WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 3 Носители заряда в спектрах оптической проводимости манганитов лантана © Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, В.Е. Архипов, С.В. Окатов, С.В. Наумов, И.Б. Смоляк, Я.М. Муковский, А.В. Шматок Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия Институт стали и сплавов, 117936 Москва, Россия E-mail: magsemi@ifm.e-burg.su (Поступила в Редакцию 27 августа 1998 г.) Для исследования энергетического спектра и носителей заряда манганитов лантана измерены спектры отражения моно- и поликристаллов в диапазоне (0.04-1.6) eV и изучена оптическая проводимость opt, рассчитанная методом Крамерса–Кронига, в зависимости от концентрации и вида двухвалентных ионов в парамагнитной (ПМ) и ферромагнитной (ФМ) областях. Величина оптической щели для монокристалла La0.9Sr0.1MnO3 составляет 0.17 eV, энергия поляронной полосы — 0.12 eV. В ПМ области спектры opt не показывают вклада зонных носителей и проводимость определяется перескоками поляронов и активацией на край подвижности. В ФМ области изменения спектров opt и спектров поглощения эпитаксиальных пленок La0.7Sr0.3MnO3 свидетельствуют о появлении зонных носителей и ”красном” смещении края поглощения.

Два вклада зонных носителей — со слабой и сильной зависимостью от энергии фотонов — связываются с проводимостью в антиферромагнитной матрице и ферромагнитных областях.

Интерес к манганитам лантана с перовскитной струк- 1.2 eV имеется пик, который при переходе в турой связан с наблюдаемым в них колоссальным маг- ферромагнитную область смещается в сторону меньших нетосопротивлением и возможностью его практического энергий (”красное” смещение). Для монокристалла с применения [1,2]. Однако среди большого числа работ, меньшей концентрацией стронция La0.825Sr0.175MnO3 посвященных изучению этих соединений, лишь в немно- характер изменения спектра при T < Tc несколько гих исследуются оптические свойства, хотя, как извест- иной [7]: увеличение оптической проводимости но, оптические методоы являются мощным средством в низкоэнергетической области сопровождается изучения зонной структуры и механизмов проводимости уменьшением поглощения в области полосы при 1.5 eV материалов. с небольшим сдвигом максимума полосы в область больших энергий (”синее” смещение). Авторы Ранее по виду спектров отражения поликристаллов работ [5–7] дают различное объяснение наблюдаемой манганитов лантана La0.67Ba0.33MnO3 [3] и монокристалперестройке спектра. Важным является то, что все лов La1-xSrxMnO3 (x = 0.1; 0.2; 0.3) [4] нами был оптические эксперименты свидетельствуют о сильном сделан вывод о наличии в этих соединениях двух типов влиянии магнитного упорядочения на оптические носителей заряда. При температурах выше Кюри (Tc) проводимость осуществляется малоподвижными носите- свойства, а несоответствие данных работ разных авторов может быть связано с использованием образцов лями заряда, при T < Tc появляется дополнительный механизм проводимости, связанный с подвижными носи- с различной концентрацией двухвалентных ионов.

телями заряда зонного типа. Цель настоящей работы — исследование изменения энергетического спектра и характера носителей заряда В слаболегированном стронцием монокристалле в манганитах лантана в зависимости от концентрации La0.9Sr0.1MnO3 при переходе из парамагнитного двухвалентных ионов (Sr2+) и при изменении вида состояния в ферромагнитное наблюдался ”красный двухвалентного иона (Ca2+, Ba2+, Sr2+) при одной сдвиг” края оптического поглощения [4], типичный концентрации (x 0.3). Объектами выбраны моно- и для ферромагнитных полупроводников и связанный с поликристаллические образцы, а также эпитаксиальные расщеплением зоны проводимости за счет обменного пленки для изучения влияния способов приготовления взаимодействия зонных электронов с локализованными манганитов лантана на их оптические свойства.

