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

Спиновые степени свободы существенны при рассмотрении межчастичных взаимодействий. Экситоны с одинаковой ориентацией проекции спина отталкиваются,13с противоположными ориентациями – притягиваются. Исследования спиновыхэкситонных БЭК в магнитном поле проводятся недавно. Они стимулированытеоретической работой [2], где показано, что свойства спин - поляризованныхБЭК в магнитном поле, перпендикулярном плоскости слоев, отличаются отсвойств безспиновых БЭК. В первом зеемановское расщепление подавляется дополей, которые определяются разностью энергий взаимодействия между бозечастицами с одной и противоположной ориентацией спинов в БЭК – спиновыйэффект Мейснера.Большой потенциал возможностей имеют редкоземельные полупроводники.

В них дипольно – разрешенные экситоны имеют малый радиус (френкелевские экситоны) и обладают большими силами осциллятора. В таких полупроводниках легче обеспечить сильную экситон – фотонную связь [3], [4], [5].Первопричиной перехода от изучения индивидуальных свойств экситонов к исследованию их коллективного поведения является обменное взаимодействие, которое особенно существенно проявляется в спиновых сверхрешетках. Часть разделов монографии Хермана [6] посвящена гетероструктурамZn1 x Mn x Se / ZnS y Se1 y с квантовыми ямами и др., которые обобщенно можноназвать как полумагнитный полупроводник – парамагнитный полупроводник(пм – пп).

Целью этих работ являлось экспериментальное исследование влияния sp - d обменного взаимодействия на энергию и тонкую структуру экситонных состояний в полумагнитных наногетероструктурах. Для этого изучалисьполяризованные спектры фотолюминесценции   и   квантовых ям (КЯ) врежиме непрерывного и импульсного лазерного возбуждения.Низкое значение силы осциллятора и малая энергия связи таких возбуждений является главным препятствием на пути создания полупроводниковыхустройств экситонной спектроскопии, использующих излучение и поглощение.Эту задачу частично можно разрешить, если использовать низкоразмерные гетероструктуры на основе ферромагнитных полупроводников типа EuO.

К значительному увеличению энергии связи и силы осциллятора экситонов приводит14косвенное обменное взаимодействие s – f или d – f вида. В последнее время всебольше стало работ, посвященных спиновым сверхрешеткам, содержащим нанослои из ферромагнитных полупроводников [7-11].1.2. Сверхрешетки на основе полумагнитного полупроводникаПринципиально новый тип сверхрешеток был получен на основе нанослоев из полумагнитных полупроводников, разделенных повторяющимисяслоями немагнитных материалов [12].

Они получили название спиновых сверхрешеток [6]. В этих гетероструктурах сверхрешеточный потенциал прямоугольной формы может изменяться от нуля до большой величины и зависит отвнешнего магнитного поля и температуры. При образовании спиновой сверхрешетки периодически легируют исходный кристалл парамагнитными ионами.Тем самым изменяют эффективный g – фактор электронов проводимости.

Подобныеспиновыесверхрешеткисоздавались,например,всистемеHg0,99Mn0,01Se – Hg0,976Cd0,024Se, где роль парамагнитного элемента играл Mn.Первые спиновые сверхрешетки были получены в системе Cd1-xMnxTe/Cd1yMnyTe[13], которые обнаружили ряд интересных свойств. Они существеннорасширили перспективы применения сверхрешеток.Большое внимание в изучении экситонных состояний сегодня в различных областях спинтроники привлекают возможности использования спиновойподсистемы экситонов. Так применение спинового состояния электрона перспективно при реализации квантового бита и квантовых вычислений, при записи магнитооптической и магнитной памяти [14]. Благодаря обменному взаимодействию между магнитными ионами и носителями заряда, полумагнитные полупроводники дают возможность создать спиновую поляризацию электронов.Оптическое изучение таких материалов показало, что это обменное взаимодействие приводит к дополнительному уширению линий фотолюминесценции(ФЛ) из-за флуктуаций намагниченности магнитных ионов в области локализа-15ции электронов.

Так ширина линий экситонной ФЛ в гетеросистемеZnMnSe/CdSe достигает 10 мэВ, а в магнитных полупроводниках с большойшириной запрещенной зоны наблюдается сильное уменьшение сигнала ФЛ изза безызлучательной рекомбинации на магнитных ионах [15, 16].При определении природы формирования экситонных магнитных поляронов были изучены квантовые ямы (КЯ) полумагнитных полупроводников спрослойками Zn1-xMnxSe/ZnSxSe1-x, для которых характерно большое времяжизни экситонных состояний.

