WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Эффекты магнитного упорядочения в сильно легированных кристаллах GaAs Fe © Б.П. Попов¶, В.К. Соболевский, Е.Г. Апушкинский, В.П. Савельев Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 6 сентября 2004 г. Принята к печати 15 сентября 2004 г.) Методом электронного магнитного резонанса исследованы обменные взаимодействия центров Fe в кристаллах GaAs. Проанализированы переходы в суперпарамагнитное состояние и в область примесного ферромагнетизма. Приведены результаты исследования системы однодоменных магнитоупорядоченных областей в GaAs Fe с температурой перехода в ферромагнитное состояние при TC1 = 460 K. Показано существование в кристаллах GaAs Fe примесного ферромагнетизма с температурой перехода TC2 = 60 K в неупорядоченной системе центров Fe, хаотически распределенных между супермагнитными областями.

1. Введение объема образца. Варьирование условий выращивания и легирования позволило получить кристаллы GaAs Fe Отличительными особенностями элементов переход- с концентрацией железа nFe =(1018-1020) см-3 [3,4], ной группы железа являются наличие большого магнит- имеющие аномально большие значения магнитной ного момента незаполненной 3d-оболочки и образование восприимчивости ( 10-3). Была определена темпеглубоких энергетических состояний в запрещенной зоне ратура ферромагнитного (ФМ) фазового перехода этих полупроводников, волновые функции которых делокали- образцов по исследованию температурной зависимости зованы на атомах основной решетки в пределах 2-3 ко- статической магнитной восприимчивости [3]. На рис. 1 ординационных сфер [1]. Значительная делокализация приведены температурные зависимости производной 3d-электронов предполагает возможность образования магнитной восприимчивости d/dT. Для парамагнитразличного рода кластеров 3d-элементов. Об этом свиде- ного и ферромагнитного образцов, т. е. независимо тельствуют данные, получаемые при изучении спектров от концентрации Fe, наблюдался магнитный фазовый электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), напри- переход при одной и той же температуре TC1 = 460 K.

мер сдвиги величин g-факторов, большая ширина линий В работах [3,4] исследовались магнитные фазовые пеи т. д. [1,2]. Кластеры из 3d-центров должны обладать реходы в системах Fe-Ga и Fe-As и было показано, что ни „гигантскими“ магнитными моментами и могут при- одно из этих соединений не дает фазового перехода при давать материалу уникальные свойства. Практическая температуре T = 460 K. Из соединений Fe с Ga феррозначимость и научная новизна таких материалов опре- магнетизмом обладает соединение Fe8Ga11 с температурой фазового перехода TC = 750 K. Среди соединений Fe деляется тем, что их магнитными свойствами можно с As: Fe2As имеет антиферромагнитное (АМ) упоряуправлять путем вариации размеров и концентрации магнитных кластеров при высоком удельном сопротив- дочение с температурой Кюри TC = 850 K и FeAs — ферромагнитное с температурой перехода TC = 130 K.

лении.

В связи с этим было высказано предположение [3,5], что Впервые исследование аномальных магнитных в сильно легированных кристаллах GaAs Fe возможсвойств в GaAs было предпринято в работах Наследова но образование однодоменных магнитоупорядоченных и Мастерова с соавт. [3–5]. Долгое время существовала областей (суперпарамагнитных областей), в которых задача определения состояния примесного железа в обменное взаимодействие осуществляется через атомы сильно легированном GaAs. Предельная раствориосновной решетки.

мость Fe в этой матрице составляет величину порядка Цель данной работы заключалась в изучении взаи1018 см-3. В связи с этим при исследовании образцов с модействий примесных центров железа в диамагнитной повышенной концентрацией Fe полагали, что образование областей магнитного порядка в соединениях AIIIBV матрице GaAs и исследовании магнитных свойств супермагнитных областей.

связано с химическими соединениями второй (магнитной) фазы. В этом случае к комплексообразованию должны быть склонны те атомы примеси, которые спо2. Исследование собны образовывать химические соединения с атомами обменно-связанных пар основной решетки (FeAs, FeGa). Сильно легированные образцы GaAs подвергались рентгеноструктурному анаДля выяснения природы магнитного взаимодействия лизу и показали совершенную структуру кристалла. По атомов железа и определения значений постоянных данным анализа, в образцах обнаруживались вкрапления взаимодействия примесных центров были исследовавторой фазы, но их общий объем не превышал 1% от ны обменно-связанные пары Fe в кристаллах GaAs.

¶ E-mail: popov@tuexph.stu.neva.ru Методом ЭПР исследовались кристаллы GaAs Fe с 522 Б.П. Попов, В.К. Соболевский, Е.Г. Апушкинский, В.П. Савельев гамильтониана пары можно представить в виде [6]:

H = gHS + JSASB + D S2 - SAx By B + (SASB - 3SAz SBz ), (1) где S = SA + SB, D и B — параметры спинового гамильтониана, учитывающие анизотропию обменного взаимодействия, — магнетон Бора, H —вектор напряженРис. 1. Температурные зависимости производной магнитной восприимчивости d/dT кристаллов GaAs Fe. nFe, 1019 см-3:

1 — 10, 2 —1, 3 —0.1.

