Диссертация (Обменное взаимодействие и коллективные свойства экситонов в наносистемах EuO-SrO), страница 17

Схема энергетических уровнейEuO, построенная из оптических экспериментальных исследований, приведенана рисунке. В зазоре между дном зоны проводимости Ес и потолком валентнойзоны Еv, равным  3 эВ, расположены 4f - уровни, ширина которых  0,7 эВ.Энергетический промежуток между ними и дном зоны проводимости равен 1,1 эВ (Рис. 2.1) [127].Зависимость магнитных параметров ферромагнитного полупроводникаEuO от концентрации носителей тока используют при создании устройств с параметрами, управляемыми электрическим полем или светом за счет фотоферромагнитного эффекта [136]. Например, они могут быть использованы в опти-115ческом диапазоне для управления светом, пропускаемого по световоду.

Обменное взаимодействие носителей тока с магнитными ионами Eu2+ расщепляет зону проводимости на две подзоны (нижнюю и верхнюю) с противоположнойнамагниченностью [128]. При этом подвижность электронов в верхней подзонениже. Это позволяет генерировать высокочастотные колебания [129-132].Повышение температуры Кюри пленок EuO до 150 К объясняется магнитными примесными состояниями, образующимися около кислородных вакансий в EuO1 [133-137].

Эти пленки могут быть использованы при изготовлении светодиодов разного «цвета». При температуре ниже 150 К образуются экситоны с энергией до 2 эВ. Тогда при их рекомбинации такой светодиод будетполучать свет с относительно большой длиной волны. Если температура станетвыше точки Кюри и ферромагнитное состояние исчезнет, то будет возникатьэкситоны, когда электрон будет переходить через всю запрещенную зонуЕg=3эВ. Рекомбинация электрон – дырка даст излучение света такого светодиода в области более коротких длин волн (синий цвет). Таким образом, изменениетемпературы приведет к смене светового спектра светодиода на основе ферромагнитного полупроводника [131].Сформулируем основные результаты и выводы, полученные в ходе работы по теме диссертации:1.Определены условия образования практически идеальных наноси-стем из ферромагнитного полупроводника EuO, имеющего кубическую границентрированную решетку типа NaCl (пространственная группа O h5  Fm 3 m ),где каждый ион Eu2+ находиться в центре октаэдра анионов (имеет 6 ближайших соседей – анионов) и парамагнитного полупроводника SrO с такой же сингонией.ПриэтомпараметркристаллическойрешеткиEuOравенa EuO  5,144 А , а соответствующий 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 должно превышать 0,5%. Ионы Eu и Sr близки по116значениям ионных радиусов и по химическим свойствам. Их халькогениды состава 1:1 изоструктурны. Ближайшие ионы европия соединены t 2 g - орбиталями: катион - катионное перекрытие понижает энергию 5d – состояния на 0,5 эВв EuO, а энергетическая щель между 4 f7- 5d t2 g состояниями определяет крайпоглощения Eg, который у EuO равен 1,1 эВ (из эксперимента).

У SrO возбуждения из p6 – состояний в зону проводимости составляют, примерно 5,5 эВ.2.Проведен подробный анализ возникновения s –f и d – f взаимодей-ствий и их влияние на основные параметры ортоэкситонов в наногетеросистемеEuO – SrO при температуре ниже точки Кюри ( Т  Tk ). При выполнении этихусловий у триплетных экситонов существенно возрастает энергия связи E x исила осциллятора f, а также время жизни магнитных экситонов увеличиваетсяна три порядка. Обменное взаимодействие также способствует образованиюмагнитных поляронов при переходе экситонных электронов в соседние квантовые ямы.3.Теоретически показано, что обменное взаимодействие существенновлияет на коллективные свойства ортоэкситонов, выстраивая их вдоль направления соответствующего молекулярного поля H мол , что способствует отталкивательному эффекту 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 учётомотталкивания между магнитными экситонами и применением метода среднегополя (по Хаугу) и вариационного принципа Боголюбова для термодинамического потенциала.

