WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 3 Магнитные исследования широкозонных полупроводников Cd1-xZnxTe (x = 0.12, 0.21) ¶ + © Ю.В. Шалдин, И. Вархульска, М.Х. Рабаданов, В.К. Комарь Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, 119333 Москва, Россия International Laboratory of Strong Magnetic Fields and Low Temperature, 53-241 Wroclaw, Poland + НТК „Институт монокристаллов“ Национальной академии наук Украины, 61001 Харьков, Украина (Получена 25 июня 2003 г. Принята к печати 9 июля 2003 г.) Представлены результаты измерений намагниченности M и магнитной восприимчивости кристаллов Cd1-x Znx Te. В магнитном поле H < 2 кЭ обнаружен гистерезис зависимости M(H), обусловленный наличием магнитных кластеров произвольной ориентации. Существенный вклад в магнитную восприимчивость вносит ван-флековский парамагнетизм, вызванный электрическими полями дефектов. Наличие аномалий зависимости (T ) в области температур T < 50 K связано в одном случае (x = 0.12) с изменением зарядового состояния межузельного теллура, в другом (x = 0.21) — либо с парамагнетизмом невзаимодействующих дефектов, либо с антиферромагнитным упорядочением дефектной подсистемы, образованной ZnCd и Tei.

Установлено влияние отжига на магнитное состояние дефектной подсистемы в образцах.

1. Введение акцепторы становятся парамагнитными [3], а возникающие в кристаллах донорно-акцепторные пары (ДАП) Создание на базе теллурида кадмия достаточно высо- могут привести к образованию своеобразных магнитных коомного материала, необходимого для разработки ак- кластеров [4].

тивных элементов разнообразных устройств (например, Впервые на возможность магнитных методов в исслемодуляторов, детекторов и т. д.), является весьма труддовании дефектов указал F.A. Krger [5]. В дальнейшем ной, но чрезвычайно актуальной задачей материаловебыли исследованы магнитные свойства CdTe, легировандения полупроводников. Отправной точкой ее решения ного Ge [6,7], In и Cl [8], Zn [9], ZnO Li [10]. Результаты должны служить современные представления о реальной этих исследований позволили выявить существенные структуре CdTe, определяемой условиями выращивания.

вклады ван-флековского парамагнетизма, прецессионноОчевидно a priori, что широкозонные полупроводниго ланжевеновского диамагнетизма и парамагнетизма ки (с шириной запрещенной зоны Eg > 1эВ) должны взаимодействующих между собой ДАП в суммарную обладать низкой проводимостью и из-за известной осовеличину магнитной восприимчивости. Более того, в бенности химической связи (два связанных электрона кристаллах CdTe Ge [11] и PbTe In [12] результаты с противоположными спинами) быть диамагнитными.

исследований свидетельствуют о четко выраженном гиОднако реальная ситуация такова, что все соединения стерезисе намагниченности в слабых магнитных полях.

AIIBVI нестехиометричны и отклонение от идеальной Несомненный интерес представляют также исследоструктуры вызвано наличием собственных дефектов:

вания влияния изоморфных замещений на физические вакансий (VA и VB) и межузельных атомов (Ai и Bi).

свойства. Установившиеся представления, что в системе Возникновение дефектов в процессе роста приводит к CdTe–ZnTe изменение состава адекватно изменению существенному изменению физических свойств. Поэтофизических свойств, поставлены под сомнение авторами му установление корреляции между условиями выращиработы [13], результаты которой указывают на измевания и физическими свойствами не только представлянение макросимметрии образцов точечной группы от ет практический интерес, но и крайне необходимо для 43m до 3m и, как следствие, возникновение по крайней уточнения наших представлений о природе физических мере электронного состояния образцов, разрушаемого свойств реальных кристаллов.

в процессе нагрева выше температуры 450 K. Задача На данном этапе наиболее полно состояние исслеисследования влияния отжига на магнитные свойства дований дефектов, возникающих в процессе роста в Cd1-xZnx Te не ставилась.

кристаллах AIIBVI, проанализировано в [1,2]. Особое Данной работой мы продолжаем цикл публикаций внимание авторами [1] уделено вопросам образования результатов измерений кривых намагничивания и маги устойчивости изолированных и связанных дефектов, нитной восприимчивости реальных кристаллов AIIBVI.

зарядовые состояния которых могут изменяться при Далее речь пойдет о магнитных свойствах исходных внешних воздействиях. При определенных условиях и отожженных монокристаллов Cd1-xZnxTe (x = 0.12, (например, в области низких температур) доноры и 0.21) в магнитных полях до H = 4.25 кЭ и температур¶ E-mail: graimo@aha.ru ном интервале T = 4.2-300 K.

Магнитные исследования широкозонных полупроводников Cd1-x ZnxTe (x = 0.12, 0.21) 2. Методика эксперимента Объектом изучения магнитных свойств служили монокристаллы, выращенные методом Бриджмена из расплава под высоким давлением аргона [14]. В течение всего цикла получения кристалла давление внутри камеры поддерживалось на уровне 100 атм. В качестве контейнеров для загрузки шихты использовались графитовые тигли с пироуглеродным упрочняющим покрытием.

