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

2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 121.1. Спиновые сверхрешетки ................................................................................ 121.2. Сверхрешетки на основе полумагнитного полупроводника ...................... 141.3.

Образование экситонов в полумагнитном полупроводнике ...................... 181.4. Влияние магнитного поля на спектр экситона ............................................ 201.5. Экситоны в сверхрешетке ферромагнитный полупроводник –парамагнитный полупроводник............................................................................

28ГЛАВА 2. ТИПЫ ЭКСИТОНОВ В НАНОСИСТЕМАХ EuO-SrO ...................... 342.1. Экситоны в моноокиси EuO ниже температуры Кюри............................... 342.2. Прямые и межъямные экситоны в наносистемах EuO1-х –SrO- EuO1-х ..... 382.3. Влияние магнитных поляронов на спектр экситонов в наносистемахEuO-SrO ................................................................................................................... 46ГЛАВА 3.

ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В НАНОСЛОЯХ EuO ............. 533.1. Зеемановское расщепление энергетических уровней электроновмолекулярным полем в нанослоях EuO ............................................................... 533.2. Энергия связи, сила осциллятора и время жизни ортоэкситонов вферромагнитных полупроводниках ..................................................................... 613.3. Осцилляции намагниченности и состояний триплетных экситонов ......... 65ГЛАВА 4. БОЗЕ-ЭЙНШТЕЙНОВСКАЯ КОНДЕНСАЦИЯ ЭКСИТОНОВ ВСВЕРХРЕШЕТКАХ EuO-SrO .................................................................................. 704.1. Экситоны высокой плотности в ферромагнитных полупроводниках .......

704.2. Конденсация композитных бозонов в ферромагнитныхполупроводниках.................................................................................................... 734.3. Фазовая диаграмма ортоэкситонов в EuO .................................................... 76ГЛАВА 5. ТУННЕЛИРОВАНИЕ В НАНОСИСТЕМЕ EuO – SrO ......................

855.1. Туннельные свойства экситонов в ферромагнитных наносистемахEuO-SrO ................................................................................................................... 853Стр.5.2. Туннелирование подбарьерных экситонных электронов в двойныхквантовых ямах....................................................................................................... 895.3.

Определяющая роль экситонных эффектов в туннельных процессахдля наносистемы EuO-SrO-EuO ........................................................................... 985.4. Кинетическая модель межъямного туннелирования с учетом спиновойрелаксации в наноструктуре EuO-SrO-EuO ...................................................... 103ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ ......................... 110ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 1184ВВЕДЕНИЕАктуальность работы.

Исследования оптических свойств ферромагнитных полупроводников все больше переключаются с массивных ферромагнетиков на гетеросистемы из нанослоев. Квантово-размерный эффект в таких материалах радикальным образом изменяет поведение электронов (e) и дырок (h),дополнительный периодический потенциал дробит зоны проводимости и валентные зоны на минизоны, что приводит к перераспределению плотности e иh в области гетерограниц.Эта работа является попыткой изложить основные представления о триплетных экситонах как френкелевских возбуждениях в ферромагнитных кристаллах, магнитные ионы которых имеют незаполненные 3d – и 4f – оболочки.В первых статьях уже отмечается заметное изменение спектра поглощениясвета в магнитных кристаллах по отношению к спектрам этих материалов в парамагнитной области.

Оказалось, что при объяснении этих особенностей, недостаточно использовать методы исследования энергетических уровней магнитных ионов, а необходимо привлечение теории коллективных возбуждений,теории экситонов.В формировании энергетических термов атомов важную роль играет обменное взаимодействие электронов, что обусловлено природой тождественныхчастиц. Это взаимодействие проявляется при перекрытии волновых функцийэлектронов. Многоэлектронная волновая функция системы должна быть антисимметричной при перестановке двух электронов. Исходя из принципа Пауляможно объяснить появление обменного взаимодействия и его влияние на положение энергетических уровней системы. Анализируя обменное взаимодействиемагнитных ионов и вводя эффективный гамильтониан системы магнитных ионов, следует отметить, что для описания возбужденных состояний магнитногокристалла необходимо знать вначале энергии и волновые функции отдельного5магнитного иона, помещенного в этот кристалл, а потом уже определять егоколлективные возбуждения, т.е.

