WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

нитный фазовый переход при одной и той же темпеИсследовалась полевая и температурная зависимости ратуре TC1 = 460 K. Данная величина температуры TCнамагниченности. Согласно теории Нееля [7], намагнисоответствует фазовому переходу внутри СП областей ченность ансамбля СП частиц описывается выражением µH kT I(T ) =ISV cth -, (4) kT µH где IS — спонтанная намагниченность при температуре T = 0K, V — средний объем СП области. Полагая, что IS не зависит от объема области, можно разложить гиперболический котангенс в ряд, тогда получим VH I = I2 при µH kT, (5) S 3kT kT I = Is 1 - при µH kT. (6) ISVH Здесь µ = µ = ISV есть средний магнитный момент СП области. По температурным зависимостям намагниченности в соответствии с выражением (6) можно определить средний объем СП областей и их магнитный момент µ. Если образец поляризован не полностью, то для определения величины намагниченности IS(T ) необходимо учитывать, какую часть объема образца занимают СП области.

На рис. 5 приведены зависимости намагниченности GaAs от напряженности магнитного поля (образец в таблице) при двух различных температурах. Сплошные Рис. 5. Зависимости намагниченности GaAs Fe от напряженкривые — расчет по формуле Ланжевена (4). Полености магнитного поля при различных температурах. Обравые зависимости намагниченности явно указывают на зец 2 из таблицы.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Эффекты магнитного упорядочения в сильно легированных кристаллах GaAs Fe и хорошо согласуется с ее теоретическим значением, полученным по простой теории молекулярного поля [7]:

TC1 = 2ZJ0S(S + 1). Если использовать величину обменного интеграла J0, определенную в экспериментах по ЭПР |J0| = 8.3см-1, то экспериментальное значение TC1 = 460 K получается при числе ближайших соседей Z = 6. Это свидетельствует о заметной корреляции в расположении магнитных атомов в СП областях.

4. Исследование примесного ферромагнетизма Повышение концентрации магнитной примеси должно на определенном этапе привести к появлению взаимодействия между теми магнитными атомами, которые не вошли в СП области. Прямым подтверждением этого предположения явились эксперименты ЯМР по измерению собственных магнитных полей на ядрах основной решетки [4]. В кристаллах GaAs Fe при концентрации железа nFe = 1018 см-3 наблюдалось уменьшение сигРис. 6. Температурные зависимости интенсивности сигналов нала ЯМР ядер Ga и As на величину порядка 0.1%.

ЯМР (кривая 1) и ЭПР (кривая 2).

В кристаллах с концентрацией nFe = 6 · 1020 см-3 сигнал ЯМР на резонансных частотах Ga и As не наблюдался. Оценка величины магнитных полей показала, что в случае равномерно распределенной примеси резко падает при ее дальнейшем понижении. Увеличение на ядрах основной решетки существуют наведенные интенсивности сигнала ЯМР при понижении температумагнитные поля порядка 10 Э, что свидетельствует о ры в области T > 60 K, по-видимому, обусловлено тем, наличии магнитного упорядочения в материале. Можно что в образце протекают два конкурирующих процесса.

предположить, что магнитная упорядоченность всего Во-первых, поляризация магнитных моментов ядер Ga кристалла обусловлена примесными атомами железа, во внешнем магнитном поле, приводящая к росту сигнане вошедшими в СП области. Таким образом, должен ла в соответствии с законом Кюри. Во-вторых, за счет существовать второй, низкотемпературный, фазовый пе- роста магнитного момента СП областей. Вследствие мореход в магнитоупорядоченное состояние. При этом нотонного увеличения намагниченности кристалла все второй ФМ переход будет происходить в области низких большее число ядер основной решетки оказывается в температур (TC2 < TC1) в силу малой концентрации и области действия внутреннего неоднородного магнитслучайного распределения примесных атомов, т. е. иметь ного поля. Резкий спад интенсивности сигнала ЯМР перколяционную природу. при T < 60 K свидетельствует о полной поляризации Экспериментальное обнаружение второго фазового кристалла.

