Ефекти обмінної взаємодії в оптичних та магнітотранспортних явищах в вузькощілинних напівмагнітних напівпровідниках

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

КУЗЬМЕНКО ОЛЕНА ВАСИЛІВНА

УДК 621.315.592

ЕФЕКТИ ОБМІННОЇ ВЗАЄМОДІЇ В ОПТИЧНИХ ТА

МАГНІТОТРАНСПОРТНИХ ЯВИЩАХ В ВУЗЬКОЩІЛИННИХ

НАПІВМАГНІТНИХ НАПІВПРОВІДНИКАХ Hg_1-x-yCd_xMn_yTe і Hg_1-x-yCd_xMn_ySe

Спеціальність - 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ-2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана у відділі лазерної спектроскопії напівпровідників та діелектриків Інституту фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор Тарасов Георгій Григорович

завідувач відділом Інституту

фізики напівпровідників НАН України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Сальков Євген Андрійович

головний науковий співробітник Інституту

фізики напівпровідниківНАН України

доктор фізико-математичних наук,

Недількo Сергій Герасимович завідувач

науково-досдідною лабораторіею Київського

університету імені Тараса Шевченка

Провідна організація: Інститут фізики НАН України

Захист дисертації відбудеться 18 лютого 2000 р. о 14 год 15 хв на засіданні спеціалізованої ради (шифр К 26.199.01) в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою 252650, МСП, Київ-28, проспект Науки, 41

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників за адресою 252650, МСП, Київ-28, проспект Науки, 45

Автореферат розісланий 21 грудня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Високі вимоги, що висуваються до матеріалів, які використовуються в інфрачервоній (ІЧ) оптоелектроніці (Hg_1-xCd_xTe, Pb_1-xSn_xTe, Pb_1-xSn_xSe і ін.), примушують переходити до більш складних напівпровідникових систем, зокрема до квантово-розмірних систем, багатокомпонентних твердих розчинів типу четверних напівпровідників Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe та ін. Такі напівпровідники відносяться до класу напівмагнітних сполук і прогнозуються як матеріали з більш широкими фукціональними можливостями та покращеними експлуатаційними характеристиками у порівнянні з широко розповсюдженими потрійними сполуками Hg_1-xCd_xTe, Hg_1-xCd_xSe. Цей прогноз грунтується на припущенні, що введення магнітної домішки може до певної міри стабілізувати кристалічну структуру вихідної потрійної сполуки. І дійсно, експериментально встановлено, що введення домішки марганцю зменшує густину дислокацій, перешкоджає утворенню двійників у кристалі, підвищує температурну стабільність та покращує ще деякі характеристики сполуки.

З іншого боку, введення магнітних іонів у кристал приводить до виникнення цілої низки нових ефектів, обумовлених обмінною взаємодією між локалізованими магнітними моментами іонів і спінами вільних носіїв заряду. Унікальне поєднання напівпровідникових і магнітних властивостей робить ці напівпровідники надзвичайно привабливими об'єктами з точки зору спін-залежних явищ, магнітополяронного ефекту, прояву екситоних явищ у вузькозонних напівпровідниках. Зміною компонентного складу можна практично незалежно варіювати в широких межах ширину забороненої зони і магнітні властивості напівпровідникової системи, а змінюючи температуру і/або напруженість магнітного поля, легко перебудувати систему у заданому спектральному діапазоні, тобто суттєво розширити функціональні можливості матеріалу.

Перераховані переваги напівмагнітних Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe у порівнянні з трикомпонентними (немагнітними) Hg_1-xCd_xTe, Hg_1-xCd_xSe в дійсності не є очевидними, якщо врахувати, що введення додаткової компоненти призводить до появи нових дефектів, істотно впливаючих на оптичні та електрофізичні властивості сполук. Крім того, ускладнюється технологія вирощування високоякісних зразків і заздалегідь не є ясним виграш від введення нової магнітної компоненти. Дослідження цих питань має виключний інтерес для оцінки перспективи використання матеріалів подібного типу в ІЧ-оптоелектроніці, як і мотивованості ускладнення напівпровідникової структури в цілому.

Однак поряд із цими проблемами суттєво розширюється коло фізичних явищ, котрі можна, в принципі, спостерігати на багатокомпонентних твердих розчинах, і виникає проблема їх ідентифікування за умов співіснування різних вкладів. Разом з тим, дослідження особливостей прояву оптичних і магнітотранспортних явищ в багатокомпонентних напівмагнітних напівпровідниках, з'ясування ролі обмінної взаємодії у формуванні цих особливостей, встановлення їх залежностей від складу напівпровідника, магнітного поля і температури дозволить глибше зрозуміти фізичну природу процесів у цих сполуках, дослідити можливість їх використання у квантово-розмірних структурах і розкрити потенціал їх практичного застосування в ІЧ -оптоелектроніці, що і визначає актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана у відповідності з планами наукової діяльності Інституту фізики напівпровідників Національної Академії наук України в рамках наукової теми “Оптика і спектроскопія нових матеріалів: в тому числі квантово-розмірних систем на основі атомарних напівпровідників та сполук А²В⁶, А³В⁵, А⁴В⁶”. Робота підтримувалась міжнародним грантом, що був отриманий спільно з Університетом ім. Гумбольдта (Берлін, Німеччина): Volkswagen Stiftung Grant, 1996-1998, № 43218.

Мета і задачі дослідження

Мета дисертаційної роботи полягала у дослідженні оптичними та магнітотранспортними методами вузькощілинних напівпровідникових твердих розчинів Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe для встановлення особливостей перебігу електронних процесів під впливом обмінної взаємодії між локалізованими магнітними моментами іонів і спінами вільних носіїв заряду.

