Епітаксіальні надгратки та квантові структури з монохалькогенідів свинцю, олова, європію та ітербію

Знайшло подальший розвиток дослідження фотолюмінесценції надграток на основі напівпровідників А⁴В⁶. Дослідження НГ EuS-PbS продемонстрували квантово-розмірні ефекти і показали, що за рахунок зміни товщини шарів PbS від 30 нм до 2 нм можна змінювати ефективну ширину забороненої зони (і відповідно довжину хвилі випромінювання) в широкому діапазоні енергії від 260 меВ до 600 меВ, що суттєво перевищує заборонену зону масивного PbS. Вперше знайдено лінії фотолюмінесценції, які відповідають випромінюванню з квантових точок, створених модуляцією структури впорядкованими дислокаційними сітками в площині композиції та модуляцією складу в ортогональному напрямку у тривимірних НГ PbSe-PbS/(001)KCl.

Дослідження поперечного транспорту в композиційних НГ EuS-PbS показали присутність у них резонансного тунелювання електронів через тонкі бар'єри EuS (2-5 нм), що робить вольт-амперні характеристики таких структур сильно нелінійними з появою на них ділянок від'ємної диференційної провідності (для двобар'єрних структур). Встановлено, що провідність таких структур змінюється при переході бар'єрних шарів до феромагнітного стану і знак її зміни визначається взаємною орієнтацією намагніченостей сусідніх шарів EuS. Така зміна провідності пов'язана з обмінним розщепленням зони провідності бар'єрних шарів та спіновою поляризацією електронів, що тунелюють через них.

Для двовимірних дислокаційних НГ при дослідженні їх подовжніх транспортних властивостей вперше знайдена надпровідність у багатошарових структурах з халькогенідів свинцю, олова, європію та ітербію, одношарові плівки яких не мають надпровідних переходів. Надпровідність НГ пов'язана з присутністю регулярних сіток дислокацій невідповідності на міжфазних межах (при відсутності сіток дислокацій надпровідність не спостерігається) і має наступні характеристики: температура переходу Т_с = 2 - 6,5 К; максимальне критичне магнітне поле Н_с2 = 30 - 40 кЕ; енергетична щілина 2/кТ_с ~ 10. Встановлено, що надпровідність дислокаційних НГ має двовимірний характер та локалізована поблизу міжфазних меж. Спарювання носіїв відбувається початково на вузлах дислокаційної сітки (про що свідчить поява нульвимірної флуктуаційної НП). Надпровідність стабілізується взаємодією сусідніх дислокаційних вузлів (поява двовимірної флуктуаційної НП), а потім і сусідніх сіток ДН через шар халькогеніду свинцю. Збільшення густини ДН (зменшення періоду сітки ДН) призводить до збільшення температури НП переходу.

Дослідження феромагнітного переходу у НГ EuS-PbS показали, що шари EuS стають феромагнітними навіть при малих товщинах (~ 2 моношарів). При товщинах шарів d_EuS > 4 нм температура Кюрі (Т_с) становить 13,6 К (на BaF₂) та 17,3 К (на KCl), що відрізняється від масивного EuS (16,6 К). Показано, що такий зсув Т_с пов'язаний, в основному, з дією термічно індукованих напруг через різницю температурних коефіцієнтів розширення підкладок та плівок. Для тонких шарів (d_EuS < 3 нм) спостерігається товщинна залежність Т_с: вона поступово зменшується до 8 К при зменшенні товщини шарів до 0,4 нм. Така залежність температури Кюрі від товщини шарів EuS пов'язана зі зменшенням середнього числа магнітних сусідів для магнітних іонів, розташованих поблизу міжфазної межі.

За кутовими та температурними залежностями ліній феромагнітного резонансу визначені константи магнітної анізотропії (К_EuS) для НГ на підкладках BaF₂ (K_v = - 0,71 МДж/м³ и K_s = 0,08 мДж/м²) та KCl (K_v = - 0,67 МДж/м³ и K_s = 0,05 мДж/м²). Встановлено, що залежність К_EuS від товщини шарів (d_EuS) відповідає відомій залежності K(d_EuS) = K_V +2K_S/d_EuS з домінуючою роллю об'ємної складової K_V (анізотропія форми). Це призводить до намагніченості в площині шарів EuS. За допомогою дифракції поляризованих нейтронів встановлена магнітна анізотропія в площині шарів НГ та визначені особливості їхньої доменної структури. Показано, що намагніченості доменів у НГ EuS-YbSe та EuS-PbS лежать вздовж різних напрямків у площині шарів, а саме, вздовж легких осей типу 110 та 210, відповідно.

