Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ферромагнитный полупроводник EuS и парамагнитный полупроводник SmS. Теоретические методы исследования гетероструктур 14
1.1. Халькогенид европия (EuS) 14
1.2. Халькогенид самария (SmS) 27
1.3. Методы расчетов энергетического спектра электронов в гетероструктурах (гетеропереход, квантовые ямы, сверхрешетки)... 36
1.3.1. Построение энергетической диаграммы в приближении диффузионной модели Андерсона 38
1.3.2. Модель сверхрешетки по Кронигу-Пенни 41
1.3.3. Метод эффективной массы 43
1.3.4. Метод огибающей функции в лр-приближении 44
1.3.5. Расчет электронных состояний на гетеропереходе методом сильной связи 52
1.3.6. Вариационные методы в комбинации с теорией возмущения 56
Глава 2. Моделирование гетероперехода SmS-EuS 60
Глава 3. Расчет энергетического спектра сверхрешетки SmS-EuS 71
3.1. Определение энергетического спектра сверхрешетки методом огибающей функции в приближении эффективной массы 71
3.2. Закрытые квантовые ямы 85
3.3. Расчет энергетических зон поверхности (111) сверхрешетки SmS-EuS полуэмпирическим сильной связи 87
3.4. Определение изменения электронной плотности сверхрешетки SmS-EuS вариационным методом 94
Заключение 99
Основные выводы 103
Библиографический список использованной литературы
- Методы расчетов энергетического спектра электронов в гетероструктурах (гетеропереход, квантовые ямы, сверхрешетки)...
- Метод огибающей функции в лр-приближении
- Закрытые квантовые ямы
- Определение изменения электронной плотности сверхрешетки SmS-EuS вариационным методом
Введение к работе
Развитие физики твердого тела сегодня таково, что невозможно представить себе ее изучение без исследования полупроводниковых гетероструктур. Приоритетными направлениями в их изучении становятся не массивные полупроводники, а многослойные тонкопленочные структуры. Сверхрешетки, квантовые нити и квантовые точки являются объектом рассмотрения подавляющего большинства исследовательских групп, работающих в этой области.
Создание в 1967 году близких по своим свойствам к идеальным эффективно инжектирующих гетеропереходов на основе GaAs-AlGaAs позволило изучить особенности электрических и оптических явлений в гетероструктурах. Идея о возможности применения бинарных гетеросистем в полупроводниковых приборах привела к поиску новых материалов, образующих идеальные гетеропереходы, а так же к разработке новых технологий их получения. Реализовалась эта идея в сверхрешетках на основе гетероструктур [ 1 ]. Возможность практически произвольным образом изменять в них зонную структуру, а так же вид потенциала, т.е. контролируемо изменять волновую функцию, сделали их уникальными объектами исследования. Наличие уровней размерного квантования [2] привело к созданию лазеров на гетеропереходах и фотоприемников далекого инфракрасного излучения [3].
Далее, в 2000-м году журнал «Physics World» опубликовал наиболее перспективные и актуальные проблемы исследования в физике. К их числу отнесены исследования в физике полупроводников, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик. Это обстоятельство определяет использование сверхрешеток на основе халькогенида самария и европия, изучаемых в данной работе, в качестве материалов для создания устройств спиновой информатики.
Экспериментальные работы по квантовому туннелированию квазичастиц в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитный полупроводник способствуют развитию спектроскопии ферромагнитно упорядоченных материалов и созданию нового поколения криоэлектронных устройств твердотельной микромагнитоэлектроники [4].
Возможность управлять свойствами ферромагнитных полупроводников с помощью магнитного поля, что дает дополнительную «степень свободы», отличает их от немагнитных полупроводников и определяет их использование как спинового фильтра [5].
Новый импульс для создания устройств сверхплотной памяти на магнитных носителях (ЮГбит/дюйм) [6] дало открытие гигантского магнетосопротивления в магнитных наноструктурах.
В связи с открытием эффекта генерации ЭДС при исследовании диффузии европия в сульфиде самария [7] вновь возрос интерес к халькогениду самария (SmS) и европия (EuS). Более того, эти полупроводники имеют рассогласование параметра решетки менее 0,01 А, что является определяющим для создания гетероструктур на их основе [8]. Далее, существенная разница зонных структур (глубина залегания 4f-уровней), совместимость тепловых, электрических и кристаллохимических свойств определяет интерес к исследованию гетероструктур на основе SmS и EuS [9].