Конкретні задачі включали:

_ розробку методів реєстрації спектрів збудження фотолюмінесценції (ФЛ) в далекій інфрачервоній області і дослідження спектрів збудження ФЛ у монокристалі Hg_1-x-y Cd_xMn_yTe з шириною забороненої зони E_g 330 меВ при зміні інтенсивності збудження і температури кристала;

_ дослідження спектрів фото- і магнітолюмінесценції у монокристалах Hg_1-x-yCd_xMn_yTe з E_g 100 меВ у широкій області температур і магнітних полів;

_ дослідження магнітоопору монокристалів Hg_1-x-yCd_xMn_ySe з E_g 100 меВ при варіації концентрації носіїв у широких межах;

_ розробку адекватних моделей для самоузгодженого аналізу експеримен-тальних даних з ФЛ і магнітного транспорту.

Наукова новизна роботи визначається рядом нових, перерахованих нижче результатів:

_ методом дослідження спектрів збудження ФЛ вперше безпосередньо доведено наявність сильної електрон-фононої взаємодії у вузькощілинному Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, що приводить до появи непрямого механізму генерації екситонів у прямозонному напівпровіднику;

_ методами магнітооптики і магнітотранспорту доведена суттєва роль процесів з переворотом спіну у релаксації фотозбуджених вільних носіїв у вузькощілинному Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, що приводять до появи заборонених правилами відбору переходів у ФЛ і піків осциляцій Шубнікова-де Гааза у магнітоопорі;

_ вперше знайдена залежність констант обмінної взаємодії між спінами вільних носіїв заряду і локалізованими магнітними моментами іонів марганцю від концентрації носіїв і ширини забороненої зони у Hg_1-x-yCd_xMn_ySe в області переходу напівметал-напівпровідник;

_ визначені константи обмінної взаємодії у напівпровідниках Hg_1-x-yCd_xMn_yTe і Hg_1-x-yCd_xMn_ySe шляхом самоузгодженого опису цих напівмагнітних сполук в рамках модифікованої моделі Піджена-Брауна;

_ сукупністю оптичних і магнітотранспортних експериментів безпосередньо доведена важлива роль легування магнітними іонами в покращенні структурної довершеності і підвищенні стабільності гратки Hg_1-xCd_xTe.

Практична значимість роботи в тому, що в дисертації отримана нова інформація щодо напівмагнітних напівпровідникових твердих розчинів Hg_1-x-yCd_xMn_yTe та Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. Результати дослідження фото- і магнітолюмінесценції дозволили уточнити механізми випромінювальної рекомбінації і релаксації в електронній підсистемі вузькощілинних напівпровідників, що визначають енергетичні та динамічні характеристики цих матеріалів. Наукові висновки носять загальний характер і не обмежуються об'єктами, що використовуються в роботі. Новий рівень розуміння фізичних процесів дозволяє передбачити та оцінити ефективність цих напівпровідників для безпосереднього практичного використання як матеріалів для фотоприймачів спектрального діапазону 0.91.5 мкм, оптичних фільтрів для різних спектральних діапазонів, нових перспективних гетероструктур на основі напівмагнітних напівпровідників.

Особистий внесок здобувача

Роботи, що увійшли в дисертацію, виконані у співавторстві. Автор ставив окремі задачі, приймав участь в розробці методики експериментів, проводив вимірювання спектрів ФЛ і магнітоопору. Дисертантці належить також аналіз даних, теоретичне узагальнення яких виконано спільно з професором Г.Г.Тарасовим. Висновки всіх розділів, загальні висновки дисертації повністю належать автору.

Апробація роботи

Результати досліджень, що викладені в дисертації, доповідались на конференціях: 24 Int. Conf. on Physics of Semiconductors ( Jerusalem, Israel, August 2-7, 1998); 9-th International Conf. оn II-VI Compounds (Кioto, Japan, 2-5 November, 1999); Міжнародній школі-конференції з актуальних питань фізики напівпровідників (Дрогобич, Україна, 1999 р.); Міжнародній конференції OPTDIM'99 (Київ, Україна, 1999 р.); Міжнародній конференції “Advanced Materials” (Київ, Україна, 1999 р.).

Публікації

Всього опубліковано 12 робіт: 3 статті і 9 тез доповідей та матеріалів конференцій.

Структура і об'єм дисертації

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 122 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 139 сторінок. Приведено 4 таблиці та 29 рисунків.

напівпровідник вузькощілинний напівмагнітний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обгрунтовано акутуальність теми досліджень, сформульована мета та визначені конкретні задачі роботи, показана новизна та практичне значення отриманих результатів.

Розділ перший включає огляд літератури та аналіз тих окремих результатів, що використовуються при вивченні оптичних та транспортних явищ в напівмагнітних напівпровідниках. Зокрема це стосується робіт по визначенню параметрів обмінної взаємодії, опису енергетичної структури напівмагнітного напівпровідника у магнітному полі, особливостей магнітоопору, що пов'язані з наявністю обмінної взаємодії тощо. В огляд включені також найбільш важливі формули та вирази, які в подальшому використані при аналізі нових екпериментальних даних в напівпровідниках Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe.