концентрацией железа nFe = 3 · 1018-1019 см-3. Образцы были получены методом направленной кристаллизации с последовательным разбавлением примеси и зонным выравниванием примеси по кристаллу [3,4]. Характерный спектр ЭПР на частоте 9.6 ГГц (X-диапазон) приведен на рис. 2. Спектр ЭПР при температуре T 100 K состоит из широкой линии, обусловленной группами взаимодействующих магнитных центров, и спектра тонкой структуры одиночных атомов Fe. При понижении Рис. 2. Спектры ЭПР обменно-связанных пар Fe-Fe в температуры интенсивность широкой линии падает и X-диапазоне при различных температурах (указаны на рисунраспадается на ряд узких резонансных пиков. В области ке) образцов GaAs Fe с nFe = 3 · 1018 см-3.

магнитных полей с g 2 сохраняется спектр одиночных центров и появляется спектр обменно-связанных пар железа. Совпадение центров линий расщепления в слабых полях с центром линии одиночных атомов железа позволяет интерпретировать переходы в слабых полях как запрещенные переходы с m = 2 и m = 3. Исследования, проведенные в X-диапазоне СВЧ, показали, что спектр ЭПР обменно-связанных пар не позволяет идентифицировать отдельные переходы из-за их слабого разрешения. Таким образом, невозможно определить величину обменного интеграла из температурной зависимости спектра ЭПР в этом частотном диапазоне.

В связи с этим были проведены измерения ЭПР на частоте 28 ГГц (Q-диапазон) [5]. Спектр тех же образцов на частоте 28 ГГц при комнатной температуре имел вид, аналогичный приведенному на рис. 2. При понижении температуры ниже 100 K, кроме линий тонкой структуры одиночных центров железа, появляются линии, обусловленные обменно-связанными парами магнитных центров с полным спином S = 5, спектр ЭПР которых Рис. 3. Спектры ЭПР обменно-связанных пар Fe-Fe приведен на рис. 3.

в Q-диапазоне при T = 77 K образца GaAs Fe с Линию связи двух ближайших атомов железа A nFe = 3 · 1018 см-3. На вставке — температурная зависимость и B, замещающих узлы в галлиевой подрешетке GaAs, интенсивности сигнала IS от пар соседних магнитных центров т. е. ось 011, примем за ось z. Тогда для случая при S = 5 и J < 0. I0 — максимальное экспериментальное сильного обменного взаимодействия спиновую часть значение IS.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Эффекты магнитного упорядочения в сильно легированных кристаллах GaAs Fe ности магнитного поля. Обменный интеграл J отрицателен (J < 0) в случае ферромагнитного взаимодействия.

Величина B определяет угловую зависимость спектра и равна B = g22R-3(3cos2 - 1), где R — размер пары атомов AB, g — фактор спектроскопического расщепления для пары AB, — угол между осью пары AB и направлением H.

Из угловой зависимости спектра ЭПР определяется постоянная B и, следовательно, расстояние между ближайшими атомами Fe. Размер пары оказался равным R =(5 ± 1). При параметре решетки арсенида галлия, равном 5.65, полученное расстояние соответствует структуре: Fe-As-Ga-As-Fe. При исследовании одиночных центров железа было показано [1–3], что волновая Рис. 4. Спектр ЭПР образца GaAs с концентрацией Fe функция 3d-электронов делокализована по крайней мере 1020 см-3 в X-диапазоне.

на атомах двух координационных сфер. Таким образом, на атоме Ga происходит перекрытие волновых функций d-электронов двух соседних магнитных центров, что приводит к возникновению косвенного ФМ взаимодейи соответствующими векторами µ и H. Выше опредествия.

ленной температуры ансамбль однодоменных областей Величина обменного интеграла J определялась из исведет себя подобно газу парамагнитных молекул с следования температурной зависимости интенсивности большим магнитным моментом µ. При этом одни и сигнала ЭПР (см. вставку на рис. 3). В соответствии те же области в сильных магнитных полях должны с [6] интенсивность резонансной линии пропорциональвести себя как парамагнитные при достаточно высоких на произведению вероятности перехода температурах и как ферромагнитные при более низких температурах. Время релаксации определяется вероWS = M|S|M + 1, (2) ятностями перехода между двумя равновесными ори ентациями магнитного момента. Вероятность перехода где M и M + 1 — состояния с магнитными квантозависит как от энергии анизотропии KanisV, так и от выми числами M и M + 1, и заселенности обменного энергии СП области в магнитном поле µH. Следовауровня JS(S+1) тельно, при наличии СП областей спектры ЭПР должны exp 2kT существенно отличаться при измерениях на различных PS =. (3) JS(S+1) частотах. Одни и те же намагниченные области ведут (2S + 1) exp 2kT себя как СП на низких частотах ( f < 1/ ) и как ФМ Сравнение (2) и (3) с экспериментальными результатапри высоких частотах ( f > 1/ ).