Таким образом, вышеизложенные факты стали определяющими для моделирования гетероперехода и сверхрешетки на основе основе халькогенида самария и европия и исследования их физических свойств в данной работе.
Вообще изначально полупроводниковая электроника получила свое развитие, когда стала очевидна возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования его примесями и инжекцией неравновесных носителей заряда. Затем создание гетероструктур хорошего качества позволило управлять фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах, таких как ширина запрещенной зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления, электронный энергетический спектр.
Первые исследования полупроводников были начаты в 30-е годы XX века в Физико-техническом институте, изучение собственной и примесной проводимости которых, привело к созданию теории выпрямления тока на контакте металл-полупроводник [10]. Затем были предсказаны, а в последствии открыты экситоны в полупроводниках [И]. Первые теоретические исследования изотипных и анизотипных гетеропереходов были выполнены А.И. Губановым [12]. Хорошо согласующиеся с экспериментом теоретические расчеты взаимного расположения зон в гетеропереходе были сделаны Кремером и Андерсоном [13,14].
Затем, Г. Кремер в [ 15] обосновал преимущества гетеропереходов по сравнению с гомопереходами и показал, что инжекция носителей заряда в гомопереходах чрезвычайно мала по сравнению с гетеропереходами.
Создание лазера на GaAs [16] и экспериментальное наблюдение излучательной рекомбинации на этой структуре дали развитие полупроводниковой оптоэлектронике. Однако, наличие больших энергетических потерь и генерация при низких температурах определяли неэффективность таких лазеров. Тогда независимо Ж.И. Алферовым и Г. Кремером была высказана идея использования двойных гетероструктур [17].
Преимущества таких структур сразу стало очевидным, перед ранее использованными, благодаря наличию потенциального барьера на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Необходимо отметить, что сегодня есть необходимость в создании гетеропереходов на основе широкозонных полупроводников, так как максимальный излучательный эффект достигается при использовании гетероперехода между полупроводником, выступающем в роли активной области прибора, и более широкозонным материалом. Заметим, что в данной роли с успехом может применяться гетеропара SmS и EuS. Далее, разница их диэлектрических проницаемостей позволяет практически свести к нулю световые потери, так как свет локализуется в среднем слое, выступающего в роли высокочастотного волновода. Теперь необходимо подобрать гетероструктуру для создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей и хорошо согласующимися постоянными решетками, расхождение которых не должно превышать 0,2%. Первые «идеальные» гетеропереходы были приведены в патенте Г. Кремера [18]. Примерно в тоже время была составлена «карта мира» гетероструктур с идеальным решеточным согласованием. Необходимо отметить, то исследуемые в данной работе материалы в нее не вошли. Хотя на сегодняшний день «карта мира» кардинально изменилась, попытки создать гетеросистему на основе халькогенида самария и европия не предпринимались и делаются впервые в данной работе.
Далее, развитие физики полупроводников привело к созданию сверхрешеток, которые представляют собой новый тип полупроводников, характеризующийся наличием большого числа зон и дополнительного периодического потенциала, период которого много больше постоянной решетки. Такие системы были впервые исследованы Л.В. Келдышем [19].
Большой вклад в теоретическое исследование сверхрешеток внесли работы [20,21], в которых была показана возможность усиления электромагнитной волны в сверхрешетке и дано квантово-механическое описание поведения электрона в них.
На сегодняшний день выделяют три группы теоретических проблем, связанных с исследованием сверхрешеток. Первой, и пожалуй основной, является расчет энергетического спектра сверхрешетки в направлении оси ее роста. Ко второй группе можно отнести исследование оптических свойств, расчет и анализ оптических матричных элементов. И, наконец, к третьей группе проблем можно отнести коллективные возбуждения в сверхрешетке.
Помимо сверхрешеток для создания лазеров и элементов схем для быстродействующей микроэлектроники перспективным является использование систем более низкой размерности - квантовых проволок и квантовых точек. Отличительной особенностью квантовых проволок является ограничение носителей заряда в двух плоскостях и свободное их перемещение только вдоль оси проволоки. В отличии от квантовых нитей, движение носителей заряда в «искусственных атомах» ограничено по всем трем направлениям и они обладают полностью дискретным спектром.