Шихта состояла из предварительно синтезированного теллурида кадмия, к которому добавлялось необходимое количество кристаллического теллурида цинка, чтобы образовать тройное соединение Cd1-xZnx Te с номиРис. 1. Наиболее вероятный вариант расщепления позиции нальным содержанием цинка в большей части були атомов цинка в решетке CdTe.

x = 0.12 или 0.21. Благодаря применению многоступенчатой очистки для каждого из основных элементов все использованные компоненты перед загрузкой имели чистоту не ниже 6N.

Вычисления одночастичных потенциалов атомов в моСодержание цинка в твердом растворе измеряли делях с разупорядочением показали, что только для методом электронно-зондового микроанализа (ЕРМА) атомов Zn получается многоминимумный потенциал с энергетическими барьерами, сравнимыми с kT (k — на растровом микроскопе JEOL JSM-820 с системой рентгеновского микроанализа LINK 10000, а концентра- постоянная Больцмана). Данный факт означает, что в цию посторонних примесей — методом лазерной масс- образце могут возникать кластеры, группирующиеся в домены, размеры которых, по-видимому, определяютспектроскопии (LMS) на приборе ЕМАЛ-2. Интегралься условиями выращивания образцов. Таким образом, ный уровень концентрации не превышал 10-4% по массе результаты обработки рентгеновского эксперимента не для 75 элементов. Степень структурного совершенства противоречат факту обнаружения спонтанной полярикристаллов контролировали методом рентгеновской дизации кристаллов CdTe–ZnTe [13]. Возникающие при фракции (XRD) на двухкристальном рентгеновском диэтом локальные электрические поля приводят к перефрактометре на базе стандартного ДРОН-3. Согласно мешиванию энергетических уровней валентных элекполученным данным, в исходных образцах отсутствотронов и вследствие этого процесса к возникновению, вали малоугловые границы и двойники, а средняя покак минимума, дополнительного вклада парамагнетизлуширина кривой дифракционного качания была равна ма Ван-Флека в суммарную магнитную восприимчи16-20 угл. с. Исследование вольт-амперных характеривость [8,10,11].

стик образцов с омическими контактами показало, что Исходные образцы в виде пластинок, ориентирообразцы даже без легирующих добавок имели высокое удельное сопротивление — в диапазоне от 1010 ванных вдоль направления 111, изготавливались из слитков (буль). Для проведения магнитных измерений до 1011 Ом · см.

пластинки разрезались на параллелепипеды размером Рентгеноструктурные исследования (дифрактометр 3.0 3.0 3.5мм3. Образцы в медном контейнере подEnraf-Nonius, MoK-излучение, sin / < 1.14 -1) при вешивались на кевларовой нити в объеме гелиевого комнатной температуре были выполнены на сферичепродувного криостата, размещенного между полюсами ских образцах смешанных кристаллов CdTe–ZnTe. При постоянного магнита со специальными наконечниками.

уточнении атомных моделей структуры авторы исходили В качестве регистрирующего устройства использоваиз предположения, что распределение атомов замещения лись электронные весы Cahn Electrobalanc-1000. Все в образцах имеет случайный характер. В этом случае соизмерения магнитной восприимчивости и кривых нагласно биномиальному распределению имеем, что веромагничивания были выполнены в режиме повышения ятность образования координационных тетраэдров типа температуры. Чувствительность установки при массе [TeCd3Zn] и [TeCd2Zn2], например, при x = 0.21 равна образцов 0.3г была 3 · 10-8 см3/г. Из-за трудности соответственно 0.41 и 0.17. Так как локальная симметрия четкой фиксации образцов относительно направления таких тетраэдров соответствует точечным группам 3m магнитного поля представленные результаты являются и mm2, упаковка мезотетраэдров в элементарную ячейку усредненными в плоскости (111). Измерения намагничидолжна удовлетворять соображениям симметрии, соотвания образцов проводились при температурах T = 4.2, ветствовать минимуму термодинамического потенциала, 77.5 и 293 K в магнитном поле от 0.05 до 4.25 кЭ. Кона суммарный дипольный момент должен быть равен струкция установки не позволяла изменять направление нулю. Обработка данных прецизионного дифракционно- магнитного поля H. В дальнейшем измеренные образцы го рентгеновского эксперимента с большой степенью подвергались отжигу в муфельной печи при 450 K в достоверности указывает на расщепление позиции Zn течение 2 ч, затем монтировались в объеме криостата, вдоль кристаллографических направлений 111 (рис. 1). охлаждались, и процесс измерений опять повторялся.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 302 Ю.В. Шалдин, И. Вархульска, М.Х. Рабаданов, В.К. Комарь 3. Результаты измерений и их обсуждение Результаты измерений образцов CdTe–ZnTe, характеризующие намагниченность материала M при 4.2, 77.3 и 290 K и температурные зависимости магнитной восприичивости, приведены на рис. 2 и 3. Анализируя представленные результаты, следует констатировать:

а) во всех случаях, когда суммарная восприимчивость отрицательна, в полях H < 2 кЭ наблюдается мигнитный гистерезис; б) при H > 2 кЭ образцы стремятся перейти в устойчивое термодинамическое равновесие с минимумом соответствующего термодинамического потенциала при условии M/H < 0; в) исключение составляет зависимость M(H), соответствующая парамагнитному состоянию образца с x = 0.21 (рис. 2, кривая 1) с дальРис. 3. Температурные зависимости магнитной восприимчивонейшим переходом в устойчивое термодинамическое сти монокристаллов Cd1-xZnxTe: 1 — x = 0.12, 2 — x = 0.21.

состояние в полях более 4 кЭ; г) в полях 3 кЭ значе- H = 3 кЭ. На вставке — участок зависимости 2.

ния величин магнитной восприимчивости при T > 100 K практически не зависят от концентрации атомов Zn;

д) принципиальное различие наступает только в области ны p, характеризующей вклад собственных дефектов низких температур.

и их возможных ассоциатов с примесями. Для d следует Как уже отмечалось выше, магнитная восприимчипринять значение -3.5 · 10-7 см3/г, приводимое в рабовость реальных кристаллов слагается из магнитной востах [5,9]. Как показано в [4], величина d практрически приимчивости номинально чистого образца d и величине зависит от внешних воздействий. Тогда разность (-d) будет характеризовать вклад дефектов p в магнитную восприимчивость исследованных образцов.

Как нам представляется, роль атомов замещения и собственных дефектов решетки двояка: с одной стороны, их присутствие приводит к деформации решетки и, как следствие, сопровождается локальными электрическими полями в пьезоэлектрике; с другой стороны, сами дефекты и их ассоциаты могут служить носителями магнитного момента в электронной подсистеме кристаллов.

В исследованных кристаллах локальные электрические поля дефектов, в качестве которых следует рассматривать атомы замещения и межузельный теллур, приводят к снятию анизотропного (с учетом спин-орбитального взаимодействия) линейного по полю вырождения электронных уровней в зоне Бриллюэна [15], что неизбежно (по нашему мнению) сопровождается частичным перемешиванием орбитальных моментов основного состояния и возбужденного. Данное предположение позволяет фактически объяснить существенное различие измеренных значений величин и приводимых оценок в [5,9] за счет вклада ван-флековского парамагнетизма, практически также не зависящего от T. Поэтому в дальнейшем можно полагать, что наблюдаемые в эксперименте аномалии являются следствием неких магнитных взаимодействий в электронной подсистеме образцов.

Непосредственным проявлением этих взаимодействий является магнитный гистерезис в полях H < 2 кЭ, возникающий за счет существования большого числа метастабильных состояний, обусловленных расщеплением позиций Zn в решетке. В случае полупроводников магРис. 2. Кривые намагниченности монокристаллов нитный гистерезис обусловлен необратимыми процесCd1-xZnx Te: a — x = 0.12, b — x = 0.21. T, K: 1 — 293, 2 — 77.3, 3 —4.2. сами вращения векторов намагниченности магнитных Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Магнитные исследования широкозонных полупроводников Cd1-x ZnxTe (x = 0.12, 0.21) кластеров, образованных дефектами [4,16]. При изменении внешних воздействий (например, концентрации Zn и температуры) вяло текущий процесс вращения подавляется либо вкладом ланжевеновского парамагнетизма невзаимодействующих (при фиксированных параметрах воздействия) между собой дефектов, обладающих магнитным моментом, либо антиферромагнитным упорядочением дефектной подсистемы, образованной атомами замещения и межузельным теллуром. Эта часть зависимости описывается законом Кюри–Вейсса с постоянной C 2 · 10-6 см3/г. Однозначно указать на тип дефектов и их концентрацию пока не представляется возможным.

На вставке к рис. 3 явно прослеживается аномалия в области 100-150 K: происходит частичное насыщение магнитной восприимчивости. При T 130 K производРис. 4. Температурные зависимости магнитной восприимчивоная /T максимальна. Аналогичное явление насыщести отожженных монокристаллов Cd1-xZnx Te: 1 — x = 0.12, ния наблюдается и в кристаллах CdTe, легированно2 — x = 0.21. H = 3 кЭ. Режим отжига: 450 K/2 ч.

го другими примесями [9]. Все эти факты позволяют утверждать, что экспериментально выявленная аномалия связана с магнитным кластером, образованным ДАП Дискуссионным остается вопрос о том, какие центры типа (VCdXCd), где в качестве неконтролируемой примеответственны за подобные электрические и магнитные си X выступают атомы Al. По нашим оценкам, вклад взаимодействия.

последних в суммарную восприимчивость при T Полагая аномалии (T ) в области T = 20-50 K свясоставляет 4 · 10-8 см3/г.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.