спинами. В температурном интервале 95 < T < 165 K величина сдвига составила 0.16 eV, внешнее магнитное поле увеличивало сдвиг. Перестройка спектра оптиче1. Образцы и условия эксперимента ской проводимости (opt) при уменьшении температуры ниже Tc имеет место в пленках La0.6Sr0.4MnO3 [5] и Nd0.7Sr0.3MnO3 [6]. Для указанных составов происходит Для изучения оптических свойств сильно поглощаюувеличение коэффициента поглощения и, следовательно, щих материалов, какими являются манганиты лантана, opt в области энергий меньше 1.2 eV. При энергии обычно используют спектры отражения и анализ их 476 Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, В.Е. Архипов, С.В. Окатов, С.В. Наумов, И.Б. Смоляк...

Состав, электросопротивление при 293 K, температура Кюри Tc и метод приготовления магнанитов лантана Состав при 293 K, Ohm · cm Tc, K Метод приготовления Монокристаллы Плавающая зона с радиационным нагревом [4] La0.9Sr0.1MnO3 2 La0.8Sr0.2MnO3 4.5 · 10-3 La0.7Sr0.3MnO3 8 · 10-4 Поликристаллы Твердофазный синтез LaMnO3 8 · 10-1 La0.67Ca0.33MnO3 8 · 10-2 La0.7Sr0.3MnO3 6 · 10-3 Поликристалл 5.3 · 10-2 327 Метод соосаждения из раствора [3] La0.67Ba0.33MnOПленки Эпитаксиальный рост на подложке SrTiO№1 La0.7Sr0.3MnO3 3 · 10-1 №2 La0.7Sr0.3MnO3 1 · 10-1 методом Крамерса–Кронига. Это позволяет определить 2. Результаты измерений оптическую проводимость и получить подробную информацию об энергетической структуре. В настоящей рабоНа рис. 1 показан коэффициент отражения в зависите исследовано отражение монокристаллов и поликримости от длины волны для некоторых поликристаллов сталлов манганитов лантана и методом Крамерса–Крои монокристалла La0.7Sr0.3MnO3, параметры которых нига рассчитана оптическая проводимость. Данные об представлены в таблице. Отражение при длинах волн образцах представлены в таблице. Расчетные спектры больше 14 µm (0.09 eV) обусловлено взаимодействием оптической проводимости и поглощения сопоставляются света с колебаниями решетки. При длинах волн меньс результатами измерения поглощения эпитаксиальных ше 14 µm проявляется взаимодействие света с носитепленок, полученными в настоящей работе, и с по- лями заряда, вблизи коротковолновой границы исслелученным ранее спектром поглощения монокристалла дованного диапазона ( 1.5eV) начинаются межзонные La0.9Sr0.1MnO3 [4]. переходы.

Рассчитанные из спектров отражения методом Спектры отражения R монокристаллов и полиКрамерса–Кронига спектры поглощения монокристалла кристаллов измерялись в спектральаном диапазоне La0.9Sr0.1MnO3 совпадают с измеренными спектрами (0.035-1.6) eV, а спектры поглощения пленок — в диапазоне (0.09-2.2) eV на автоматизированном спектрометре ИКС-21 и комплексе КСВУ-12.

Две исследованные пленки с номинальным составом La0.7Sr0.3MnO3 отличаются температурой подложки во время напыления: 500C — пленка № 1 и 600C — пленка № 2. После напыления пленки отжигались в Ar–O2 плазме соответственно при 500 и 600C. Рентгеновский анализ показал, что в пленке № 1, в отличие от пленки № 2, кристаллизация не прошла до конца (частично аморфизированная пленка). Толщина пленок составляет 90 nm. Электросопротивление в диапазоне температур 77-293 K пленки № 1 (Tc = 196 K) имеет полупроводниковый характер (с ростом температуры сопротивления уменьшается в 20 раз), для пленки №наблюдается металлический характер проводимости при температурах ниже температуры Кюри (Tc = 227 K) и полупроводниковый — выше Tc. Температуры Кюри пленок существенно ниже, чем Tc монокристалРис. 1. Спектры отражения моно-(М) и поликристаллов лов и поликристаллов такого же состава, а вы(П) манганитов лантана: 1 — LaMnO3 (П), ше, что может быть связано с сильной дефектностью 2 —La0.67Ca0.33MnO3 (П), 3 — La0.67Ba0.33MnO3 (П), пленок.