Экспериментальные работы по изготовлению и исследованию структур с квантовыми проволоками и квантовыми точками были начаты в конце 80-х начале 90-х годов XX века и продолжаются до сих пор. Сегодня в исследовании данных объектов получены хорошие результаты для коротковолновых источников излучения на основе II-VI-селенидов и III-V-нитридов. Перспективным направлением в развитии создания гетерополупроводников является поиск для них новых материалов. Таковыми могут служить предлагаемые в данной работе халькогенид самария и халькогенид европия. С большой долей уверенности можно сказать, что уже сейчас, указанные системы будут использоваться в лазерах, оптических модуляторах, детекторах и эмиттерах ИК-диапазона, полевых транзисторах.
Несмотря на то, что уже получены устройства на квантовых нитях и точках, однако, наиболее совершенными являются классические гетероструктуры — квантовые ямы и сверхрешетки. Здесь предлагается сверхрешетка смоделированная из ферромагнитного полупроводника -халькогенида европия и парамагнитного - халькогенида самария.
Интерес к халькогениду европия впервые возник в связи с открытием в нем ферромагнетизма в 60-х годах XX века. Более того, EuS обладает полупроводниковой проводимостью зонного типа с подвижностью носителей тока 102-103 см2/В -с при низких температурах. Далее, при низких температурах локализованные магнитные ионы Еи+2 обладают полностью ферромегнитно упорядоченной структурой, что приводит к спиновой поляризации носителей тока.
С развитием нового направления в микроэлектронике - спинтроники, вновь обратились к ферромагнитному полупроводнику - EuS, в связи с возможностью осуществления спинового токопереноса в устройствах электроники на его основе.
Еще в работах Л. Эсаки и др. (1960-е годы XX века) наблюдался туннельный ток между двумя нормальными металлами, разделенным магнитным полупроводником EuS [22]. Практически это были первые наблюдения спин-поляризованного туннельного тока.
В последнее десятилетие одним из перспективных материалов для спинтроники выступает EuS, который используется в качестве спиновых фильтров и спиновых инжекторов. Хотя необходимо заметить, что его применение ограничивается областью низких температур -70 К.
Далее, из экспериментов по по рентгеноструктурному анализу была определена пространственная группа симметрии и тип кристаллической решетки. Далее, рядом исследовательских групп была определена зонная структура EuS, в то же время основные параметры зонной структуры (ширина f-зоны, величена запрещенной зоны и зоны проводимости) получены и из теоретических расчетов. В дальнейших расчетах определены основные магнитные параметры. Для объяснения природы обменного взаимодействия были синтезированы и исследованы твердые растворы с примесью калия, кальция, стронция, гадолиния и т.д. Следующий ряд работ посвящался исследованию влияния изменения межионного расстояния и катионного разбавления на температуру Кюри, повышение которой остается одной из важных проблем физики магнитных полупроводников.
Необходимость объяснения проводящих свойств сульфида европия привела к созданию твердых растворов типа Eui_xSmxS наличие, в которых ионов самария должно было либо уменьшить энергию перехода 4f7— 4r^5d, либо приводить к образованию примесных магнитных состояний. Оба процесса должны были привести к увеличению эффективного обменного взаимодействия. С целью проверки этих предположений были исследованы магнитные, оптические, электрические свойства и рентгеновские спектры таких растворов. В результате были получены зависимости парамагнитной и ферромагнитной температур Кюри, а также постоянной кристаллической решетки и величены края поглощения от состава х. Здесь же было определено, что в отличие от других редкоземельных элементов ионы самария и европия могут существовать и в двухвалентном состоянии. Тогда был предложен первый механизм обменного взаимодействия в халькогениде европия - механизм Гуденафа.
Необходимо заметить, что на сегодняшний день нет общей теории электрических свойств магнетиков, которая объясняла бы спиновое упорядочение и кинетические явления. Это связано с тем, что зонная теория полупроводников построена на одноэлектронном приближении, в то время как поведение магнитных полупроводников обусловлено многоэлектронными эффектами — пространственными и спиновыми корреляциями электронов. Тем не менее, созданные на сегодня модели поведения носителей тока в магнетиках позволяют, во всяком случае, на качественном уровне интерпретировать кинетические явления в магнитных редкоземельных полупроводниках.
