссальным магнитосопротивлением
Уже в пионерской работе по поглощению света в монокристалле высокотемпературного сверхпроводника УВагСизО?^, проведенной при участии автора диссертации, в полупроводниковой фазе были обнаружены вклады в поглощение локализованных электронных состояний поляронного типа и делокализо-ванных состояний (Друде-вклад) В отличие от УВагСизО?^ в антиферромагнитном (АФМ) полупроводнике СиО, базовом материале купратньгх ВТСП соединений, делокализованные носители отсутствуют Наличие электронной неустойчивости, которая проявляется в магнитной восприимчивости и магнитострик-ции СиО, позволило сделать предположение о том, что электронное состояние в СиО неоднородно Изучение неоднородного электронного состояния сильнокоррелированного соединения СиО и связи его с магнитным состоянием является актуальной задачей физики сильнокоррелированных соединений.
В отличие от СиО манганиты лантана легируются легко, поэтому при отклонении от стехиометрии или легировании концентрация носителей меняется в широких пределах, что позволяет изучить поведение локализованных и делокализованных состояний и связь их с магнитной подсистемой в моно-, поликристаллах и плёнках. Большой интерес к манганитам лантана обусловлен колоссальным магнитосопротивлением и переходом металл-изолятор (МИ) вблизи температуры Кюри. Явление колоссального магнитосопротивления обусловлено сильной взаимосвязью между магнитной и электронной подсистемами Оно может проявляться не только на постоянном токе, но и давать отклик в высокочастотном, например, в оптическом диапазоне как эффект магнитопропускания. Эффект гигантского магнито-пропускания ИК-излучения был обнаружен нами в магнитной полупроводниковой шпинели HgCr2Se4 около 20 лет назад [4]. Под действием магнитного поля пропускание менялось на несколько десятков процентов Естественно ожидать большой величины эффекта магнитопропускания в манганитах с колоссальным магнитосопротивлением Изучение природы явлений колоссального магнитосопротивления и магнитопропускания в манганитах позволит создать новые функциональные материалы, необходимые для практических целей. На основании большого числа экспериментальных данных во всех обзорах по манганитам отмечена их склонность к разделению фаз, т. е образованию при слабом легировании манганита ферромагнитных (ФМ) металлических «капель» в АФМ диэлектрической матрице Надежные экспериментальные данные, свидетельствующие о разделении фаз, могут быть получены только при комплексном исследовании оптических, электрических, магнитооптических и магнитотранспортных свойств манганитов
При теоретическом описании электронной структуры сильнокоррелированных соединений существуют определенные трудности Зонные подходы в целом дают описание электронной структуры и величину ширины запрещенной зоны (Eg) купратов и манганитов, но не могут объяснить детали оптических спектров в ИК-диапазоне Эти подходы не учитывают фазовое рас-
слоение в легированных соединениях Применение кластерного подхода к купратам и манганитам позволило описать особенности энергетического спектра [5], показать возможность расслоения фаз, приводящего к нетривиальному поведению оптических, магнитных и транспортных свойств.
В настоящей работе основными методами изучения электронной структуры, локализованных и делокализованных состояний, разделения фаз в сильнокоррелированных соединениях являются оптические методы. Для сильнопоглощающих объектов, какими являются сильнокоррелированные соединения, обычно используют изучение спектров отражения или высокочастотной проводимости, полученных путем обработки спектров отражения методом Крамерса-Кронига. Этот метод имеет ряд недостатков, связанных с приближениями при математической обработке и зависимостью от качества поверхности образца. В настоящей работе использовано преимущественно измерение оптического поглощения - метода изучения объёмных свойств материала.
