WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Роль уровней прилипания неравновесных электронов в процессе образования центров закрепления доменных стенок в магнитном полупроводнике CdCr2Se4 © А.А. Абдуллаев¶ Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия (Получена 9 сентября 2003 г. Принята к печати 27 ноября 2003 г.) В магнитном полупроводнике CdCr2Se4 с различными концентрациями примесей Ga и вакансий Se (VSe) в интервале температур 10–300 K проведены комплексные исследования электропроводности и фотопроводимости в постоянных и переменных электрических полях, термостимулированной проводимости и фотоферромагнитного эффекта. Впервые обнаружено явление фотоиндуцированной прыжковой проводимости. Показано, что центрами, ответственными за фотоферромагнитный эффект, могут быть мелкие донорные уровни, обменивающиеся захваченными ими фотоэлектронами с магнитными ионами Cr3+. Вследствие такого обмена ионы Cr приобретают валентную и спиновую неустойчивости, приводящие к неравновесному захвату ими доменной стенки.

Исследованиям явления изменения динамической маг- тические характеристики ФП, остаточная проводимость, нитной проницаемости (ДМП) под действием света в термостимулированная проводимость (ТСП), а также их магнитных полупроводниках, названного фотоферромаг- термическое и ИК гашение.

нитным эффектом (ФФЭ) [1], посвящено достаточно Энергетический уровень иона Cr2+ лежит глубоко большое количество работ. Интерес к этому явлению в запрещенной зоне. Если бы под действием света связан с перспективами осуществления на его осно- центр захвата ДС Cr2+ образовался бы непосредственно, ве новых способов записи информации и регистрации то при температурах ниже точки Кюри (130 K) имел инфракрасного (ИК) света [2]. Появление в последнее бы место только ОФФЭ. Напротив, ФФЭ в области время все новых материалов, подпадающих под класс температур 50–130 K исчезает с прекращением освеще„магнитные полупроводники“, стимулирует интерес к ния [5]. ОФФЭ при различных физических воздействиях соединению CdCr2Se4 как к наиболее всесторонне изу- ведет себя подобно ТСП и остаточной проводимости, которые связаны с прилипанием неравновесных ноченному. Детальное изучение механизма возникновения сителей на примесные центры. Поэтому наша задача в нем ФФЭ могло бы способствовать поиску возможных путей одновременного увеличения амплитуды и быстро- состояла в исследовании вклада донорных примесей в образовании ФИ центров захвата ДС. Мелкие доноры, действия этого эффекта.

объединяющиеся посредством обобществления многоВ работах [3–11], посвященных исследованию прирократно прилипающих к ним неравновесных электронов ды ФФЭ в CdCr2Se4, уменьшение ДМП под действием в единые комплексы с ионами Cr2+, могли бы быть отсвета связывается со стабилизацией доменных стенок ветственными за ФФЭ с присущими ему особенностями.

(ДС) на фотоиндуцированных центрах (ФИ центрах) В работах [3,7] показано, что вне зависимости от споCr2+, антиферромагнитно ориентирующихся по отношесобов выращивания образцов (из растворов-расплавов нию к Cr3+-подрешетке. Однако механизм образования или методом жидкофазного транспорта), а значит вне этих центров, объясняющий все особенности явления, зависимости от концентрации дефектов роста, нестене раскрыт.

хиометрии, пористостей амплитуда ФФЭ в твердом В данной работе была поставлена цель проаналирастворе Gax Cd1-xCr2Se4 имеет максимальное значение зировать известные в литературе особенности ФФЭ при одном и том же значении x = 0.0025. При этом в CdCr2Se4 и полученные нами экспериментальные величина ФФЭ в кристаллах, выращенных из растворовданные, чтобы попытаться установить природу этого расплавов, в несколько раз больше, чем в выращенных явления. В одних и тех же образцах, содержащих жидкофазным транспортом. В то же время при больших различные концентрации примесей Ga и вакансий секонцентрациях вакансий Se ФФЭ исчезает [7], темновая лена VSe, исследовались стационарные и кинетические ДМП с ростом концентрации Ga и дефектности образца свойства ФФЭ в постоянных, раскачивающих и импульсуменьшается, зависимость амплитуды ФФЭ от интенных магнитных полях, остаточный фотоферромагнитный сивности света носит сублинейный характер [9]. Эти, эффект (ОФФЭ) и его инфракрасное и термическое на первый взгяд, противоречивые результаты вместе с гашение. Параллельно исследовались температурные закинетическими особенностями ФФЭ в раскачивающих висимости проводимости и фотопроводимости (ФП) в магнитных полях, в том числе уменьшение амплитуды постоянных и переменных электрических полях, кинеи времени релаксации ФФЭ в этих полях, связывае¶ E-mail: analit@dinet.ru мое авторами [9–11] со срывами доменных стенок с Роль уровней прилипания неравновесных электронов в процессе образования центров закрепления... закрепляющих центров, а не с изменением концентрации последних, а также отмеченная в этих же работах невозможность получения больших амплитуд ФФЭ при высоких частотах, могут найти объяснения в модели оговоренных сложных ФИ центров захвата ДС.