В другому Розділі досліджуються механізми випромінювальної рекомбінації в напівмагнітному напівпровіднику Hg_1-x-yCd_xMn_yTe із складом, що формує ширину забороненої зони E_g близько 330 меВ при температурі 6 К. Міжзонна випромінювальна рекомбінація, що є лише одним із багатьох можливих каналів релаксації фотозбуджених носіїв, сильно пригнічена у вузькощілинних напівпровідниках. В немагнітному Hg_1-xCd_xTe наявність великої кількості крупно- та мілко-масштабних флуктуацій потенціалу вельми впливає на час життя носіїв заряду і перерізи захоплення їх на різні пастки. Однак існують певні свідчення позитивного впливу марганцю на кристалічну структуру сполуки, зокрема її релаксації та згладжування флуктуацій складу. Екпериментальним проявом такого впливу є спостережена незвично вузька та яскрава ФЛ в Hg_1-x-yCd_xMn_yTe. Для всіх вузькощілинних Hg_1-x-yCd_xMn_yTe з E_g=280 380 меВ спостерігається звуження смуг магнітолюмінесценції у порівнянні з Hg_1-xCd_xTe. Оскільки енергії електронів і фононів (наприклад, для конкретного зразка E_g = 332 меВ, R_x = 1.0 еВ, Е_LOCdTe = 19.4 меВ) тут набагато ближчі, ніж в широкозонних матеріалах, то слід очікувати і більш сильної електрон-фононної взаємодії якраз для вузькощілинних напівпровідників. В цьому Розділі наведені результати спектроскопічного дослідження напівпровідника Hg_0.651Cd_0.335Mn_0.014Te. Основна увага приділяється ефектам, зумовленим екситон-фононною взаємодією, котрі спостерігаються в спектрах збудження ФЛ (ЗФЛ). Ми використовували нову техніку експерименту і, наскільки нам відомо, ця робота є першою в практиці вивчення вузькозонних напівмагнітних матеріалів з використанням спектроскопії ЗФЛ. Ідея методу _ подвійна модуляція, при заміні фазочутливого детектування фазочутливим збудженням. Це дозволяє уникнути недоліків, пов'язаних з демодуляцією сигналу синхронізуючим підсилювачем.

Монокристали HgCdMnTe із структурою цинкової оманки були вирощені методом модифікованої зонної плавки. Однорідність розподілу Mn і Cd в об'ємі була сталою в межах точності x = y = 0.002. Характеристики дослідженого зразка, отримані із стандартних оптичних та електричних вимірів, становили: вміст Cd x = 0.335 мол. %, вміст Mn y = 0.014 мол. %, E_g = 332 меВ, n = 1.4110¹⁵ см^-3, рухливість електронів = 1.110⁵ см²В^-1с^-1 (все при Т = 4.2 К).

На Рис. 1 показані як спектри ФЛ (зверху), так і спектр ЗФЛ (знизу). Стрілками показано стоксів зсув порядку 2 меВ між смугами ФЛ і спектра

ЗФЛ, зумовлений локалізацією екситонів в потенціальних ямах, що утворюються флуктуаціями краю зони. Величина 2 меВ експериментально підтверджується також термічною делокалізацією екситонів в різних магнітних полях (В). Були проскановані різні ділянки спектра ФЛ. Основні зміни спектра ЗФЛ спостерігаються в області екситонного поглинання. Знайдено, що у вузькому спектральному інтервалі поблизу краю фундаментального поглинання (Е_х - Е_LO < E < E_x + E_LO) в цьому прямозонному вузькощілинному напівпровіднику основним меха-нізмом поглинання є непряме поглинання з участю “гарячих” екситонів. Таким чином, незалежно підтверджується екситонна природа оптичних переходів поблизу краю фундаментального поглинання, що встановлено також роботами з магнітолюмінесценції. Наші експе-риментальні дані дають можливість спостерігати різну ефективність фононних мод підграток HgTe і CdTe у формуванні спектра ЗФЛ. Hg_0.651Cd_0.335Mn_0.014Te демонструє ряд особливостей, наприклад, LO-фононний резонанс у спектрах ЗФЛ, резонансну ФЛ, яка дуже схожа до спостережуваної в широкозонних матеріалах ІІ - VI, таких як Hg_1-xZn_xTe і Hg_1-xCd_xTe. Отримані результати сприяють уніфікації опису поведінки спектрів ЗФЛ для цих матеріалів в рамках єдиного теоретичного підходу.

В третьому Розділі досліджуються спінові ефекти у спектрах фотолюмінесценції і в магнітоопорі вузькощілинних монокристалів Hg_1-x-yCd_xMn_yTe. До цього часу вивчались напівпровідники Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, ширина забороненої зони яких була більшою, ніж 200 меВ. В такому разі підмішуванням станів р-типу валентної зони до станів зони провідності можна було знехтувати з достатньою точністю. Якщо ж склад Hg_1-x-yCd_xMn_yTe формує меВ, таке нехтування не є апріорі виправданим. В цьому випадку слід очікувати більш складної поведінки енергетичних станів у магнітному полі і ускладнення перебігу релаксаційних процесів для фотозбуджених носіїв заряду. Саме такі особливості і є предметом дослідження в цьому Розділі. Монокристали Hg_0.769Cd_0.224Mn_0.007Te були вирощені модифікованим методом зонної плавки. Концентрація носіїв n і рухливість електронів , як правило, мали значення: (13) 10¹⁵ см^-3 і (35) 10⁵ см²В^-1с^-1 при 4.2 К, відповідно. Дослідження ФЛ проведено з допомогою Фур'є-спектрометра IFS-88 Bruker. Джерелом збудження слугував лазер з енергією випромінювання 1.58 еВ. Густина випромінювання не перевищувала 1 Вт/см². Поперечний () та повздовжній () магнітоопір вимірювались в області температур 1.5 30 К. Напруженість магнітного поля змінювалась від 0 до 7 Тесла. Суттєво, що використовувались ті ж самі зразки, на яких вимірювались спектри ФЛ. Порівняння результатів, що отримані двома незалежними експериментальними методами, дозволяє встановити загальні закономірності релаксації фотозбуджених носіїв, властиві тільки напівмагнітним сполукам.

На Рис. 2 представлені типові спектри низькотемпературної ФЛ в різних магнітних полях. Основні зміни спектрів ФЛ відбуваються у магнітних полях 0.5 2.0 Тесла. Як можна бачити, високоенергетична смуга ФЛ розщеплюється на дві компоненти в малих магнітних полях, при цьому спостерігається значне зменшення амплітуди високочастотної компоненти у магнітних полях B 2 Tесла аж до її повного зникнення. При підвищенні магнітного поля низькоенергетична компонента лінії ФЛ звужується і зміщується в бік вищих енергій. Широка смуга в області енергій 105 120 меВ зв'язується з домішковими переходами.