перехода могло бы служить основанием для исполь- Однако исследования ЯМР не отвечают на вопрос — зования представлений о ферромагнетизме полупро- обусловлен ли переход магнитным взаимодействием водников типа AIIIBV. Обнаружение второго фазового между СП областями или атомами Fe, распределенными перехода проводилось на кристаллах GaAs с концентра- между ними. Для того чтобы ответить на этот вопрос, цией железа nFe =(1-6) · 1020 см-3. На этих образцах была исследована температурная зависимость сигнала проводились исследования температурной зависимости ЭПР, которая приведена на рис. 6. Спектры ЭПР образинтенсивности сигнала ЯМР ядер Ga и сигнала ЭПР цов GaAs Fe с концентрацией Fe nFe 1020 см-3 имели для Fe(3d5). По данным ЯМР, области спонтанной вид, аналогичный спектрам рис. 2. Как указывалось выполяризации занимали от 10 до 75% от полного объема ше, они состоят из широкой линии неправильной формы образца. Если существует такая температура TC2, ниже в области малых магнитных полей, обусловленной резокоторой образец полностью поляризуется, то сигнал нансом обменно-связанных 3d-центров в СП областях, ЯМР основной решетки должен значительно уменьшить- и линий тонкой структуры одиночных центров желеся при T < TC2 вследствие сдвига и уширения линии за (Fe3+), расположенных между СП областями. При ЯМР в неоднородном внутреннем магнитном поле. понижении температуры до 60 K происходит уширение Результаты исследования температурной зависимости линии ЭПР в слабых полях и, как следствие, уменьшеинтенсивности ЯМР ядер Ga приведены на рис. 6. ние ее интенсивности. При этом сигнал ЭПР одиночных Из рисунка видно, что интенсивность линии ЯМР мало центров возрастает. Дальнейшее понижение темпераизменяется при понижении температуры от комнатной туры приводит к резкому уменьшению интенсивности до 100 K, затем резко возрастает при T = 60 K и также ЭПР одиночных центров и увеличению интенсивности Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 526 Б.П. Попов, В.К. Соболевский, Е.Г. Апушкинский, В.П. Савельев широкой линии. Это свидетельствует о существовании Из выражения (10) видно, что температура ФМ перехода второго магнитного фазового перехода при T 60 K. порядка энергии взаимодействия центров, находящихся В случае неравномерного распределения СП областей на расстоянии порядка среднего rC n-1/3. Следует отпо размерам и, следовательно, по величинам магнитных метить, что эта энергия отличается от средней энергии моментов изменение интенсивности сигнала ЭПР оди- взаимодействия, которая пропорциональна концентраночных центров с температурой должно иметь плавный ции центров n.

характер. Это связано с тем, что в область внутреннего Полагая, что среднее число 3d-центров, энергия взамагнитного поля СП областей прежде всего будут имодействия которых с данным центром порядка kTC, попадать центры, расположенные между областями с равно числу ближайших соседей Z = 3; спин магнитного большими магнитными моментами, затем с меньшими центра S = 5/2; среднее расстояние между центрами моментами и т. д. Фазовый переход в случае непосредrC = n-1/3, значение обменного интеграла, полученFe ственного взаимодействия СП областей [8] должен быть ное при исследовании ЭПР обменно-связанных пар, размытым, что экспериментально не наблюдалось. Из J0 = 8.3см-1 с радиусом потенциала R = 5, получаем рис. 5 видно, что при понижении температуры до 60 K температуру второго ФМ перехода: TC2 = 20-60 K для интенсивность сигнала ЭПР железа Fe3+ увеличивается, концентраций атомов железа nFe = 2 · 1020-6 · 1020 см-3.

а затем при T > 60 K падает. Резкое изменение сигнала ЭПР, экспериментально наблюдаемое при температуре ниже 60 K, можно объяснить взаимодействием, кото- 5. Заключение рое осуществляется между атомами железа, хаотически Сильно легированные кристаллы GaAs Fe можно распределенными между СП областями.

