WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 3 Температурная зависимость магниторезистивного эффекта в пленках ферромагнитных полупроводников на основе оксидов редкоземельных элементов © В.Ф. Кабанов, С.А. Карасев, Я.Г. Федоренко¶ Саратовский государственный университет, 410026 Саратов, Россия (Получена 8 июня 2000 г. Принята к печати 26 июля 2000 г.) Рассмотрена и проанализирована температурная зависимость эффекта положительного магнитосопротивления в пленках некоторых оксидов редкоземельных элементов (гадолиния, европия и твердого раствора европия с самарием) в области температуры Кюри. Показано, что ход температурной зависимости эффекта, его знак и величина определяются зависимостью величины магнитного момента магнитного кластера как от напряженности внешнего магнитного поля, так и от параметров пленок — величины спина магнитного иона, обменной энергии, концентрации дефектов и ряда других.

Ранее был рассмотрен эффект положительного маг- состава от напряженности внешнего магнитного поля.

нитосопротивления, обнаруженный в пленках некото- Полученные зависимости, имеющие практически линейрых оксидов редкоземельных элементов (ОРЗЭ) и не ный характер в рассматриваемом диапазоне напряженхарактерный для данного класса материалов [1]. Цель ности магнитного поля, представлены на рис. 2.

настоящей работы — изучение и анализ температурной На основании известных теоретических представлезависимости эффекта вблизи области магнитного фазо- ний [2,3] был сделан вывод о наличии в исследуемых вого перехода (температуры Кюри). пленках флуктуаций намагниченности (магнитных клаНами исследовались оксиды редкоземельных элемен- стеров), связанных с группированием вблизи дефектов тов европия, гадолиния, твердого раствора европия с (обычно обусловленных вакансиями кислорода [4]) магсамарием, полученные на монокристаллической кремни- нитных ионов РЗЭ, благодаря более сильному обменноевой подложке n-типа методом термического испарения му взаимодействию и соответственно более сильной ферромагнитной связи в данной области. Величина магнитв вакууме соответствующей лигатуры и последующим окислением. Толщина пленок составляла 0.1 мкм; в каче- ного момента кластера K намного превышает величину магнитного момента одного редкоземельного иона, что стве электродов использовались алюминиевые контакты.

дает существенный вклад в рассеяние свободных носиИзмерялся поперечный ток через структуру в режиме обогащения на границе ОРЗЭ–кремний. Эффект магни- телей заряда флуктуациями намагниченности в области тосопротивления измерялся по изменению тока в диапазоне изменения величины напряженности магнитного поля H = 3.0 7.5 кЭ, температуры T = 77 300 K, напряженности электрического поля E = 103 106 В/см.

Направление вектора магнитной индукции магнитного поля B было выбрано параллельно вектору плотности электрического тока j.

Типичные результаты температурных зависимостей величины удельного магнитосопротивления (/0) указанных пленок представлены на рис. 1. Практически для всех исследуемых образцов величина /0 в области температуры Кюри Tc [1] обнаруживала скачкообразное уменьшение. Диапазон значений Tc для различных образцов находился от 90 до 110 K. В области T < Tc (ближняя ферромагнитная область) величина удельного магнитосопротивления практически не зависела от температуры; в ближней парамагнитной области (T > Tc) наблюдался достаточно гладкий спад величины /0, которая в ряде образцов имела значение более 1% и при T > 200 K. В ближней ферромагнитной области при T = 77 K исследовались зависимости величины Рис. 1. Температурная зависимость удельного магнитосопроудельного магнитосопротивления образцов различного тивления. 1, 3 — различные образцы оксида твердого раствора ¶ E-mail: fedorenkoyg@info.sgu.ru европия с самарием, 2 — оксид гадолиния. H = 7.6кЭ.

Температурная зависимость магниторезистивного эффекта в пленках ферромагнитных... ляется то, что суммарный момент магнитных ионов вблизи дефекта (K) может быть достаточно большим и в парамагнитной области температур.

В [2] анализ температурной зависимости магнитосопротивления проводился с помощью использования функции положительной обратной связи (0), через которую выражается эффективное поле, действующее на электрон. Это поле включает в себя электрическое поле в кристалле и обмен электрона с магнитными ионами.

В случае слабых магнитных полей в ближней ферромагнитной области температур с учетом доминирования косвенного обмена можно записать:

2HS = - ·, (1) Tc 1 - где 0 = Q · T, (2) 3 N Q = · ·, (3) 2 n Ei Рис. 2. Зависимость удельного магнитосопротивления от напряженности магнитного поля H. 1 — оксид гадолиния, N — концентрация магнитных ионов, n — концентрация 2 —оксид самария, 3 — оксид твердого раствора европия с локализованных в окрестности дефекта носителей заряда самарием. T = 77 K.

(определяется плотностью состояний на уровне дефекта), Ei — энергетическая глубина донорного уровня, S — величина спина магнитного иона.

Рассчитанные кривые для рассматриваемой области температур при следующих параметрах: H = 7кЭ, S = 7/2, N/n = 2 · 102, Ei от 0.1 до 0.3 эВ, Tc = 100 K представлены на рис. 3. Видно удовлетворительное качественное (а при подборе варьируемых параметров и количественное) согласование с экспериментальными результатами (рис. 1, 2): по знаку эффекта, его величине и ходу температурной и полевой зависимости.

