WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

a I(I + 1) exp - I(I + 1) 2 2kT 2NµBg2 I = · a 3kT exp - I(I + 1) 2kT I µBg+ N[I(I + 1) - I (I + 1)] + NdI (I + 1), (3) 3kT где N и I — концентрация и спин КМРЦ, Nd и I — концентрация и спин мелкого донора, участвующего в образовании ферроупорядоченного КМРЦ.

Рис. 3. Схематическое изображение квазимолекулярного Поскольку ЭКВ играет важную роль, захват донорнотригонального редкоземельного центра Ln2O3 в антиферрого электрона на КМРЦ должен сопровождаться изменеупорядоченном (a) и ферроупорядоченном (b) состоянии.

нием пространственного положения атомов иттербия в 1 — атомы основной решетки, 2 — редкоземельные атомы, рамках модели тригонального центра, которые смещают- 3 —атомы кислорода.

ся вдоль кристаллографического направления [111] приблизительно на 1 каждый, компенсируя таким образом электрон-электронное взаимодействие (рис. 3 и 4). Припары, поведение которой может быть описано в рамчем подобная взаимосвязанность зарядовых / спиновых и ках концентрации отрицательной корреляционной энерЭКВ, как правило, приводит к очень малому сечению процессов захвата носителей тока [6,18] гии (рис. 5), K 10-8 1 [6].

Предложенная модель образования ферроупорядочен1 = 0 · · N · K = · K, (4) ного КМРЦ хорошо согласуется с результатами элекcapt трических измерений, демонстрирующими рост удельного сопротивления в образце InP(Yb) с понижением где — среднеквадратичная скорость теплового температуры, который, по-видимому, обусловлен обрадвижения носителей тока в кристалле, N — конзованием обменно-связанного глубокого уровня в запрецентрация КМРЦ, 0 — дипольное сечение захвата, щенной зоне фосфида индия. Причем энергия глубокого 0 10-12-10-13 s — типичное время захвата элекуровня электрона, локализовавшегося при переходе с трона на мелкий донор, K — туннельный фактор [6], отражающий взаимосвязанность ЭКВ с зарядовым и спи- мелкого донора на КМРЦ, 0.18 eV оказалась численно новыми корреляциями вследствие наличия локальной равна значению константы s- f -обменного взаимодейфононной моды. В частности, для обменно-связанной ствия (рис. 1).

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 224 Н.Т. Баграев, В.В. Романов, В.П. Савельев Рис. 4. Схематическое изображение процесса захвата электрона мелкого донора на редкоземельный центр, который индуцируется s- f -обменным взаимодействием.

4. Процессы локального вождается увеличением энергии ионизации донорного электрона. Причем энергия сформировавшегося глубомагнитоупорядочения кого уровня спин-полярона, локализованного на мелком в кристаллах InP(Yb) доноре, определяется константой s- f -обмена [7,8].

Из указанного выше следует, что при прочих равных Кристаллы фосфида индия, содержащие магнитные условиях образование одиночного ферроупорядоченнопримеси в большой концентрации (n > 1019 cm-3), предго КМРЦ энергетически более выгодно, чем спинставляют собой полумагнитные полупроводники, для полярона. Тем не менее эти процессы конкурентно которых характерны процессы локального магнитоупоспособны благодаря тому, что вероятность захвата рядочения [2,7,8,21–23]. Важно отметить, что высокая электрона с мелкого донора на антиферроупорядоченконцентрация редкой земли может достигаться как по ный КМРЦ значительно уступает вероятности его локристаллу в целом, так и в локальных областях, обкализации при формировании спин-полярона, которая разующихся из-за неравномерности распределения ввепрактически определяется дипольным временем захваденной примеси в силу различных, в том числе и технологических причин.

