Автореферат (Обменное взаимодействие и коллективные свойства экситонов в наносистемах EuO-SrO), страница 3

6. Зависимость безразмерного рас- фаза высокой плотности,стояния между экситонами от безразмерпредставляющая собой электронноного давления в сверхрешетках EuO-SrOдырочную плазму.В пятой главе дан подробный анализ кинетической модели с учетом туннелирования экситонных электронов e, где отражено влияние на туннелированиесостава интерфейса, энергетической и спиновой релаксации и дано примерноевремя туннелирования e и рекомбинацииge  0e – h.5dГ 81Проделан анализ влияния ферро2магнитного порядка на основные параГ8Г 8 1метры туннелирования и проведены рас2четы прозрачности барьеров для разного5направления спина, туннелирующего24fgh  0электронаВ резонансном туннелировании эк52ситонных электронов участвуют те изних, энергии которых находятся вблизиуровня Ферми в пределах температурноРис.7.

Схема оптического переходаго размытия (Рис. 1). Из Рис. 1 видно,в магнитной квантовой ямечто ДКЯ наногетероструктуры EuO - SrO- EuO удовлетворяет условию резонансного туннелирования экситонного электрона из одной квантовой ямы через барьер SrO в соседнюю с образованиемнепрямого экситона I , т.к. в первой яме остается тяжелая дырка.10Релаксация экситонов (энергетическая и спиновая) будет обусловлена обменным взаимодействием и приведет к   - поляризованной компоненте в спектре при H эф  1 Тл, что должно реализоваться в гетеросистеме из нанослоев EuOи SrO (Рис. 7).При больших полях H эф в   - поляризованных спектрах люминесценциидолжна наблюдаться только излучательная рекомбинация экситонов из магнитных ям (EuO) на низкоэнергетическом крыле линии фотолюминесценции, чтосвидетельствует об их сравнимой интенсивности в соседних ямах и об эффективной межъямной релаксации резонансно возбужденных экситонов.

Это свидетельствует о межъямной релаксации (туннелировании) экситонов, возбужденныхрезонансно, что находит объяснение при анализе спиновой и энергетической релаксации в спин-зависимом потенциале сверхрешеток EuO/SrO.Использованное упрощение для ДКЯ (двойных квантовых ям) дает хорошее количественное описание образования экситонных состояний с глубокимлокализирующим потенциалом V = 2эВ, например, рассчитать энергию связи экситона с учетом d-f – обменного взаимодействия дает:2K 2e 2AEx  2 (Se  S h ) ,(12)**222(me  mh ) 2  2 nгде  me* mh*me*  mh*- приведенная масса экситона, S e и S h - спин e и h, n – главноеквантовое число. Ближайшие ионы европия в EuO соединены t 2 g - орбиталями.Это понижает энергию 5d – состояния на 0,5 эВ.

Результаты анализа магнитооптических эффектов в EuO показывают, что полоса поглощения похожа на полосы, обусловленные 4f – 5d – переходами в Eu2+ не только по форме и силе осциллятора, но и по магнитооптическим параметрам.В нашем случае отличительной особенностью стационарной кинетическоймодели будет дополнительный член, который отражает туннелирование экситонных электронов в соседнюю магнитную яму в молекулярном поле H эф  1Тлза время t. Выбор его даст качественное описание этого процесса, а уравнениедля кинетической модели следует записать так:dn n nn E  n NГ  exp  ,dtt p tc p tc pKT tгде E  g ex  B H эф , g ex  2 ;nиn(13)- населенности состояний на нижнем (   ,I  3 ) и верхнем (   , I  1 ) уровнях; N Г - скорость генерации экситонныхэлектронов на нижнем уровне, E - зеемановское расщепление состояний экситона, tc p - время спиновой релаксации, t p  100 пс .

Вероятность туннелированияэкситонного электрона «через» локализованные состояния барьера SrO определяется формулой Брейта-ВигнераГ2T рез (   0 ) ,(14)(   0 ) 2  Г 211где  0 - энергия локализованных состояний, Г – ширина уровня в барьере (еготолщина d).Следует отметить, что в гетероструктуре на основе оксидов европия истронция можно создать высокую концентрацию триплетных экситонов с большим временем жизни. Достичь достаточно высоких плотностей экситонов (до1014см-2) позволяет ограничение в плоскости квантовых ям. Поэтому рассмотренные гетеросистемы имеют практическое приложение в таких приборах какспиновых транзисторах и светодиодах.

