WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Особенности проявления магниторезистивных эффектов в магнитозависимом микроволновом поглощении вырожденного n-InAs © А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Г. Бискупски Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Университет науки и технологии г. Лилля, Франция (Получена 22 июля 1997 г. Принята к печати 18 ноября 1997 г.) С помощью магнитозависимого микроволнового поглощения с использованием метода электронного парамагнитного резонанса исследованы магниторезистивные эффекты в сильно легированном n-InAs. Показано, что эти эффекты сводятся к отрицательному, положительному и осциллирующему (эффекту Шубникова– де-Гааза) магнитосопротивлению. Если в последних двух случаях экспериментальные данные согласуются с предсказаниями теории, то в случае отрицательного магнитосопротивления обнаружены особенности, интерпретации которых встречает затруднения: это прежде всего отсутствие эффекта в области очень малых полей, много меньших характеристического поля H в теории квантовых поправок, а также следующая из температурных и, в какой-то степени, магнитополевых зависимостей двумерность исследуемых объемных образцов в полях, много больших H.

1. Введение Заметим, что эксперименты по исследованию магниторезистивных эффектов в полупроводниках проводятся Изменение микроволнового поглощения в магнитном в основном на постоянном токе. Поэтому интересно поле в твердых телах может быть обусловлено самыми выяснить, какие особенности этих явлений проявляютразличными явлениями. Главные из них рассмотрены ся на сверхвысоких частотах, когда начинает сказыв [1], где отмечено, что в полупроводниках за магнитоваться скин-эффект. В этом случае всякое изменение полевую зависимость поглощения в основном отвечает сопротивления в магнитном поле проявляется через магниторезистивный эффект. Он проявляется в том, что изменение микроволнового поглощения, и для регистрав слабом магнитном поле сопротивление полупроводниции последнего может быть использована техника ЭПР ка увеличивается пропорционально квадрату прило(электронный парамагнитный резонанс) спектроскопии.

женного магнитного поля H:

Эта техника получила распространение для исследования магнитозависимого микроволнового поглощения в = 0 + H2, (1) сверхпроводниках [5], а также для поиска новых сверхпроводящих фаз в несверхпроводящих матрицах [1]. Выгде — коэффициент пропорциональности. В вырожденполненные в [1,5] эксперименты показали, в частности, ных полупроводниках в достаточно сильных магнитных высокую чувствительность такой техники к изменению полях наблюдаются осцилляции магнитосопротивления, микроволнового поглощения в материалах с высокой имеющие квантовую природу. Это известный эффект проводимостью.

Шубникова–де-Гааза. С его помощью можно, например, В связи с этим в настоящей работе ставилась задача:

довольно точно определить положение уровня Ферми в на примере вырожденного n-InAs выявить особенности вырожденном полупроводнике.

магниторезистивных эффектов и, в частности, ОМС на Гораздо более загадочным долгое время оставался сверхвысоких частотах и показать возможность эффекэффект отрицательного магнитосопротивления (ОМС).

тивного использования техники ЭПР спектроскопии [6] Он наблюдается при низких температурах, в частности, для этих исследований.

в сильно легированных полупроводниках и изучается экспериментально с конца 50-х годов, в том числе и в InAs [2]. В начале 80-х годов были разработаны тео2. Методика эксперимента ретические представления об этом явлении, основанные на квантовых свойствах носителей заряда в неупорядоченных проводниках (см. [3]). Последовательное сопо- Высокая чувствительность техники ЭПР спектроставление этой теории, названной ”теорией квантовых скопии к магниторезистивным эффектам в низкоомпоправок”, с огромным экспериментальным материалом, ных материалах обусловлена рядом ее методических и накопленным к концу 80-х годов, позволило сделать конструктивных особенностей. Во-первых, исследуемый заключение о том, что эта теория представляет собой образец помещается в пучность магнитного микроволмодель, с достаточной полнотой отражающую основные нового поля объемного резонатора, поэтому последний особенности наблюдаемых явлений [4], в частности их сохраняет высокую добротность. Во-вторых, регистрирутемпературную и магнитополевую зависимости. ется не само поглощение микроволновой мощности, а 558 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Г. Бискупски его производная по магнитному полю. Это позволяет от- месте нахождения образца. На датчик магнитного поля делить магниточувствительное микроволновое поглоще- это противополе не действовало. Температуру образца ние от той его части, которая не зависит от магнитного можно было поддерживать с хорошей точностью (0.1 K) поля, и регистрировать только первую из них, а также в диапазоне температур от 3 до 300 K, изменяя гелиевый использовать для усиления сигнала узкополосный усили- поток через криостат. Для записи производной микроволтель, что существенно повышает отношение сигнал/шум. нового поглощения на медленно меняющееся магнитное Достоинством ЭПР техники является и то, что в поле накладывалось переменное поле с частотой 105 Гц ЭПР спектроскопии используются магниты с высокой и амплитудой 1 Э.