Халькогенид самария как и халькогенид европия также относится к группе редкоземельных соединений и его интенсивное исследование началось в середине 50-х годов XX века. Интерес к сульфиду самария связан в основном с двумя обстоятельствами. Первое — это наличие переменной валентности SmS, а второе - фазовый переход металл-полупроводник. Поэтому большинство работ в литературе посвящено изучению именно этих явлений.
Обнаружение в 1970 году изоструктурного перехода металл-полупроводник при гидростатическом сжатии в халькогениде самария и связанное с этим его бурное изучение привело еще к одному интересному эффекту. В полупроводниковой модификации наблюдается эффект «самолегирования» при котором 4f- уровни выступают в роли донорных примесей, концентрация которых составляет 10 см" .
Своеобразие металлической модификации SmS позволило выделить его в отдельные класс соединений с переменной валентностью.
Экспериментально были определены зонные структуры полупроводниковой и металлической модификаций, а Н.И. Масюкова и О.В. Фарберович провели теоретическое исследование зонной структуры моносульфида самария и его электрофизических свойств.
Электронное строение 4f- оболочек редкоземельных элементов и их математическое описание дал в своей статье Ю.П. Ирхин.
Поведение полупроводникового халькогенида самария в сильных электрических полях изучали З.Б. Добровольские, Р.С. Дагис и др. [23], здесь же приводятся данные ВАХ для SmS.
Ряд работ был посвящен исследованию «золотой» фазы сульфида самария - промежуточному состоянию между нормальной полупроводниковой фазой, где ионы самария проявляют себя как двухвалентные, и металлической фазой с изменившейся валентностью.
В самых первых работах по исследованию переменной валентности халькогенида самария обсуждался вопрос образования экситонов и их влияние на фазовые переходы с изменением валентности. Считалось, что экситоны в SmS являются экситонами Френкеля, однако сейчас полагается, что они являются экситонами промежуточного радиуса.
Еще одной отличительной особенностью моносульфида самария является возможность перехода в твердых растворах типа Eui.xSmxS из мгнитно-неактивной конфигурации в магнитно-активную. Предполагается, что усиление обменного взаимодействия компенсирует затраты, необходимые для электронного перехода и данная система является единственной, где экспериментально наблюдался такой переход.
Далее, К.А. Кикоиным и А.С. Мищенко были проведены исследования электрон-фононного взаимодействия в системах со стабильной и нестабильной валентностью и приведены электронные и фононные спектры SitiShEuS.
Несмотря на то, что как было показано выше, халькогениды самария и европия достаточно хорошо изучены, упоминаний в литературе о создании на их основе сверхрешеток и гетероперехода не встречается. Правда, имеются данные по люминесценции на несколько подобной системе — сверхрешетки PbS-EuS. Далее, нет так же достоверных сведений, которые давали бы ответ на вопрос о расположении уровня Ферми в халькогениде европия, что значительно осложняет даже качественный анализ процессов, протекающих в гетеросистемах, созданных на их основе.
Таким образом, в данной работе будет анализироваться сверхрешетка и гетеропереход смоделированные на основе халькогенидов самария и европия.
Целью диссертационного исследования является создание «идеальных» моделей структур гетероперехода и сверхрешетки «парамагнитный полупроводник - ферромагнитный полупроводник» и расчет их энергетических спектров, а также исследование и анализ физических свойств.
Основной задачей является выбор идеальной гетеропары с хорошо согласующимися постоянными решеток и одновременно обладающие магнитным свойствами. Далее, расчет зонной структуры полученного гетероперехода и энергетического спектра сверхрешетки, а такжеанализ их свойств.
Объектом исследования является сверхрешетка, созданная на основе ферромагнитного полупроводника — халькогенида европия и парамагнитного - халькогенида самария.
Структура диссертации такова: введение, глава 1 - критический обзор литературы, глава 2 - расчет гетероперехода SmS-BuS, глава 3 - расчет энергетического спектра сверхрешетки SmS-EuS.
В обзоре литературы приведен анализ степени изученности выбранных для формирования гетероперехода и сверхрешетки объектов - моносульфида самария и европия. Обоснован выбор этих компонентов в качестве «идеальных» для создания гетероперехода и сверхрешетки. Большое внимание уделено методам расчета, используемым в диссертации. Это необходимо в силу тех обстоятельств, что в рамках изучаемой модели не представляется возможным использовать один из существующих методов, так как только их совокупность позволяет в некоторой степени упростить расчеты и в то же время дать полную информацию об изучаемой системе.