Подобное локальное магнитоупорядочение обусловлено участием электронов мелких доноров в процессах s- f -обмена центров РЗЭ, который начинает конкурировать с образованием одиночных ферроупорядоченных КМРЦ, если в орбиту электрона, локализованного на мелком доноре, попадает порядка 8-10 редкоземельных центров [7]. В этом случае в полумагнитном полупроводниковом кристалле возникают области локального магнитоупорядочения — спин-поляроны (рис. 6), которые, так же как и одиночные КМРЦ, определяют взаимосвязанность магнитных, электрических и оптических свойств с ЭКВ [5–8]. Следует отметить, что локализованные на мелких донорах спин-поляроны раРис. 5. Адиабатические потенциалы квазимолекулярного нее наблюдались в кремнии [7,8], а затем в кристаллах центра Yb2O3, ферроупорядоченного вблизи мелкого донора AIIBVI, легированных марганцем [22,24].

вследствие s- f -обменного взаимодействия. D+, D0 — ионизоВ процессе образования спин-поляронов, локализованное и нейтральное состояния мелкого донора; (Yb2O3)0S и ванных на мелких донорах в InP(Yb), антиферроупо(Yb2O3)0T — КМРЦ в антиферромагнитном и ферромагнитном рядоченные КМРЦ переходят вследствие косвенного состоянии соответственно; (Yb2O3)-T — КМРЦ в ферроs- f -обмена через электроны мелких доноров в ферро- магнитном состоянии с захваченным электроном с мелкого магнитное состояние, формирование которого сопро- донора.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Магнитные и оптические свойства кристаллов фосфида индия, легированных иттербием электроном, локализованным на мелком доноре [7] 1 L + 1/2 a L = L + cth |(r)|2 S 2 L kT 1 1 a - cth |(r)|2 S, (6) 2 2L kT где (r) — радиальная часть волновой функции донорного электрона.

Приведенные соотношения (5)–(7) позволили рассчитать энергию связи спин-полярона, принимая во внимание значение константы s- f -обменного взаимодействия 0.18 eV. Полученное значение 10 meV, как оказалось, численно равно энергии активации температурной зависимости магнитной восприимчивости исследуемого кристалла InP Yb, которая изменяется в диапазоне температур 120-40 K по экспоненциальному Рис. 6. Схематическое изображение спин-полярона, локализозакону (рис. 2). Ниже 40 K данный образец InP(Yb) прованного на мелком доноре.

являет суперпарамагнитные свойства, поскольку взаимодействие между областями спонтанной поляризации — спин-поляронами — пренебрежимо мало. Поэтому при та (0) электрона на мелкий донор: 1/capt = 1/0 · K, низких температурах поведение магнитной восприимчигде 0 10-12-10-13 s, K 1. Поэтому температурная вости исследуемого кристалла InP(Yb) (рис. 2) хорошо зависимость магнитной восприимчивости исследованописывается с помощью расчетной зависимости, аналоных кристаллов InP(Yb) (рис. 2) может быть условно гичной (3) [7,8,19] разделена на три температурных интервала. В области высоких температур основной вклад в магнитную µBg2|J|2NF = восприимчивость вносят КМРЦ. При понижении тем3kT пературы кривая магнитной восприимчивости отражает a процесс формирования областей локального магнито- I(I + 1) exp - I(I + 1) 2 2kT 2NµBg2 I упорядочения — спин-поляронов, локализованных на +, (7) a 3kT exp - I(I + 1) мелких донорах, и, наконец, на низкотемпературном 2kT I участке приведенной зависимости проявляется суперпарамагнетизм образца, обусловленный упорядочением где N и I — концентрация и спин КМРЦ, NF и J — магнитных моментов спин-поляронов во внешнем магконцентрация и момент спин-полярона, локализованного нитном поле.

