Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) — полупроводники, в немагнитной решетке которых растворяется небольшое (как правило, до нескольких %) количество магнитных ионов, интенсивно исследуются с конца семидесятых годов [1, 2]. Легирование позволяет плавно менять параметры электронной структуры и следить за изменением их магнитных свойств. Кроме того, обменное взаимодействие между зонными электронами и локализованными на примесных ионах электронами существенно влияет на сам электронный спектр, приводя к ряду специфических эффектов и высокой чувствительности спектра к магнитному полю.
Исторически первыми РМП были полупроводники группы а2вб, в которые вводился марганец. Ионы марганца хорошо растворялись в матрице, обладали большим магнитным моментом (8=5/2) и были электрически нейтральны относительно подрешетки металла, не изменяя концентраций свободных носителей заряда. в дальнейшем развитие исследований РМП шло по двум направлениям: расширение набора матриц (твердые растворы а2в6, а4в6, а23в52 и др. с марганцем) и введение в эти материалы других магнитных примесей (переходных и редкоземельных элементов) [2−4]. в девяностые годы РМП, по-существу, стали модельными объектами, обладающими рекордными чувствительностями параметров к магнитному полю и другим внешним воздействиям, которые в зависимости от состава матрицы, типа и концентрации магнитной примеси могли находиться в парамагнитном, антиферромагнитном, ферромагнитном состояниях и в состоянии спинового стекла. Новый всплеск интереса к РМП был вызван обнаружением ферромагнетизма в арсениде индия и других полупроводниках а3в5 с марганцем [5−7] и появлением нового раздела физики полупроводников — спинтроники или спиновой электроники, в основе которой лежит идея использования для переноса, обработки и накопления информации наряду с зарядом и спина электрона [8−10]. Для практической реализации этой идеи, в частности, необходимы полупроводники, обладающие ферромагнитными свойствами при температурах, превышающих комнатные.
РМП на основе узкощелевых полупроводников группы А4Вб были синтезированы одними из первых и им присущи все основные черты этого класса материалов. В настоящее время эта группа РМП довольно многочисленна и кроме традиционных полупроводников с марганцем в нее входят новые представители этого класса — твердые растворы, легированные примесями с переменной валентностью (редкоземельными: Ей, УЪ и др. и переходными: Тл, V, Сг, Бе и др. элементами). Эти материалы существенно отличаются по своим свойствам от традиционных РМП. Во-первых, перечисленные примеси электрически активны и легирование ими вызывает как изменение концентраций свободных носителей заряда, так и появление глубоких примесных уровней (примесных зон), положение которых относительно краев разрешенных зон зависит от состава матрицы, типа и концентрации примеси [11, 12]. Во-вторых, глубокие примесные уровни располагаются в непосредственной близости от запрещенной зоны. Поэтому изменение состава матрицы и концентрации примеси, а также давление могут приводить не только к изменению ширины запрещенной зоны и связанных с ней параметров матрицы, но и к пересечению примесных уровней с краями зон и резким изменениям свойств кристаллов (инверсии типа проводимости, переходам металл-диэлектрик).
И, наконец, по сравнению с другими РМП они обладают важной специфической особенностью — магнитная активность примесных ионов оказывается непосредственно связанной с их зарядовым состоянием, которое в конечном счете, определяется положением примесного уровня относительно краев разрешенных зон и степенью его заполнения электронами [13, 14]. Дело в том, что ионы примеси, растворяясь в подрешетке свинца, должны находиться в двукратно ионизованном состоянии 2+. Однако, если примесный уровень расположен выше уровня Ферми, то энергетически выгодным становится перетекание части электронов из примесной полосы в разрешенные зоны (самоионизация ионов примеси с появлением ионов в состоянии 3+). В конечном счете уровень Ферми стабилизируется в частично заполненной электронами примесной зоне, концентрация заполненных электронами состояний оказывается равной концентрации ионов примеси в электрически нейтральном состоянии 2+, а концентрация пустыхконцентрации ионов примеси в электрически активном состоянии 3+. Таким образом, магнитные свойства таких РМП должны определяться не только концентрацией магнитной примеси, но и магнитными моментами и соотношением концентраций примесных ионов, находящихся в двух разных зарядовых состояниях.
