WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 119 125 Особенности спектров ядерного магнитного резонанса Sn и Te в SnTe и SnTe : Mn © В.В. Слынько, Е.И. Слынько, А.Г. Хандожко, Ю.К. Выграненко Институт проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, 274001 Черновцы, Украина (Получена 13 апреля 1996 г. Принята к печати 13 января 1997 г.) 119 125 Исследованы спектры ядерного магнитного резонанса Sn и Te в SnTe с концентрацией дырок p77 = 1.42 · 1020-2.3 · 1021 см-3 и в SnTe : Mn (NMn = 0.5 и 5 ат%, p77 = 8 · 1020 см-3) при T = 4.2-300 K.

В образцах SnTe с p77 > 2 · 1020 см-3 наблюдается значительное уширение линий ЯМР, вызванное магнитным сверхтонким взаимодействием ядерных и электронных спинов. Асимметричное уширение резонансных линий имеет место в ромбоэдрической фазе SnTe и SnTe : Mn.

125 Характер температурной зависимости ширины линии ЯМР Te в SnTe : Mn согласуется с магнитной фазовой диаграммой при NMn = 5 ат%. Образование суперпарамагнитной фазы SnTe : Mn обнаруживается при T = 20 ± 2 K, ферромагнитной — при T = 4.2K.

В работе [1] исследованы спектры ядерного магнит- изменяет кубической структуры SnTe, но, согласно [3], 119 ного резонанса (ЯМР) Sn в кристаллах SnTe с кон- способствует более равномерному распределению центрацией дырок p77 = 6 · 1019-8 · 1020 см-3. Изучено свободных носителей в образце.

влияние электронной подсистемы на сегнетоэлектриче- Легированный материал получен путем добавления ский фазовый переход (ФП), определена температура Mn в шихту.

ФП Tc = 145 K при экстремально низкой концентрации Для исследования ЯМР использовались порошковые дырок p77 = 6 · 1019 см-3.

образцы объемом 0.25 см3 с размером зерен 50-100 мкм.

В настоящей работе изучается влияние электронной и Нами не обнаружено заметного влияния размеров зерен магнитной подсистем кристаллов SnTe : Mn на спектры на резонансные спектры. Магнитная восприимчивость ЯМР. С этой целью исследована динамика формы и измерена методом Фарадея на монокристаллах SnTe : Mn.

119 ширины линий ЯМР Sn и Te (а также сдвиг Найта) в зависимости от концентрации p в SnTe; измерены Экспериментальные результаты спектры ЯМР и магнитная восприимчивость SnTe : Mn с различной концентрацией примеси. На основании полу119 Спектры ЯМР Sn и Te в SnTe ченных результатов анализируется состояние примесной системы SnTe : Mn.

Исследованы спектры ЯМР ядер олова и теллура в образцах SnTe с p77 = 1.42 · 1020-2.3 · 1021 см-3 в Методика эксперимента интервале температур T = 4.2-300 K. Ширина линий определялась на полувысоте кривой резонансного поглоИзмерение резонансных спектров проводилось на щения.

спектрометре ЯМР с датчиком индукционного типа Поскольку SnTe является низкотемпературным сегнена частоте резонанса 13.495 МГц. Для детектирования тоэлектриком, концентрационные зависимости ширины сигнала применялась стандартная методика с использо- 119 резонансных линий Sn и Te (B = f (p)) измерены ванием дифференциального прохождения и цифровым при T = 300 K. С повышением p линии уширяются, усреднением сигналов [1]. особенно значительно для Sn (рис. 1). Форма линий Кристаллы SnTe были выращены методом Бриджмена.

близка к гауссовой при p77 < 2 · 1020 см-3, что опреКонцентрация дырок в них (p77 = 1/eR77) обычно состаделено по отношению второго момента к четвертому.

вляла (7-8) · 1020 см-3. Это связано с особенностями фазовой диаграммы — отклонением равновесного состаШирина линий ЯМР, Гс ва SnTe от стехиометрии в сторону избытка Te. Поэтому p определяется количеством электрически активных ваT, K p77, см-3 Тип линии кансий олова [2].

