WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 8 ЭПР взаимодействующих центров марганца в арсениде галлия ¶ © К.Ф. Штельмах, М.П. Коробков, И.Г. Озеров Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 февраля 2003 г. Принята к печати 3 февраля 2003 г.) Представлены результаты исследований спектров ЭПР арсенида галлия, легированного марганцем, свидетельствующие о существовании межузельного состояния примеси. Последнее участвует в кулоновском взаимодействии с узельными состояниями марганца. Совместный анализ температурных зависимостей спектров ЭПР и значений g-фактора показывает, что межузельный центр обладает электронной конфигурацией d5. Центры замещения создают в месте расположения межузельного иона сильное случайное кристаллическое поле. Результаты объяснимы в предположении существования не нулевого электрического дипольного момента нейтрального состояния марганца.

1. Введение фигурацей d5 [4]. Спектр охарактеризован значением g-фактора (g = 2.0006) и постоянной сверхтонкой Магнетизм арсенида галлия, легированного марган- структуры (СТС) A = 266 МГц 88.9 · 10-4см-1.

цем с концентрациями около 1020 см-3, характеризует- В сильно компенсированных марганцем образцах ся высокими значениями температуры Кюри [1]. При арсенида галлия помимо спектров ЭПР одиночных соответствующих режимах легирования арсенид галлия центров примеси наблюдался переход, характеризуюостается полупроводником, что позволяет надеяться на щийся аномальным температурным поведением интенсоздание электронных приборов, использующих взаимо- сивности сигнала и необычным значением g-фактора действие поляризованных носителей с магнитным полем (g = 4.18 ± 0.03 [5]). Эти особенности были объяснены примесных атомов. существованием сильного обменного взаимодействия Существующие варианты описания примесного фер- между центрами марганца. Однако в свете приведенных ромагнетизма арсенида галлия, легированного марган- далее данных это объяснение представляется некорректцем [1], предполагают существование обменного взаи- ным.

модействия центров замещения. Цель настоящей работы Действительно, при исследовании образцов GaAs Mn заключается в том, чтобы показать, что даже при низ- n-типа проводимости [6] или образцов p-типа, компенкой концентрации марганца в высокоомных кристаллах сированных цинком [7], рассматриваемый спектр не присутствуют межузельные центры, участвующие во наблюдался, несмотря на приблизительно одинаковые взаимодействиях с другими состояниями. концентрации введенного марганца. Этот факт означает, что во взаимодействии могут принимать участие Давно известно, что марганец, встраиваясь в решетку лишь парамагнитные центры, обладающие различными арсенида галлия, образует два зарядовых состояния [2].

Первое из них, обладающее нулевым относительно кри- состояниями. При действии сильной обменной связи сталла зарядом (нейтральное), образуется при непол- между различными ионами значение результирующего g-фактора является промежуточным между значениями ном заполнении электронами химической связи, т. е.

g-факторов изолированных состояний [8]. В нашем слув образовании связи участвуют только два электрона чае gneu = 2.81, gion = 2.002 [7,5], что явно противоремарганца, а не три, как происходит при встраивании чит наблюдаемому значению g 4.

в кристалл других переходных атомов. Образовавшаяся в связи дырка участвует в обменном взаимодействии с d-электронами марганца, что приводит к появлению 2. Результаты измерений результирующего спина основного состояния S = 1 [3].

В дальнейшем этот центр будет обозначаться как Mn0.

Измерения проводились на спектрометре ЭПР Кроме того, в образцах сильно компенсированных или ER 220D фирмы „Bruker“ в температурном диапазоне n-типа проводимости всегда обнаруживаются состояния 3.8-100 K. При измерениях использовались сильно с почти кубическим окружением, обладающие электронкомпенсированные образцы, подобные тем, что были ной конфигурацией d5 и спином S = 5/2. В соответствии использованы в работе [5].

с общепринятой терминологией в дальнейшем будем наПолный спектр ЭПР марганца, включающий интерезывать эти состояния ионизованными и обозначать Mn-.

сующий переход, приведен на рис. 1. Спектр состоит Наконец, сравнительно недавно при исследовании ДЭЯР из двух практически изотропных линий со значениями облученного нейтронами слабо легированного марганg-факторов 4.07 ± 0.03 и g 2.0 (ср. с [5]). В отличие цем арсенида галлия были обнаружены межузельные от [5] значение g-фактора 4.07 определялось по центру центры марганца Mnint, обладающие электронной конхарактерной для марганца слабо разрешенной СТС с по¶ E-mail: shtelmah@spes.stu.neva.ru стоянной A =(99 ± 4) · 10-4 см-1 (T = 7.3K). Враще2 914 К.Ф. Штельмах, М.П. Коробков, И.Г. Озеров запрещенного перехода ЭПР ионизованного состояния марганца Mn-, находящегося в кубической координации узельной позиции.

В целом переходы обладают необычной формой, которая обостряется при повышении температуры (см.