К началу выполнения настоящей работы было известно, что теллурид свинца с примесью хрома является парамагнетиком, а резонансный примесный уровень хрома, стабилизирующий уровень Ферми в легированных кристаллах, находится примерно на 100 мэВ выше дна зоны проводимости. Изменение состава в твердых растворах на основе РЬТе и давление должны изменять положение уровня хрома относительно дна зоны проводимости, а также зарядовую и магнитную активность ионов хрома. Эти обстоятельства открывают принципиально новые по сравнению с традиционными РМП возможности управления их магнитными свойствами, а именно, путем управления параметрами электронной структуры. Однако экспериментальные данные о характере перестройки электронной структуры в легированных хромом твердых растворах на основе теллурида свинца и их магнитных свойствах практически отсутствовали.
Цель работы. Общая задача настоящей работы состояла в исследовании гальваномагнитных и магнитных свойств легированных хромом твердых растворов на основе теллурида свинца при вариации состава матрицы, концентрации примеси и в условиях гидростатического сжатия с целью определения основных параметров глубокого уровня хрома, построения моделей перестройки электронной структуры при изменении состава матрицы и под давлением, установления характера магнитного упорядочения и связи электронной структуры с магнитными свойствами сплавов. Конкретные задачи исследования включали в себя:
1. Изучение гальваномагнитных эффектов в сплавах РЬ1х. уСехСгуТе, РЬ1. ху8пхСгуТе, обнаружение глубокого уровня хрома и переходов металл-диэлектрик при изменении состава матрицы и концентрации легирующей примеси;
2. Исследование влияния гидростатического сжатия на электрофизические свойства РЬ1-х.уСехСгуТе, обнаружение перехода металл-диэлектрик, индуцированного давлением, определение параметров примесной полосы хрома;
3. Исследование характера изменения магнитных свойств твердых растворов РЬ1.х.уСехСгуТе, РЬ1.х.у8пхСгуТе при изменении состава сплавов, определение параметров магнитных центров, поиск высокотемпературного ферромагнетизма;
4. Построение моделей перестройки энергетического спектра носителей заряда в сплавах РЬ1.х.уСехСгуТе, РЬ1-х.у8пхСгуТе при вариации состава матрицы и под давлением, установление связи между их электронными и магнитными свойствами.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту. В настоящей работе исследованы гальваномагнитные свойства в слабых и квантующих магнитных полях, при атмосферном давлении и в условиях гидростатического сжатия, а также магнитные свойства РЬТе и твердых растворов РЬЬхСехТе (0.02<х<0.20), РЬ^пДе (0.05<х<0.30), легированных хромом.
В результате проведенных исследований в работе впервые:
1. Определено энергетическое положение примесного уровня хрома в сплавах РЬ1.х.уСехСгуТе и обнаружен переход металл-диэлектрик при увеличении содержания германия и хрома, связанный с перемещением примесного уровня из зоны проводимости в запрещенную зону в условиях стабилизации уровня Ферми уровнем примеси. Предложены диаграммы перестройки электронной структуры сплавов при изменении содержания германия и температуры.
2. В твердом растворе РЬ[.х.уСехСгуТе (х=0.10) обнаружен переход диэлектрик-металл, индуцированный давлением. Предложена диаграмма перестройки электронной структуры, согласно которой под действием давления уровень хрома приближается к дну зоны проводимости и пересекает его, индуцируя перетекание электронов из примесной зоны в зону проводимости в условиях стабилизации уровня Ферми уровнем хрома.
3. В окрестности перехода диэлектрик-металл, индуцированного давлением в РЬ1-х.уСехСгуТе, определены основные параметры носителей заряда при проводимости по примесной полосе хрома. На температурных зависимостях сопротивления обнаружены пики аномального рассеяния, связанные со структурным фазовым переходом из кубической фазы типа ИаС1 в ромбоэдрическую фазу типа веТе, и получена зависимость критической температуры фазового перехода от давления.
