Автореферат (Обменное взаимодействие и коллективные свойства экситонов в наносистемах EuO-SrO)

На правах рукописиСОМОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНАОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И КОЛЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВАЭКСИТОНОВ В НАНОСИСТЕМАХ EuO-SrOСпециальность 01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2016Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Тульский государственный педагогическийуниверситет им. Л.Н.Толстого»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорГоловнев Юрий ФилипповичОфициальные оппоненты:Вахитов Роберт Миннисламович, доктор физикоматематических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», заведующий кафедрой теоретической физики физикотехнического институтаСитников Александр Викторович, доктор физикоматематических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры физики твердого тела факультета радиотехники и электроникиВедущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западныйгосударственный университет» (ФГБОУ ВО «ЮЗГУ»)Защита состоится «15» февраля 2017 г.

в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВО «Московскийгосударственный технический университет им. Н.Э.Баумана» по адресу: 248000,г. Калуга, ул. Баженова, 2, МГТУ имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э.Баумана и насайтах www.bmstu.ru, www.bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан: «Ученый секретарьдиссертационного советак. т. н., доцент»2016 г.Лоскутов Сергей АлександровичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Развитие спинтроники после открытия гигантскогомагнетосопротивления дало много других эффектов, связанных с управлением ивоздействием на спин электрона.

Эта область научных исследований расширяется в новых направлениях, например, создание лазера в данном диапазоне длинволн, что слабо представлено в научной литературе, в основе которой лежат новые экспериментальные данные для гетероструктур ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник. Современные научные исследованияявлений переноса спина открывают новые горизонты для практических применений. Использование свойств спина и когерентности его в наноразмерныхструктурах способствует тому, что спинтронике и экситонике подлежит занятьважнейшее место в науке и технологи XXI века.Так же в последнее время среди объектов физики конденсированного состояния значительный интерес представляют гетеросистемы из нанослоев.

В таких материалах поведение электронов (e) и дырок (h) изменяется радикальнымобразом из-за квантово-размерного эффекта, где зоны проводимости и валентные зоны дробятся дополнительным периодическим потенциалом на минизоны,что приводит к перераспределению плотности e и h в области гетерограниц.Обменное взаимодействие носителя заряда и электронов, локализованных7на 4f – оболочках ионов Eu2+ при температуре ниже точки Кюри Т k определяетмагнитные свойства ферромагнитных полупроводников. Для ферромагнитногополупроводника EuO характерны магнитные (триплетные) экситоны, время жизни которых на несколько порядков больше времени жизни экситонов в немагнитных кристаллах, т.к.

спины электронов и дырок выстраиваются параллельнодруг другу из-за ферромагнитного характера обмена при Т<Tk.. В работе показано, что энергия состояния с параллельными спинами меньше и экситоны находятся в триплетном состоянии.Цель диссертационного исследования – исследовать природу обменноговзаимодействия и его влияние на коллективные свойства триплетных экситоновв наногетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников EuO–SrO,которые влияют на образование магнитных экситонов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:- определение условия образования наносистем из ферромагнитного полупроводника EuO и парамагнитного полупроводника SrO;- анализ возникновения s-f и d-f – обменного взаимодействия и его влияниена основные параметры магнитных экситонов наногетеросистемы EuO – SrO:энергию связи, силу осциллятора, время жизни и образование магнитных поляронов.- теоретически исследовать влияние обменного взаимодействия на коллективные свойства триплетных экситонов.- рассмотреть условия конденсации магнитных экситонов и образованиебозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) и электронно-дырочной жидкости(ЭДЖ) и построить соответствующие диаграммы.1- анализ кинетики образования ортоэкситонов в наносистемах EuO – SrO:определение времени энергетической и спиновой релаксации, влияние на нихинтерфейсного и химического состава гетеропереходов.Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:• исследованы наногетеросистемы EuO – SrO;• изучено влияние на свойства экситонов и их коллективные свойства обменного взаимодействия;• дан анализ условий образования бозе – эйнштейновского конденсата длянаносистемы EuO – SrO;• проведен достаточно полный теоретический анализ, который позволяетсчитать, что наносистема EuO – SrO может быть использована в практическихприложениях: спиновом светодиоде, транзисторах и других устройствах.Теоретическая и практическая значимость работы определяется тем, что- проведен отбор гетеропары ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник с максимальным соответствием кристаллических параметров;- определены параметры и условия применения наноразмерных гетеросистем на основе ферромагнитных полупроводников в различных областях микроэлектроники;- предложенная модель сверхрешетки EuO – SrO может использоватьсяпри создании современных устройств памяти, спиновых транзисторах и светодиодах.Методология и методы исследования:Направление исследований, связанное с переносом спина электрона в начале 2000 г.