вставку к рис. 1). Температурные зависимости относительной интенсивности обоих переходов пропорциональной заселенности состояния [8] практически идентичны, что продемонстрировано на рис. 2 (образец A57 [5]).

Это позволяет утверждать, что переходы с указанными значениями g-факторов представляют собой спектр ЭПР единого состояния, а характерная сверхтонкая структура говорит о том, что это одно из состояний марганца. Возможность наблюдения ЭПР до темРис. 1. Вид спектров ЭПР образца А57 при различных температурах. Для сравнения на вставке приведены фрагменты ператур 100 K свидетельствует о малом значении спектров. Нижний спектр получен при приложении к образцу скорости спин-решеточной релаксации, т. е. состояние одноосного давления при T = 3.8K.

орбитально не вырождено. Значение постоянной СТС по своей величине незначительно превышает значения, полученные при исследовании марганца в кристаллах с преимущественно ионной связью: во фторидах кадмия и бария, например, значение A 93 · 10-4 см-1 [10].

Другими словами, гибридизация d-функций с функциями валентной зоны практически равна нулю.

Перечисленные особенности позволяют представить состояние как межузельный ион марганца Mnint, обладающий электронной конфигурацией 3d5. Следует отметить, что значения параметров спектра отличаются от величин, приведенных в [4] (см. выше).

3. Анализ и обсуждение результатов Объяснить отмеченные особенности спектра можно, используя представление о действии совокупности слуРис. 2. Температурные зависимости относительной намагничайных по величине сильных аксиальных и ромбичеченности компонент спектра ЭПР образца А57 с g-факторами:

ских кристаллических полей со случайной ориентацией 1 — 2.0, 2 — 4.07.

осей Z. В этом случае изотропия рассматриваемых переходов, нестандартная форма линии и отсутствие разрешенной СТС определяются усреднением спектра по ние образца в магнитном поле при низких температурах всем возможным углам поворота оси Z, а немонотонная (T < 7.3K) ведет к исчезновению сверхтонкой структу- температурная зависимость заселенности объясняется ры при некоторых ориентациях. Интенсивность данно- тем, что состояние не является нижним.

го спектра существенно отличается при исследовании В исследованных кристаллах самой распространенной различных образцов, вырезанных из одного кристалла.

примесью является марганец, поэтому при малой конЭта причина, а также наложение перехода с g 2.центрации примеси наиболее вероятными источниками на линии спектра одиночных состояний ионизованного случайных кристаллических полей должны быть центры центра марганца Mn- объясняет отсутствие упоминания замещения Mn-, обладающие избыточным отрицательо переходе с g 2.0 в работе [5] и низкую точность ным зарядом относительно матрицы кристалла, а также определения g-фактора.

нейтральные состояния Mn0. Соотношение концентраИзмерения, проведенные на образцах, содержащих ций этих центров в зависимости от общей концентрации марганец в концентрациях от 1016 до 1018 см-3, показа- марганца в кристалле приведено в [5].

ли, что при отсутствии СТС значение g-фактора первой Аксиальное кристаллическое поле может быть создакомпоненты спектра может находиться в диапазоне но любым заряженным примесным центром, в том числе от 4.00 до 4.20 при прочих равных условиях. Поэто- и состоянием Mn-. Используя операторы-эквиваленты, му температурные зависимости интенсивности перехода это поле можно представить в виде DZS2. СоответственZ и значения g-фактора противоречат выводу [9] о прохо- но состояния Mn0 могут создавать поле ромбической ждении линии с g = 4.07 (по данным [9], g = 4.0) как симметрии при условии, что они обладают ненулевым Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. ЭПР взаимодействующих центров марганца в арсениде галлия электрическим дипольным моментом. В подтверждение этого предположения можно привести результаты [9], свидетельствующие об электродипольной природе спектра магнитного резонанса Mn0. Стабилизация направления оси электрического диполя может быть объяснена действием на нейтральный центр кулоновских потенциалов, созданных заряженными центрами, в особенности положительного потенциала центра Mnint.

Учет последнего приведет к ориентации диполя, при которой его положительный заряд окажется дальше от центра Mnint, чем отрицательный. Существенно, что ромбическое кристаллическое поле может быть получено при условии, что ось, соединяющая заряды диполя, не совпадает с осью, соединяющей центры Mnи Mnint. Используя обычные обозначения [8] в форме Рис. 3. Положение уровней S-состояния в сильном кристалоператоров-эквивалентов, это поле можно записать в вилическом поле (гамильтониан 1) в единицах E/2 в зависимости де (Dx - Dy )(S2 - S2).

от соотношения параметров D и E. Цифрами обозначены x y В рамках представлений картины взаимодействующих номера уровней. Значения D и E на рисунке положительные.

состояний можно определить знаки потенциалов, действующих на межузельный центр марганца. Потенциал, создаваемый центром Mn-, отрицателен, что соответствует его заряду относительно матрицы кристалла.

Если принять предложенный выше механизм пространственной фиксации электрического диполя центра Mn0, то разность потенциалов, созданных отдельными компонентами диполя, окажется также отрицательной.