За допомогою дифракції нейтронів для напівпровідникових НГ знайдено антиферомагнітне (AFM) впорядкування магнітних шарів (намагніченості сусідніх шарів EuS направлені у протилежному напрямку), зумовлене взаємодією феромагнітних шарів EuS через діамагнітні прошарки PbS та YbSe. Таке впорядкування спостерігається для незвично великого діапазону товщин прошарків вузькозонного напівпровідника PbS (від 0,4 до 40 нм) та широкозонного YbSe (від 1 до 3 нм), що суттєво відрізняє напівпровідникові НГ від металевих. Для НГ EuS-PbS показана можливість керування впорядкуванням намагніченості сусідніх шарів EuS та їх перемиканням від антиферомагнітного до феромагнітного за допомогою відносно слабкого магнітного поля (Н = 100 - 200 Гс), що робить дані структури перспективними для спінтроніки (спін-поляризованої електроніки) з можливістю контролю не тільки величини струму носіїв заряду, але й їх спінового стану.

Дослідження AFM-взаємодії в НГ EuS-PbS за допомогою SQUID'у виявили її залежність від температури та товщини немагнітного прошарку. Спостерігається зменшення енергії AFM-взаємодії зі збільшенням товщини прошарків і температури. Встановлено, що константа міжшарової обмінної взаємодії має ступеневу залежність від намагніченості шарів EuS з показником степеня, який залежить від товщини магнітних шарів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Колесников И.В., Литвинов В.А., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И., Юнович А.Э. Квантово-размерные эффекты в люминесценции тонких пленок сульфида свинца и сверхрешеток сульфидов свинца и европия // ЖЭТФ.- 1988.- Т. 94, № 7.- С. 239-246.

2. Миронов О.А., Савицкий Б.А., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И., Чиркин А.Н., Чистяков С.В., Шпаковская Л.П. Сверхпроводимость полупроводниковых сверхрешеток на основе халькогенидов свинца // Письма в ЖЭТФ. - 1988. - Т. 48, № 2. - С. 100-102.

3. Борисова С.С., Михайлов И.Ф., Сипатов А.Ю., Шпаковская Л.П. Асимметрия сателлитов брэгговских отражений и характеристики распределения электронной плотности в одномерных сверхрешетках // Кристаллография. - 1988. - Т. 33, № 3. - С. 579-583.

4. Янсон И.К., Бобров Н.Л., Рыбальченко Л.Ф., Фисун В.В., Миронов О.А., Чистяков С.В., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И. Микроконтактные измерения энергетической щели сверхпроводящих сверхрешеток на основе халькогенидов свинца // Письма в ЖЭТФ. - 1989. - Т. 49, № 5. - С. 293-296.

5. Колесников И.В., Сипатов А.Ю. Фотолюминесценция сверхрешеток PbS-EuS // Физика и техника полупроводников. - 1989. - Т. 23, № 6. - С. 954-959.

6. Колесников И.В., Ковалев А.Н., Сипатов А.Ю., Парамонов В.И., Федоренко А.И., Юнович А.Э. Квантово-размерные эффекты в фотолюминесценции сверхрешеток на основе халькогенидов свинца // Физика и техника полупроводников. - 1989. - Т. 23, № 6. - С. 960-963.

7. Миронов О.А., Чистяков С.В., Скрылев И.Ю., Зорченко В.В., Савицкий Б.А., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И. Локализация параметра порядка на сетке дислокаций несоответствия сверхпроводящих полупроводниковых сверхрешеток PbTe-PbS/(001)KCl // Письма в ЖЭТФ. - 1989. - Т. 50, № 6. - С. 300-303.

8. Борисова С.С., Михайлов И.Ф., Палатник Л.С., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И, Шпаковская Л.П. Формирование планарных слоев в одномерных сверхрешетках при послойном механизме роста // Кристаллография. - 1989. - Т. 34, № 3. - С. 716-722.

9. Fedorenko A.I., Savitskij B.A., Sipatov A.Yu.,.Zorchenko V.V, Chistyakov S.V., Mironov O.A., Skrylev I.Yu. The structure and galvanomagnetic properties of the planar epitaxial superlattices of lead chalcogenides // Acta Phys. Polonica. - 1990. - Vol. A77, № 2-3. - Р. 251-255.

10. Бобров Н.Л., Рыбальченко Л.Ф., Фисун В.В., Янсон И.К., Миронов О.А., Чистяков С.В., Зорченко В.В., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И. Микроконтактное исследование полупроводниковых сверхпроводящих сверхрешеток PbTe-PbS как модели ВТСП // Физика низких температур. - 1990. - Т. 16, № 12. - С. 1531-1558.

