WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Магнетизм кристаллов AIIIBV, легированных редкими землями © Н.Т. Баграев¶, В.В. Романов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 февраля 2005 г. Принята к печати 7 марта 2005 г.) Методика измерений статической магнитной восприимчивости используется для изучения процессов локального магнитоупорядочения в кристаллах AIIIBV, содержащих примеси редких земель. Температурные и полевые зависимости статической магнитной восприимчивости демонстрируют слабый парамагнетизм при высоких температурах вследствие наличия в кристаллах AIIIBV(Ln) квазимолекулярных центров типа Ln2O3, внутри которых пары ионов Ln3+ антиферроупорядочены посредством обменного взаимодействия через валентные электроны кислорода. При низких температурах ключевую роль играет локализация электронов на мелких донорах, которая приводит через s-f -обмен либо к парамагнетизму исследуемых кристаллов вследствие трансформации квазимолекул Ln2O3 из антиферро- в ферроупорядоченное состояние, либо к их суперпарамагнетизму в результате образования связанных спин-поляронов. Причем значения констант s-f -обмена, определенные из температурных зависимостей статической магнитной восприимчивости, аномально велики, что, по-видимому, обусловлено эффективной компенсацией спиновых корреляций электронколебательным взаимодействием.

1. Введение так и процессами магнитоупорядочения посредством s-f -взаимодействия в областях их высокой локальной Создание приборов твердотельной микро- и нано- концентрации [10,11].

электроники базируется прежде всего на возможности управлять электрическими характеристиками полу2. Эксперимент проводниковых материалов, которые неразрывно связаны с их магнитными и оптическими свойствами, 2.1. Центры РЗЭ в кристаллах AIIIBV зависящими от наличия собственных и (или) приМожно указать по крайней мере две основные примесных дефектов [1–3]. В свою очередь точечные и чины, определяющие интерес к исследованиям полупротяженные центры, представляющие собой разнопроводниковых кристаллов, содержащих примеси РЗЭ.

видности примесных и собственных дефектов, харакВо-первых, это электронная структура атомов РЗЭ, теризуются взаимосвязанностью зарядовых (спиновых) существенно отличающая лантаноиды от других магкорреляций и электрон-колебательного взаимодействия нитных примесей. Во-вторых, возможность получения (ЭКВ), которая является причиной их двух фундаполупроводниковых материалов, которые характеризументальных свойств: метастабильности, возникающей ются взаимосвязанностью электрических, магнитных и вследствие изменения позиции центра в решетке криоптических свойств.

сталла при перезарядке, и компенсации кулоновскоМагнитная 4 f -оболочка редкоземельного атома, буго отталкивания электронов на центре [4–6]. Причем дучи хорошо экранированной 5p- и 5s-электронами, наиболее адекватно эти свойства отражаются в повеслабо искажается электрическим полем лигандов, что дении магнитного момента, которое может успешно позволяет исследовать процессы внутрицентровой люконтролироваться с помощью температурных и полеминесценции и поглощения практически в любых матривых зависимостей статической магнитной восприимчицах. Спектры внутрицентровой люминесценции центров вости как в отсутствие оптического облучения образРЗЭ сформированы совокупностью узких линий ширицов, так и при использовании различных источников ной меньше одного нанометра, так как их основные монохроматического и немонохроматического излучесостояния практически не гибридизированы с зонными ния [7–10].

состояниями кристалла, а возбужденные гибридизироВ настоящей работе возможности методики измереваны слабо [3]. Более того, первые исследования ЭПР ний статической магнитной восприимчивости для изучеи внутрицентровой фотолюминесценции показали, что, ния взаимосвязанности ЭКВ и зарядовых (спиновых) за исключением гадолиния и европия, редкоземельные корреляций демонстрируются на примере исследований атомы занимают в кристаллах AIIIBV катионные узлы магнитных свойств кристаллов соединений AIIIBV, сорешетки с тетраэдрической симметрией окружения, отдержащих примеси редкоземельных элементов (РЗЭ), давая на связь два 6s- и один 4 f -электрон [12,13].

которые обусловлены как формированием точечных Поэтому, на первый взгляд, ЭКВ слабо влияет на квазимолекулярных редкоземельных центров (КМРЦ), структуру центров РЗЭ в кристаллах AIIIBV. Однако ¶ E-mail: impurity.dipole@mail.ioffe.ru даже самый „маленький“ из лантаноидов — иттербий, 1174 Н.Т. Баграев, В.В. Романов центры [3,12–18]. Таким образом, принимая во внимание высокую химическую активность редких земель, особенно в отношении кислорода и углерода, можно предположить, что низкосимметричные центры РЗЭ в кристаллах AIIIBV представляют собой квазимолекулы типа Ln2O(КМРЦ) (рис. 1, a), магнитные свойства которых вследствие слабого парамагнетизма наиболее целесообразно исследовать с помощью регистрации температурных и полевых зависимостей магнитной восприимчивости.2.2. Методика измерений статической магнитной восприимчивости Исследуемые образцы выращивались из раствора– расплава, а также методом Бриджмена. Причем легирование редкоземельными элементами проводилось из расплава. Концентрация примесей РЗЭ в кристаллах AIIIBV определялась методами спектрального и нейтронно-активационного анализа и составляла 1017-1021 см-3.