Закрепление в пространстве точек расположения ФИ центров на свободно колеблющейся ДС увеличивает ее частоту колебаний, т. е. увеличивает ее жесткость.

С ростом ДМП частота автогенератора, настраиваюРис. 1. Блок-схема установки для измерения фотопроводищегося на частоту собственных колебаний ДС при мости в переменном электрическом поле. Пояснения даны в регистрации ФФЭ, падает. Поэтому величина, названная тексте.

в работа [9] „жесткостью ДС“, обратно пропорциональная ДМП (1/µ), при выдвинутом предположении о структуре ФИ центров должна быть пропорциональна где эффективная плотность состояний в зоне проводиконцентрации электронов на донорах. Однако, судя по мости приведенным выше экспериментальным данным, только 2(2mnkT)3/Nc = при умеренной концентрации примесных центров, при hопределенных уровнях интенсивности света и соответслабо зависит от температуры.

ствующей компенсации, следует ожидать такую зависиКак видно из (4), при упомянутом условии (2) не мость жесткости ДС от количества занятых электронами имеет места экспоненциальная зависимость количества донорных уровней nd. Далее будут раскрыты причины, занятых электронами донорных уровней от температуприводящие к этим ограничениям.

ры. Скорее, в этих условиях происходит „замораживаРассматриваемый далее анализ равновесного заполнение“ концентрации носителей на этих центрах и при ния мелких доноров электронами не является анализом достаточно низких температурах, когда ситуации, реализующейся при исследовании ФФЭ, где необходимо оперировать выражением для температурEexp - 1, ной зависимости квазиуровня Ферми. В облучаемом kT светом с энергией, достаточной для зона-зонных переnd вовсе не зависит от температуры.

ходов, компенсированном полупроводнике при низких В случае, обратном условию (2), т. е. для мелких температурах заполнение электронами мелких доноров центров небольшой концентрации и не очень низких может протекать подобно равновесному случаю, если температур, когда уровень Ферми определяется соотновместо уровня Ферми иметь в виду квазиуровень Ферми.

шением [12] Количество электронов nd на донорных примесях отдельного типа определяется соотношением NdhF = kT ln, Nd 2(2mnkT)3/nd =, (1) E1+F 1 + exp kT выражение (1) принимает вид где Nd — количество всех донорных примесей этого типа, E1 — энергия активации донорного уровня, захва- Nd nd = eE /kT. (5) тившего электрон и участвующего в образовании центра Nc закрепления ДС, F — уровень Ферми.

В предположении участия мелких доноров, захваДля случая, определяемого условием тивших фотовозбужденные электроны, как связующих E1 2(2mnkT)3/2 звеньев в образовании центров захвата ДС, формулы (4) exp, (2) и (5), характеризующие заполнение этих доноров элекkT h3Nd тронами при разных температурах, могли бы быть осногде mn — эффективная масса электрона, т. е. для довой для объяснения, почему при относительно высоких статочно глубоких центров с большой концентрацией в температурах жесткость ДС, определяемая как 1/µ, эксобласти низких температур, уровень Ферми примесного поненциально растет с понижением температуры, а при полупроводника имеет вид [12] значительно низких температурах, где обнаруживается ОФФЭ, вовсе от нее не зависит [5].

1/E1 NdhБлок-схема установки для измерения фотопроводиF = - + kT ln. (3) 2 2(2mnkT)3/мости в переменном электрическом поле представлена на рис. 1. На образец в форме прямоугольного паралПодставляя (3) в (1), получим лелепипеда с омическими контактами, помещенными в оптический прокачной криостат 1, и последовательно Nd(Nd/Nc)1/nd =, (4) соединенное с ним балластное сопротивление Rl с 1 + e-E /kT Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 798 А.А. Абдуллаев лю; кривые 2–6 — частотам f = 5 · 103, 104, 105, 106 и 108 Гц соответственно. Анализ дисперсии ФП по частоте приложенного электрического поля указывает на реализацию фотоиндуцированной прыжковой проводимости. Наибольшая дисперсия ФП по частоте наблюдается в непосредственной близости к точке Кюри (130 K). В районе 60 K наблюдается сложный пик ФП на постоянном токе. В этой области рост ФП на постоянном токе сопровождается уменьшением его прыжковой составляющей. На высокотемпературном крыле максимума времена нарастания и релаксации ФП значительно меньше, чем на низкотемпературном. Анализ в этой области кинетики роста и релаксации ФП показывает, что она имеет термоактивационную природу. Здесь ФП связана с термическим выбрасыванием электронов с донорных уровней в зону проводимости. Если при Рис. 2. Температурные зависимости фотопроводимости T > 60 K мелкие доноры с большими сечениями заGaxCd1-x Cr2Se4 (x = 0.0025) при различных частотах прихвата, многократно захватывая неравновесные электроложенного электрического напряжения и h = 1, 2эВ. Крины, препятствуют релаксации их через более глубокие вая 1 соответствует постоянному электрическому полю; крирекомбинационные центры и тем самым увеличивают вые 2-6 — частотам f, Гц: 2 —5 · 103, 3 —104, 4 —105, эффективные времена жизни в зоне проводимости и 5 —106, 6 —108.