однородностью магнитного поля и системы управления Измерения проводились на ”металлических” образцах этим полем, позволяющие устанавливать величину поля InAs n-типа с концентрацией носителей 5.5 · 1016 см-3, и поддерживать его значение с точностью до 4-х знаков.

подвижостью порядка 20000 см2/В · с и удельным сопроРазвертка магнитного поля осуществляется автоматиче- тивлением 6 · 10-3 Ом · см при 300 K. Эксперимент проски, что позволяет производить измерения зависимости водился следующим образом. Образец полупроводника производной микроволнового поглощения по магнит- с размерами 0.8 3.5 9мм3 помещался в криостат, ному полю dP/dH от магнитного поля H с высокой расположенный в резонаторе в пучности магнитного точностью, фиксируя как магнитное поле, так и величину поля, охлаждался до необходимой температуры, после производной.

чего производилась запись зависимости dP/dH от H.

В то же время использование микроволнового поля При этом магнитное поле увеличивалось от -50 Э до приводит к некоторым особенностям эффекта по сравне- необходимого положительного значения за 4 или 8 мин.

нию с измерениями сопротивления образца постоянному току. Эти особенности определяются скин-эффектом, в результате которого микроволновое поле проникает 3. Экспериментальные результаты лишь на небольшую глубину в образец, и изменение микроволнового поглощения определяется изменением На рис. 1 изображены зависимости dP/dH от магнитсопротивления в узком приповерхностном слое, где ного поля при его изменении от -50 Э до 15 кЭ при разна измеряемый эффект может оказывать существенное личных температурах. Поскольку мы имеем дело с низковлияние состояние поверхности образца. Это требует омным материалом, сигнал dP/dH dR/dH d/dH.

особого внимания к состоянию поверхности. Из рисунка видно, что отрицательная производная магПроблема использования ЭПР спектроскопии для по- нетосопротивления наблюдается только в достаточно добных измерений состоит в том, что при этом весь- слабых полях ( 100 Э), а в более сильных полях ма непросто измерить абсолютное значение изменения производная магнетосопротивления становится положисопротивления образца. Считается, что точность при тельной. Следует отметить, что на рисунке показаны этом невысока (порядка 20%) [6], и для абсолютных зависимости производной микроволнового поглощения, измерений лучше использовать другие методы. и смена знака производной не означает смены знака Следует также отметить, что сигнал, вырабатываемый эффекта. Отрицательное магнитосопротивление (ОМС) ЭПР спектрометром, определяется изменением доброт- достигает максимума в точке dP/dH = 0, а затем начиности резонатора. Для образцов с сильно различающим- нает уменьшаться и переходит в положительное в сущеся сопротивлением это изменение может даже иметь разный знак. Так, в материалах с высоким сопротивлением (много больше волнового сопротивления волновода), к которым, например, относятся диэлектрики с парамагнитными ионами, добротность резонатора уменьшается с уменьшением сопротивления R, поскольку потери минимальны при R. В материалах же с высокой проводимостью добротность уменьшается с уменьшением проводимости, так как потери минимальны при. В связи с этим в высокоомных и низкоомных материалах одинаковое по знаку изменение добротности резонатора отражает противоположные по знаку изменения проводимости образца.

Для исследований нами использовался ЭПР спекРис. 1. Производная микроволнового поглощения dP/dH в трометр E-112 фирмы ”Varian” с проточным гелиевым зависимости от магнитного поля H для сильно легированного криостатом ESR-9 фирмы ”Oxford Instruments”. Магнит монокристалла n-InAs при T, K: a —3.1, b —3.8, c — 10, спектрометра был способен изменять магнитное поле d — 20. Отсечки на оси ординат соответствуют нулевым знаH в пределах -50 Э < H < +15 кЭ. Для этого в чениям dP/dH. Цифрами над кривой a отмечены максимумы зазор электромагнита вставлялись небольшие катушки, осцилляций Шубникова–де-Гааза. В поле H 3.3кЭ на всех создающие постоянное противополе порядка 100 Э в кривых заметна фоновая линия ЭПР.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Особенности проявления магниторезистивных эффектов... ром наблюдается этот максимум, остается неизменным.

Кроме того, при повышении температуры постепенно исчезает особенность в зависимости вблизи H = (первая из вышеназванных областей).