Измерения статической магнитной восприимчивости кристаллов AIIIBV, легированных РЗЭ, производились методом Фарадея на установке MGD 312 FG в магнитных полях до 15 кГс.

Значения статической магнитной восприимчивости определялись из соотношения F(T, B) (T, B) =, (1) m · BdB/dz где (T, B) имеет размерность [] =см3/г, m — масса образца (в наших измерениях это 0.1-0.3г). Величина силы, F(T, B), действующей на исследуемый образец при включении сильно неоднородного магнитного поля, измерялась с помощью точных электромеханических весов, входящих в состав установки. Градиент магнитРис. 1. Схематическое изображение квазимолекулярного триного поля был направлен вертикально вниз вдоль нити гонального редкоземельного центра Ln2O3: a — в антиферподвеса (z -ось).

роупорядоченном и b — ферроупорядоченном состоянии.

1 — атомы основной решетки, 2 — редкоземельные атомы, Калибровка установки и определение значений 3 —атомы кислорода.

BdB/dz производились в отдельном опыте при комнатной температуре с использованием в качестве эталона кристалла InP с известным значением магнитной восприимчивости: dia = -313 · 10-9 см3/г. Измереннаходясь в катионном узле, должен вызывать существенное таким образом значение BdB/dz было в преденое „перенапряжение“ кристаллической решетки, вследлах 2 · 107 ед. СГСМ.

ствие чего тетраэдрическая симметрия центров РЗЭ не Определение значения индукции внешнего магнитноказалась единственно возможной. Действительно, в прого поля в месте нахождения образца осуществлялось цессе дальнейших исследований фотолюминесценции с помощью датчика Холла, а также из полевой забыли обнаружены тригональные РЗЭ-центры [14–16].

висимости магнитной восприимчивости para образцов Кроме того, редкоземельные центры низкой симметрии CdF2(Mn) при температуре T = 4.2K.

в кристаллах AIIIBV были зарегистрированы с помощью Установка MGD 312 FG позволяет проводить измереЭПР [17] и в процессе изучения эффекта Зеемана в ния в интервале температур от 3.2 до 300 K. Образцы посильных магнитных полях [18]. Следует отметить, тет- мещались в кварцевую чашку, подвешиваемую на тонкой раэдрические центры проявлялись только в образцах с кварцевой нити к весам. Весы вместе с образцом заклювысокой концентрацией примесей РЗЭ, когда она значи- чались в герметичную оболочку, полость которой перед тельно превосходила концентрацию остаточных приме- началом измерений вакуумировалась и затем заполнясей кислорода и углерода, тогда как в кристаллах AIIIBV лась газообразным гелием до давления 200 мм рт. ст., с меньшей концентрацией редкоземельных примесей Здесь и далее Ln является обобщенным обозначением химического доминировали формируемые ими низкосимметричные элемента группы лантаноидов.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Магнетизм кристаллов AIIIBV, легированных редкими землями чтобы обеспечить необходимый теплообмен образца времени концентрация остаточных одноатомных парасо стенками полости, поддерживаемыми при заданной магнитных центров РЗЭ резко уменьшается. Получентемпературе. Охлаждение стенок полости, где находился ные данные указывают на интенсивный „распад“ тверисследуемый образец, производилось регулируемым по- дых растворов лантаноидов в кристаллах AIIIBV, легитоком паров жидкого гелия, принудительно отбираемых рованных в расплаве РЗЭ. При этом процесс распада из сосуда Дьюара, с термостатированием при заданной твердого раствора идет тем интенсивнее, чем большим температуре. Температура измерялась с помощью тер- является несоответствие ионных радиусов атома лантаноида и замещаемого им атома основной решетки, мисторов, закрепленных на стенке внутренней полости что, в частности, следует из сравнения результатов криостата. Калибровка термисторов осуществлялась с исследования образцов, легированных гадолинием и итточностью до сотых долей Кельвина с помощью газового тербием [19].

термометра с использованием азота, водорода и гелия.

Характер температурных зависимостей статической Измерения статической магнитной восприимчивости магнитной восприимчивости и практически полное откристаллов AIIIBV, легированных РЗЭ, производились в сутствие ее зависимости от напряженности внешнего два этапа. Сначала проводилось калибровочное измеремагнитного поля подтверждает предположение, что терние пустой кварцевой чашки при различных температумодинамически равновесному состоянию исследуемых рах во всем диапазоне используемых магнитных полей.

