WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 11 Магнитные свойства сплавов Pb1-xGexTe, легированных иттербием © Е.П. Скипетров¶, Н.А. Чернова, Л.А. Скипетрова, А.В. Голубев, Е.И. Слынько Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, 119899 Москва, Россия Институт проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, 274001 Черновцы, Украина (Получена 14 февраля 2001 г. Принята к печати 2 апреля 2001 г.) Исследованы температурные зависимости магнитной восприимчивости и полевые зависимости намагниченности сплавов Pb1-x-yGexYbyTe (0 x 0.02, y 0.065). Обнаружено, что при понижении температуры диамагнитный отклик сменяется кюри-вейссовским парамагнитным, указывающим на присутствие в сплавах 13 магнитных ионов Yb3+(4 f ). Полученные результаты использованы для определения концентрации магнитных ионов и степени заполнения примесной зоны иттербия в исследованных сплавах.

Легирование соединений AIVBVI и сплавов на их осно- состояний электронами может изменяться в результате ве примесями с переменной валентностью кардинально перераспределения электронов между уровнем и зоной изменяет энергетический спектр носителей заряда, при- при изменении состава сплава и под действием внешних водя к появлению глубоких примесных уровней (примес- воздействий [8]. Поэтому основной целью настоящей ных зон), положение которых зависит от сорта примеси, работы являлось определение концентрации магнитных состава сплава, температуры, давления и магнитного ионов и степени заполнения примесной зоны в сплавах поля [1,2]. Поэтому в легированных полупроводни- Pb1-xGexTe Yb с различным содержанием иттербия и ках AIVBVI наблюдается целый набор новых физических германия. Предполагалось, что вариация концентрации эффектов (стабилизация уровня Ферми уровнем приме- германия позволит изменять положение примесной зоси, долговременные процессы релаксации неравновесных ны относительно потолка валентной зоны, а вариация носителей заряда, переходы типа металл–диэлектрик в содержания иттербия — положение и полную емкость квантующем магнитном поле и под давлением и т. д.), примесной зоны.

позволяющий выделить их в отдельный класс легироМонокристаллические слитки Pb1-x-yGexYbyTe ванных полупроводниковых материалов. Первоначально (0 x 0.02, y 0.065) были синтезированы метогруппу примесей с переменной валентностью составляли дом Бриджмена. Содержание германия и иттербия лишь элементы III группы (Al, Ga, In, Tl). Однако контролировалось методом рентгено-флюоресцентного в последние годы она была существенно расширена за анализа. Образцы в виде толстых шайб весом 0.7-0.8г счет включения в нее переходных элементов Cr, Yb,,Eu, исследовались с помощью вибрационного магнитометра Gd, Ce, легирование которыми превращает полупроводEG&G PARC M155 (США). Для каждого образца ники AIVBVI в полумагнитные полупроводники [3–7].

измерялись температурные зависимости магнитной Среди всех перечисленных примесей иттербий занивосприимчивости и полевые зависимости намагниченмает особое место. Дело в том, что атомы иттербия ности M при температурах 5 T 300 K, в магнитных имеют целиком заполненную электронами f -оболочку.

полях до 0.5 Тл.

Ионы иттербия, замещая в кристаллической решетке Типичные температурные зависимости магнитной восатомы металла, могут находиться как в магнитном, приимчивости сплавов с различным содержанием иттертак и в немагнитном состояниях, а их магнитная акбия представлены на рис. 1. Магнитная восприимчивость тивность оказывается непосредственно связанной с их сплавов складывается из двух частей: диамагнитной 0, зарядовым состоянием и, подобно последнему, должна которая, по-видимому, не зависит от температуры (криопределяться положением глубокого примесного уровня вая 1) и парамагнитной, быстро возрастающей при пониотносительно краев разрешенных зон в энергетическом жении температуры. Величина диамагнитного вклада, коспектре носителей заряда. Так ионы иттербия в состояторый обычно связывается с восприимчивостью кристалнии Yb2+ (4 f 5s25p6), соответствующем заполненным лической решетки, хорошо согласуется с известными электронами примесным уровням, являются электричеэкспериментальными данными для нелегированных PbTe ски нейтральными относительно подрешетки металла и Pb1-xSnxTe [9,10] и монотонно уменьшается с ростом и немагнитными. В то же время ионы иттербия в сосодержания иттербия. Такое уменьшение диамагнитного стоянии Yb3+ (4 f 5s25p6), соответствующем незаполвклада с ростом концентрации примеси может быть свяненным электронами примесным уровням, электрически зано с увеличением плотности электронных состояний активны и обладают локализованным магнитным моменв примесной полосе, стабилизирующей уровень Ферми том. С другой стороны, степень заполнения примесных в исследованных сплавах. При этом дополнительный па¶ рамагнитный вклад в магнитную восприимчивость элекE-mail: skip@mig.phys.msu.su Fax: (095) 9328876 тронов примесной полосы должен определяться плотМагнитные свойства сплавов Pb1-xGexTe, легированных иттербием по мере увеличения концентрации дырок в теллуриде свинца, легированном таллием [9].