Результати вимірювання ефекту Шубнікова-де Гааза (ШдГ) представлені на Рис. 3. Послідовності піків магнітоопору _xx(B) ідентифіковані, виходячи з правил відбору для осциляцій ШдГ. Для поперечного магнітоопору проявляються обидва стани a (спін догори) і b (спін донизу), тобто осциляції з і для рівнів Ландау з N 1. Останній високопольовий пік залежності _xx(B) може належати лише . На Рис. 3 показані зміни залежностей магнітоопору з підвищенням температури. При Т = 2.8 К впевнено виділяється більше 6 піків, серед яких найбільш чітко проявляються спін-розщеплені піки і , а також пік . При підвищенні температури низькопольові піки розмиваються і при Т = 10 К видно лише пік . Спостерігається також зміщення максимумів в сторону менших магнітних полів з підвищенням температури.

Для аналізу отриманих залежностей використовується модель Піджена-Брауна з урахуванням обмінної взаємодії. В геометрії Фарадея дозволені наступні переходи _8  6:

⁺ кругова поляризація:

, ;

^- кругова поляризація:

, ;

і в геометрії Фойгта ( || ) для лінійної поляризації:

, .

Отримані результати експериментального дослідження магнітооптичних і магнітотранспортних властивостей вузькощілинних Hg_1-x-yCd_xMn_yTe дають конкретні докази наявності переходів з переворотом спіну. Такі “заборонені переходи” стають можливими внаслідок особливостей як енергетичної зонної структури вузькощілинних напівмагнітних напівпровідників, так і безпосередньої обмінної взаємодії локалізованих магнітних моментів іонів марганцю із спіном вільного носія. Релаксація фотозбуджених носіїв і їх розсіяння відбуваються під впливом цієї взаємодії. Були обчислені різні вклади у вирази для часу спінової релаксації (непружнє розсіяння фононів (_ph), спінова релаксація Елліотта-Яфета (_EY), механізм Д'яконова-Переля (_DP), спіновий обмін з іонами Mn²⁺ (_ex), механізм Біра-Аронова-Пікуса).

Якщо припустити, що час релаксації момента не залежить від енергії електрона і дорівнює c, тоді обернений час дорівнює c^-1 для електронів, що знаходяться у підзоні b(0) при B= 2 Тесла. Вважаючи електронну температуру близькою до температури гратки (оскільки густина збудження є низькою, Вт см^-2) і використовуючи значення обмінних параметрів, знайдених із даних ФЛ і ШдГ (а також, із магнітної сприйнятливості), обчислено 1/_ex = 4.1 10⁸c^-1. Аналогічно знайдено 1/_DP = 3.8 10⁵ c^-1.

Отримані величини показують, що механізми Елліотта-Яфета і обмінної взаємодії є домінуючими в спіновій релаксації. Тому фізична картина стаціонарної ФЛ виглядає так: збуджені високо в зону провідності носії швидко втрачають надлишкову енергію внаслідок непружного розсіяння оптичними фононами. Коли вони досягають дна зони b(0), то релаксують за рахунок перевороту спіну в стан a(0), із якого і відбувається випромінювальна рекомбінація. У магнітотранспорті процес перевороту спіну також має місце із-за обмінної взаємодії або завдяки механізму Елліотта-Яфета. Внаслідок цього порушуються правила відбору і з'являється пік , заборонений у повздовжньому магнітоопорі. Проведено самоузгоджений теоретичний опис даних ФЛ і ШдГ в рамках модифікованої моделі Піджена-Брауна. Параметри, які характеризують обмінну взаємодію, знайдені із процедури підгонки експериментальних даних. Для конкретного напівпровідника Hg_0.769Cd_0.224Mn_0.007Te отримано: A = - (0.45 0.02) еВ, В = (0.90 0.02) еВ, а також “кластерні параметри” S₀ = 2.3 0.1 і T₀ = (2 0.2) K.

В четвертому Розділі розглянуті особливості обмінної взаємодії у вузькощілинному напівмагнітному напівпровіднику Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. Досліджена область складів, близьких до переходу напівметал-напівпровідник. Звично обмінна взаємодія описується двома базовими обмінними константами, і , котрі представляють собою відповідно s-d і p-d обмінні інтеграли. Знак параметра , встановлений експериментально, від'ємний, тоді як знак параметра додатній і відрізняється по модулю від параметра приблизно в 2 рази для Hg_1-xMn_xTe. У широкозонних напівмагнітних напівпровідниках величини і відтворюються з високою точністю, в той час як для вузькощілинних напівпровідників спостерігається значний розкид величин параметрів, визначених різними авторами в різних експериментах, наприклад, для Hg_1-xMn_xSe. Цей розкид є наслідком складної зонної структури вузькощілинних напівпровідників, при розгляді якої слід приймати до уваги одночасно як спінове, так і орбітальне квантування.

Експериментально досліджені монокристали Hg_1-x-yCd_xMn_ySe (x=0.10, y=0.02) з малою шириною забороненої зони E_g (E_g 50 меВ). Вміст марганцю утримувався на відносно малому рівні (y 0.02). В такому разі намагніченість кристала добре описується функцією Брілюена. Для дослідження ефекту ШдГ були відібрані однорідні зразки, склад яких контролювався мікропробом. Свіжовирощені кристали мали концентрацію електронів n= (3-5)10¹⁷ см^-3, яка потім змінювалась шляхом відпалу зразків в парах компонент. В результаті концентрація електронів змінювалась в межах (0.4-20)10¹⁷ см^-3. Магнітоопір вимірювався у магнітних полях аж до 15 Тесла і в температурному інтервалі 1.5 80 K. Значення електронної рухливості _n при T = 4.2 K наближалось до величини 310⁵ см²В^-1с^-1 для n = 1.610¹⁷ см^-3, що є одним з кращих показників навіть для довершених монокристалів Hg_1-xCd_xSe.