300 77 4.Для получения образцов в широком диапазоне p77 = 1.42 · 1020-2.3 · 1021 см-3 исходный материал 1.42 · 1020 119Sn 8.5 9.8 11.(монокристаллические и порошковые образцы) Te 2.5 4.5 6.1.0 · 1021 119Sn 17.0 10.0 19.подвергались изотермическому отжигу в насыщенных Te 4.0 6.8 7.парах компонентов при разных температурах в течение 2.3 · 1021 119Sn 31.0 33.0 34.240-600 ч [2]. Проведененные рентгенографические Te 9.0 11.6 13.исследования при T = 300 K показали, что отжиг не 3 1188 В.В. Слынько, Е.И. Слынько, А.Г. Хандожко, Ю.К. Выграненко В образцах с p < 5 · 1020 см-3 (здесь p = 0.6 · p77) при температуре Tc, увеличивающейся с понижением p, происходит сегнетоэлектрический ФП и образуется ромбоэдрическая фаза SnTe. Так, Tc = 98 и 150 K при p = 8 · 1019 и 4 · 1019 см-3 соответственно.

Из вышесказанного следует, что асимметричное уши119 рение линий ЯМР Sn и Te характерно для области концентраций и температур, соответствующих ромбоэдрической фазе SnTe. Этот вывод подтверждается следующим. В образцах SnTe с p77 8 · 1020 см-3, в которых сохраняется кубическая структура вплоть до самых низких температур [4], резонансные линии обоих ядер симметрично уширены в интервале T = 4.2-300 K.

Анализ формы линий с помощью ЭВМ показывает, что они могут быть представлены суммой двух линий, близких к гауссовой форме, примерно равной амплитуды.

Рис. 1. Зависимость ширины резонансных линий Sn (2) и Te (1) от концентрации дырок при T = 300 K.

119 Спектры ЯМР Sn и Te в SnTe : Mn и магнитная восприимчивость Спектры ЯМР изучались на образцах SnTe : Mn с концентрацией примеси NMn = 0.5 и 5 ат% и p77 = 8 · 1020 см-3, структура которых остается кубической во всем температурном интервале 4.2-300 K.

Тем самым мы исключаем возможность асимметричного уширения линий, связанного с сегнетоэлектрической фазой SnTe.

Введение примеси Mn не изменяет концентрацию дырок в SnTe, однако существенно влияет на форму и ширину резонансных линий. При NMn = 0.5 ат% резонансное Рис. 2. Преобразование формы линий ЯМР Te в образце SnTe с p77 = 2 · 1020 см-3 при изменении температуры.

При более высоких p форма линий заметно отклоняется от гауссовой. При ярко выраженной концентрационной зависимости наблюдается слабая температурная зависимость ширины линии (см. таблицу).

В образцах SnTe с p77 < 8 · 1020 см-3 обнаружено асимметричное уширение линий ЯМР в области низких температур. Температура Tc, при которой асимметрия исчезает, зависит от концентрации p. На рис. 2 представлено преобразование формы линий ЯМР Sn в образце с p77 = 2 · 1020 см-3 (для лучшего выявления особенностей линий записывались вторые производные сигнала ЯМР). Видно, что при T < 100 K наряду со сдвигом максимума имеет место асимметричное уширение линий. Отмеченные особенности в преобразовании Рис. 3. Динамика формы резонансных линий ЯМР Te в резонансных линий носили менее выраженный характер SnTe : Mn в зависимости от концентрации примеси NMn при на Te. Согласно [4], симметрия низкотемпературной T = 300 K: 1 — нелегированный SnTe; 2, 3 — NMn = 0.фазы SnTe (T < 150 K) зависит от концентрации p.

и 5 ат% соответственно.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 119 Особенности спектров ядерного магнитного резонанса Sn и Te в SnTe и SnTe : Mn характеристическая температура = -20 и -54 K соответственно, т. е. обменное взаимодействие является антиферромагнитным (рис. 5, кривые 1 и 2). При NMn = 10 ат% =+29 K, что указывает на ферромагнитное взаимодействие. Наблюдается не только немонотонное изменение с увеличением NMn в SnTe (как это было в PbTe : Mn и PbTe : Eu [5]), но и смена механизмов обменного взаимодействия.

Рис. 4. Зависимость ширины линий ЯМР Te от температуры Обсуждение результатов при NMn = 5 ат%, p77 = 8 · 1020 см-3.