В парамагнитной области температур полученные по соответствующим формулам [2] кривые /0(T ) совершенно не коррелировали с экспериментальными данными ни по величине эффекта, ни по форме зависимости Рис. 3. Температурная зависимость удельного магнитосоот температуры. В связи с этим нами был использован противления в ближней ферромагнитной области температур, следующий подход. Известно, что время релаксации при Ei, эВ: 1 —0.1, 2 — 0.15, 3 —0.2, 4 — 0.25, 5 —0.3. H = 7кЭ, рассеянии носителей магнитными кластерами в ближней n = 5 · 1018 см-3, z = 12.

парамагнитной области связано с величиной момента кластера следующим образом: K-2. [2,5]. Задавая зависимость величины магнитного момента кластера от магнитного фазового перехода. Внешнее магнитное поле параметров материала и внешних воздействий, можно может не только подавлять эти флуктуации, что харакоценить изменение времени релаксации и сооответствентерно для объемных образцов рассматриваемых матено величины удельного магнитосопротивления.

риалов (эффект отрицательного магнитосопротивления), Мы предположили, что величину магнитного момента но и усиливать их. Например, если в отсутствии поля кластера можно представить в виде кластеры расположены хаотически и средняя намагK = K0 +K, (4) ниченноcть по образцу мала, то поле может вызвать появление дополнительной намагниченности кластеров, где K0 = zS — величина магнитного момента кластера, величина которой флуктуирует вместе с электронной обусловленная количеством магнитных ионов (z), входяплотностью. Следствием рассмотренного выше процесса щих в кластер;

будет появление положительного магнитосопротивлеS(S + 1) A n ния, величина которого является сложной функцией, K = H + (5) 3(T - Tc) 2 N зависящей от напряженности внешнего магнитного поля, температуры, электронной плотности вблизи дефекта и — дополнительная локальная намагниченность, которая ряда параметров самого материала. Важным представ- определяется как внешними воздействиями (H, T ), так Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 312 В.Ф. Кабанов, С.А. Карасев, Я.Г. Федоренко A = 0.12 эВ, H = 7кЭ, Tc = 100 K. Соответствующие результаты представлены на рис. 4, 5. При сравнении их с экспериментальными данными (рис. 1) видно хорошее согласование рассчитанных кривых как по ходу температурных зависимостей удельного магнитосопротивления, так и по величине и знаку эффекта.

Таким образом, в данной работе проанализирована температурная зависимость эффекта положительного магнитосопротивления в пленках ОРЗЭ в ближней ферро- и парамагнитной областях с точки зрения рассеяния носителей заряда на флуктуациях намагниченности.

Показано, что ход температурной зависимости эффекта, его знак и величина определяются зависимостью величины магнитного момента кластера как от напряженности внешнего магнитного поля, так и от параметров исслеРис. 4. Температурная зависимость удельного магнитосопро- дуемых образцов (величины спина магнитного иона, обтивления в ближней парамагнитной области температур, z:

менной энергии, концентрации дефектов и ряда других).

1 — 12, 2 — 20, 3 — 30, 4 — 40, 5 — 50. H = 7кЭ, n = 5 · 1018 см-3.

Список литературы [1] В.Ф. Кабанов, А.М. Свердлова. ФТП, 31, 626 (1997).

[2] Э.Л. Нагаев. Физика магнитных полупроводников (М., Наука, 1979).

[3] В.А. Капустин. В сб.: Редкоземельные полупроводники (Л., Наука, 1977) с. 82.

[4] В.Г. Бамбуров, А.С. Борухович, А.А. Самохвалов. Введение в физикохимию ферромагнитных полупроводников (М., Металлургия, 1988).

[5] В.Ф. Кабанов. ФТП, 26, 1837 (1992).

Редактор В.В. Чалдышев Temperature dependence of magnetoresistance effect on ferromagnetic semiconductor films based on rare earth oxides Рис. 5. Температурная зависимость удельного магнитосоV.F. Kabanov, S.A. Karasev, Y.G. Fedorenko противления в ближней парамагнитной области температур, n, 1018 см-3: 1 —1, 2 —2, 3 —3, 4 —4, 5 —5. H = 7кЭ, Saratov State University, z = 12.

410026 Saratov, Russia

Abstract

The temperature dependence of positive magnetoreи параметрами материала (A — величина обменной sistance effect on rare earth oxides GdO, EuO, Eu1-xSmxO has энергии).

been analysed in ferro- and paramagnetic temperature range После несложных преобразований получаем следуюnear phase transition temperature. The essential influence of щую зависимость величины удельного магнитосопротивcarrier scattaring by the magnetic cluster momentum was found ления при наличии внешнего магнитного поля:

out. The temperature dependence of magnetoresistance and its magnitude are conditioned by the magnetic field magnitude and S + 1 A n film parameters. These are magnetic ion spin magnitude, the = 1 + H + - 1. (6) 0 3z(T - Tc) 2 N exchange interaction energy, and the defect density in the films.

В отсутствии поля величина магнитосопротивления равна нулю.

В работе рассматривалась температурная зависимость полученного выражения (6) для различных значений параметров исследуемых пленок, находящихся в диапазоне величин, характерных для данных материалов:

n изменялась от 1018 до 5 · 1018 см-3, z от 12 до 50, Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.




© 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.