Далее, во второй главе произведен расчет гетероперехода SmS-EuS в приближении диффузионной модели Андерсона, по результатам которого построены энергетические диаграммы.
В третьей главе методом огибающей функции расчитывается энергетический спектр сверхрешетки SmS-EuS и анализируются состояния на гетеропереходах в приближении метода сильной связи и др.
Методы расчетов энергетического спектра электронов в гетероструктурах (гетеропереход, квантовые ямы, сверхрешетки)...
Электронный энергетический спектр сверхрешетки определяет ее физические свойства, которые существенно отличаются от свойств однородного полупроводника, благодаря наличию дополнительного периодического потенциала. Знание зависимости энергии электронов от волнового вектора в различных энергетических зонах и их взаимного расположения позволяет целенаправленно использовать полупроводниковые структуры и изменять их свойства. Решение уравнения Шредингера с дополнительным потенциалом для нахождения электронного спектра сверхрешетки довольно сложная задача. В связи с этим не представляется возможным при его определении использовать какой-либо один из практикуемых методов. Поэтому при анализе электронной структуры сверхрешетки на основе магнитного полупроводника — парамагнитного полупроводника в зависимости от поставленных задач будет использован целый ряд моделей и методов, позволяющих определить спектр носителей в бинарной системе SmS-EuS, а именно: диффузионная модель Андерсона, применялась для построения энергетических диаграмм гетероперехода SmS-EuS и определения разрыва зон [94-96]; модель сверхрешетки, базирующаяся на идеализированных представлениях периодического скачка потенциала по Кронигу-Пенни, для описания влияния периодического потенциала сверхрешетки на изменение спектра электронов в соседних слоях [97,98]; метод эффективной массы, используется при учете состояния электронов вблизи экстремумов зон исходного материала, а каждая зона рассматривается независимо и описывается своим уравнением Шредингера [99,100]; метод огибающей функции, позволяющий получить связь между волновыми функциями сверхрешетки и массивного материала [101,102]; кр метод, применяется для определения структуры энергетических зон и волновых функций в выбранных точках симметрии в к- пространстве и допускает прямой учет спин-орбитального взаимодействия через малое возмущение [103-106]; вариационный метод в комбинации с теорией возмущения использовался при анализе распределения электронной плотности на гетеропереходе и определения величины ферромагнитной области [107,108]; полуэмпирический метод сильной связи, оказался полезен, при получении более полной информации о состоянии электронов в области гетеропереходов, которую не может дать метод огибающей функции [109-111].
Анализ энергетической диаграммы гетероперехода дает информацию о проводящих свойствах системы. Наиболее широко сегодня для этих целей различные авторы используют диффузионную модель Андерсона, с которой обычно сравнивают экспериментально получаемые характеристики [112].
Прежде всего, для построения энергетических зонных диаграмм гетеропереходов необходимо знать зонные структуры исходных полупроводников. При построении энергетической диаграммы гетеропереходов по модели Андерсона рассматриваются энергетические диаграммы двух изолированных полупроводников в предположении, что их объемные свойства остаются неизменными вплоть до границы раздела. Далее, согласно выбранной модели можно пренебречь пространственным зарядом вблизи поверхности, а профили энергетических зон рассматривать как не меняющиеся с расстоянием. В свою очередь они строятся на основании данных о ширине запрещенной зоны Eg, диэлектрической проницаемости є, работе выхода tp, сродства к электрону і для халькогенида самария и европия соответственно. Далее, диаграммы энергетических зон изолированных полупроводников строятся в предположении, что всюду выполняется условие электронейтральности.