Рис. 4 показує залежності _xx і _zz магнітоопору в зразку з концентрацією 0.4410¹⁷ см^-3 при різних температурах. Оскільки концентрація електронів мала, то максимум на залежності _xx спостерігається при магнітних полях B 6 T. Крім нього (при менших полях) видно добре розділені спін-розщеплені максимуми при низькій температурі ( T= 1.5 K). Рис. 5 показує зміну вигляду залежності _xx у зразку з концентрацією 12.110¹⁷ см^-3 з ростом температури. Оскільки концентрація електронів є високою ми не досягаємо, при наявних у нашому розпорядженні магнітних полях, максимуму . Впевнено реєструються лише максимуми магнітоопору з N 6. Ці піки не розщеплені при низьких температурах, але при більш високих температурах вони показують добре розділене спінове розщеплення (). Величина зростає з ростом температури; це показано лініями, що розходяться, на Рис. 6.

Для аналізу експериментальних даних використана модифікована модель Піджена-Брауна. Досліджені також магнітна сприйнятливість та намагніченість монокристалів Hg_1-x-yCd_xMn_ySe, що є принциповим моментом при визначенні обмінних констант. Намагніченість M для монокристалів Hg_1-x-yCd_xMn_ySe з у=0.02 була виміряна за допомогою SQUID - магнітометра в магнітних полях до 5 Тесла і в температурному інтервалі 4.2 _ 20 К та обробленаметодом найменших квадратів за допомогою відомого співвідношення

,

де

.

Тут _B _ магнетон Бора, S = 5/2 і g_Mn _гіромагнітний фактор іона Мn²⁺, S_z _ термодинамічне середнє проекції спінового моменту S_z, що описується функцією Брілюена . Коли кількість марганцю зростає, то спостерігається суттєве відхилення залежності S_z від функції Брілюена; S та Т замінюються підгоночними параметрами S₀ і ефективною температурою T_eff = T + T₀. Отримані величини підгоночних параметрів =2.15 і =9 K свідчать про значну антиферомагнітну взаємодію між магнітними іонами.

Дослідження поведінки осциляцій ШдГ при зміні концентрації носіїв в напівмагнітному напівпровіднику Hg_1-x-yCd_xMn_ySe показало нові аспекти обмінної взаємодії між спіном електрона зони провідності і локалізованими спіновими моментами магнітних іонів, котрі проявляються в безпосередній близькості від переходу напівметал-напівпровідник. Виявлено, що гібридизація s-подібних і p-подібних електронних хвильових функцій сильно модифікує константи обмінної взаємодії. В результаті простий опис експериментальних даних в термінах двох незалежних обмінних констант і , отриманих в наближенні молекулярного поля, стає некоректним. Отримана з експерименту обмінна константа трансформується у функцію , котра сильно залежить від величини E_g і концентрації електронів n. Ця залежність показана на Рис.7. Діапазон значень функції досить широкий: від додатнього значення N₀ = 0.15 еВ до від'ємного N₀ = _ 0.28 eV, типового для широко-зонних напівмагнітних напів-провідників. Ці від'ємні значення функція приймає при досить високих концентраціях електронів, n 10¹⁸ cм^-3, коли стає суттєвим перенормування електронних енергетичних параметрів.

Отримані результати дозволяють до певної міри пояснити значний розкид значень обмінних параметрів, що виводяться з різних експериментів для вузькощілинних напівмагнітних напівпровідників і, як правило, приписується неповному знанню намагніченості кристала. В дійсності такі параметри слід визначати для кожного конкретного складу з урахуванням концентрації вільних носіїв.

В дисертації отримано дані щодо розподілу магнітних іонов в об'ємі зразка, їх взаємодії та впливу на якість кристалічної структури. Взаємодія іонів Mn²⁺ в напівмагнітних четверних напівпровідниках Hg_1-x-yCd_xMn_ySe має антиферомагнітний характер, що випливає з від'ємних значень характеристичної температури , знайденної із залежності , для всіх зразків Hg_1-x-yCd_xMn_ySe з різним вмістом магнітної компоненти. Висока якість кристалічної структури четверної сполуки випливає з добре розділеної спінової структури як у повздовжньому, так і в поперечному магнітоопорі, та відсутності фазового зсуву для піків ШдГ, що відповідає малій величині температури Дінгля , обумовленій сутичним механізмом в електронній підсистемі напівпровідника. Цей висновок узгоджується з результатами оптичних і магнітооптичних досліджень, наведених в попередніх Розділах і свідчать про значне покращення якості кристалічної структури, оптичних і транспортних характеристик напівпровідника, що досягається його легуванням магнітною домішкою.

Висновки

Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, наступні:

1. Вперше досліджені спектри збудження ФЛ Hg_1-x-yCd_xMn_yTe з використанням Фур'є-спектроскопії. Безпосередньо доведена наявність екситонних резонансів в цьому вузькощілинному напівмагнітному напівпровіднику, причому, завдяки сильному електрон-фононному зв'язку в досліджених напівпровідниках має місце механізм непрямої генерації екситонів у прямозонному напівпровіднику. “Гарячі” екситони з певною кінетичною енергією релаксують, в більшості випадків, випромінюючи LО-фонони, і виникає нерівноважний розподіл екситонів всередині екситонної зони. В результаті пік екситонного випромінювання зміщується в бік більших енергій фотонів. Наші експерименти дали можливість спостерігати різну ефективність фононних мод підграток HgTe і CdTe у формуванні спектра ЗФЛ. Оптичні властивості Hg_0.651Cd_0.335Mn_0.014Te мають ряд особливостей, наприклад, LO-фононний резонанс у спектрах ЗФЛ і резонансну ФЛ, які дуже схожі до відповідних ефектів у широкозонних матеріалах ІІ-VI, (таких як Hg_1-xZn_xTe і Hg_1-xCd_xTe), і це сприяє уніфікації опису поведінки спектрів ЗФЛ для цих сполук в рамках загального теоретичного підходу.