Результаты этого анализа подробно проиллюстрированы соответствующими диаграммами.5.В рамках модели туннелирования экситонных электронов в сосед-ние квантовые ямы дан анализ кинетики ортоэкситонов в наносистемах EuO –SrO. С учётом исследований других авторов определено приближенное время117энергетической и спиновой релаксации, а также влияние на них переходногослоя (интерфейса) и химического состава гетероперехода EuO –SrO.118ЛИТЕРАТУРА1.Тимофеев В.Б.

Бозе-конденсация экситонных поляритонов в мик-рорезонаторах // ФТП. 2012. Т.46. Вып.7. С. 865-883.2.Blatt J.M., Bower K.W., Brandt W. Bose-Einstien condensation ofexcitons // Phys. Rev. 1962. V.126, №5. p.1691-1692.3.Метфессель, Д. Маттис. Магнитные полупроводники // М.Мир,1972. 405 с.4.Нагаев Э.Л., Осипов В.В., Самохвалов А.А.

Коллективные электри-ческие явления в вырожденных магнитных полупроводниках с самопроизвольным разделением фаз // УФН, 1996. Т.166. №6. С. 685-687.5.Давыдов А. С. Теория твердого тела. М.: Наука, 1976. 646 с.6.Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки: Пер. с англ. М.:Мир, 1989. 240 с.7.Golovnev J.F., Paramonov A.V. Energy distribution of electrons in asuperlattice from magnetic semiconductors SmS-EuS // Physics of Electronic Materials: 2-nd International Conference Proceedings.

Kaluga. 2005. V. 2. P. 313-317.8.Ермолов А.В. Современные проблемы математики, информатики,механики / Расчет прозрачности гетеробарьера SmS-EuS-SmS методом функции Грина на основе туннельного гамильтониана в представлении вторичногоквантования // Тез. док. Международной конференции. Тула. 2003. С.106-107.9.Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Физик и технология микро - и на-ноструктур / Сверхрешетки на основе ферромагнитного и парамагнитного полупроводников для спинктроники // Тез. док. 7-ой научной молодежной школыпо твердотельной электронике.

Санкт-Петербург. 2004. С. 32.10.Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В., Ермолов А.В. Фундаментальныеи прикладные проблемы физики // Резонансное туннелирование в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников: Тез. докл. 4-ой Международной конф. Саранск, 2003. С.95.11911.Головнев Ю.Ф., Ермолов А.В. Изменение энергетического спектрасверхрешетки PbS – EuS под влиянием состояний, локализованных на границахгетеропереходов // Известия ТулГу.

Серия Физика. Тула. 2005. Вып. 5. С. 83.12.Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. 1032 с.13.Furdyna J.K. Diluted Magnetic Semiconductors // J. Appl. Phys. 64,R29, 1988.14.Prinz G. A. Magnetoelectronics // Science, 282, 1998, pp. 1660-1663.15.Минцев А.В.

Коллективные свойства экситонных квазичастиц в по-лупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами: Дис. канд. физ.-мат.наук. Черноголовка, 2003. 69 с.16.Бричкин А.С. Влияние SP-D обменного взаимодействия на экси-тонные состояния в полумагнитных полупроводниковых квантовых ямах и точках: Дис. канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, 2010.

151 с.17.Кавокин К.В., Меркулов И.А., Яковлев Д.Р. Магнитные поляроны вгетероструктурах на основе полумагнитных полупроводников // ФТТ. 1998, т.40, С. 800-802.18.Агранович В.М., Галанан М.Д. Перенос энергии электронного воз-буждения в конденсированных средах. М.: Наука. 1978. 382 с.19.Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах /А.К.Звездин [и др.] М.: Наука. 1985. 296 с.20.Oseroff S.

and Keesom P.H. Magnetic properties: Macroscopic studiesin «Semiconductors and Semimetals» // 1988. Vol.25. pp.73-123.21.Magneto-optical study of interface mixing in the CdTe/(CdMn)Te sys-tem / J.A. Gaj [and other] Phys. Rev. 1994. B. 50, p.5512-5527.22.Terai Y., Kuroda S, Takita K. Self-organized formation and photolumi-nescence of Cd1-xMnxTe quantum dots grown on ZnTe by atomic layer epitaxy//Appl. Phys. Lett.