на мелком доноре Значения энергии спин-полярона и плотности волновой функции могут быть найдены путем решения b уравнения Шредингера для электрона, захваченного на |J| = L Nd3r = 4N L r2dr. (8) мелкий донор и участвующего в обменном взаимодействии окружающих его КМРЦ [7] Следует отметить, что энергия связи спин-полярона, e2 a - sp - sp + N( L S)sp = Esp, (5) локализованного на мелком доноре кремния (см.(5)), 2m r L рассчитывалась в рамках теории возмущений [7]. При где sp — волновая функция спин-полярона, a — этом возникали определенные трудности, связанные с константа обменного взаимодействия, величину которой устойчивостью уравнения Шредингера в условиях, когда можно оценить из температурной зависимости магнит- исходная энергия мелкого донора (6meV) была близка ной восприимчивости; N — концентрация КМРЦ внутри по величине к вкладу, вносимому спиновой частью в боровского радиуса мелкого донора; L — спин магнит- полную энергию связи локализованного спин-полярона ной примеси; L — среднее значение спина КМРЦ; S — (10 meV). Тем не менее данная проблема была решена спин донорного электрона.

с помощью численных методов, разработанных в [7] Средний спин КМРЦ находим, считая, что он связан для расчета энергии связи свободных и связанных спинс поляризацией КМРЦ в магнитном поле, создаваемом поляронов в полумагнитных полупроводниках.

3 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 226 Н.Т. Баграев, В.В. Романов, В.П. Савельев 5. Оптические свойства кристаллов больших энергий и отстоит от края зоны проводимости примерно на 50 meV, что соответствует излучательной InP(Yb), обусловленные рекомбинации, идущей через уровень мелкого донора.

присутствием ферроупорядоченных Следует отметить, что спектр возбуждения внутриКМРЦ и спин-поляронов, центровой люминесценции коррелирует со спектром локализованных на мелких донорах возбуждения люминесценции донорно-акцепторных пар h 1.36 eV [15], которые, по-видимому, вносят основПрямым экспериментальным подтверждением суной вклад в формирование бесструктурной эмиссионной ществования связанного спин-полярона в кристаллах полосы после термообработки при 750C (рис. 7, b).

InP(Yb) наряду с представленными температурными Тем не менее структура спектров фотолюминесценции зависимостями магнитной восприимчивости являются и изменение эмиссионных свойств изучаемых кристалрезультаты оптических исследований кристаллов фослов InP(Yb) под воздействием термообработки могут фида индия, легированных иттербием методом ионной быть объяснены в рамках модели КМРЦ. При этом имплантации [12]. Причем вывод о существовании спинследует учитывать, что в процессе ионной имплантации полярона следует как из характерных особенностей локальная концентрация редкой земли в приповерхностэмиссионных спектров кристаллов InP(Yb) до провеном слое кристалла фосфида индия может достигать дения термообработки, на ее промежуточных стадивысоких значений (n > 1019 cm-3), создавая тем самым ях (450C) и после отжига при температуре 750C, благоприятные условия для образования областей лотак и из анализа структуры спектра внутрицентровой кального магнитоупорядочения, которые реализуются фотолюминесценции редкоземельного центра (рис. 7).

при понижении температуры посредством s- f -обмена В эмиссионном спектре кристаллов, не прошедших терчерез электрон мелкого донора. Как отмечалось выше, мообработку или отжигавшихся при температурах ниуровень мелкого донора, участвующего в образовании же 400C, присутствует только широкая бесструктурная спин-полярона, будет „заглубляться“, что в оптических полоса с максимумом вблизи 1.35 eV. Внутрицентровую измерениях может привести к сдвигу эмиссионной пололюминесценцию иона Yb3+ в таких кристаллах заресы, связанной с процессами излучательной рекомбинагистрировать не удалось [12]. При отжиге кристаллов ции через уровень мелкого донора, в сторону меньших по мере повышения температуры термообработки сначаэнергий.

