Диссертация (Обменное взаимодействие и коллективные свойства экситонов в наносистемах EuO-SrO), страница 2

В этихнаносистемах наблюдается гигантское зеемановское расщепление энергетических состояний носителей тока и образование магнитных поляронов (МП), чтосвязано с обменным взаимодействием между носителями заряда и локализованными спинами магнитных ионов.Магнитные свойства ферромагнитных полупроводников определяютсяобменным взаимодействием носителей заряда и электронов, локализованных на4f7 – оболочках ионов Eu2+.

Спиновое расщепление 4f7 – полосы на верхнюю(пустую) и нижнюю (заполненную), из которых последняя оказывается в запретной зоне. Так как ширина 4f7 – мультиплета в этой зоне составляет 0,55 –0,7 эВ, то эффективная ширина запрещенной зоны составляет 1,1 – 1,5 эВ. Дляферромагнитных полупроводников EuO характерны магнитные (триплетные)экситонные состояния, время жизни которых существенно превышает времяжизни экситонов в немагнитных кристаллах, т.к.

ферромагнитный характер обмена способствует установлению спинов электрона и дырки параллельно другдругу. Электрон переходит из 4f7 – состояния в зону проводимости (5d – состояние) и создает с дыркой оптически активный магнитный экситон, а ферро-8магнитная решетка спинов 4f7 – электронов ионов Eu2+ способствует образованию экситона в триплетном состоянии. При этом энергия будет меньше энергии связи магнитного экситона, а фаза волновой функции электрона этого экситона совпадает с фазой 5d – функции электропроводности ближайших соседейи само возбуждение является оптически активным. Тяжелая дырка магнитногоэкситона находится в узкой 4f7 – зоне, поэтому такое возбуждение является квазистатическим образованием. Энергия экситона включает в себя энергию d – f обменного взаимодействия.

В работе показано, что энергия состояния с параллельными спинами меньше и ферромагнитный характер обмена способствуетнахождению экситона в триплетном состоянии. К этому можно прийти такжеметодом спин - гамильтониана, действующим только на спиновые переменные.Объектом исследования данной работы являются наноразмерные гетеросистемы на основе ферромагнитных полупроводников.Предметом исследования являются магнитные экситоны и влияние наних обменного взаимодействия.Цель диссертационной работы – исследовать природу обменного взаимодействия и его влияние на коллективные свойства триплетных экситонов внаногетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников EuO–SrO,которые влияют на образование магнитных экситонов.Основные задачи:1. Определить условия образования наносистем из ферромагнитного полупроводника EuO и парамагнитного полупроводника SrO.2. Дать анализ возникновения s-f и d-f – обменного взаимодействия и еговлияние на основные параметры наногетеросистемы EuO – SrO: энергию связи,силу осциллятора, время жизни магнитных экситонов и образование магнитныхполяронов.3.

Теоретически исследовать влияние обменного взаимодействия на коллективные свойства триплетных экситонов.94. Рассмотреть условия конденсации магнитных экситонов и образованиебозе – эйнштейновского конденсата (БЭК) и электронно – дырочной жидкости(ЭДЖ).5. Анализ кинетики образования ортоэкситонов в наносистемах EuO –SrO: определение времени энергетической и спиновой релаксации, влияние наних интерфейсного и химического состава гетеропереходов.Научная новизна работы состоит в том, что впервые: исследованы наногетеросистемы EuO – SrO; изучено влияние на свойства экситонов обменного взаимодействия; дан анализ условий образования бозе – эйнштейновской конденсации длянаносистемы EuO – SrO; проведен достаточно полный теоретический анализ, который позволяетсчитать, что наносистема EuO – SrO может быть использована в практических приложениях: спиновом светодиоде, транзисторах и устройствах,где применяется отрицательное дифференциальное сопротивление.Данная диссертация является фактически первым комплексным научнымисследованием наноразмерных сверхрешеток на основе ферромагнитного EuOи парамагнитного SrO полупроводников.Теоретическая и практическая значимость, полученных в работе результатов, 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:10Направление 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 втрех монографиях Головнева Ю.Ф.Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач с использованием классических уравнений физики, применениемдля их решения теоретически обоснованных методов, а также согласием результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.Основные положения и результаты, выносимые на защиту:1. Обоснование и выбор сверхрешетки на основе ферромагнитного полупроводника EuO и парамагнитного полупроводника SrO.2. Определение влияния обменного взаимодействия на энергию связи, силу осциллятора и время жизни магнитного экситона.3.

Анализ влияния обменного взаимодействия на коллективные свойствамагнитных экситонов и их конденсацию (ЭДЖ и образование БЭК).Личный вклад автора. Автором работы получены основные результатыи сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Им также проведен анализ возможности использования полученных результатов теоретических исследований в практических приложениях и подготовлены все материалы к опубликованию.Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на VI Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ- 2013 (Минск, 2013г.); II Международной конференции «Многомасштабное моделирование структур, строение вещества, наноматериалы и нанотехнологии», посвященная памяти профессора А.Н.Никитина MMSN II (Тула, 2014г.); научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов, соискателей ТГПУим. Л.Н.Толстого «Университет XXI века: исследования в рамках научных11школ» (Тула, 2013г.); VII, VIII Всероссийской школе – семинар для студентов,аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалови наноструктур» Рязанский государственный радиотехнический университет(Рязань, 2014г., 2015г.); 16 всероссийской молодежной конференции по физикеполупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто - и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2014г.), XI Региональная научно-практическая конференция аспирантов, соискателей, молодых учёных и магистрантов «Исследовательский потенциал молодых ученых: взгляд в будущее» (Тула, 2015г.).Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 23 работы, втом числе 6 в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК и 1монография.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы, включающего 137наименований, и изложена на 130 страницах машинописного текста, в том числе 37 рисунков.12ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1.

Спиновые сверхрешеткиФермиевские частицы с полуцелым спином связывается в пары и образуют композитные бозоны с целочисленными спинами. При термодинамическомравновесии, когда де-бройлевские длины волн этих частиц (бозонов) превышают межчастичное расстояние, наступает макроскопическое заполнение иминижнего состояния с нулевым импульсом и свободная энергия системы становится минимальной. В этом случае, бозе-частицы образуют коллективное состояние, т.е.

бозе – эйнштейновский конденсат (БЭК). Оно является когерентной волной, а благодаря обменному межчастичному взаимодействию это состояние оказывается устойчивым, т.к. вклады обменных взаимодействий суммируются когерентно. Тогда индивидуальные свойства экситонов (бозе – частиц) в БЭК теряются, а этот конденсат проявляет коллективные когерентныесвойства в макроскопическом масштабе. Он является новым объектом фундаментальных исследований коллективных свойств бозе – систем. В них квантовые эффекты проявляют себя в макроскопических масштабах и обнаруживаюткачества, которые будут востребованы в технических приложениях [1].БЭК может содержать макроскопическое число частиц в одноквантовомсостоянии и проявлять корреляции в макроскопических масштабах, тогда волновая функция этого конденсата может рассматриваться как параметр порядка.Интересные особенности экситонов в 2D – полупроводниковых гетеросистемахпроистекают от степеней свободы, которые связаны с экситонным спином.Спиновая структура оптически активных экситонов на тяжелых дырках зависитот проекций спина электрона  1 2 и проекций спина тяжелой дырки  5 2 .