рассматривать как двухфазную систему. Одна фаза предПредставления, основанные на теории протекания в неупорядоченных системах [9,10], позволяют оце- ставляет собой СП области, в которых имеет место нить температуру второго ФМ фазового перехода. Рас- заметная корреляция в расположении атомов железа смотрим систему случайно распределенных 3d-цент- с температурой Кюри TC1 = 460 K. Ко второй фазе ров, взаимодействие которых описывается гамильтони- следует отнести атомы железа, распределенные между аном (1) с потенциалом обменного взаимодействия, СП областями и представляющие неупорядоченную магэкспоненциально спадающим с расстоянием r: нитную систему с температурой перехода в ФМ состояние TC2 = 60 K. Таким образом, в интервале температур U(r) =U0 exp(-r/R), (8) TC2 < T < TC1 сильно легированные кристаллы арсенида галлия находятся в СП состоянии. При T = TC2 имеет где место переход, обусловленный взаимодействием приU0 = J0S(S + 1), месных атомов Fe, хаотически распределенных между R, как и в (1), определяет радиус потенциала параСП областями.

магнитных ионов. Введем длину r(T ), определяемую равенством U(r) =kT, т. е.

Список литературы Ur(T ) =R ln. (9) kT [1] Н.П. Ильин, А.Э. Васильев, В.Ф. Мастеров. ФТП, 20, (1992).

В силу экспоненциальной зависимости обменной энер[2] B.P. Popov, D. Bois. Telecom, No 78, 29 (1991).

гии от r все магнитные моменты одиночных центров, [3] В.В. Исаев-Иванов, Н.И. Колчанова, В.Ф. Мастеров, расстояние между которыми меньше r(T ), можно счиД.Н. Наследов, Г.Н. Талалакин. ФТП, 7, 414 (1973).

тать при данной температуре ориентированными парал[4] В.П. Маслов, В.Ф. Мастеров, Д.Н. Наследов, Г.Н. Талалалельно. Моменты, удаленные на расстояние r > r(T ), кин. ФТТ, 17, 2149 (1975).

можно считать нескоррелированными. Система ферро[5] В.Ф. Мастеров, Б.П. Попов. ФТП, 12, 404 (1978).

магнитна, если связанные магнитные центры образуют [6] А. Абрагам, Б. Блини. Электронный парамагнитный бесконечный кластер. Таким образом, определение темрезонанс переходных ионов (М., Мир, 1972).

пературы Кюри сводится к геометрической задаче. Это [7] Р. Уайт. Квантовая теория магнетизма (М., Мир, одна из задач теории протекания, так называемая конти1985).

нуальная задача. Согласно [11], критическое значение r0 [8] Р.С. Исхаков, Г.И. Фролов, В.С. Жигалов, Д.Е. Прокофьев.

равно Письма ЖТФ, 30, 51 (2004).

[9] И.Я. Коренблит, Е.Ф. Шендер. УФН, 126, 233 (1978).

r0 = 0.87 n-1/3 = 0.87 rC, [10] Б.П. Попов, В.П. Маслов. Матер. Всес. конф. по физике где n — концентрация магнитных центров. Температура соединений A3B5 (Л., 1978) с. 37.

ферромагнитного перехода определяется из условия:

[11] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства r(T ) =r0 или с учетом (9) имеем легированных полупроводников (М., Наука, 1979).

0.87rC Редактор Т.А. Полянская TC = J0ZS(S + 1) exp -. (10) R Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Эффекты магнитного упорядочения в сильно легированных кристаллах GaAs Fe Effects of the magnetic ordering in overdoped GaAs Fe crystals B.P. Popov, V.K. Sobolevsky, E.G. Apushkinsky, V.P. Saveliev St. Petersburg Polytechnical University, 195251 St. Petersburg, Russia

Abstract

The research was done according to the RPE method and focused on the exchange interaction between iron centers in crystals of gallium arsenide. The work presents the results of the research on superparamagnetic fields with the temperature of transition into ferromagnetic state at TC1 = 460 K. The research shows the presence of impurity ferromagnetism in GaAs Fe with the transition temperature of TC2 = 60 K in a disordered system of iron centers lying outside superparamagnetic fields.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.

Pages:     | 1 ||



© 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.