4. Обнаружены /"-^-конверсия типа проводимости и стабилизация уровня Ферми резонансным уровнем хрома при легировании твердых растворов РЬ]-х8пхТе (0.05<х<0.30) хромом. Построена диаграмма движения глубокого уровня хрома относительно краев энергетических зон при изменении состава сплавов и показано, что в сплавах с инверсным спектром (х>0.35) он должен пересекать края зоны проводимости и валентной зоны и двигаться в глубь валентной зоны.
5. Обнаружен ферромагнитный вклад в магнитную восприимчивость твердых растворов РЬ^уСгуТе, РЬ1.х.уСехСгуТе и РЬ1х. у8пхСгуТе при температурах вплоть до комнатных. Показано, что при низких концентрациях хрома высокотемпературный ферромагнетизм не может быть связан с формированием ферромагнитных включений на основе теллуридов хрома и обусловлен, скорее всего, непрямым обменным взаимодействием между магнитными ионами хрома.
6. Получены зависимости температуры Кюри, остаточной намагниченности, коэрцитивной силы, концентрации ферромагнитных центров в сплавах РЬ]. уСгуТе, РЬ1-х-уСехСгуТе и РЬ1.х.у8пхСгуТе от состава матрицы и концентрации примеси хрома. Установлена связь характера изменения этих параметров с изменениями электронной структуры и концентрации носителей заряда (положения уровня Ферми) в легированных хромом сплавах.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что:
1. В работе с помощью легирования, вариации состава твердых растворов и гидростатического сжатия легированных хромом сплавов на основе теллурида свинца продемонстрированы возможности достижения состояния со стабилизированным уровнем Ферми, в том числе, с низкими (близкими к собственной) концентрациями носителей заряда. Эти результаты могут быть использованы при разработке на основе этих материалов высокочувствительных датчиков магнитного поля, давления и инфракрасного излучения, обладающих высокой радиационной стойкостью параметров.
2. Обнаруженный в настоящей работе высокотемпературный ферромагнетизм сплавов на основе теллурида свинца, легированных хромом, с температурами Кюри, превышающими комнатную, а также определенные в работе параметры, характеризующие их магнитные свойства, могут быть использованы при разработке на основе этих материалов устройств спинтроники, в частности, при интеграции устройств спинтроники и оптоэлектроники с возможностями управления их параметрами с помощью внешних воздействий (магнитного поля, давления, инфракрасного излучения и др.).
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, представлялись и обсуждались на 12-й и 13-й Международных конференциях по узкощелевым полупроводникам (Тулуза, Франция, 2005 г. и Гилфорд, Англия, 2007 г.), 23-й и 25-й Международных конференциях по дефектам в полупроводниках (Хёго, Япония, 2005 г. и Санкт-Петербург, 2009 г.), VII, VIII и IX Российских конференциях по физике полупроводников (Москва, 2005 г., Екатеринбург, 2007 г. и Новосибирск-Томск, 2009 г.), 12-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006 г.), Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006 г.), XX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники», (Москва, 2006 г.), 12-й и 13-й международных конференциях «Высокие давления в физике полупроводников» (Барселона, Испания, 2006 г. и Форталеза, Бразилия, 2008 г.), Объединенных 21-й и 22-й международных конференциях по высоким давлениям в науке и технике (Катанья, Италия, 2007 г. и Токио, Япония, 2009 г.), Московском международном симпозиуме по магнетизму (Москва, 2008 г.), 4-й международной конференции по материаловедению и физике конденсированного состояния (Кишинев, Молдова, 2008 г.), X всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой оптои наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2008 г.), Весенней конференции американского общества материаловедов (Сан-Франциско, США, 2009 г.), XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Москва, 2009 г.), Международной конференции по магнетизму (Карлсруэ, Германия, 2009 г.), XVIII Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Екатеринбург-Новоуральск, 2010 г.).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Первая глава содержит литературный обзор по теме исследования,.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1. Показано, что в сплавах РЬ1. хуСехСгуТе уровень Ферми стабилизирован глубоким уровнем хрома. В РЬТе примесный уровень является резонансным, а с ростом содержания германия приближается к дну зоны проводимости со скоростью &-{Ес.