4 —La0.7Sr0.3MnO3 (М).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Носители заряда в спектрах оптической проводимости манганитов лантана Рис. 2. Спектры оптической проводимости монокристаллов La1-xSrxMnO3: 1 — x = 0.1 T = 293 K, 2 — x = 0.2 T = 340 K, 3 — x = 0.2 T = 293 K, 4 — x = 0.3 T = 293 K. На вставке — фрагмент оптической проводимости монокристалла с x = 0.1 в области малых энергий.

этого монокристалла [4], подтверждая тем самым при их одинаковой номинальной концентрации (x 0.3) = правильность процедуры обработки спектров отражения. на спектры оптической проводимости манганитов ланВ спектрах оптической проводимости монокристаллов тана при 293 K. Видно подобие спектров оптической La1-xSrxMnO3 (x = 0.1; 0.2; 0.3) в области энергий проводимости монокристалла La0.7Sr0.3MnO3 (рис. 2) и меньше 0.09 eV наблюдаются фононные полосы (вставка поликристаллов La0.67Ba0.33MnO3 и La0.7Sr0.3MnO3, для на рис. 2). Положение полос совпадает с указанными которых температура 293 K соответствует ферромагнитдля монокристалла La0.825Sr0.175MnO3 [7]. Для состава ной области. Малые значения opt поликристаллических x = 0.1 с полупроводниковым типом проводимости образцов являются следствием сравнительно низких знахорошо разрешается полоса при 0.12 eV (вставка на чений коэффициента отражения (рис. 1). Спектр оптирис. 2). Полоса при 0.12 eV, связанная с локализованческой проводимости поликристалла LaMnO3 с миниными носителями заряда, наблюдалась ранее в спектрах мальной оптической щелью 0.13 eV похож на спектр поглощения этого образца [4]. В области энергий монокристалла La0.9Sr0.1MnO3 (рис. 1), а спектр полиE 0.17 eV для образца с x = 0.1 наблюдается микристалла La0.67Ca0.33MnO3 подобен спектру монокринимум проводимости, а затем opt растет вплоть до сталла La0.8Sr0.2MnO3 в парамагнитной области. Известмаксимума полосы при 1.5 eV. Отметим, что полоно, что стехиометрический LaMnO3 является антифержение максимума полосы точно определено лишь для ромагнетиком с температурой Нееля 141 K [8]. То, что пленок La0.7Sr0.3MnO3, рассматриваемых ниже (рис. 4);

исследованный образец LaMnO3 — ферромагнетик, свидля остальных образцов положение максимума может детельствует об отклонении от стехиометрии (наличии отличаться на ±0.2 eV из-за погрешности в определении ионов Mn4+).

opt на высокоэнергетической границе интервала измеКак видно из спектров opt(E) монокристалла рений. Вид спектра позволяет сделать вывод, что для La0.7Sr0.3MnO3 и особенно из спектров поликристаллов состава с x = 0.1 минимальная оптическая щель состаLa0.67Ba0.33MnO3 и La0.7Sr0.3MnO3, в области ферровляет 0.17 eV. Увеличение концентрации ионов Sr до магнитного упорядочения вблизи фононного спектра x = 0.2 приводит в парамагнитной области температур имеется сильный рост проводимости, характерный для к исчезновению щели и уменьшению интенсивности свободных носителей. Рассчитанная методом Крамерса– полосы при 1.5 eV. В ферромагнитной области для Кронига для монокристаллов La1-xSrxMnO3 в феррообразцов с x = 0.2 и x = 0.3 происходит заполмагнитной области действительная часть диэлектриченение оптической щели. Величина opt вблизи полосы ской проницаемости 1 обращается в нуль при энерпри 1.5 eV для монокристалла с x = 0.2 при переходе гии 0.173 eV для состава с x = 0.3 и при 0.135 eV для из парамагнитной в ферромагнитную область (кривые и 3) уменьшается. x = 0.2. При меньших энергиях вклад свободных носиРис. 3 демонстрирует влияние замещения ионов La телей становится преобладающим. Отсутствие в спектре различными двухвалентными ионами (Ca2+, Ba2+, Sr2+) opt для состава x = 0.2 заметного вклада свободных Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 478 Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, В.Е. Архипов, С.В. Окатов, С.В. Наумов, И.Б. Смоляк...