материалов соответствует система слабовзаимодействуЗатем аналогично измерялась статическая магнитная ющих квазимолекул типа Ln2O3 (КМРЦ), в составе ковосприимчивость исследуемого образца. Результаты каторых атомы РЗЭ связаны обменным взаимодействием.

либровочных измерений магнитной восприимчивости Следует подчеркнуть, что парамагнитные центры, содеркварцевой чашки вычитались из данных измерений обжащие одиночные ионы РЗЭ, по-видимому, наблюдаются разца.

с помощью ЭПР в тех случаях, когда содержание редкой Чувствительность установки MGD 312 FG при изземли превышает концентрацию присутствующих в кримерении значений статической магнитной восприимсталлах AIIIBV неконтролируемых примесей.

чивости была не хуже 10-9 см-3/г. Погрешности в определении величины (T, B) обусловлены погрешностью весов установки (порядка нескольких микрограмм), 2.4. Квазимолекулы Ln2Oнеточностью помещения образца в одну и ту же область Изменение магнитной восприимчивости в области неоднородного магнитного поля при смене образца с относительно высоких температур, где атомы редкозечастичной разборкой установки. При этом основную мельных элементов, входящих в состав квазимолекул, погрешность в абсолютное значение восприимчивости могут антипараллельно упорядочивать свои магнитные вносило измерение массы образца, производимое на моменты за счет обменного взаимодействия типа Блуманалитических весах АДВ-200.

бергена через валентные электроны кислорода [11,20], тем самым образуя антиферроупорядоченные парные 2.3. Температурные зависимости статической центры, хорошо описывается выражением вида [10]:

магнитной восприимчивости a I(I + 1) exp - I(I + 1) 2 2kT 2NµBg2 I Экспериментальные и расчетные температурные зави = ·, (2) a 3kT симости статической магнитной восприимчивости кри- exp - I(I + 1) 2kT I сталлов AIIIBV, легированных РЗЭ, представлены на рис. 2–10. Видно, что полученные зависимости магнитгде a — постоянная обменного взаимодействия, N и I — ной восприимчивости не могут быть адекватно описаны концентрация и спин КМРЦ.

в широком интервале температур функцией Ланжевена– Обменное взаимодействие атомов РЗЭ в квазимолеБриллюэна, переходящей при kT µH в закон Кюри.

куле необходимо рассматривать в неразрывной связи Более того, у кристаллов AIIIBV, легированных, нас ЭКВ, поскольку взаимодействие центра с кристаллипример, иттербием, эрбием, неодимом или диспрозием, ческой решеткой в значительной степени компенсирумагнитная восприимчивость в определенных темперает спиновые и зарядовые корреляции, что определяет турных интервалах не зависит от температуры, либо аномально большие значения (десятые доли эВ) постоизменяется с температурой немонотонно. Таким обра- янной a, которые способствуют наблюдению антиферзом, примеси РЗЭ не могут рассматриваться как система ромагнитного упорядочения внутри КМРЦ при высослабовзаимодействующих одноатомных парамагнитных кой температуре [6,10]. В случае сравнительно малых центров в кристаллах AIIIBV.

значений a обменное взаимодействие внутри КМРЦ Действительно, исследования спектров ЭПР и темпе- может разрушаться при увеличении температуры, и ход ратурных зависимостей статической магнитной воспри- температурной зависимости восприимчивости следует имчивости кристаллов InP(Yb) и InP(Gd), проведенные закону Кюри–Вейсса (рис. 2).

непосредственно после их синтеза и воспроизведенные При низких температурах происходит локализация через неделю, а затем по истечении месяца с момента свободных электронов на мелких донорах, что должно приготовления образцов, показывают, что с течением приводить к увеличению парамагнетизма изучаемых Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1176 Н.Т. Баграев, В.В. Романов На конкурентной основе может наблюдаться образование как ферроупорядоченных КМРЦ, так и областей спонтанной поляризации — связанных спин-поляронов [10,11]. Причем спин-поляроны формируются, если в орбиту мелкого донора попадает порядка десяти и более КМРЦ, что становится возможным при сравнительно низких температурах в области высоких локальных концентраций РЗЭ [10]. Тогда в процессе s-f -обмена через электрон мелкого донора несколько соседних антиферромагнитных КМРЦ переходят в ферромагнитное состояние и образуют единую ферромагнитную систему — связанный спин-полярон. При этом энергия донорного электрона, участвующего в обменном взаимодействии, понижается в зависимости от величины константы s-f -обмена.

Поведение температурной зависимости статической Рис. 2. Температурная зависимость статической магнитной магнитной восприимчивости кристаллов AIIIBV, содервосприимчивости кристаллов InP Yb при статистически равжащих изолированные КМРЦ и спин-поляроны (рис. 3), номерном распределении редкоземельной примеси по объему.

Кристаллы выращены по методу Бриджмена; иттербий вво- локализованные на мелких донорах, может быть описано дился в процессе роста кристалла из расплава. Сплошная следующим выражением [10]:

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.