стало наиболее актуальным исследованием в физике.Методы и приближения, которые используются при анализе и расчетах вработе, подробно изложены в монографиях: Метфессел З. и Маттис Д., НагаеваЭ.Л., Москаленко С.А., Слэтера Д.К., Хакена Г., Хермана М. и др., а также в трехмонографиях Головнева Ю.Ф.Основные положения и результаты, выносимые на защиту:- обоснование и выбор сверхрешетки на основе ферромагнитного полупроводника EuO и парамагнитного полупроводника SrO;- определение влияния обменного взаимодействия на энергию связи, силуосциллятора и время жизни магнитного экситона;- анализ влияния обменного взаимодействия на коллективные свойствамагнитных экситонов и их конденсацию (ЭДЖ и образование БЭК).Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач с использованием соответствующих уравнений физики, применение для их решения теоретически обоснованных методов, а также согласием результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.Личный вклад автора.

Автором работы получены основные результаты исформулированы научные положения, выносимые на защиту. Им также проведен анализ возможности использования полученных результатов теоретическихисследований в практических приложениях и подготовлены все материалы копубликованию. Выбор объектов исследования наносистем, и исследование их2основных свойств выполнены с участием Головнева Ю.Ф., Нургулеева Д.А. иЛаковцева А.Б.Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на VI Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ- 2013 (Минск, 2013); II Международной конференции «Многомасштабное моделирование структур, строение вещества, наноматериалы и нанотехнологии», посвященная памяти профессораА.Н.Никитина MMSN II (Тула, 2014); научной конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов, магистрантов, соискателей ТГПУ им.Л.Н.Толстого «Университет XXI века: исследования в рамках научных школ»(Тула, 2013), VII, VIII Всероссийской школе – семинар для студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур» Рязанский государственный радиотехнический университет (Рязань,2014, 2015 гг.), 16 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто - и наноэлектронике (СанктПетербург, 2014), XI Региональная научно-практическая конференция аспирантов, соискателей, молодых учѐных и магистрантов «Исследовательский потенциал молодых ученых: взгляд в будущее» (Тула, 2015).Публикации.

Основные результаты диссертации отражены в 23 работах, втом числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах из ПеречняВАК РФ и 1 монография. Общим объемом 7,75 п.л.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пятиглав, применения, общих выводов, списка используемой литературы, включающего 137 наименований, и изложена на 130 страницах машинописного текста, втом числе 37 рисунков.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, выносимые на защиту, указаны научная и практическая значимость результатов.Первая глава отражает современное состояние изученности темы, критически рассмотрены результаты исследований обменного взаимодействия всверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников, выявлены вопросы, требующие решения в данной работе.Первопричиной перехода от изучения индивидуальных свойств экситоновк исследованию их коллективного поведения является обменное взаимодействие, которое особенно существенно проявляется в спиновых сверхрешетках.Часть разделов монографии Хермана посвящена гетероструктурам с квантовымиямами, диссертации Бричкина А.С., Минцева А.В.

и др., которые обобщенноможно назвать как полумагнитный полупроводник – парамагнитный полупроводник (пм – пп). Целью этих работ являлось экспериментальное исследованиевлияния sp - d обменного взаимодействия на энергию и тонкую структуру экситонных состояний в полумагнитных наногетероструктурах.Полумагнитные полупроводники могут быть широкозонными Cd1-xMnxTe иузкозонными Hg1-xMnxTe, а магнитными добавками к ним могут быть ионы переходных металлов Mn, Fe, Co… или редкоземельных элементов Eu, Sm, Yb… За3последние 35 лет подробно изучены оптические и магнитные характеристикиматериалов этого класса. В частности, открыто гигантское спиновое расщепление зонных расстояний, магнитополяронный эффект и гигантское фарадеевскоевращение плоскости по поляризации света.

Заметное влияние на магнитные иоптические свойства этих материалов оказывает система магнитных ионов, скоторой связаны электроны и дырки через sp-d – обменное взаимодействие. Этасвязь действует на спиновое состояние последних и приводит к различным магнитооптическим эффектам. Отличительной особенностью полумагнитных полупроводников является наличие системы магнитных ионов, которые оказываютбольшое влияние на электрические, оптические и магнитные свойства материала.