ла „возгораются“ линии внутрицентровой люминесценДействительно, широкая бесструктурная эмиссионная ции (рис. 7, a), а затем их интенсивность растет, и пополоса с максимумом вблизи 1.35 eV (рис. 7, a), после тридцатиминутного отжига при температуре 750C видимому, обусловлена оптическими переходами между интенсивность люминесценции иона Yb3+ возрастает спин-поляроном, локализованным на мелком доноре, и более чем в 600 раз (рис. 7, b). В результате термообраакцептором, поскольку величина ее сдвига, обнаруженботки широкая эмиссионная полоса сдвигается в область ного при термическом отжиге (рис. 7, b), подтверждается результатами, полученными из решения уравнения Шредингера (5), и полностью согласуется с определенным из измерений температурной зависимости магнитной восприимчивости значением энергии связи спинполярона (рис. 2). Следует также отметить относительно небольшую эффективность возбуждения внутрицентровой фотолюминесценции в образцах, прошедших термообработку при 450C [12] что, безусловно, связано с большой разницей в энергиях возбуждения внутрицентровой люминесценции (1.24 eV) и позицией уровня спин-полярона (1.41 eV). При таком соотношении энергий резко снижается эффективность Оже-процесса возбуждения внутрицентровой люминесценции [15,18,19] D0 +(Yb2O3)0 +(e + h) sp (D0 + h) +h1 +(Yb2O3)0 + e sp D+ +(Yb2O3)0 + e sp Рис. 7. Фотоэмиссионные спектры (T 6K) кристаллов фосфида индия, легированных иттербием методом ионной D0 +(Yb2O3)0 + h2, (9) sp имплантации [12,13]: a — после термообработки в течение 30 min при T = 450C, b — после термообработки в течение 30 min при T = 750C. где h1 1.41 eV и h2 1.24 eV.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Магнитные и оптические свойства кристаллов фосфида индия, легированных иттербием тельно, при увеличении количества ферроупорядоченных КМРЦ резко возрастает интенсивность внутрицентровой люминесценции (рис. 7, b), что естественно связать с наличием в кристалле InP(Yb) эффективного канала возбуждения, поскольку положение обменносвязанного уровня относительно валентной зоны находится в резонансе с уровнями 4 f -оболочки лантаноида (Eg-0.18 eV 1.24 eV).

К аналогичному выводу о том, что основной механизм возбуждения внутрицентровой люминесценции в InP(Yb) связан с присутствием ферроупорядоченных КМРЦ, приводит также сравнительный анализ температурной зависимости магнитной восприимчивости (рис. 1) и температурного гашения фотолюминесценции (рис. 8) в кристаллах, выращенных методом Бриджмена и легированных иттербием из расплава.

Рис. 8. Температурное гашение внутрицентровой фотолюИнтенсивная внутрицентровая фотолюминесценция наминесценции кристаллов InP(Yb), выращенных методом Бриблюдается в этих образцах в том же температурном джмена и легированных из расплава.

диапазоне, внутри которого их магнитные свойства обусловлены системой слабовзаимодействующих ферроупорядоченных КМРЦ.

Однако эффективность возбуждения как внутрицентровой люминесценции, так и люминесценции донорно-акцепторных пар (ДАП) повышается вследствие от- 6. Заключение жига при 750C радиационных дефектов, возникающих Исследование температурных зависимостей статичев процессе ионной имплантации (рис. 7).

ской магнитной восприимчивости и спектров фотолюКроме того, интенсивность излучательной рекомбиминесценции позволило изучить примесный магнетизм нации через донорно-акцепторные пары в результакристаллов InP(Yb), основной вклад в который вносят те проведенной термообработки возрастает на поряантиферроупорядоченные квазимолекулярные редкозедок, а полоса сдвигается в сторону больших энергий мельные центры Yb2O3.

( E 4meV), если в состав ДАП входит мелкий доОбнаружено, что при низких температурах квазимонор, а не спин-полярон (рис. 7, b), в то время как лекулы Yb2O3, находящиеся вблизи мелких доноров, внутрицентровая люминесценция усиливается в 600 раз.

Pages:     | 1 || 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.