WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 4 Энергетический спектр акцептора в полумагнитном полупроводнике p-Hg1-xMnxTe в спин-стекольной области © Е.И. Георгицэ, В.И. Иванов-Омский, Д.И. Цыпишка Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 7 октября 1997 г. Принята к печати 9 октября 1997 г.) Исследовались пропускание и фотопроводимость в полумагнитных сплавах p-Hg1-xMnxTe (x = 0.200.22) при температуре 2 7 K в дальней ИК области спектра на фиксированных в диапазоне 49–311 мкм частотах молекулярных лазеров с оптической накачкой. Сообщается о наблюдении фотовозбуждения акцептора из основного в возбужденные состояния в условиях, когда прямое взаимодействие магнитных моментов ионов марганца становится существенным и приводит к образованию фазы спинового стекла. Обнаружено влияние внутреннего поля, создаваемого спонтанной и внешней поляризациями магнитных моментов ионов Mn2+ в спин-стекольной области температур, на энергетический спектр акцептора в магнитном поле.

1. Введение Холла при T = 77 K. В таблице приводятся параметры исследованных образцов.

В полумагнитных полупроводниках магнитные момен- Источником излучения являлись субмиллиметровые ты ионов Mn2+ создают внутреннее магнитное поле. газовые лазеры на парах CH3OH и CH3OD с оптичеВлияние этого поля приводит к уменьшению энергии ской накачкой перестраиваемым CO2-лазером. Измереосновного состояния акцептора с ростом внешнего маг- ния проводились в геометриях Фарадея (q B, где нитного поля [1]. В работе [2] было показано, что учет q — волновой вектор падающего на образец излучения, внутреннего поля приводит к тому, что если в отсутствие B — внешнее магнитное поле) и Фогта (q B). Запись внешнего магнитного поля энергия основного состояния спектров осуществлялась разверткой магнитного поля до акцептора порядка боровской энергии тяжелой дырки, то 6.5 Тл при фиксированной длине волны лазерного излучения. До температуры измерения образцы охлаждались в достаточно сильном магнитном поле она оказывается в магнитных полях до 1 Тл и без поля.

порядка боровской энергии уже легкой дырки.

В работах [3,4] мы сообщали об исследовании энерге- На рис. 1 и 2 представлены спектры пропускания и фотопроводимости образца Hg0.78Mn0.22Te, записанные тического спектра акцептора в магнитном поле в узкопри температуре 2 K, для случаев, когда образец охлащелевых полупроводниках Hg1-x-yCdxMnyTe с испольждался в магнитном поле Bcool = 0.6Тл (кривая a) и без зованием лазерной магнитооптической спектроскопии.

поля (кривая b). При сравнении спектров видно, что в В настоящей работе приводятся результаты аналогичслучае охлаждения образца до температуры измерения ных исследований в твердых растворах p-Hg1-xMnxTe в магнитном поле линии становятся резче и смещаются (x = 20 0.22). В этих материалах при температурах в сторону меньших магнитных полей. Смещение линий T < 5 K наблюдается фаза спинового стекла, представ спектрах зависит от величины Bcool и достигает максивляющая собой неупорядоченный магнетик, в котором мального значения при Bcool 0.6Тл.

энергия обменного взаимодействия меняется по объему На рис. 3 представлен спектр фотопроводимости того образца случайным образом. В данной работе показаже образца, записанный при температуре T = 6K. При но, как это обстоятельство обусловливает некоторые данной температуре форма линий в спектрах не зависит особенности в спектрах фотовозбуждения акцептора, от способа охлаждения образца. Не наблюдается также связанные с перестройкой его энергетического спектра в смещение линий при охлаждении образца в магнитном магнитном поле при переходе в фазу спинового стекла.

поле.

Для анализа спектров и идентификации линий были 2. Методы и результаты эксперимента построены зависимости энергий наблюдаемых переходов от магнитного поля. На рис. 4 представлены зависимости Исследовались фотопроводимость и пропускание энергий пиков пропускания при T = 2 K от магнитного образцов p-Hg1-xMnxTe (x = 0.20 0.22) в дальней поля. Штриховыми линиями показаны зависимости для инфракрасной (ИК)-области спектра в диапазоне энер- образца p-Hg0.78Mn0.22Te, охлажденного до температуры гий квантов излучения 4 27 мэВ при температурах 2 K в магнитном поле, а сплошными линиями — при 2 7 K. Объемные кристаллы выращивались методом охлаждении без поля. При экстраполяции этих зависиБриджмена. Измеренные образцы были ориентированы мостей в нулевое магнитное поле энергия наблюдаев направлении кристаллографической оси (111). Кон- мых оптических переходов не обращается в нуль. Это центрация акцепторов неидентифицированной природы позволяет связать их с внутрицентровым возбуждением составляла NA - ND =(1 6) · 1015 см-3. Эти значения акцепторов, поскольку исследованные образцы обладали были получены по результатам измерений коэффициента проводимостью p-типа и запись спектров осуществлясь в Энергетический спектр акцептора в полумагнитном полупроводнике p-Hg1-xMnxTe... больше глубина залегания акцептора и значительно меньше зеемановское расщепление его основного состояния, что связано с большей шириной запрещенной зоны.