11. Mironov O.A., Chistyakov S.V., Skrylev I.Yu., Fedorenko A.I., Sipatov A.Yu., Shpakovskaya L.P., Nashchekina O.N., Oszwaldowski M. The galvanomagnetic properties of short-period SnTe/PbTe superlattices // Superlattices and Microstructures. - 1990. - Vol. 8, № 4. - P. 361-363.

12. Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Колесник С.П., Миронов О.А., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И., Чистяков С.В. Динамика модулированного микроволнового поглощения и природа гистерезисных эффектов в ВТСП и ВТСП-подобных системах // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1991. - Т. 4, № 7. - С. 1400-1412.

13. Mironov O.A., Chistyakov S.V., Zaritskii I.M., Konchits A.A., Kolesnik S.P., Stephanovich V.A., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I. The nature of magnetic field hysteretic microwave absorption in the HTSC thin films and HTSC models epitaxial superlattices PbTe-PbS // Physica C. - 1991. - Vol. 180. - Р. 196-198.

14. Mironov O.A., Chistyakov S.V., Fedorenko A.I., Shpakovskaya L.P., Sipatov A.Yu., Savitskij B.A., Naschekina O.N., Oszwaldowski M. Superconductivity of non-strained PbTe-PbS and strained PbTe-SnTe superlattices // Acta Physica Polonica. - 1991. - Vol. A80, № 3. - Р. 329-332.

15. Konchits A.A., Zaritskii I.M., Kolesnik S.P., Stephanovich V.A., Mironov O.A., Chistyakov S.V., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I. HTSC-like superlattices PbTe-PbS microwave spectroscopy // Physica C. - 1991. - Vol. 185-189. - Р. 2737-2738.

16. Дмитренко И.М., Фогель Н.Я., Черкасова В.Г., Федоренко А.И., Сипатов А.Ю. Размерный кроссовер и природа сверхпроводящих слоев в полупроводниковых сверхрешетках PbTe/PbS // Физика низких температур. - 1993. - Т. 19, № 7. - С. 747-754.

17. Herrmann K.H., Auth J., Mollmann K.P., Tomm J.W., Bottner H., Lambrecht A., Tacke M., Kolesnikov I.V., Yunovich A.E., Fedorenko A.I., Mironov O.A., Sipatov A.Yu. Band offsets in Eu-containing lead chalcogenides and lead chalcogenide superlattices from specrtoscopic data // Semicond. Sci. and Technol. - 1993. - Vol. 8, № 18. - Р. 176-179.

18. Mironov O.A., Zorchenko V.V., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I., Nashchekina O.N., Chistyakov S.V. Dislocation superlattices based on lead chalcogenides as HTSC models // NCDS-1, Defect and Diffusion Forum. - 1993. - Vol. 103-105. - Р. 473-484.

19. Mironov O.A., Makarovski O.N., Fedorenko A.I., Sipatov A.Yu., Nashchekina O.N., Zaritskii I.M., Konchits A.A. Anisotropic microwave absorption in high-T_c like semiconductor superconducting superlattices (001)PbTe-PbS // Acta Physica Polonica. - 1994. - Vol. A85, № 3. - Р. 603-606.

20. Lutskii V.N., Petrov V.A., Rylik A.S., Galkina E.V., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I., Fedorov A.G. Observation of negative differential resistance in a double barrier tunnel structure based on PbS (semiconductor) - EuS (magnetic semiconductor) system // Phys. Low-Dim. Struct. - 1994. - Vol. 7. - Р. 37-42.

21. Фогель Н.Я., Черкасова В.Г., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И., Рыбальченко В.Н. Уширение резистивных переходов и крип потока в сверхпроводящих сверхрешетках PbTe/PbS // Физика низких температур. - 1994. - Т. 20, № 11. - С. 1142-1147.

22. Fedorenko A.I., Fedorov A.G., Sipatov A.Yu., Mironov O.A. The epitaxial growth of IV-VI heterostructures and superlattices on (001)Si // Thin Solid Films. - 1995. - Vol. 267. - Р. 134-137.

23. Tetyorkin V.V., Sipatov A.Yu., Sizov F.F., Fedorenko A.I., Fedorov A. (001)- oriented lead selenide films grown on silicon substrates // Infrared Physics and Technology. - 1996. - Vol. 37. - Р. 379-384.

24. Fogel N.Ya., Cherkasova V.G., Pokhila A.S., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I. Superconductivity in the novel semiconducting superlattices // Chechoslovak J. Phys. - 1996. - Vol. 46. - Р. 727-728.