Спектры ЯМР в твердых телах в большинстве случаев представляют собой уширенные линии гауссовой поглощение наблюдается на обоих ядрах. При легироформы благодаря диполь–дипольному взаимодействию вании марганцем в количестве NMn = 5 ат% ширина ядерных моментов. Индуцированное на ядрах дополнилинии ЯМР Sn превышает 150 Гс и становится трудно тельное локальное магнитное поле вызывает уширение обнаружимой методами непрерывного прохождения. В резонансных линий, но ввиду его малости не влияет на связи с этим динамика формы линий в зависимости от частоту резонанса. На форму спектров влияют также NMn приведена только для ядер Te (рис. 3).

электрические и магнитные взаимодействия ядер с его На рис. 4 представлена температурная зависимость окружением [6,7].

ширины линий ЯМР Te при NMn = 5ат%. ПониВ вырожденном SnTe, с учетом нулевых квадруполь119 жение температуры от 300 до 22 K не вызывает заных моментов у ядер Sn и Te, определяющими метного изменения формы и ширины линий. Однако будут магнитные электронно-ядерные взаимодействия.

при T = 20 ± 2 K линия скачкообразно уширяется С целью их обнаружения проведены измерения ре119 и при дальнейшем понижении T до 4.2 K резонансное зонансных полей на Sn и Te в зависимости от поглощение не обнаруживается.

концентрации дырок (рис. 6). Резонансное поле на Для получения дополнительной информации о состо- ядрах является полным полевым сдвигом, состоящим из янии примесной системы в SnTe : Mn проведены измере- химического (Sc) и найтовского (SK) сдвигов. Поскольку ния магнитной восприимчивости образцов с NMn = 0.5, химический сдвиг не является функцией концентрации 5 и 10 ат%и p77 = 8 · 1020 см-3.

дырок, можно считать, что приведенные кривые отраС ростом NMn парамагнитная составляющая воспри- жают характер концентрационной зависимости сдвига имчивости увеличивается, и зависимость -1(T ) удовле- Найта. Стрелки на рисунке указывают значения Sc для p творяет закону Кюри–Вейсса (рис. 5). Поскольку ионы соответствующих ядер, полученных, согласно [3], экстраMn2+ находятся в SnTe в S-состоянии, выполнение зако- поляцией экспериментальных зависимостей к нулевым на Кюри–Вейсса свидетельствует о наличии обменного концентрациям дырок.

взаимодействия между ними. При NMn = 0.5 и 5 ат% Из рис. 6 следует, что при p77 > 2 · 1020 см-3 на обоих ядрах имеются положительные SK (смещение резонансного поля в сторону меньших значений), увеличивающиеся с ростом p. Параллельно наблюдается симметричное уширение линий ЯМР (рис. 1), которое значительно превосходит чисто дипольное уширение. При этом SK, 119 как и B, больше для Sn, чем для Te.

Обнаруженные SK свидетельствуют о магнитном сверхтонком взаимодействии ядерных и электронных спинов. Созданное этим взаимодействием дополнительное магнитное поле на ядрах (параллельное внешнему, так как SK > 0) вызывает не только уширение линий, но и сдвиг резонансной частоты.

Сравнив рис. 1 и 6, можно заметить идентичность в характере концентрационных зависимостей B и SK для 119 Sn (или Te). Это означает, что между B и SK существует взаимосвязь. Для проверки такого утверждения построена зависимость B = f (SK) для ядер Sn в Рис. 5. Температурные зависимости парамагнитной восприимконцентрационном интервале p77 = 4·1020-2·1021 см-3.

чивости p образцов SnTe : Mn при NMn, ат%: 1 —0.5, 2 —5, Установлено, что она является линейной и описывается 3 — 10.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1190 В.В. Слынько, Е.И. Слынько, А.Г. Хандожко, Ю.К. Выграненко Зависимости -1(T ) подчиняются закону Кюри– p Вейсса:

NMn · µe p =, (2) 3k(T - ) где µe — эффективный магнитный момент ионов Mn.

Это означает, что в области SnTe : Mn с NMn = 0.5, и 10 ат% нет областей с дальним магнитным порядком в интервале T = 77-300 K. Аналогичный вывод следует из зависимости B = f (T ) (рис. 4). Независимость B от T в диапазоне 22-300 K свидетельствует о том, что на Te поле He не меняется вплоть до 22 K.