В области низких температур наблюдается типичный для парамагнетиков линейный рост намагниченности в слабых магнитных полях, а температурные зависимости магнитной восприимчивости подчиняются закону Кюри–Вейсса (рис. 2):

= 0 + C/(T - ), (1) где C — постоянная Кюри, — температура Кюри.

Приведенные на рис. 2 экспериментальные данные хорошо укладываются на прямые, пересекающие ось абсцисс при небольшой по абсолютной величине отрицательной температуре ( -2K), что свидетельствует о наличии слабого антиферромагнитного взаимодействия между магнитными центрами. Значения постоянной Кюри, рассчитанные по наклону этих прямых, были использованы для оценки концентрации магнитных центров.

При этом мы предполагали, что магнитными центрами в исследуемых сплавах являются одиночные ионы Yb3+, для которых основным электронным состоянием в куРис. 1. Температурные зависимости магнитной восприимбическом кристаллическом поле является дублет 6.

чивости Pb1-yYbyTe с различным содержанием иттербия y:

По данным электронного парамагнитного резонанса это 1 — 0.0003, 2 — 0.005, 3 — 0.008, 4 — 0.015, 5 — 0.065.

состояние описывается g-фактором g = 2.52 и эффективным спином S = 1/2 [12]. В этом случае концентрация магнитных ионов NYb3+ может быть рассчитана по экспериментально определенной постоянной Кюри C:

NYb = 3kBС g2µBS(S + 1), (2) 3+ где kB — постоянная Больцмана, µB — магнетон Бора.

Полученные таким образом концентрации NYb3+ приведены в таблице, где для сравнения также представлены полные концентрации атомов иттербия NYb в сплавах, рассчитанные по данным рентгено-флюоресцентного анализа. Сопоставление этих данных показывает, что в Pb1-yYbyTe доля магнитных ионов NYb3+/NYb составляет лишь 10-15% от общего содержания иттербия и почти не зависит от состава сплава. В сплавах, содержащих германий, доля магнитных ионов несколько выше, чем в Pb1-yYbyTe, и возрастает с увеличением концентрации иттербия. В то же время концентрация Параметры образцов Pb1-x-yGexYbyTe Рис. 2. Температурные зависимости обратной магнитной Образец x y NYb3+, 1019 см-3 NYb, 1020 см-3 NYb3+/NYb восприимчивости Pb1-x-yGexYbyTe (x = 0.02) с различным 1 0 0.0003 0.044 содержанием иттербия y: 1 — 0.007, 2 — 0.01, 3 — 0.014, 2 0 0.005 1.1 0.80 0.4 — 0.019.

3 0 0.008 1.7 1.2 0.4 0 0.015 2.4 2.2 0.5 0 0.030 6.6 4.6 0.6 0 0.065 8.4 9.6 0.ностью состояний на уровне Ферми, расположенном 7 0.02 0.007 0.97 1.0 0.внутри примесной зоны [11]. Ранее подобное уменьше8 0.02 0.010 2.4 1.5 0.ние диамагнитного отклика наблюдалось, например, при 9 0.02 0.014 3.7 2.1 0.10 0.02 0.019 7.6 2.8 0.перемещении уровня Ферми в примесную полосу таллия Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1308 Е.П. Скипетров, Н.А. Чернова, Л.А. Скипетрова, А.В. Голубев, Е.И. Слынько магнитных центров монотонно возрастает при увеличе- [6] T. Story, M. Gorska, A. Lusakowski, M. Arciszewska, W. Dobrowolski, E. Grodzicka, Z. Golacji, R.R. Galazka. Phys. Rev.

нии концентрации иттербия в сплавах.

Lett., 77, 3447 (1996).

С точки зрения зонной диаграммы легированных ит[7] X. Gratens, S. Charar, M. Averous, S. Isber, J. Deportes, Z. Goтербием сплавов Pb1-xGexTe концентрация магнитноlacki. Phys. Rev. B, 56, 8199 (1997).