25. Stachow-Wojcik A., Twardowski A., Story T., Dobrowolski W., Grodzicka E., Sipatov A. Magnetic properties of EuS/PbS semiconducting structures // Acta Physica Polonica. - 1997. - Vol. A92, № 5. - Р. 985-988.

26. Fedorov A.G., Shneiderman I.A., Sipatov A.Yu., Kaidalova E.V. Study of diffusion in PbTe-PbSe superlattices using X-ray diffraction // Functional Materials. - 1998. - Vol. 5, № 1. - P. 52-56.

27. Сипатов А.Ю. Взаимодиффузия слоев в эпитаксиальных сверхрешетках PbSe-PbS // Письма в ЖЭТФ. - 1998. - Т. 68, № 9. - С. 716-718.

28. Fedorov A.G., Shneiderman I.A., Sipatov A.Yu., Kaidalova E.V. X-ray diffraction investigation of diffusion in PbTe-PbSe superlattices // J. Crystal Growth. - 1999. - Vol. 198/199. - Р. 1211-1215.

29. Sipatov A.Yu. Misfit dislocation superlattices in IV-VI multilayered compounds as zero dimensional quantum boxes // Физика низких температур. - 1999. - Т. 25, № 5. - С. 509-511.

30. Stachow-Wojcik A., Story T., Dobrowolski W., Arciszewska M., and Galazka R.R., Kreijveld M.W., Swuste C.H.W., Swagten H.J.M., de Jonge W.J.M., Twardowski A., Sipatov A. Yu. Ferromagnetic transition in EuS-PbS multilayers // Phys Rev. B. - 1999. - Vol. 60, № 22. - Р. 15220-15229.

31. Fedorov A.G., Sipatov A.Yu., Kaidalova E.V. Layer intermixing in epitaxial PbSe-PbS superlattices // Functional Materials. - 1999. - Vol. 6, № 5. - Р. 860-862.

32. Федоренко А.И., Зорченко В.В., Сипатов А.Ю., Миронов О.А., Чистяков С.В., Нащекина О.Н. Осцилляции и квантование сопротивления в особых температурных точках трехслойных пленок PbS-PbTe-PbS на (001)KCl // Физика твердого тела. - 1999. - Т. 41, № 9. - С. 1693-1697.

33. Story T., Swuste C.H.W., Swagten H.J.M., de Jonge W.J.M., Stachow-Wojcik A., Twardowski A., Arciszewska M., Dobrowolski W., Galazka R.R. and Sipatov A.Yu. Magnetic anisotropy in EuS-PbS multilayers // Acta Physica Polonica. - 2000. - Vol. А97, № 3. - Р. 435-438.

34. Stolpe I., Puhlmann N., Portugall O., von Ortenberg M., Dobrowolski W., Sipatov A.Yu., Dugaev V.K. Megagauss magnetospectroscopy of EuS/PbS multi-quantum wells // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, № 24. - Р. 16798-16801.

35. Fogel N.Y., Erenburg A.I., Pokhila A., Bomze Y., Sipatov A.Y., Langer V. Semiconducting chalcogenide multilayers: structure and superconductivity // Physica B. - 2000. - Vol. 284-288. - Р. 1123-1124.

36. Федоренко А.И., Зорченко В.В., Сипатов А.Ю., Миронов О.А., Чистяков С.В. Магнитополевые осцилляции критического тока и силы пиннинга в полупроводниковых сверхрешетках PbTe/PbS и пленках YBa₂Cu₃O_7- // ЖЭТФ. - 2000. - Т. 117, № 6. - С. 1161-1171.

37. Fogel N.Ya., Pokhila A.S., Bomze Yu.V., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I., Shekhter R.I. Novel superconducting semiconducting superlattices: dislocation-induced superconductivity // Phys. Rev. Letters. - 2001. - Vol. 86, № 3. - Р. 512-515.

38. Erenburg A.I., Bomze Yu.V., Fogel N.Ya., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I., Langer V., Norell M. Structural investigations of superconducting multilayers consisting of semiconducting materials // Физика низких температур. - 2001. - Т. 27, № 2. - С. 127-130.

39. Kepa H., Kutner-Pielaszek J., Twardowski A., Sipatov A.Yu., Majkrzak C.F., Story T., Galazka R.R., Giebultowicz T.M. Interlayer correlations in ferromagnetic semiconductor superlattices EuS/PbS // J. Magnetism and Magnetic Materials. - 2001. - Vol. 226-230. - Р. 1795-1797.