Исследования по теме диссертации выполнены по проблеме 12 3 (физика конденсированного состояния) № гос. per 01 9 60 003496, по теме «Исследование физических явлений в магнитных полупроводниках и выяснение возможности их применения», № гос. per 01.2 00 103137, по теме «Неоднородные состояния и интерфейсные явления в магнитных полупроводниках», по гос контракту № 02.513 11.3142 и при поддержке проектов РФФИ № 04-02-16630, 07-02-00068 и программы ОФН РАН и Президиума УрО РАН «Новые материалы и структуры»
Цель и задачи работы
Цель работы заключается в установлении связи оптических и электрических явлений с электронной структурой и магнитным упорядочением в СиО и манганитах лантана, являющихся системами с сильными электронными корреляциями; в определении природы изменения оптических свойств сильнокоррелированных соединений под действием магнитных полей, температуры, радиационного облучения и легирования, в выработке
рекомендаций для целенаправленного создания новых функциональных материалов и физических принципов устройств для оп-тоэлектроники
Сформулированы следующие задачи*
Комплексное исследование оптических, магнитооптических, транспортных и магнитотранспортных свойств монокристаллов, поликристаллов, пленок и гетероструктур сильнокоррелированных соединений на основе монооксида меди и мангани-тов лантана для изучения природы эффекта магнитопропускания (магнитопоглощения), эффекта Фарадея и оптического отклика на переход металл-изолятор в манганитах лантана.
Выяснение электронной структуры и роли переходов с переносом заряда в формировании края фундаментального поглощения и структуры фундаментальной полосы в СиО и манганитах лантана Изучение влияния магнитного упорядочения на оптические и электрические свойства СиО и манганитов лантана.
Выяснение природы примесного поглощения, механизмов взаимодействия света с носителями заряда и проявления зарядовых и магнитных неоднородностей в ИК спектрах сильнокоррелированных соединений
Разработка физических принципов действия и конструкций ИК устройств, использующих особенности спектра поглощения в нанокристаллическом СиО, эффекты гигантского магнитопропускания и оптического отклика на переход металл-изолятор в манганитах лантана Создание макета модулятора ИК-излу-чения
Научная новизна
1 Обнаружены особенности в спектрах поглощения сильнокоррелированных соединений монокристаллов СиО и манганитов лантана, которые объяснены в рамках единого подхода -кластерной модели, учитывающей сильные электронные корреляции. По спектрам поглощения монокристаллических образцов определены энергия края фундаментального поглощения и характер переходов, формирующих край поглощения СиО и манганита ЬаМпОз
В оксиде меди обнаружен оптический отклик на магнитные фазовые переходы в температурной зависимости интенсивности полосы поглощения при 3.1 эВ В легированных манганитах лантана вблизи температуры Кюри обнаружен оптический отклик на переход металл-изолятор в температурных зависимостях пропускания ИК-излучения.
Установлена природа зарядовых неоднородностей в СиО и манганитах. Разработан способ обнаружения разделения фаз в манганитах лантана на основе сопоставления температурных зависимостей пропускания света и электросопротивления без поля и в магнитных полях
4 Обнаружены эффекты гигантского магнитопропускания ИК-излучения в манганитах с колоссальным магнитосопротив-лением Показано, что величина и температура максимума магнитопропускания зависят от уровня, типа легирования, от среднего радиуса катиона в лантановой подрешётке
Обнаружены резонансоподобные полосы поглощения в СиО, не связанные с электронными переходами (резонансы Ми), а также осцилляции линейного дихроизма в плёнках Lao 7Сао зМпОз, природа которых объяснена в рамках теории эффективной среды, учитывающей наномасштабные неоднородности
Показано, что СиО и манганиты лантана являются функциональными материалами для создания ИК-устройств Создан рабочий макета модулятора ИК-излучения на основе эффекта магнитопропускания
Научная и практическая ценность
Работа вносит вклад в развитие физических представлений о взаимодействии оптического излучения с сильнокоррелированными магнетиками, о характере оптических переходов в системах с сильными электронными корреляциями - монооксиде меди и манганитах лантана Способ сопоставления оптических и электрических данных для выявления зарядовых и магнитных неоднородностей может быть использован при исследовании других сильнокоррелированных соединений. Обнаруженные в
манганитах с колоссальным магнитосопротивлением эффекты магнитопропускания и температурного изменения пропускания вблизи температуры Кюри являются физическим базисом для практического применения этих эффектов в различных устройствах ИК-диапазона. Разработан и изготовлен макет модулятора ИК-излучения на эффекте магнитопропускания в пленке Lao82NaoigMn03+e- Показана возможность создания магнитной линзы на основе гетероструктуры ВТСП/манганит лантана. Предложено использовать особенности спектров поглощения нанокристаллического СиО для создания селективных поглотителей солнечной энергии, а большую величину линейного дихроизма в СиО - для создания поляризаторов света в широкой ИК-области
Достоверность полученных результатов
Достоверность обеспечивается использованием аттестованных образцов, обоснованностью используемых в работе экспериментальных методов изучения оптических и транспортных свойств манганитов и хорошей воспроизводимостью результатов, полученных на различных образцах (монокристаллах, поликристаллах и эпитаксиальных пленках)
Научные положения, выносимые на защиту
1 Определение природы края фундаментального поглощения, межзонных переходов и примесного поглощения в СиО И манганитах лантана
2. Выяснение роли облучения высокоэнергетическими частицами СиО и легирования манганитов лантана в формировании их оптических свойств.