Разумеется, вклад в спектр рассматриваемых состояний марганца могут дать и любые другие отличные по своей природе совокупности зарядов аналогичной симметрии. Например, дипольная структура может быть образована парой Mn--D+, где D — донор [5]. Однако изменение формы линии ЭПР при изменении температуры в диапазоне 3.8-8 K говорит о проявлении динамики источников кристаллического поля. Аналогом может служить движение частиц в жидкости, что Рис. 4. Расчетные значения компонент g-тензоров состояний, ведет к сужению линии ЯМР или сужению линии приведенных на рис. 3, в зависимости от соотношения параЭПР за счет быстрых осцилляций локального поля, метров D и E. Вертикальными линиями обозначены величины воздействующего на магнитный центр, при условии параметров 2D/E, соответствующие предельным значениям компонент gx (пустые кружки) и значению gx = 4.07 (ценбыстрой спин-решеточной релаксации источника этого тральная линия). Значения D и E на рисунке отрицательные.

поля [8]. Здесь уместно заметить, что в указанном выше температурном диапазоне (T 8K) спектр ЭПР Mnуширяется при повышении температуры вплоть до его полного исчезновения [7]. Поэтому в качестве источника Результаты численной диагонализации гамильтониаромбического поля представляется наиболее вероятным на (1) и расчета значений компонент g-тензора gz именно состояние Mn0.

и gx [6] приведены на рис. 3 и 4. Из рисунков видно, Таким образом, спектр взаимодействующих центров что значения 4.00-4.18 и 2.0, характеризующие зеемарганца можно описать модельным гамильтонианом мановское расщепление лишь одного из уровней, можно вида получить при соотношении 24 < 2D/E < 26. Значение H = DS2 + E(S2 - SY ) +gHS, (1) Z X компоненты gx верхнего уровня при D, E < 0 изменяется от 4.00 до 4.18. Соответствующие значения gz где D и E — константы характеризующие аксиальное равны 1.80-1.88. Значения компонент g-тензоров равны и ромбическое поля, действующие на центр, — магнеgz 10 и gx 0 для другого крайнего уровня и gz тон Бора, H — вектор напряженности магнитного поля, и gx 2 для уровня среднего состояния.

S = 5/2 — спин состояния Mnint. Члены, описывающие сверхтонкое взаимодействие и учитывающие сохранение Проверка корректности расчетной схемы предполагацентра тяжести расщепленных уровней, в выражении (1) ет наблюдение переходов по крайней мере с характерныопущены как несущественные для проводимого анализа. ми значениями gz 10 и gz 6. В области T = 3.8K 2 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 916 К.Ф. Штельмах, М.П. Коробков, И.Г. Озеров при приложении к кристаллу механического давления, Ионы Mnint взаимодействуют с нейтральными и ионичто, как отмечалось авторами [11], ведет к исчезновению зованными состояниями марганца. Взаимодействие межспектра ЭПР нейтрального центра марганца, наблюдает- ду центрами Mnint, Mn0 и Mn- имеет кулоновскую ся переход со специфической формой линии (рис. 1). природу.

Соответствующее значение g = 8.3 ± 0.5 определено по Результаты объяснимы в предположении, что нейсередине ее высоты подъема, т. е. результаты расчета тральное состояние Mn0 (d5 + дырка) обладает ненувполне соответствуют наблюдаемым спектрам ЭПР. левым электрическим дипольным моментом, т. е. дырка Таким образом, анализ спектроскопических особен- пространственно смещена относительно электронного остова d5.

ностей рассматриваемого спектра ЭПР показывает, что межузельные центры марганца могут не только появиться в облученных нейтронами, но и присутствовать Список литературы в сильно компенсированных образцах. Центры обладают электронной конфигурацией d5 и испытывают действие [1] T. Jungwirth, W.A. Atkinson, B.H. Lee, A.H. MacDonald.

сильного кристаллического поля произвольной ориенPhysica, E6, 794 (2000); T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, тации. J. Cibert, D. Ferrand. Science, 287, 1019 (2000).

Относительная интенсивность данного состояния опи- [2] В.Ф. Мастеров. ФТП, 18 (1), 1 (1984).

[3] И.Я. Карлик, И.А. Меркулов, Д.Н. Мирлин, Л.П. Никитин, сывается экспонентой (рис. 2). Очевидно, что показатель В.И. Перель, В.Ф. Сапега. ФТТ, 24 (12), 3550 (1982).

экспоненты E должен быть связан с энергетическими [4] S.J.C.H.M. van Gisbergen, M. Godlewski, T. Gregorkiewicz, интервалами, разделяющими уровни, приведенные на C.A.J. Ammerlaan. Phys. Rev. B, 44 (7), 3012 (1991).

рис. 3. Грубую оценку этих величин можно получить [5] В.Ф. Мастеров, С.Б. Михрин, Б.Е. Саморуков, К.Ф. Штельиз следующих соображений. При концентрации примеси мах. ФТП, 17 (7), 1259 (1983).

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.