Метод огибающей функции в лр-приближении
В последующих расчетах методом огибающей функции, учитывающем периодичность системы, необходимо использовать приближение эффективной массы. Для расчетов в первом приближении допустимо брать среднее значение эффективных масс исходных полупроводников. Основываясь на этом можно получить достаточно полную качественную информацию об энергетических подзонах в сверхрешетке, однако, точных количественных результатов не дает. Поэтому для проведения таких вычислений необходимо использовать более сложные методы расчетов, например, метод сильной связи. Так как влияние потенциала Vc(x) существенно только вблизи краев зон, то закон дисперсии будет подчиняться квадратичному закону и для вычисления энергетического спектра сверхрешетки можно использовать метод эффективной массы [113]. Тогда для определения спектра носителей уравнение Шредингера запишется в виде:
Далее необходимо решить отдельное уравнение Шредингера для каждого типа носителей заряда, заменив массу частицы на соответствующую эффективную массу: т{е, х)=т"- в слое SmS и m{s, x)=mbc- в слое EuS. Как говорилось выше, в проводимых расчетах будет полагаться, что эффективная масса my =mL =mt и ее усредненное значение составляет msms=0,78mo, ttiEuS=0,4m0. Необходимо заметить, что теоретически предсказанное, довольно простое приближение эффективной массы для описания свойств частиц в потенциальной яме, получило экспериментальное подтверждение [114]. 1.3.4 Метод огибающей функции в лр-приближении.
Для определения закона дисперсии сверхрешетки SmS-EuS воспользуемся методом огибающей функции. Состоящая из чередующихся слоев халькогенида самария и европия система имеет период d=dsms+dEus, где dsms и dEuS - толщина слоя соответствующих полупроводников. Полагается, что z- ось сверхрешетки, а х и у два взаимно перпендикулярных направления в плоскости z O. Ранее было показано, что параметры кристаллической и зонной структур SmS и EuS хорошо согласуются вблизи центра зоны Бриллюэна, а следовательно, могут описываться моделью Кейна. Тогда, волновая функция у/с (х) уравнения Шредингера данной сверхрешетки будет иметь одинаковый вид в обоих материалах и запишется следующим образом: VWsOO - Г »Чг)и Е -Чг), (4) где f mS FaS{г) - медленно меняющиеся огибающие функции, ufmS,EuS (г) периодические части блоховских функций при л-=0. Далее, p Eus j являются решениями системы дифференциальных уравнений, а собственные энергии определяются из матричного гамильтониана, который в свою очередь действует на огибающие функции. За начало отсчета выбирается либо дно зоны проводимости, либо потолок валентной зоны одного из полупроводников. Учитывая связь блоховских функций с огибающими и полагая кейновский матричный элемент одинаковым в обоих полупроводниках приходим к закону дисперсии.
Далее, большинство методов расчета зонной структуры без принципиальных дополнений могут быть использованы и при анализе минизонной структуры сверхрешеток. При этом учитывается, что периодичность в плоскости слоев, составляющих гетероструктуру, сохраняется, а в направлении роста сверхрешетки создается дополнительная периодичность, увеличивающая элементарную ячейку, которая и рассматривается при расчете зонной структуры.
То, что характерная длина d, соответствующая искусственной периодичности сверхрешетки, превосходит естественную периодичность (d«a), дает возможность описывать электронные состояния гетеросистемы в рамках метода огибающей функции. При этом естественную периодичность а этот метод учитывает в рамках приближения эффективной массы, а сверхрешеточная периодичность d влияет на огибающую функцию, которая слабо изменяется на масштабе а.
Естественно, что в методе огибающей функции часть информации, связанная с расстоянием а, теряется. Например, остаются неопределенными детали границы между соседними слоями, и не учитывается точная химическая природа реальных слоев. Такое макроскопическое описание можно использовать лишь при достаточно толстых слоях =10 нм, когда последние представляются эффективной средой и в расчетах учитываются только межзонные матричные элементы и некоторые энергетические зазоры. Тогда огибающие функции представляют собственные состояния эффективного многозонного гамильтониана, а информация о микроскопических характеристиках входит в значения кейновского матричного элемента и энергетические зазоры, которые можно взять из экспериментов на массивных полупроводниках.
Далее, метод огибающей функции удовлетворительно подходит для сверхрешеточных состояний с энергиями, близкими к краю зоны одного из слоев и доминирующий вклад вносят одно или два состояния. Этот метод полезен из-за своей простоты и позволяет получить связь между волновыми функциями сверхрешетки и однородного материала. Он дает результаты, подтверждающиеся многими экспериментами.