2000. 76, p.2400.23.Ossau W.J. and Kuhn-Heinrich B. Dimensional dependence ofantiferromagnetism in diluted magnetic semiconductor structures // Physica. 1993. B184, p.422-431.12024.Выращивание гетероэпитаксильных структур EuO/Si и EuO/SrO/Siметодом молекулярно-пучковой эпитаксии / П.Е. Тетерин [и др.] Физика и техника полупроводников, 2015. Т. 49. Вып. 1. С. 134-137.25.Головнев Ю.Ф., Сомова Н.Ю. Магнитный экситон // Тула: Изд-воТГПУ им.Л.Н.Толстого, 2014. 207 с.26.Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В.

Физика и технология микро- и на-ноструктур // Влияние диэлектрической проницаемости на энергию связи экситонов в гетероструктурах PbS-EuS: Материалы 8-ой научной молодежной школы по твердотельной электронике. СПб., 2005. С. 33.27.Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В. Физика и технология микро- и на-ноструктур // Гетероструктуры из ферромагнитных и парамагнитных полупроводников: Материалы 7-ой научной молодежной школы по твердотельнойэлектронике.

СПб., 2004. С. 31.28.Тетерин П.Е. Исследование структурных и функциональныхсвойств тонкопленочных слоев монохалькогенидов редкоземельных металлов,выращенных методом импульсного лазерного осаждения. Автореф. дис. канд.физ.-мат. наук. М., 2013. 20 с.29.Капустин В.А. Аномальные явления переноса в халькогенидах ев-ропия // Редкоземельные полупроводники: под ред. В.П. Жузе, И.А. Смирнова.Л.: Наука, 1977. С. 82-104.30.Самохвалов А.А. Магнитные редкоземельные полупроводники //Обзор в кн.

Редкоземельные полупроводники. Л.: Наука, 1977. С.5-47.31.Сомова Н.Ю., Головнев Ю.Ф., Нургулеев Д.А. Межъямное тун-нелирование экситонов в полупроводниковых гетероструктурах с ферромагнитными слоями // Вестник Адыгейского государственного университета.Серия «Естественно-математические и технические науки».

Майкоп: Изд-воАГУ. 2014. Вып.4 (147). С. 42-49.32.Maialle M.Z., de Andrada e Silva E.A., Sham L.J. Exciton spin dynam-ics in quantum wells // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 47, P. 23.12133.Головнев Ю.Ф., Панин В.А., Прохорова Т.А. Электронная структу-ра границы раздела SrO-EuO // Известия ТГУ, Серия Механика, 2001. Т. 7.Вып. 2. С.65-69.34.Бехштедт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полу-проводников // М.: Мир, 1990. 488 с.35.Сомова Н.Ю., Головнев Ю.Ф., Лаковцев А.Б.

Триплетные экситоныв ферромагнитных полупроводниках//Актуальные проблемы физики твердоготела: сб.докл.Междунар.науч.конф. В 3 т. Минск: Ковчег. 2013. Т. 2. С.112-114.36.Сомова Н.Ю. Головнев Ю.Ф., Нургулеев Д.А. Математические про-блемы в расчетах экситонных спектров ферромагнитных гетеросистем // ТрудыVIII Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученыхпо направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур». Рязань:РГРТУ. 2014. Т. III. С.227-231.37.Головнев Ю.Ф. Наноразмерные гетеросистемы на основе ферро-магнитных металлов и полупроводников: Дис.