Энергия порядка экситонной энергиисвязи достаточно для изменений их оптических параметров, а так же Они отличаются высокой чувствительностью.Анализ коллективных свойств ортоэкситонов продолжается и при теоретическом изучении их возможности туннелирования в наносистемах EuO–SrO–EuO при различном стехиометрическом составе. Показано, что туннелированиемогут совершать только экситонные электроны, а экситонные дырки h из-за узости 4 f 7 - зон, а значит большой массе h, не могут преодолеть соответствующиебарьеры.Подробный анализ туннелирования экситонных электронов e дан в кинетической модели, где отражено влияние на туннелирование e состава интерфейса, энергетической и спиновой релаксации и дано примерное время туннелирования e и рекомбинации e – hВ заключении рассмотрены основные характеристики полевого транзистора (ПТ), n-каналом которого является сверхрешетка SrO-EuO на толстой подложке из SrO.Так как одним из важных достоинств полевого транзистора является еговысокое входное сопротивление, то сразу под затвором находится барьерныйслой SrO сверхрешетки SrO-EuO, где роль квантовых ям выполняют слои EuO.Они же инжектируют в n-канал при знаке «плюс» на затворе электроны, концентрация которых, благодаря 4f-уровням в запрещенной зоне, достигает 1026м3.При температуре ниже точки Кюри ( 70 K) в этих слоях действует обменное взаимодействие, которое ориентирует спины туннелирующих электроoнов через тонкие барьеры SrO (  10 A )в одном направлении.

В таком случаевсе слои EuO в сверхрешетке будутнамагничены обменным взаимодействием сонаправленно и ток I увеличивается во много раз.Рис.8. Конструкция полевогоПовышение температуры Кюритранзистора с n-каналом из сверхрепленок EuO до 150 К объясняется магшетки SrO-EuO. Толстая подложка изнитными примесными состояниями,готовлена из SrOобразующимися около кислородныхвакансий в EuO1 . Эти пленки могут быть использованы при изготовлении светодиодов разного «цвета».

При температуре ниже 150 К образуются экситоны с12энергией до 2 эВ. Тогда при их рекомбинации такой светодиод будет получатьсвет с относительно большой длиной волны. Если температура станет выше точки Кюри и ферромагнитное состояние исчезнет, то будет возникать экситоны,когда электрон будет переходить через всю запрещенную зону Еg = 3 эВ. Рекомбинация электрон – дырка даст излучение света такого светодиода в области более коротких длин волн (синий цвет). Таким образом, изменение температурыприведет к смене светового спектра светодиода на основе ферромагнитного полупроводника.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ1.Определены условия образования практически идеальных наносистем изферромагнитного полупроводника EuO, имеющего кубическую границентриро5ванную решетку типа NaCl (пространственная группа Oh  Fm3m ), где каждыйион Eu2+ находиться в центре октаэдра анионов (имеет 6 ближайших соседей –анионов) и парамагнитного полупроводника SrO с такой же сингонией.

При этомпараметр кристаллической решетки EuO равен a EuO = 5,144 A , а соответствующий размер SrO имеет величину a SrO = 5,145 A . Их разница составляет 0,2%,что находится в «идеальном» соответствии с «картой мира» Кремера и Алферова, по которой расхождение постоянных решеток на гетеропереходе не должнопревышать 0,5%.2.Проведен подробный анализ возникновения s –f и d – f взаимодействий иих влияние на основные параметры ортоэкситонов в наногетеросистеме EuO –SrO при температуре ниже точки Кюри ( Т  Tk ). При выполнении этих условийу триплетных экситонов существенно возрастает энергия связи E x и сила осциллятора f, а также время жизни магнитных экситонов увеличивается на три порядка. Обменное взаимодействие также способствует образованию магнитныхполяронов при переходе экситонных электронов в соседние квантовые ямы.3.Теоретически показано, что обменное взаимодействие существенно влияетна коллективные свойства ортоэкситонов, выстраивая их вдоль направления соответствующего молекулярного поля H эф , что способствует отталкивательномуэффекту между триплетными экситонами и удовлетворяет корреляции в их поведении.4.Дан подробный анализ бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК) ортоэкситонов и условия образования электронно-дырочной жидкости с учѐтом отталкивания между магнитными экситонами и применением метода среднего поля (по Хаугу) и вариационного принципа Боголюбова для термодинамическогопотенциала.

Результаты этого анализа подробно проиллюстрированы соответствующими диаграммами.5.В рамках модели туннелирования экситонных электронов в соседние квантовые ямы дан анализ кинетики ортоэкситонов в наносистемах EuO-SrO. С учѐтом исследований других авторов определено приближенное время энергетиче-13ской и спиновой релаксации, а также влияние на них переходного слоя (интерфейса) и химического состава гетероперехода EuO –SrO.Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:1.Сомова Н.Ю., Головнев Ю.Ф., Лаковцев А.Б. Экситоны в ферромагнитных полупроводниках // Университет XXI века: исследования в рамках научных школ: Материалы научной конференции профессорско-преподавательскогосостава, аспирантов, магистрантов, соискателей ТГПУ им.