экситоны.Теперь можно отметить, что при построении схемы возбужденных состояний магнитного кристалла, выбирается модель френкелевских экситонов.Далее, нужно учесть, что отличие спектра магнитного иона, помещенного вкристалл, от спектра иона в газе, заключается в расщеплении уровней иона. Эторасщепление можно установить теоретически и экспериментально. В нулевомприближении индивидуальность магнитного иона сохраняются, и спектральныепараметры магнитного кристалла можно определять как термы магнитного иона, помещенного в кристалл.Таким образом, для определения энергетического спектра магнитногокристалла вначале нужно определить энергетические уровни и волновые функции отдельного магнитного иона в статистическом поле других ионов. Потомнужно учесть резонансное взаимодействие возбужденного и невозбужденныхмагнитных ионов.

Это приводит к экситонному характеру возбуждений магнитного иона в кристалле. Такие возбуждения называют магнитными экситонами и к ним относят высокоэнергетические оптические возбуждения.Основы теории триплетных (магнитных) экситонов были заложены в1956 г. Меррифельдом, а экспериментальные исследования были начаты в шестидесятые годы двадцатого столетия. При этом был определен характер миграции и величина резонансной передачи триплетных возбуждений между молекулами.В ряде соединений редкоземельных и переходных элементов энергия, дляперевода катиона в возбужденное состояние, невелика.

При этом катионы переходят в состояние с отличным от нуля спином, что можно характеризоватьрождением триплетного экситона Френкеля. Если возбуждение катионов происходит без изменения их спина, то рождается синглетный экситон. Когда магнитные катионы легко переходят в возбужденное состояние, их называют магнитоэкситонами.6Экситонный подход широко применяется при описании оптическихсвойств магнитоупорядоченных кристаллов. Их оптические и магнитные свойства обусловлены электронами незаполненных 3d – и 4f – оболочек магнитныхионов. Из-за слабого перекрытия волновых функций магнитных ионов высокочастотные оптические возбуждения таких кристаллов представляют экситоныфренкелевского типа.Информация об образовании магнитных экситонов при поглощении световых квантов  халькогенидами европия поступила около 50 лет назад, еслиследовать ссылкам из работ А.Яназе и Т.Касуя «Механизмы аномальныхсвойств европия» и «Аномальные явления переноса», которые являются дополнениями к монографии З.Метфесселя и Д.Маттиса «Магнитные полупроводники».Возбуждение, соответствующее переходу электрона в незанятое состояние с большей энергией, может иметь спин равный нулю (синглетное возбуждение) и спин, равный единице (триплетное возбуждение).

Пары электронов,находящиеся в синглетном состоянии, оказываются на меньших расстоянияхдруг от друга, чем пары электронов в триплетном состоянии, спины которыхпараллельны. Значит кулоновское отталкивание между электронами в синглетном состоянии сильнее, чем в триплетном. Тогда энергия нижайшего триплетного возбужденного состояния будет меньше синглетного.Триплетные возбуждения имеют особенности.

Так из-за спинового запрета переходов в синглетное состояние, триплетные возбуждения имеют времяжизни намного большее, чем время жизни синглетных возбуждений. Это значительно увеличивает реакционную способность молекул и такие состоянияшироко используются в фотохимии. Большое время жизни триплетных возбуждений способствует созданию их высокой концентрации, при которой проявляется взаимодействие между экситонами. При этом необходимо учесть трехкратное вырождение триплетных состояний по спину, которое снимается вмагнитном поле (внешнем или молекулярном) или благодаря спин-спиновому7взаимодействию. Излучение кванта света с нижнего триплетного состояния всинглетное связано с большим временем жизни порядка 10-10-3 с.Еще в 1977 и 1979 гг.

в теоретических расчетах Ханамуры и БобрышевойА.И. было показано, что во внешнем магнитном поле все электроны и дыркиимеют одинаковые проекции спина и по этой причине экситоны, образованныев результате их связывания, становятся ортоэкситонами и взаимодействие между ними будет отталкивательным. Биэкситоны в таких системах не образуются.В 1981 г. эта ситуация была экспериментально обнаружена Кукушкиным, Кулаковским и Тимофеевым в полупроводнике Ge, при одноосной деформации вмагнитном поле.В 70-е года стали интенсивно исследоваться наноразмерные гетеросистемы на основе полумагнитных полупроводников типа Zn1 x Mn x Se / ZnS y Se1 y ,где магнитный ион Mn2+, состояние которого характеризуется спином S=5/2 сугловым моментом L=0 и слабым спин - орбитальным расщеплением.