При расчетах энергий основного состояния акцептора полагалось, что статическая диэлектрическая постоянная = 18, а эффективная масса тяжелой дырки m = 0.4m0, n где m0 — масса свободного электрона. Анализ зависимостей энергий переходов от магнитного поля показал, что энергия основного состояния акцептора в исследованных образцах при B = 0 составляет 11 мэВ, что хорошо согласуется с данными расчета.

Для определения величины обменного интеграла для состояний валентной зоны N0 были рассчитаны зависимости энергий переходов от магнитного поля для температур 2 и 6 K. Методика расчета величины NРис. 1. Спектры пропускания сплава p-Hg0.78Mn0.22Te для изложена в [4]. Результаты расчета для исследуемых энергии фотонов 7.27 мэВ при T = 2K: a —охлаждении в образцов приведены в таблице. Отметим, что при расчемагнитном поле Bcool = 0.6Тл; b — Bcool = 0.

тах были использованы следующие значения параметров, входящих в матрицу модифицированного гамильтониана Пиджен–Брауна [5]: Ep = 18.3эВ, =1эВ, 1 = 0.5, K = 0.1, N0 = -0.45 эВ.

Рис. 2. Спектры фотопроводимости сплава p-Hg0.78Mn0.22Te при возбуждении фотонами с энергией 7.27 мэВ при T = 2K:

a — охлаждении в магнитном поле Bcool = 0.6Тл; Рис. 3. Спектры фотопроводимости сплава p-Hg0.78Mn0.22Te b — Bcool = 0. при возбуждении фотонами с энергией 7.27 мэВ при T = 6K.

отсутствие межзонной подсветки. Так как были получены две зависимости и, полагая, что при температуре измерений дырки заселяют основное состояние акцептора, наблюдаемые магнитные резонансы можно связать с переходами из основного состояния в два возбужденных состояния.

Как следует из графика зависимостей энергий переходов от магнитного поля, максимальный сдвиг линий в магнитном поле составляет B = (0.50 ± 0.05) Тл.

Разность энергий между соответствующими зависимостями, полученными при охлаждении образца без поля и в магнитном поле, составляет E =(0.4 ±0.05) мэВ.

В отличие от узкозонных полумагнитных полупроводников в построенных зависимостях энергий переходов Рис. 4. Зависимость положения в магнитном поле минимумов от магнитного поля не наблюдается антипересечение пропускания от энергии фотонов при охлаждении без поля энергетических уровней акцептора в магнитном поле [4].

(сплошная линия) и в магнитном поле B = 0.6Тл (штриховая Это объясняется тем, что в исследованных образцах линия).

5 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 452 Е.И. Георгицэ, В.И. Иванов-Омский, Д.И. Цыпишка Параметры исследованных образцов EA(0), мэВ EA(0), мэВ Образец Eg, эВ N0, эВ Bint, Тл (расчет) (измерения) Hg0.8Mn0.2Te 0.72 11.0 11.2 0.85 ± 0.05 0.52 ± 0.Hg0.78Mn0.22Te 0.75 11.1 11.4 0.85 ± 0.05 0.52 ± 0.3. Обсуждение результатов же образец охлаждается в магнитном поле и почти у всех ионов Mn2+ магнитные моменты ориентированы Среди полученных результатов особый интерес пред- вдоль поля, то величина внутреннего поля вокруг акцеставляет сдвиг линий пропускания и фотопроводимо- пторов имеет почти одинаковую величину (некоторые сти в спектрах в сторону меньших магнитных полей отклонения от среднего значения могут иметь место при охлаждении образца до температуры измерения из-за неоднородности образца). В этом случае линии в магнитном поле. Анализ спектров всех измерен- фотовозбуждения в спектрах становятся уже.