Установление взаимосвязи между магнитной и электрической подсистемой СиО и манганитов при исследовании оптических свойств в области межзонных переходов и примесного поглощения.
Выяснение роли локализованных и делокализованных состояний в формировании ИК-спектров этих сильнокоррелированных соединений
5. Изучение природы эффектов магнитопропускания и оптического отклика на МИ-переход в манганитах с колоссальным магнитосопротивлением.
6 Разработка физических принципов действия класса ИК-устройств, управляемых магнитным полем и/или температурой Создание макета ИК-модулятора.
Личный вклад соискателя
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в кооперации с сотрудниками лаборатории магнитных полупроводников ИФМ УрО РАН, сотрудниками ведущих научных центров России (ИФМ УрО РАН, ИХТТ УрО РАН, МГУ, УрГУ) и Украины (ФТИНТ) Личный вклад автора включает выбор темы исследования, постановку цели и задач диссертационной работы, формирование комплекса методик исследований, обеспечивающих решение поставленных задач, разработку и усовершенствование установок для оптических исследований сильнопог-лощающих материалов, проведение оптических, магнитооптических и электрических измерений, анализ полученных результатов, обобщение результатов работы в публикациях и отчетах по проектам и создание рабочих макетов оптоэлектронных устройств ИК-диапазона.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Европейской конференции по магнетизму EMMA (Сарагоса 1998, Киев 2000), Международной конференции по тройным и многокомпонентным соединениям (Салфорд 1997), Международной конференции по магнетизму ITCM (Варшава 1994), Международном симпозиуме по прозрачным проводящим оксидам (Ираклион, Крит 2006), Московском Международном симпозиуме по магнетизму MISM (Москва 1999, 2002, 2005), Международном Евро-Азиатском симпозиуме EASTMAG (Екатеринбург 2001, Красноярск 2004), Международной конференции «Функциональные материалы» ICMF (Симферополь 2003, 2005), Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы
микроэлектроники» (Москва 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006), Международном семинаре по радиационной физике (Снежинск 1999), Международной конференции «Физика электронных материалов» (Калуга 2002), Международной конференции «ВТСП и новые неорганические материалы инженерии» (Москва 2004), Международном Феофиловском симпозиуме по кристаллам, активированным редкой землей или ионами переходных металлов (Екатеринбург 2004), Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Оксиды. Физи-кохимические свойства и технология» (Екатеринбург 1995, 1998, 2000), Конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 1997), Уральской школе-семинаре по физике полупроводников (Екатеринбург 1999, 2004), Объединенной конференции по магнитоэлектронике (Екатеринбург 2000), Уральской конференции «Достижения в области магнито-резисторных материалов» (Екатеринбург 2001), совещании по физике низких температур НТ (Екатеринбург 2003), отчетных сессиях ИФТТ РАН по итогам выполнения фундаментальных исследований ОФН РАН (Черноголовка 2004, 2005, 2006), на сессиях секции «Магнетизм» объединенного научного совета «Физика конденсированных сред» РАН.
Публикации
Результаты диссертации изложены в 54 публикациях в журналах, включённых ВАК в «Перечень» ведущих рецензируемых журналов, и в сборниках трудов конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и списка цитируемой литературы Объем работы составляет 291 страницу, включая 109 иллюстраций, 7 таблиц и список цитируемой литературы из 243 наименований