2. Показано, що врахування обмінної взаємодії і підмішування діркових станів до станів зони провідності приводить до значних змін в ієрархії часів релаксації фотозбуджених носіїв. Зокрема у вузькощілинному напівпровіднику Hg_1-x-yCd_xMn_yTe n-типу „охолодження“ носіїв супроводжується різними процесами розсіяння, серед яких є спін-зберігаючі розсіяння та розсіяння з переворотом спіну. Результати самоузгодженого аналізу експериментальних даних з магнітолюмінесценції і магнітотранспорту у Hg_1-x-yCd_xMn_yTe n-типу, виконаного в рамках модифікованої моделі Піджена-Брауна, однозначно свідчать про основний внесок механізму Елліотта-Яфета (що враховує сильний вплив спін-орбітальної взаємодії на енергетичну зонну структуру) і механізму обмінної взаємодії. Показано, що охолодження гарячих носіїв у вузькощілинному Hg_1-x-yCd_xMn_yTe проходить в основному без зміни спінового стану на початковій стадії процесу релаксації, і з переворотом спіну в кінцевій стадії термалізації носіїв. Процеси з переворотом спіну визначають при цьому заселеність найнижчих підрівнів Ландау зони провідності, що безпосередньо виявляється в спектрах магнітолюмінесценції як розщеплення піка ФЛ у магнітному полі, а в осциляціях магнітоопору _ як заборонений правилами відбору нульовий пік у повздовжньому магнітоопорі.

3. Досліджені особливості магнітоопору Hg_1-x-yCd_xMn_ySe, що виявляються в безпосередній близькості від переходу напівметал-напівпровідник. Показана принципова необхідність урахування близькості зони провідності і валентної зони, що призводить до своєрідної гібридизації електронних і діркових станів. Це веде до проблеми опису обмінної взаємодії між спінами зонних носіїв заряду і локалізованими спіновими моментами магнітних іонів в термінах двох обмінних констант, котрі в дійсності виявляються функціями хвильового вектора електронів. Встановлено, що у вузькощілинному напівпровіднику Hg_1-x-yCd_xMn_ySe (Е_g 50 меВ) обмінний інтеграл для носій _ іонної взаємодії, який вважається константою для широкозонних напівпровідників, є функцією концентрації електронів, що змінюється від значення N₀= - 0.38 еВ при n 10¹⁸ cм^-3 до значень N₀= 0.15 еВ при n 10¹⁶ cм^-3. Знайдена залежність пояснює існуючу в літературі неузгодженість в значеннях константи для вузькощілинних селенідів необхідністю ретельного порівняння експериментальних умов.

4. Показано, що легування Hg_1-xCd_xTe і Hg_1-xCd_xSe магнітною домішкою марганцю не тільки не погіршує, а навпаки покращує умови для спостереження навіть тих явищ, що є малоймовірними у вузькощілинних матеріалах, зокрема спостереження екситонних резонансів з малою енергією зв'язку екситонів ( 1 мeВ). Магнітна компонента напівпровідника виявляється ефективним засобом впливу на кристалічну структуру сполуки, що сприяє релаксації власних дефектів і стабілізації структури.

Список основних робіт автора, що увійшли до дисертації:

Hoerstel W., Kraak W., Masselink W. T., Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Kuzmenko E.V., and J.W. Tomm Spin-flip effects in the magnetoluminescense and magnetoresistance of semimagnetic narrow-gap Hg_1-x-yCd_xMn_yTe // Phys. Rev. B, - 1998. V. 58, №8. P. 4531-4537.

Hoerstel W., Kraak W., Masselink W. T., Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Belyaev A. E. and Kuzmenko E.V. Peculiarities of the exchange interaction in narrov - gap Hg_1-x-yCd_xMn_ySe // Semicond. Sci. Technol. 14 1999. P. 820828.

Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Kuz'menko E.V., A. E. Belyaev, Hoerstel W., Kraak W. and Masselink W.T. Quaternary semimagnetic Hg_1-x-yCd_xMn_ySe crystals for opto-electronic application// Semic. Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. V. 2, № 4. P. 3743.

Гавалешко Н.Н., Кривень С.И., Кузьменко Е.В., Мазур Ю.И., Тарасов Г.Г. ИК _ спектроскопия узкозонных четверных полумагнитных соединений HgCdMnSe, HgCdMnTe // VIII Всесоюзный симпозиум._ Львов._ 1991._ С. 122_124.

Kuz'menko E.V., Mazur Yu.I., Tarasov G.G., Lavorik S.R., A.E. Belyaev, Hoerstel W., Kraak W. and Masselink W.T. Peculiarities of magnetotransport phenomena in quaternary semimagnetic Hg_1-x-yCd_xMn_ySe and Hg_1-x-yCd_xMn_yTe semiconductors// Праці Міжнар. Школи-конф. з актуальних питань фізики напівпровідників. Дрогобич (Україна). 1999. С. 86.

Kuz'menko E.V., Lavorik S.R. Influence of manganece ions doping on structure perfectness of Hg_1-xCd_xTe single cristals// Праці Міжнар. Школи-конф. з актуальних питань фізики напівпровідників. Дрогобич (Україна). 1999. С. 87.