Скачкообразное уширение линий при T = 20 ± 2K отражает изменение в состоянии примесной системы SnTe : Mn и связанное с ним резкое увеличение µe (и, следовательно, He).

Этот факт объясним в рамках магнитной фазовой диаграммы [9], согласно которой при указанной T и NMn = 5 ат% наблюдается суперпарамагнитная фаза Рис. 6. Концентрационные зависимости резонансного поля SnTe : Mn. Значительное увеличение µe в суперпарамаг119 на ядрах Sn (2) и Te (1) при фиксированной частоте нитное фазе обусловлено образованием вокруг каждого резонанса 13.495 мГц (стрелки указывают значения химических иона Mn ферромагнитного облака благодаря спиновой сдвигов) при T = 300 K.

поляризации свободных носителей. В области T < 22 K наблюдение резонанса затруднено из-за сильного уширения линий.

Исчезновение сигнала ЯМР при 4.2 K приходится на выражением ферромагнитную фазу SnTe : Mn, которая образуется в B =B0 +c · SK, (1) результате перекрытия ферромагнитных облаков [9].

Необходимо отметить, что наши результаты опрогде B0 = 1.5 Гс — ширина линии, полученная эксвергают выводы работы [10], согласно которым B траполяцией экспериментальной кривой к нулевому SK;

является линейной функцией NMn и обратной от T. Для c = 0.22 — угловой коэффициент. Впервые линейная проверки такого утверждения мы построили зависимость зависимость между B и SK получена на Pb в PbTe B = f (T ) по даннным [10] для Te при NMn = 0.5ат% p-типа [3].

(значения B при NMn = 5 ат% указаны только для Таким образом, можно заключить, что слабая темT = 330 и 77 K). Как и следовало ожидать, закон Кюри пературная зависимость ширины линии (см. таблицу) не выполняется: наблюдается сильное уширение линий отражает характер зависимости SK от температуры для при T = 4.2 K. К тому же, в противоположность [10], вырожденного материала [3,8].

мы не обнаружили изменения ширины линий ЯМР Te Перейдем к обсуждению результатов, полученных на в интервале 77-300 K при NMn = 5ат%.

образцах SnTe : Mn. Парамагнитные ионы Mn2+ значиНа основании проведенных исследований можно за119 тельно увеличивают эффективное магнитное поле He на ключить следующее. Уширение линий ЯМР Sn и Te ядрах. Это приводит к уширению резонансных линий, в SnTe вызвано магнитным сверхтонким взаимодействиособенно значительно для Sn. Так, ширина линии ем ядерных и электронных спинов; при p77 > 2·1020 см-119 Sn примерно в 10 раз больше, чем для Te при форма линий заметно отклоняется от гауссовой. АсимNMn = 5 ат%. Существенное различие в величинах He на метричное уширение линий обнаружено в ромбоэдричеэтих ядрах, очевидно, является причиной асимметричноской фазе SnTe. Характер температурной зависимости го уширения линий ЯМР в SnTe : Mn. (рис. 3).

B = f (T ) для Te в SnTe : Mn с NMn = 5ат% Приведенные зависимости -1(T ) и B = f (T ) отражает существование суперпарамагнитной фазы при p (рис. 3 и 4) согласуются между собой и вписываются в T = 20 ± 2 K, ферромагнитной — при T = 4.2K. Асиммагнитную фазовую диаграмму системы SnTe : Mn (рис. 1 метричное уширение резонансных линий в SnTe : Mn 125 обусловлено различием в He на ядрах Te и Sn.

работы [9]).

Согласно [9], обменное взаимодействие между ионами Mn осуществляется посредством дырок (мехаСписок литературы низм Рудермана–Киттеля–Касуйя–Иосиды). В зависимости от NMn в SnTe данный механизм приводит к анти[1] Е.И. Слынько, А.Г. Хандожко, С.Д. Летюченко, А.И. Копыл.

или ферромагнитному взаимодействию примесных иоИзв. АН СССР. Сер, физ., 51, 2136 (1987).

нов (рис. 5). [2] R.F. Brebrick. J. Electron. Mater., 6, 659 (1977).

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.