— 10 мэВ/мол.% и выходит в запрещенную зону, индуцируя переход металл-диэлектрик при х"0.10. Предложена диаграмма перестройки электронной структуры сплавов при изменении состава матрицы.
2. Установлен характер движения уровня хрома относительно краев энергетических зон при изменении температуры в кубической и ромбоэдрической фазах сплавов РЬ]. х.уСехСгуТе. В рамках двухзонного закона дисперсии Кейна с учетом зависимости температуры структурного фазового перехода от состава сплавов рассчитаны температурные зависимости коэффициента Холла и диаграммы перестройки электронной структуры при изменении температуры.
3. При гидростатическом сжатии сплава РЬ]. х. уОехСгуТе (х=0.10, >"0.01), обнаружен переход диэлектрик-металл (Р*&-2 кбар), связанный с уменьшением ширины запрещенной зоны и движением примесного уровня относительно середины запрещенной зоны со скоростью ё^сг^У^"! мэВ/кбар в условиях стабилизации уровня Ферми глубоким уровнем хрома. Предложена модель перестройки энергетического спектра носителей заряда под давлением.
4. В рамках этой модели рассчитаны теоретические зависимости концентрации электронов и положения уровня Ферми в металлической фазе сплавов от давления. Показано, что удовлетворительное согласие с экспериментальными данными может быть достигнуто в предположении конечных ширины и емкости примесной полосы хрома, частично заполненной электронами и перекрывающейся с зоной проводимости при атмосферном давлении.
5. В окрестности перехода диэлектрик-металл под давлением в рамках двухзонной модели проводимости определены параметры носителей заряда при проводимости по примесной полосе хрома. На температурных зависимостях сопротивления обнаружены пики аномального рассеяния, связанные со структурным фазовым переходом из кубической фазы типа № 01 в ромбоэдрическую фазу типа ОеТе. Показано, что легирование хромом понижает критическую температуру фазового перехода и определена ее зависимость от давления.
6. Обнаружены /"-«-конверсия типа проводимости и стабилизация уровня Ферми резонансным уровнем хрома при легировании РЬТе и твердых растворов РЬ1. х8пхТе.
0.05<х<0.30) хромом. Построена диаграмма движения уровня хрома при изменении состава сплавов и показано, что он приближается к дну зоны проводимости со скоростью &(Ест-Ес)/йх^-2Я мэВ/мол.%. Поэтому в сплавах с инверсным спектром (д:>0.35) уровень хрома должен пересекать запрещенную зону и двигаться в глубь валентной зоны.
7. Кроме традиционного парамагнитного юори-вейссовского вклада обнаружен ферромагнитный вклад в намагниченность сплавов РЬ^уСГуТе, РЬ1-х-уСехСгуТе и РЬ1.х.у8пхСгуТе при температурах вплоть до комнатных. Определены концентрации магнитных центров в парамагнитной и ферромагнитной фазах. Предложена феноменологическая модель, согласно которой магнитными центрами являются изолированные ионы Сг3+, а с ростом содержания хрома ферромагнитные области поглощают парамагнитные, захватывая весь объем кристалла.
8. Получены зависимости температуры Кюри, остаточной намагниченности, коэрцитивной силы, концентрации магнитных центров от состава матрицы и содержания примеси хрома. Установлена связь характера изменения этих параметров с изменениями электронной структуры и концентрации носителей заряда. Показано, что при низких концентрациях хрома высокотемпературный ферромагнетизм не может быть связан с формированием ферромагнитных включений на основе теллуридов хрома и обусловлен, скорее всего, непрямым обменным взаимодействием между магнитными ионами хрома.
— 160.