амплитуду ФП, то при T < 60 K картина изменяется в сторону увеличения времен жизни на донорных уровнях и уменьшения ФП. Энергия активации ФП в этой помощью генератора сигналов 2 (Г3-7А) подавалось пе- области составляет 0.068–0.088 эВ. Ниже 40 K, где фоременное напряжение из диапазона от 5 кГц до 100 МГц. товозбужденные электроны замораживаются на мелких Свет на него попадал от осветителя 3 (лампа нака- донорах, частотная дисперсия фотопроводимости исчеливания мощностью 150 Вт) после прохождения через зает. Согласно [13], прыжковая проводимость не может механический модулятор 4 (на частоте 39 Гц) и монохро- осуществляться по полностью занятым электронами матор 5 (ИКС-21). Для уменьшения взаимной индукции донорным состояниям.

электрические провода выводились от образца прямо в На рис. 3 представлены температурные зависимости противоположные стороны. Величина сопротивления Rl электропроводности отожженного в вакууме при 500 K подбиралась в 100 раз меньше, чем наименьшее со- в течение 4 ч слабо компенсированного GaxCd1-xCr2Seпротивление образца во всем исследуемом диапазоне (x = 0.01) при различных частотах приложенного электемператур. Модулированный из-за фоточувствительности образца с частотой механического прерывания света высокочастотный сигнал после демодуляции с помощью амплитудного детектора 6 поступал на вход селективного усилителя 7 (У2-8). После синхронного детектирования с помощью преобразователя напряжения 8 (В9-2) сигнал фотопроводимости вместе с напряжением от термопары, установленной рядом с образцом, через интерфейсный блок 9 (КАМАК) поступал в ЭВМ 10. Сканирование монохроматора по длинам волн осуществлялось также программно через блок КАМАК, управляющий шаговым двигателем 13. Для наблюдения за температурой использовался цифровой вольтметр (Щ300). После соответствующей обработки с помощью ЭВМ графики спектральной и температурной зависимостей фотопроводимости на переменном токе строились на двухкоординатном самописце 11 (XY-RECORDER endim 620.02).

Рис. 3. Температурные зависимости электропроводности На рис. 2 представлены температурные зависимости Gax Cd1-xCr2Se4 (x = 0.01) при различных частотах прилофотопроводимости при h = 1.2эВ для Gax Cd1-xCr2Se4 женного электрического напряжения. Кривая 1 соответствует (x = 0.0025) в переменном электрическом поле. Крипостоянному электрическому полю, кривые 2–5 — частовая 1 соответствует постоянному электрическому по- там f, Гц: 2 — 200, 3 —2 · 103, 4 —2 · 104, 5 —2 · 105.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Роль уровней прилипания неравновесных электронов в процессе образования центров закрепления... трического поля. Кривая 1 соответствует постоянному полю, кривые 2–5 — частотам f = 200, 2 · 103, 2 · 104, 2 · 105 Гц соответственно. Эти измерения проводились на установке, приведенной на рис. 1, из которой исключались амплитудный детектор 6 и синхоронный детектор 8, а усилитель У2-8 включался в широкополосном режиме. Для уменьшения влияния реактивной проводимости образца с омическими контактами последние наносились точечным вплавлением In. Площади контактов имели значения около 0.4мм2 при длине образца около 5 мм. Кривые 2-5 получены после вычитания из экспериментальных значений реактивных проводимостей конденсатора, рассчитанных для соответствующих частот. Для представления результатов исследований электропроводности в переменных полях был выбран Рис. 4. Температурные зависимости: 1 — амплитуды ферроотожженный в вакууме образец с большей конценмагнитного эффекта 1/µ в GaxCd1-x Cr2Se4 (x = 0.0025), изметрацией примеси (x = 0.01), так как для образцов с ренные при непрерывном свете; 2, 3 — термостимулированной x = 0.0025, в силу более глубокого расположения уровпроводимости, измеренные: 2 — после предварительного ня Ферми, частотная дисперсия электропроводности, как охлаждения образца в темноте, 3 — после охлаждения на и в нелегированных образцах p-типа [14], имеет место свету.

монотонно падающий характер температурной зависимости. Температурный ход электропроводности в этих образцах не представлял интереса, так как он не имел никакого отношения к зарядовому состоянию мелких в запрещенной зоне мелких донорных уровней. При донорных уровней. Как и в случае ФП (рис. 2), макси- этом, если на одних мелких уровнях электроны замальная дисперсия электропроводности Gax Cd1-xCr2Se4 мораживаются, всегда должны находиться еще более (x = 0.01) в переменном поле обнаруживается в районе мелкие, которые будут обмениваться электронами с точки Кюри, а в области 60 K проявляется более узкий зоной проводимости, и таким образом, с ростом x максимум. Резкий пик электропроводности на постоян- температура замораживания ФФЭ должна понижаться.

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.