4. Наблюдаемое отрицательное магнитосопротивление и теория квантовых поправок Сравним наши результаты по ОМС с теорией, опираясь на работы [3,4]. Заметим предварительно, что зависимости магнитосопротивления от магнитного поля и температуры в теории квантовых поправок имеют разный вид при различных механизмах возникновения этого явления: слабой локализации или интерференции электрон-электронного взаимодействия в диффузионном Рис. 2. Производная микроволнового поглощения dP/dH в и в куперовском каналах. В связи с тем что, как правило, зависимости от магнитного поля H для того же образца n-InAs, что и на рис. 1, в области отрицательного магнитосопротивле- влияние межэлектронного взаимодействия на магнитония при температурах T, K: 1 —3.1, 2 —3.8, 3 —5.7, 4 —7.5, сопротивление гораздо слабее, чем эффект слабой лока5 — 10, 6 — 15, 7 — 25.

лизации [3], мы ограничимся сводкой основных выводов для 1-го случая.

1. Характеристическое магнитное поле, в котором нарушается фазовая когерентность переносящих ток чаственно больших полях по сравнению со сменой знака стиц (что и приводит к возникновению эффекта ОМС), производной. Однако переход от зависимости, характеропределяется соотношением H/H, где ной для ОМС, к положительному магниторезистивному эффекту происходит в меньших полях и хорошо заметен c на рисунке. Он представляет собой излом на зависимости H =, (3) 4eD dP(H)/dH в поле около 100 Э. В полях H > 3500 Э при низких температурах хорошо видны осцилляции, c и e — общепринятые обозначения известных конмагнетосопротивления (эффект Шубникова–де-Гааза). С стант, D — коэффициент диффузии частиц, — время повышением температуры оба эффекта уменьшаются по релаксации (сбоя) фазы волновой функции частицы.

амплитуде.

2. Зависимость ОМС от магнитного поля оказывается Более подробно зависимости dP(H)/dH в области различной для проводящих структур разных размерноОМС показаны на рис. 2 для нескольких температур стей d. Для d = в диапазоне от 3.1 до 25 K. При низких температурах эти зависимости содержат четыре характерных области.

e2 4DeH 2(H) - 2(0) = f2, (4) В очень слабых полях H 1 Э изменение произ22 c водной мало или совсем отсутствует (наиболее низкие где температуры). Протяженность этого участка того же f2(x) =x2/24 при x 1, (5) порядка, что и амплитуда переменного магнитного поля, формирующего сигнал производной. В таких условиях f2(x) =ln x при x 1. (6) более тонкую структуру на этом участке (если она Для d = существует) определить невозможно. При дальнейшем увеличении магнитного поля от H 1 Э абсолютная 1/e2 eH 4DeH величина производной |dP/dH| увеличивается и выходит 3(H) - 3(0) = f3, (7) 22 c c на линейную зависимость от H:

где dP H. (2) f3(x) =x3/2/48 при x 1, (8) dH f3(x) =0.605 при x 1, (9) Однако область полей, в которой наблюдается такое поведение, невелика (несколько эрстед) и за ней сле- Из (4) и (5) следует, что для двумерных структур при дует участок, на котором |dp/dH| достигает максимума x d2 x (H порядка 10 Э). При дальнейшем увеличении поля H, (10) dH |dP/dH| начинает уменьшаться, приближаясь к нулю сублинейно. С ростом температуры уменьшается макси- т. е. в слабых полях производная d2/dH должна увелимальное значение |dP/dH|, но магнитное поле, в кото- чиваться линейно с ростом магнитного поля.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 560 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек, Г. Бискупски Для двумерных систем при x 1, т. е. в сильных полях, из (4) и (6) d2 1, (11) dH x H т. е. с ростом поля производная должна стремится к нулю как 1/H.

Аналогичные соотношения для трехмерных структур имеют следующий вид. При x 1 из (7) и (8) d x H, (12) dH а при x 1 из (7) и (9) d x-1/2 H-1/2. (13) dH Таким образом, из (10–13) следует, что если в слабых полях зависимости производных ОМС от магнитного поля в двумерных и трехмерных образцах ведут себя одинаково, то в сильных полях их ассимптотическое Рис. 3. Зависимость производной микроволнового поповедение отличается: в двумерных структурах с ростом глощения |dP/dH| от магнитного поля H в диапазоне магнитного поля производная стремится к нулю гораздо 10 Э H 140 Э при 3.1 K в двойном логарифмическом быстрее, чем в трехмерных.

масштабе. Штриховые прямые: 1 — |dP/dH| H-1/2, 3. Зависимость эффекта ОМС от температуры T также 2 — |dP/dH| H-1.

имеет различный вид для двумерных и трехмерных систем [3,4]. Это связано с различной зависимостью (H) от (см. (4) и (7)). При любом характере -n производной, начиная непосредственно с нулевого поля.

рассеяния T, откуда для двумерных систем при Таким образом, из наших опытов следует, что существует x 1 и H=const получаем из (6) некоторое пороговое поле H0 1 Э для выполнения соотношений (10) или (12), которое не предсказывается 2(T ) -ln T, (14) теорией.

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.