Рис. 3. Спектры оптической проводимости поликристаллов: 1 — LaMnO3, 2 — La0.67Ca0.33MnO3, 3 — La0.7Sr0.3MnO3, 4 —La0.67Ba0.33MnO3. На вставке — зависимость обратной оптической проводимости от квадрата частоты света для La0.67Ba0.33MnO3.

Рис. 4. Спектры поглощения пленок La0.7Sr0.3MnO3 № 1 (1, 2) и № 2 (3, 4) при двух температурах: 1, 3 — T = 293 K, 2, 4 — T = 80 K. На вставке — температурная зависимость интенсивности света, прошедшего через пленку № 1 при энергии 0.5 eV в магнитном поле 1 T и без поля.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Носители заряда в спектрах оптической проводимости манганитов лантана носителей связано с тем, что он попадает в область Величина обнаруженной нами оптической щели в нефононного спектра. стехиометрическом поликристалле LaMnO3 ( 0.13 eV) и в слаболегированном монокристалле ( 0.17 eV) согСпектры поглощения пленок № 1 и № 2, измеренные ласуется с результатами расчета электронной структуры при температурах 80 и 293 K, представлены на рис. 4.

Они согласуются со спектральными зависимостями opt LaMnO3, которые дают минимальную ширину запрещенной зоны 0.2eV [10]. В большинстве работ по монокристаллов (рис. 1). Спектр пленки № 1 (частично расчетам зонной структуры [10,11], а также в работе [12], аморфизированной), имеющей полупроводниковый темв которой приводятся экспериментальные оптические пературный ход электросопротивления во всем темпеспектры LaMnO3 и CaMnO3, указывается на то, что ратурном диапазоне, похож на спектр монокристалла первым по энергии переходом с переносом заряда в La0.9Sr0.1MnO3. Минимальная оптическая щель для LaMnO3 является непрямой переход из заполненнопленки № 1 составляет 0.2 eV. При охлаждении этой го e1 в пустое состояние e2, где состояния e1 и eпленки ниже Tc (кривая 2) край основной полосы погло- g g g g принадлежат расщепленной ян-теллеровским взаимодейщения сдвигается в сторону меньших энергий, т. е. имеет ствием eg-зоне ионов Mn3+. Такой электродипольный место так называемый ”красный” сдвиг края поглощения, d-d переход возможен из-за гибридизации eg-состояний характерный для магнитных полупроводников [9]. ИменMn с O2p-состояниями кислорода, его интенсивность, но такое поведение спектра наблюдалось для слаболегиоднако, значительно меньше, чем интенсивность p-d-перованного монокристалла La0.9Sr0.1MnO3 [4], в котором реходов, наблюдающихся при больших энергиях. Полополупроводниковый ход сопротивления наблюдался во жение максимума полосы поглощения (оптической провсем температурном диапазоне, за исключением узкой водимости) соответствует расстоянию между центрами области вблизи Tc, где на температурной зависимости сотяжести уровней e1 и e2 и составляет для LaMnOg g противления наблюдалась аномалия. Как видно из спекпо расчетам 1.5 eV [12]. Экспериментальные данные тров поглощения пленки № 2 (кривые 3 и 4), имеющей по положению максимума полосы и по величине миметаллических ход сопротивления в ферромагнитной нимальной оптической щели для LaMnO3 существенно области, при переходе в ферромагнитную область значиотличаются [12,13], по-видимому, из-за различного оттельно увеличивается поглощение в области низкоэнерклонения от стехиометрии. Наблюдаемую оптическую гетического края полосы и вблизи фононного спектра. В щель в нелегированном и слаболегированном LaMnOрезультате такого роста поглощения максимум полосы трудно отождествить с переходом между состояниями, при 1.5 eV оказывается смещенным в сторону меньших соответствующими определенным точкам зоны Бриллюэнергий.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.