ми позволило определить характер обменного взаимоМетодом ЭПР на частотах fX = 9.6 ГГц и fQ = 28 ГГц действия как ферромагнитное с величиной обменного исследовались образцы GaAs с концентрацией железа интеграла J = J0 = -8.3см-1.

nFe = 1020 см-3. На частоте 9.6 ГГц ( fX < 1/ ) спектр ЭПР (рис. 4) состоял из большого числа линий тон3. Исследование суперпарамагнетизма кой структуры, обусловленной возможными проекциями полного магнитного момента СП области на направв кристаллах GaAs ление магнитного поля. На частоте 28 ГГц ( fQ > 1 ) При более высоких уровнях легирования железом этот спектр исчезал, появлялась широкая линия и (n 1020 см-3) наблюдалось образование макроскопи- спектр одиночных центров Fe3+, состоящий из 5 линий ческих областей однородной намагниченности [2,3]. Как тонкой структуры. Большое число линий в спектре известно [7], переход в супермагнитное (СП) состояние ЭПР на частоте 9.6 ГГц и их малая ширина указываимеет место в магнитных системах из однодоменных ют на достаточно равномерное распределение примеси ферромагнитных областей, когда термические флукту- в СП областях. Такое специфическое поведение спекации превышают порог перемагничивания, задаваемый тров ЭПР на различных частотах, а также отсутствие магнитной анизотропией. Энергию одноосной однородно сигнала ЭПР-поглощения в нулевом магнитном поле намагниченной области можно записать в виде [7] характерно для суперпарамагнетика [6,7]. По спектрам ЭПР были оценены: число магнитных атомов в облаE = KanisV sin2 - µH cos( - ), стях NFe 25, среднее расстояние между магнитными где Kanis — константа анизотропии, V —объемобласти, центрами r 10, а также нижняя граница параметра и — углы между осью легчайшего намагничивания < 4 · 10-11 с.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 524 Б.П. Попов, В.К. Соболевский, Е.Г. Апушкинский, В.П. Савельев Параметры суперпарамагнитных областей СП свойства образца. Выбирая значения намагниченности I1 = 0.47 Э при T1 = 4K и I2 = 0.44 Э при T2 = 10 K Обра- nFe в образце, V /V0, IS(0), V, nFe по области, и преобразуя выражение (6) к виду зец 1020 см-3 % Э 1018 см-3 1020 см-k(I1T2 - I2T1) 1 2 10 32 0.24 5. µ = ISV =, (7) 2 3 25 32 0.96 5.7 H(I1 - I2) 3 4 75 32 2.5 5.получим величину среднего магнитного момента СП 4 6 100 33 9.1 5.области при T 0K: µ 1.4 · 10-18 эрг/Э. Используя Примечание. V — объем супермагнитных областей, V0 — объем значения IS, полученные при T = 4K (рис. 5), и веобразца, IS(0) — спонтанная намагниченность при T = 0K.

личину поляризованной части объема образца 2 из экспериментов по ЯМР V /V0 = 0.25, находим намагниченность СП области IS(0) =32 Э. Параметры областей Для изучения параметров СП областей исслеспонтанной намагниченности для кристаллов GaAs Fe довались образцы GaAs с концентрациями железа с различным уровнем легирования приведены в таблице.

2 · 1020 < nFe < 6 · 1020 см-3. Из измерений ядерного При определении концентрации атомов железа в СП обмагнитного резонанса на ядрах Ga и As было усталастях значение намагниченности экстраполировалось к новлено, что относительный объем V /V0, занимаемый температуре T = 0 K, значение g-фактора бралось равобластями спонтанной намагниченности в кристаллах, ным 2.04, соответствующее одиночным центрам железа.

составлял от 10 до 100% (см. таблицу). В ходе исСравнение параметров СП областей позволяет сдеследований был проведен микрорентгеновский анализ лать вывод о том, что при повышении содержания образцов, позволивший локализовать области кристалла магнитной примеси в образце происходит увеличение с включением второй фазы. Эти области удалялись из среднего размера областей без существенного изменеобразцов. Затем вновь проводили исследования ЭПР.

ния их магнитной природы. Этот вывод подтверждается Полученные спектры ЭПР были аналогичны спектрам, также исследованиями температурной зависимости проприведенным на рис. 3. Это позволяет заключить, что изводной магнитной восприимчивости d/dT = f (T ), линейные размеры областей, определяющих появление выполненными для образцов с различной концентрацией широкой линии в спектре ЭПР, меньше 100 (предел железа (рис. 1). Для всех образцов наблюдался магразрешения рентгеновского анализа).

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.