Mazur Yu.I., Tarasov G.G., Kuz'menko E.V., Hoerstel W., Kraak W., Masselink W.T. and Tomm J.W. Observation of “Forbidden” Spin-Flip Transitions in Semi-Magnetic Narrow-Gap Hg_0.78Cd_0.21Mn_0.006Te // Abstracts of The 24^th International Conference on The Physics of Semiconductors V.1. Jerusalem (Israel). 1998. TuP15.

Mazur Yu.I., Tarasov G.G., Kuz'menko E.V., Hoerstel W., Kraak W., Masselink W.T. and Tomm J.W. Observation of “Forbidden” Spin-Flip Transitions in Semi-Magnetic Narrow-Gap Hg_0.78Cd_0.21Mn_0.006Te // Proc. 24^th International Conference on the Physics of semiconductors. Jerusalem (Israel). 1998. Section II(G).5._ P. 1-4.

Mazur Yu.I., Tarasov G.G., Lisitsa M.P., Kuz'menko E.V., Fuchs F. and Tomm J.W. Hot Exiton Creation in Direct Narrow-Gap Hg_1-x-yCd_xMn_yTe Caused by Indirect Phonon-Assisted Absorbtion Processes // Proc. 24^th International Conference on the Physics of semiconductors. Jerusalem (Israel). 1998. Section II(C).15._ P. 1-4.

Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Kuz'menko E. V., Belyaev A. E., Hoerstel W., Kraak W. and Masselink W. T. Quaternary semimagnetic Hg_1-x-yCd_xMn_ySe crystals for optoelectronic application // Abst. International Conf. “Advanced materials” Kiev (Ukraine). 1999. P. 84.

Mazur Yu. I., Tarasov G. G., Kuz'menko E. V., Lavoric S. R, Belyaev A. E., Hoerstel W., Kraak W. and Masselink W.T. Optical and magnetotransport study of quarternary semimagnetic Hg_1-x-yCd_xMn_ySe and Hg_1-x-yCd_xMn_yTe singl crystals // Abst. IV International Conf. OPTDIM. Kiev (Ukraine). 1999. P. 43.

Tarasov G. G., Mazur Yu. I., Kuz'menko E. V., Belyaev A. E., Hoerstel W., Kraak W. and Masselink W. T. Novel approach to description of optical and magnetotransport data in diluted magnetic semiconductors near semimetal-semiconductor transition // Abstract book of The Ninth International Conference on II-VI Compounds - Kyoto (Japan) _ 1999. _ p.196.

Кузьменко О.В. Ефекти обмінної взаємодії в оптичних та магнітотранспортних явищах в вузькощілинних напівмагнітних напівпровідниках Hg_1-x-yCd_xMn_yTe і Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. _ Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 _ фізика твердого тіла. _ Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

В дисертаційній роботі досліджені ефекти обмінної взаємодії в оптичних та магнітотранспортних явищах в вузькощілинних напівмагнітних напівпровідниках Hg_1-x-yCd_xMn_yTe і Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. Вперше досліджені спектри збудження ФЛ Hg_1-x-yCd_xMn_yTe з використанням Фур'є-спектроскопії. Безпосередньо доведена наявність екситонних резонансів в цьому вузькощілинному напівмагнітному напівпровіднику, причому завдяки сильному електрон-фононному зв'язку в досліджених напівпровідниках має місце механізм непрямої генерації екситонів у прямозонному матеріалі. Показано, що охолодження гарячих носіїв у вузькощілинному Hg_1-x-yCd_xMn_yTe проходить в основному без зміни спінового стану на початковій стадії процесу релаксації і з переворотом спіну в кінцевій стадії термалізації носіїв. Процеси з переворотом спіну визначають при цьому заселеність найнижчих підрівнів Ландау зони провідності, що безпосередньо виявляється в спектрах магнітолюмінесценції як розщеплення смуги ФЛ у магнітному полі, а в осциляціях магнітоопору _ як заборонений правилами відбору нульовий пік у повздовжньому магнітоопорі. Встановлено, що у вузькощілинному напівпровіднику Hg_1-x-yCd_xMn_ySe (Е_g 50 меВ) обмінний інтеграл для носій _ іонної взаємодії, який вважається константою для широкозонних напівпровідників, є функцією концентрації електронів, що змінюється від значення N₀= - 0.28 еВ при n 10¹⁸ cм^-3 до значення N₀= 0.15 меВ при n 10¹⁶ cм^-3. Знайдена залежність пояснює існуючу в літературі неузгодженість в значеннях константи для вузькощілинних селенідів і вимагає необхідності ретельного порівняння експериментальних умов. Показано, що легування Hg_1-xCd_xTe і Hg_1-xCd_xSe магнітною домішкою марганцю є ефективним засобом впливу на кристалічну структуру сполуки, що сприяє релаксації власних дефектів і стабілізації структури.

Ключові слова: напівмагнітний напівпровідник, фотолюмінесценція, спектри збудження, магнітне поле, магнітолюмінесценція, магнітоопір, осциляції Шубнікова-де Гааза, обмінна взаємодія, вузькощілинний напівпровідник, спін, магнітний момент, Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe.