Это дало возможность экситонных магнитныхполяронов в равновесных условиях и рассмотреть механизмы его образования[17].Полумагнитные полупроводники могут быть широкозонными Cd1-xMnxTeи узкозонными Hg1-xMnxTe, а магнитными добавками к ним могут быть ионыпереходных металлов Mn, Fe, Co… или редкоземельных элементов Eu, Sm,Yb… За последние 35 лет подробно изучены оптические и магнитные характеристики материалов этого класса. В частности, открыто гигантское спиновоерасщепление зонных расстояний, магнитополяронный эффект и гигантское фарадеевское вращение плоскости по поляризации света [18,19].

Заметное влияние на магнитные и оптические свойства этих материалов оказывает системамагнитных ионов, с которой связаны электроны и дырки через sp-d – обменноевзаимодействие. Эта связь действует на спиновое состояние последних и приводит к различным магнитооптическим эффектам [20].Даже при большой концентрации ионов Mn2+ не изменяется структуракристаллической решетки полумагнитного полупроводника и не образуется акцепторных и донорных центров. У иона Mn2+ 3d оболочка заполнена пятьюэлектронами и его основное состояние имеет спин S=5/2, а угловой моментL=0, поэтому спин – орбитальным расщеплением можно пренебречь. Магнитный момент электронов Mn2+ имеет другую природу и g – фактор электронаравен 2. Если концентрация марганца малая X < 0,01, то полупроводник Cd1xMnxTeили Zn1-xMnxSe являются парамагнетикми.

С ростом концентрации взаи-16модействие спинов соседних ионов Mn2+ увеличивается и его состояние с учетом dd - взаимодействия описывается гамильтонианом [21]:ddHˆ nm 2J nm (Sn  Sm ) ,(1.1)где J nm - обменная энергия, S n и S m - спины ионов Mn в узлах кристалла n иm. Для ближайших соседей энергия обменного взаимодействия составляет десятые доли мэВ, а так как соседние спины выстраиваются антиферромагнитно,то выражение (1.1) имеет отрицательный знак.При достижении критической концентрации кластер ионов Mn2+ становится бесконечным и образуется фаза спинового стекла. Намагниченность, связанная с ионами марганца в слабых магнитных полях (В < 10 T) описываетсяформулой Бриллюэна: 5 B g mn B  ,M  xN 0 S 0  B g mn Br5 / 2 2k(TT)0 гдеx(1.2)- концентрация Mn, N 0 - число катионов в единице объема, S 0 - спиниона Mn2+,  B - магнитон Бора, g mn  2 , Br5 / 2 ( у ) - функция Бриллюэна:Br5 / 2 ( у ) 66y 1  y cth cth  .55 5 5Далее в (1.2) k – постоянная Больцмана, В – внешнее магнитное поле, T0 - температура (учитывает ферромагнитное спаривание части спинов Mn2+).

ЗначенияS 0 и Т 0 измеряются магнитооптическими методами при различной концентрации марганца [22].На электронные свойства полумагнитных полупроводников существенное влияние оказывает магнитная примесь [23]. Это связано с обменным взаимодействием между электронами, находящимися в s-зоне (зоне проводимости)и дырками в p-зоне (валентной зоне) с d-электронами ионов марганца. Уникальные магнитооптические свойства полумагнитных полупроводников определяет именно sp-d – обменное взаимодействие, такие как гигантское спиновое17расщепление зонных состояний, магнитополяронные эффекты, фарадеевскоевращение плоскости поляризации и т.д.Отличительной особенностью полумагнитных полупроводников являетсяналичие системы магнитных ионов, которые оказывают большое влияние намагнитные, электрические и оптические свойства материала.

Влияние на спиновое состояние носителей приводит к различным магнитооптическим эффектам из-за того, что электроны и дырки в свою очередь связаны с магнитнойсистемой (Рис.1.1).ЕЕCЕDЕVТ, КТкРис.1.1.Энергетическая схема изменения магнитного состояния ферромагнетика с температурой, где Tк – температура точки КюриОтличительной чертой гетероструктур с ферромагнитными слоями является наличие косвенного обменного взаимодействия предполагающее, чтоэлектроны входят в состав недозаполненных d - f - оболочек, а связь между ними осуществляется электронами проводимости.

Спины электронов проводимости вносят вклад в полный момент ферромагнитного кристалла, который посвоему значению мал с вкладом локализованных электронов, в свою очередьсвободные электроны определя-ют его характер и делают возможным магнитное упорядочение, так как они переносят взаимодействие, при своем движениипо кристаллу, между спинами локализованных электронов [16].181.3. Образование экситонов в полумагнитном полупроводникеСпектры фотолюминисценции (ФЛ) наблюдались в наносистемах с полумагнитнымполупроводникомиCd 0,8 Mn0.2TeненемагнитнымслоемCd 0,8 Mn0.2Te в работе [24]. Исследовались циркулярно-поляризованные ( и  ) спектры ФЛ квантовых ям (КЯ) в режиме непрерывного и импульсного лазерного возбуждения  10 Втсм 2в магнитных полях до 12 Тл при гелиевыхтемпературах. На Рис.