40. Kepa H., Kutner-Pielaszek J., Blinowski J., Twardowski A., Majkrzak C.F., Story T., Kacman P., Galazka R.R., Ha K., de Jonge H.J.M., Sipatov A.Yu., Volobuev V. and Giebultowicz T.M. Antiferromagnetic interlayer coupling in ferromagnetic semiconductor EuS/PbS(001) superlattices // Europhysics Letters. - 2001. - Vol. 56, № 1. - P. 54-60.

41. Fogel N.Ya., Buchstab E.I., Bomze Yu.V., Yuzephovich O.I., Sipatov A.Yu., Pashitskii E.A., Danilov A., Langer V., Shekhter R.I., and Jonson M. Interfacial superconductivity in semiconducting monochalcogenide superlattices // Physical Review B. - 2002. - Vol. 66. - 174513 (11 pages).

A. Fedorov, A. Sipatov, V. Volobuev. Diffusion and Kirkendall effect in PbSe-EuS multilayer // Thin Solid Films. - 2003. - Vol. 425. - P. 287-291.

42. Kepa H., Majkrzak C.F., Sipatov A.Yu. and Giebultowicz T.M. Polarized neutron reflectivity studies of magnetic semiconductor superlattices // Physica B. - 2003. - Vol. 335, № 1-4. - P. 44-49.

43. Wrotek S., Dybko K., Morawski A., M№kosa A., Wosiсski T., Figielski T., Tkaczyk Z., Јusakowska E., Story T., Sipatov A., YuSzczerbakow. A., Grasza K., Wrуbel J., Palosz W. Vertical electron transport through PbS-EuS structures // Acta Phys. Pol. - 2003. - Vol. A 103. - P. 629-635.

44. Figielski M., Morawski A., Wosinski T., Wrotek S., Makosa A., Lusakowska E., Story T., Sipatov A. Yu., Szczerbakow A., Grasza K., Wrobel J., and Palosz W. Search for spin filtering by electron tunneling through ferromagnetic EuS barrier in PbS // J. of Superconductivity: Incorporating Novell Magnetism. - 2003. - Vol. 16, No 1. - P. 183-185.

45. Kepa H., Majkrzak C.F., Sipatov A.Yu., Giebultowicz T.M. Domain structure of EuS/PbS and EuS/YbSe superlattices studied by polarized neutron reflectometry // Physica B. - 2004. - Vol. 345. - P. 193-196.

46. Smits C.J.P., Filip A.T., Swagten H.J.M., Koopmans B., de Jonge W.J.M., Chernyshova M., Kowalczyk L., Grasza K., Szczerbakow A., Story T., Palosz W., and Sipatov A.Yu. Antiferromagnetic interlayer exchange coupling in all-semiconducting EuS/PbS/EuS trilayers // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 69, № 22. - 224410 (7 pages).

47. Smits C.J.P., Filip A.T., Swagten H.J.M., de Jonge W.J.M., Chernyshova M., Kowalczyk L., Grasza K., Szczerbakow A., Story T., Sipatov A.Yu. Modeling interlayer exchange coupling in EuS/PbS/EuS trilayers // Journal of Applied Physics. - 2004. - Vol. 95, № 11. - P. 7169-7171.

48. Kepa H., Sankowski P., Kacman P., Sipatov A.Yu., Majkrzak C.F., Giebultowicz T.M. Antiferromagnetic interlayer coupling in EuS/YbSe superlattices // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2004. - Vol. 272 - 276. - P. 323-324.

49. Chernyshova M., Kowalczyk L., Baran M., Szczerbakow A., Story T., Smits C.J.P., Filip A.T., Swagten H.J.M., de Jonge W.J.M., Sipatov A.Yu. Temperature dependence of interlayer exchange coupling in EuS-PbS multilayers // Acta Phys. Pol. - 2004. - Vol. A 105. - P. 599-605.

50. Sankowski P., Kepa H., Kacman P., Sipatov A.Yu., Majkrzak C.F., Giebultowicz T.M. Interlayer coupling in EuS-based superlattices deduced from neutron scattering experiments // Acta Phys. Pol. - 2004. - Vol. A 105. - P. 607-614.

51. Wrotek S., Morawski A., Tkaczyk Z., Makosa A., Wosinski T., Dybko K., Lusakowska E., Story T., Sipatov A.Yu., Pecz B., Grasza K., Szczerbakow A., Wrobel J. Fabrication and electrical characterization of PbS-EuS ferromagnetic semiconductor microstructures // Acta Phys. Pol. - 2004. - Vol. A 105. - P. 615-620.

Размещено на Allbest.ru