Kuz'menko E.V. Effects of exchange interaction in optical and magnetotransport phenomena in narrow-gap semimagnetic semiconductors Hg_1-x-yCd_xMn_yTe and Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. -Manuscript. Thesis for candidate's degree in Physics and Mathematics in the speciality 01.04.07._ Solid State Physics._ Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2000. Narrow-gap semimagnetic semiconductors Hg_1-x-yCd_xMn_yTe and Hg_1-x-yCd_xMn_ySe have been studied by means of photoluminescence, magnetoluminescence and magnetotransport measurements. We present new results on infrared photoluminescence and photoluminescence excitation spectroscopy in Hg_1-x-yCd_xMn_yTe. We find that the phonon coupling significantly influences the optical spectra of this direct narrow-gap semiconductor. In a small spectral region close to the fundamental energy gap, indirect `hot exciton' absorption with participation of longitudinal optical phonons is the main absorption mechanism. A qualitative theoretical explanation is given. Furthermore, new experimental arguments for the excitonic nature of the optical transitions in the spectral region of the fundamental gap in this narrow-gap material are provided. The longitudinal optical phonons of HgTe and CdTe sublattices are found to be of different efficiency in producing of excitation spectra. We find that knowledge about the excitonic processes in wide-gap semiconductors can also be applied to high-quality narrow-gap materials. We report optical and magnetotransport properties in semimagnetic Hg<sub>1-x-y</sub>Cd<sub>x</sub>Mn<sub>y</sub>Te, a narrow-gap semiconductor with an energy gap of about 120 meV. Equivalent phenomena in both optical and magnetotransport measurements of the same set of samples independently indicate selection rules due to the magnetic ions; the photoluminescence contains optical transitions forbidden by symmetry, and in the longitudinal magnetoresistance a "last" peak forbidden by the conventional selection rules is observed. At T=5 K, the PL feature related to band-to-band-like transitions shows a well-pronounced splitting in both the Faraday and Voigt geometries, with a subsequent decrease of the higher-energy component for B 2 T, a behavior which substantially differs from that known for "nonmagnetic" Hg<sub>1-x</sub>Cd<sub>x</sub>Te with a corresponding energy gap. This fundamental difference can be explained in terms of spin relaxation, found to be strongly different for the above-mentioned materials. The results of photoluminescence and Shubnikov-de Haas measurements are consistently interpreted in terms of a modified Pidgeon-Brown model which includes the s-d exchange interaction between the spin of free carriers and the localized magnetic moments of the Mn <sup>2+</sup> ions. The exchange parameters are determined both from the photoluminescence and Shubnikov-de Haas data. Spin-flip transitions caused by exchange coupling is assumed to be responsible for the violation of the particular selection rules. The peculiarities of the exchange interaction between the carrier spin and localized spin moments of magnetic ions near the semimetal-semiconductor transition have been studied in a semimagnetic quaternary solid solution system, Hg<sub>1-x-y</sub>Cd<sub>x</sub>Mn<sub>y</sub>Se (x=0.10, y=0.02, E<sub>g</sub> =45 meV), by means of Shubnikov-de Haas oscillations. The measurements show that the exchange `constant' alpha is actually a somewhat complicated function alpha of energy gap E_g and electron concentration, which changes from positive values (N₀= 0.15 eV) at lower electron concentration to negative values (N₀= - 0.28 eV) at higher electron concentration, values which are more typically associated with wide-gap semimagnetic semiconductors. The dependence found explains the strong ambiguity observed in literature for the values of the exchange constant for the narrow-gap selenides by the necessity of through comparison of the experimental conditions. Is shown that doping the Hg_1-xCd_xTe and Hg_1-xCd_xSe single crystals by magnetic impurity of manganese is the effective way to influence the crystal structure of compound being responsible for relaxation of host defects and stabilization of the structure.

Keywords: semimagnetic semiconductor, photoluminescence, excitation spectra, magnetic field, magnetoluminescence, magnetoresistance, Shubnikov-de Haas oscillations, exchange interaction, narrow-gap semiconductor, spin, magnetic moment, Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe.

Кузьменко Е.В. Эффекты обменного взаимодействия в оптических и магнитотранспортных явлениях в узкозонных полумагнитных полупроводниках Hg_1-x-yCd_xMn_yTe и Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. _ Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 _ физика твердого тела. _ Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

В диссертационной работе исследованы эффекты обменного взаимодействия в оптических и магнитотранспортных явлениях в узкозонных полумагнитных полупроводниках Hg_1-x-yCd_xMn_yTe и Hg_1-x-yCd_xMn_ySe. Впервые исследованы спектры возбуждения ФЛ Hg_1-x-yCd_xMn_yTe методом Фурье-спектроскопии. Непосредственно доказано существование экситонных резонансов в исследованном узкозонном полумагнитном полупроводнике, причем, благодаря сильной электрон-фононной связи в данных полупроводниках, имеет место механизм непрямой генерации экситонов в прямозонных полупроводниках. Показано, что охлаждение “горячих” носителей в узкозонном Hg_1-x-yCd_xMn_yTe проходит, в основном, без изменения спинового состояния в начальной стадии процесса релаксации и с переворотом спина в конечной стадии термализации носителей. При этом процессы с переворотом спина определяют заселенность нижайших подуровней Ландау зоны проводимости, что непосредственно проявляется в спектрах фотолюминесценции как расщепление линии ФЛ в магнитном поле, а в осцилляциях магнитосопротивления _ как нулевой пик в продольном магнитосопротивлении, запрещенный правилами отбора. Установлено, что в узкозонном полупроводнике Hg_1-x-yCd_xMn_ySe (Е_g 50 мэВ) обменный интеграл для носитель-ионного взаимодействия, который считается константой для широкозонных полупроводников, является функцией концентрации электронов, которая изменяется от значения N₀= - 0.28 еВ при n 10¹⁸ cм^-3 до значення N₀= 0.15 еВ при n 10¹⁶ cм^-3. Полученная зависимость объясняет существующий в литературе разброс значений константы для узкощелевых селенидов и показывает необходимость тщательного учета экспериментальных условий. Показано, что легирование Hg_1-xCd_xTe и Hg_1-xCd_xSe магнитной примесью марганца является эффективным способом воздействия на кристаллическую структуру соединения, которая способствует релаксации собственных дефектов и стабилизации структуры.

Ключевые слова: полумагнитный полупроводник, фотолюминесценция, спектры возбуждения, магнитное поле, магнитолюминесценция, магнито-сопротивление, осцилляции Шубникова-де Гааза, обменное взаимодействие, узкозонный полупроводник, спин, магнитний момент, Hg_1-x-yCd_xMn_yTe, Hg_1-x-yCd_xMn_ySe.