Закрытые квантовые ямы
При образовании гетероструктуры SmS-EuS, сверхрешеточный периодический потенциал (при определенной толщине слоев исходных полупроводников) дробит закрытые квантовые ямы, образованные 4г- и 4f - полос, на минизоны и уширяет последние. Далее, так как 4і6-состояния в SmS полностью заполнены электронами, и они на 0,3 эВ находятся выше, частично заполненных 4і"7-уровней EuS, то при выравнивании уровней Ферми, произойдет перетекание электронов из слоя SmS в слой EuS (рис.14). При этом понижение концентрации электронов в 4f- полосе SmS будет способствовать переходу самария в магнитно-активную фазу г— f+e и зеемановскому расщеплению ее, а приток электронов в 4f- полосу EuS, наоборот, может понизить ферромагнитный порядок в этом слое и, соответственно, степень зеемановского расщепления в нем, что, в частности, связано с четностью числа, заполняющих 4f - полосу электронов (правило Гудинафа) [132].
Особенности зонной структуры сверхрешеток на основе сульфидов самария и европия связаны с тем, что составляющие слои SmS и EuS одновременно оказываются и барьерами, и квантовыми ямами, образованные из 4I6- и 4f7 - полос, которые находятся в запрещенных зонах и потому являются закрытыми. Меняя толщину слоев (барьеров) можно изменить ширину минизон в закрытых ямах, а с изменением ширины ям (в обоих слоях) возможен подбор необходимого положения минизон. Это позволяет регулировать концентрацию электронов, перетекающих из SmS в EuS и тем самым влиять на магнитное состояние обоих слоев.
С учетом того, что в гетеропереходе SmS-EuS постоянные решеток и кристаллическая симметрия одинаковы, более детальный анализ электронного спектра сверхрешетки будет проведен в следующем разделе на основе эмпирического метода сильной связи, базирующийся на теории рассеяния. Так как объемные зоны Бриллюэна исходных слоев совпадают, двумерная зона гетероперехода будет соответствовать общей поверхностной зоне Бриллюэна, но вместо поверхностных состояний анализировались состояния у границы перехода SmS-EuS. С одной стороны, расчет энергетического спектра упрощался, т.к. на гетеропереходе нет изменения в симметрии кристалла, а с другой, усложнялся из-за учета промежуточной валентности халькогенида самария.
Химическая природа возникновения пограничных состояний, их связь с атомной и электронной структурой гетероперехода SmS-EuS может быть теоретически проанализирована при использовании полуэмпирического метода сильной связи. Его применение не вызывает больших осложнений, так как объемные зоны Бриллюэна SmS и EuS совпадают, а зона Бриллюэна границы раздела (111) будет соответствовать общей поверхностной зоне. Совпадение атомных валентностей на гетерогранице делает ее достаточно устойчивой, поэтому для расчета электронной структуры можно использовать идеальную конфигурацию образования насыщенных связей SmS на поверхности (111) EuS.
Если вначале не учитывать взаимодействие между полубесконечными кристаллами SmS и EuS, то функция Грина G0 для гетероперехода будет 1 } представляться в виде произведения функций G и G . Соответствующие им матрицы диагональные в представлении для этих полупространств. Используем уравнение Дайсона для определения энергетических зон поверхности (111): где G- функция Грина гетероперехода с поверхностью, G0- объемная функция Грина и U- возмущение, связанное с поверхностью (111). Для определения возмущения U воспользуемся методом обрыва связей [133,134]. Тогда число плоскостей, затрагиваемых этой процедуре, определяется числом взаимодействий между ближайшими соседями, учитываемых в объемном гамильтониане.
Определение изменения электронной плотности сверхрешетки SmS-EuS вариационным методом
Итак, проведенный теоретический анализ сверхрешетки ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник позволил определить следующие характеристики данной структуры.
Во-первых, получена зависимость энергий подзон от волнового вектора в приближении огибающей функции. Показано, что учет взаимодействия спина электрона с магнитным полем приводит к заметному расширению верхних подзон.
Во-вторых, выполнив срез кристалла плоскостью (111), были определены оборванные связи на поверхности (EuSSm (Ш) SEuS) и проведенные расчеты состояний носителей заряда, которые показали, что на поверхности исходных полупроводников с внешними атомными плоскостями Sm и S, возникает состояние, недозаполненное электронами.
Затем возможность перехода халькогенида самария в магнитно-активную конфигурацию f+ёпозволяет наблюдать явление вложения в кристаллическую гетероструктуру сверхрешетки ферромагнетик-парамагнетик.