ных образцов показал, что величина сдвига зависит Возвращаясь к полученным из эксперимента зависиот концентрации ионов Mn2+ и от величины прило- мостям энергий переходов от магнитного поля (рис. 4), женного поля при охлаждении. Для каждого образца обратим внимание на то, что в обоих случаях охлаждепри достижении определенного значения внешнего поля ния эти зависимости имеют почти линейный характер.

сдвиг линий достигал максимальной величины. Напри- Это позволяет считать, что в данных широкозонных мер, для образца Hg0.78Mn0.22Te этот сдвиг составляет полумагнитных полупроводниках энергия связи магниB = (0.50 ± 0.05) Тл. При дальнейшем увеличении тополярона на акцепторе должна быть незначительной.

магнитного поля при охлаждении образца в спектрах не Если считать для данного образца, что эту энергию наблюдается никаких изменений. Кроме этого, обращает можно определять как V = 2E [4], где E —энергена себя внимание тот факт, что при охлаждении образцов тическое расстояние между представленными на рис. в отсутствие внешнего магнитного поля линии в спек- зависимостями, получим V = 0.8 мэВ. Для сравнения трах значительно шире и не имеют гауссовой формы.

укажем, что в образцах с меньшей концентрацией марЭти результаты, по нашему мнению, можно объяснить ганца энергия связи, как это ни парадоксально, заметно следующим образом. При включении внешнего магнит- больше (V = 2.8мэВ [4]).

ного поля, когда температура образца выше необходимой для образования фазы спинового стекла, магнитные Список литературы моменты ионов Mn2+ частично ориентируются вдоль него. По мере увеличения внешнего поля увеличивается [1] A. Mycielsky, J. Micielski. J. Phys. Soc. Japan, A49 (Suppl.), и число ”ориентированных” моментов магнитных ионов 807 (1980).

пока не наступит их полная ориентация.

[2] А.Д. Быховский, Э.М. Вахабова, Б.Л. Гельмонт, И.А. МерПри охлаждении образца, когда наступает фаза спикулов. ЖЭТФ, 94, 183 (1988).

нового стекла, магнитные моменты ионов Mn2+ оста[3] E.J. Georgitse, V.I. Ivanov-Omskii, D.I. Tsypishka, ются ориентированными и после снятия внешнего поля.

V.A. Kharchenko. Int. J. Infared Millim. Waves, 13, Тем самым создается некоторое внутреннее магнитное (1992).

[4] В.И. Иванов-Омский, В.А. Харченко, Д.И. Цыпишка. ФТП, поле. Это поле несколько перестраивает энергетический 26, 1728 (1992).

спектр акцептора. При записи спектров пропускания или [5] G. Bastard, C. Rigaux, J. Guidner, A. Mycielski. J. de Pysique, фотопроводимости в магнитном поле, которое совпадает 39, 87 (1978).

по направлению с внутренним полем (условия данных экспериментов), происходит сдвиг линий, соответству- Редактор В.В. Чалдышев ющих переходам акцептора из основного состояния в Energy spectrum of an acceptor возбужденные, в сторону уменьшения приложенного поля на величину внутреннего поля. Как и ожидалось, in spin-glass phase of p-Hg1-xMnxTe величина внутреннего поля зависит от концентрации E.I. Georgitse, V.I. Ivanov-Omskii and D.I. Tsypishka магнитных ионов (см. таблицу).

Не менее интересным является сужение линий в спек

Abstract

Optical transmission and photoconducivity of accepтрах образцов, охлажденных в магнитном поле. Этот реtors in p-Hg1-xMnxTe (x = 0.20 0.22) semimagnetic alloys зультат можно интерпретировать следующим образцом.

were studied with FIR molecular lasers in the spectral region Когда образец охлаждается без поля, магнитные момен49–311 µm at temperatures 2–7 K. The photoexcitation from the ты ионов Mn2+ замерзают в случайных направлениях.

ground to excited states was observed under conditions when the Поэтому созданные ими вокруг отдельных акцепторов direct interaction of Mn2+-ions had been essential enough to form локальные поля отличаются по величине. Следовательно, the spin-glass phase. The effect of internal magnetic field, created фотовозбуждаемые акцепторы имеют несколько отлиby spontaneous and external polarization of Mn2+-ions magnetic чающиеся друг от друга энергетические спектры во moments, on the acceptor energy spectrum in magnetic field has внешнем магнитном поле. В спектрах это соответствует широким линиям с неярко выраженным пиком. Когда been described.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №




© 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.