активных ионов Yb3+ соответствует концентрации неза[8] E.P. Skipetrov, N.A. Chernova, E.L. Slyn’ko, Yu.K. Vygraполненных электронами состояний в примесной полосе nenko. Phys. Rev. B, 59, 12 928 (1999).

иттербия. В кристаллах Pb1-yYbyTe с относительно низ[9] К.И. Андроник, М.П. Бойко, А.В. Лужковский. ФТП, 22, кими концентрациями иттербия (y 0.03) примесная 1878 (1988).

зона находится в валентной зоне и при низких темпера- [10] Л.А. Фальковский, А.В. Бродовой, Г.В. Лашкарев. ЖЭТФ, 80, 334 (1981).

турах стабилизирует уровень Ферми вблизи ее края [8].

[11] С.В. Вонсовский. Магнетизм (М., Наука, 1971) гл. 12, По мере увеличения концентрации иттербия она, пос. 243.

видимому, приближается к краю валентной зоны, пере[12] S. Isber, S. Charar, X. Gratens, C. Fau, M. Averous, S.K. Misra, секает его и выходит в запрещенную зону. Аналогичная Z. Golacki. Phys. Rev. B, 54, 7634 (1996).

перестройка энергетического спектра происходит и при [13] В.И. Кайданов, С.А. Немов, Ю.И. Равич. ФТП, 28, увеличении концентрации германия в Pb1-x-yGexYbyTe (1994).

так, что при любых концентрациях иттербия в сплавах Редактор Т.А. Полянская с x = 0.02 примесная полоса находится в запрещенной зоне. В этих условиях появление пустых состояний Magnetic properties of Pb1-xGexTe alloys в примесной полосе связано, очевидно, с переходами электронов из нее на незаполненные состояния валент- doped with ytterbium ной зоны, концентрация которых определяется в целом E.P. Skipetrov, N.A. Chernova, L.A. Skipetrova, акцепторным действием собственных структурных деA.V. Golubev, E.I. Slyn’ko фектов, связанных с отклонением от стехиометрии.

В рамках такой модели увеличение доли незаполнен- M.V. Lomonosov Moscow State University, ных электронами состояний в примесной зоне при увели- Physics Department, чении концентрации германия вполне понятно, посколь- 119899 Moscow, Russia ку в валентной зоне Pb1-x-yGexYbyTe (x = 0.02) элек- Institute of Material Science Problems, троны из примесной полосы заполняют все пустые со- 274001 Chernovtsy, Ukraine стояния, а в Pb1-yYbyTe — лишь состояния, находящиеся ниже уровня Ферми, расположенного в валентной

Abstract

We study temperature and magnetic field dependences зоне. Монотонное увеличение концентрации магнитно- of both the magnetic susceptibility and the magnetization of активных ионов иттербия (концентрация пустых состо- Pb1-x-yGexYbyTe alloys (0 x 0.02, y 0.065). We have яний в примесной зоне) указывает на увеличение сте- found that at room temperature all the alloys are diamagnetic. As пени отклонения от стехиометрического состава по ме- the temperature decreases the diamagnetic response is changed ре увеличения концентрации примеси. Поэтому можно by the Curie-Weiss paramagnetic one thus indicating the presence заключить, что при легировании иттербием так же, как of Yb3+(4 f ) magnetic ions in the alloys. The results obtained и в других легированных полупроводниках AIVBVI [13], made it possible to find the concentration of magnetic ions and the electron population of an Yb-induced impurity band.

имеет место эффект самокомпенсации — частичная компенсация донорного действия примеси собственными структурными дефектами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 0015-96784).

Список литературы [1] В.И. Кайданов, Ю.И. Равич. УФН, 45, 51 (1985).

[2] B.A. Akimov, A.V. Dmitriev, D.R. Khokhlov, L.I. Ryabova.

Phys. St. Sol. (a), 137, 9 (1993).

[3] T. Story, Z. Wilamowski, E. Grodzicka, B. Witkowska, W. Dobrowolski. Acta Phys. Polon. A, 84, 773 (1993).

[4] E. Grodzicka, W. Dobrowolski, T. Story, E.I. Slyn’ko, Yu.K. Vygranenko, M.M.H. Willekens, H.J.M. Swagten, W.J.M. de Jonge. Acta Phys. Polon. A, 90, 801 (1996).

[5] R. Denecke, L. Ley, G. Springholz, G. Bauer. Phys. Rev. B, 53, 4534 (1996).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.




© 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.