Далее показана возможность образования закрытых квантовых ям в сверхрешетке SmS-EuS. Это связано с особенностью зонной структуры составляющих ее слоев SmS и EuS, которые одновременно оказываются и барьерами, и квантовыми ямами, образованными из 4г6- и 4f7 — полос, находящихся в запрещенной зоне исходных полупроводников.
Выявленные особенности сверхрешетки SmS-EuS позволяют определить практическое применение данной структуры для создания современных устройств наноэлектроники.
Перспективным направлением применения тонкопленочных структур на основе халькогенида европия является их использование в качестве запоминающей среды при магнитной записи информации. В свою очередь удаление информации может осуществляется переменой магнитного поля на обратное. Заметим, что малое поглощение и невысокая теплоемкость халькогенидов так же определяют ее в качестве запоминающей среды.
Далее, полагаем, что устройства СВЧ-электроники на основе халькогенида самария и европия могут составить серьезную конкуренцию устройствам на основе ферритов, работающим при низких температурах. Серьезным основанием для этого является малая кристаллическая анизотропия, высокая намагниченность насыщения и малые диэлектрические потери.
Более того, сочетание магнитных и полупроводниковых свойств в одном материале позволят создать принципиально новые приборы быстродействующей электроники. Их работа основывается на взаимодействии дрейфующих носителей заряда с бегущими спиновыми волнами. Это делает возможным использование таких систем как в качестве усилительных, так и генерирующих.
То обстоятельство, что концентрация носителей тока в ферромагнитном полупроводнике на несколько порядков меньше, чем в ферромагнитных металлах, а следовательно, туннелирование через ферромагнитный полупроводниковый барьер энергетически выгоднее, чем сквозь ферромагнитный металл, определяет возможность создания на их основе магнитоуправляемого диода, обратное пробойное напряжение которого можно регулировать внешним магнитным полем.
Затем возможность реализации гетероконтактов ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник, показанная в данной работе, открывает возможность спиновой инжекции поляризованных электронов, что существенно изменяет их свойства и открывает возможность наблюдения поляризованной люминесценции при освещении неполяризованным светом поляризованных по спину электронов. Благодаря возникающему эффекту «подмагничивания», влияющего на спиновое состояние носителей тока изменяются микроволновые характеристики во внешнем магнитном поле, а, следовательно, возможно появления излучения, перестраиваемого внешним магнитным полем.
Далее, в исследуемой сверхрешетке реализована идея «широкозонного окна», которая позволяет благодаря наличию достаточно высокого потенциального барьера на границе полупроводников, практически свести к нулю сквозное токопрохождение электронов и дырок. Это обстоятельство позволяет создать транзисторы с отсутствием рекомбинации в эмиттере. Более того, реализация этого эффекта позволяет значительно расширить и точно контролировать спектральную область солнечных элементов и фотодетекторов и повысить эффективность светодиодов.
Необходимо отметить еще одно преимущество исследуемой структуры это более простая технология изготовления по сравнению с широко используемыми сейчас четверными соединениями, и как следствие, большая инжекционная эффективность, а значит большая эффективность приборов.
Осталось упомянуть о возможности использования планарной структуры SmS-EuS для создания устройств относительно нового направления в электронике - спинтронике. Основная сложность при создании приборов на основе спиновой инжекции это подбор пары ферромагнитный полупроводник - полупроводник, которая характеризовалась бы близостью величин своих удельных электронных проводимостей, 100% спиновой поляризацией носителей в ферромагнитном полупроводнике и большой степенью зеемановского расщепления электронных уровней полупроводника. Заметим, что использование структур ферромагнитный металл — полупроводник в спинтронных устройствах малопродуктивно в силу того, что пренебрежимо мала вероятность осуществления спинового транспорта из ферромагнитного металла в полупроводник заметного по величине. А, сверхрешетка SmS-EuS «идеально» подходит по приведенным критериям для реализации в ней спинового токопереноса, и, следовательно, создания на ее основе спиновых фильтров, инжекторов и т.д.
Таким образом, здесь показано, что сверхрешетки на основе магнитных полупроводников обладают целым рядом уникальных электрофизических свойств, которые позволят расширить круг используемых материалов для создания электронной полупроводниковой техники. Это в свою очередь является основой для принципиально новых практических применений магнитных полупроводников.
