Диссертация (Исследование магнитооптических свойств Ni-Mn-содержащих сплавов Гейслера и разбавленных магнитных полупроводников GaMnAs(Sb) и TiO2-V)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиНовиков Андрей ИгоревичИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВNi-Mn-СОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ ГЕЙСЛЕРАИ РАЗБАВЛЕННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВGaMnAs(Sb) И TiO2:VСпециальность 01.04.11 — физика магнитных явленийДиссертацияно соискание учёной степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Е.

А. ГаньшинаМосква, 20162СодержаниеВведение …………………………………………………………………………. 4Глава 1. Сплавы Гейслера как магнитные материалы ……………………… 14§ 1.1. Сплавы Гейслера …………………………………………………. 14§ 1.2. Оптические и магнитооптические свойства сплавов Гейслера 19§ 1.3. Мартенситный переход в сплавах Гейслера …………………… 241.3.1. Механизм мартенситного перехода ……………………… 241.3.2. Изменение электронной структуры сплавов Гейслера примартенситном переходе …………………………………… 291.3.3.

Магнитные свойства сплавов Гейслера при мартенситномпереходе ………………………………………………...…. 341.3.4. Образование ферромагнитных кластеров при мартенситномпереходе ………………………………………………...…. 39§ 1.4. Постановка задачи …………………………………………...….. 41Глава 2. Магнитные полупроводники ……..........................………………… 43§ 2.1. Разбавленные магнитные полупроводники GaMnZ ……….....

432.1.1. Основные свойства и методы получения ………...……… 432.1.2. Оптические и магнитооптические свойства ………...… 462.1.3. Постановка задачи ……………………….……...…..…. 55§ 2.2. Магнитные полупроводники TiO2:V ………………………...…. 55Глава 3. Магнитооптические эффекты и методика измерений ……….........

59§ 3.1. Феноменология магнитооптических эффектов ……………...…. 593.1.1. Магнитооптические эффекты ……………………...…….. 593.1.2. Экваториальный эффект Керра ……………...…………… 623.1.3. Теоретическое описание магнитооптических свойствграну лированных материалов ............................................ 65§ 3.2. Методика измерений .....................................................................

663.2.1. Экспериментальная установка …....................................… 663.2.2. Измерения при низких и высоких температурах …......… 6833.2.3. Источники ошибок …....................................................… 70Глава 4. Магнитооптические свойства тройных и четверныхNi-Mn-содержащих сплавов Гейслера …………………………………...….

72§ 4.1. Исследуемые образцы ….............................................................… 72§ 4.2. Полные сплавы Гейслера ….......................................................… 774.2.1. Тонкая плёнка Ni49,5Mn28Ga22,5 .....................................…… 774.2.2. Тонкая плёнка Ni49,44Fe18,64Co4,09Ga27,83 ….......................… 814.2.3. Поликристалл Fe48Mn24Ga28 …….....................................

84§ 4.3. Нестехиометрические сплавы Гейслера …...............................… 914.3.1. Лента Ni43,7Mn43,6In12,7 …................................................… 914.3.2. Тонкая плёнка Ni50Mn35In15 …......................................… 944.3.3. Монокристаллы Ni45Mn36,7In13,3Co5 ….............................… 944.3.4. Тонкие плёнки Ni52Mn34In12Si2 и Ni53Mn34In11Si2 .......… 101§ 4.4. Заключение к главе 4 ....................................................… 106Глава 5. Магнитооптические свойства магнитных полупроводников ..

108§ 5.1. Разбавленные магнитные полупроводникиGaMnAs, GaMnSb .......................................................................... 1085.1.1. Исследуемые образцы ..................................................… 1085.1.2. Серия GaMnAs ….........................................................… 1095.1.3. Серия GaMnSb ….............................................................. 114§ 5.2. Магнитные полупроводники TiO2:V ….................................... 117§ 5.3. Заключение к главе 5 …....................................................… 122Основные результаты …...........................................................................… 124Список сокращений и условных обозначений …………………………….. 127Список использованной литературы …........................................................ 1284ВведениеОбщая характеристика работыАктуальность темыПоискновыхмногофункциональныхмагнитныхматериалов,обладающих уникальными свойствами, является одной из центральных задачфизикиконденсированногосостояния,физикимагнитныхявлений,материаловедения, и прогресс в этом направлении во многом определяет какразвитие электроники, спинтроники, магноники, магнитофотоники, так имногочисленные применения магнитных материалов и магнитных сенсоров внаукеитехнике.СплавыГейслераиразбавленныемагнитныеполупроводники (РМП) относятся именно к классу многофункциональныхмагнитных материалов.Стехиометрические сплавы Гейслера с общей формулой X2YZ и XYZ,где X и Y обозначают переходные металлы, а Z — элемент основной группы,нестехиометрические соединения и допированные четвертым элементомсплавы Гейслера обладают в зависимости от их состава разнообразнымиэлектрическими свойствами (металлы, полупроводники, сверхпроводники итопологические изоляторы), магнитными свойствами, структурными имагнитными фазовыми переходами первого и второго рода, спиновойполяризацией вплоть до 100%, магнитной памятью формы и др.

В частности,сравнительно недавно открытые сплавы Гейслера Ni-Mn-In проявляютбольшоеразнообразиемагнитных,электрических,оптическихимеханических свойств. В некоторых из них наблюдается магнитоструктурный (мартенситный) переход,т.е.одновременноеизменениекристаллической структуры и магнитного состояния, что приводит квозникновению ряда перспективных для примененийсвойств, таких какгигантский магнитокалорический эффект, большое магнитосопротивление,сильные механические деформации, обменный сдвиг и т.д. [1].5Несмотря на значительные усилия последних лет в исследованиисвойств Ni-Mn-содержащих сплавов Гейслера, механизмы, ответственные замартенситный переход, далеки от полного понимания. Из-за тонкого балансамежду электронной, ионной и магнитной энергией в непосредственнойблизости от мартенситного перехода, свойства этих сплавов оченьчувствительны к изменениям их собственных параметров.

Имеют значениехимический состав, тип кристаллической структуры, тип и объёмная доля дополнительных легирующих элементов, а также внешние параметры (методыи условия изготовления, температура отжига, приложенное магнитного поля,давление, скорости нагрева и охлаждения, последовательность измерений).Большинство результатов о многофункциональных свойствах Ni-Mnсодержащих сплавах Гейслера получено для объёмных поликристаллическихобразцов. Однако для многих приложений желательно реализовать те жесамые свойства в лентах, микропроводах и тонких плёнках.СозданиетемпературойразбавленныхКюривышемагнитныхкомнатнойполупроводниковможетоказать(РМП)сзначительноевоздействие на развитие современной техники и в первую очередь наразвитие спинтроники и магнитофотоники [2]. Такие материалы могут бытьиспользованы как эффективные инжекторы спин-поляризованного тока, иоткрывают принципиально новые возможности для управления магнитнымисвойствами электрическим полем или излучением.

Однако решение этойзадачи связано с преодолением многих трудностей и в первую очередь сдостижением так называемого собственного ферромагнетизма, не связанногос образованием ферромагнитных кластеров.Модельными объектами для исследования РМП являются система(Ga,Mn)As и оксиды TiO2, допированные кобальтом или ванадием. Дляпервойсистемыдетальныеисследованиявыполненынаобразцах,полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, однако импульснаялазерная абляция является более дешёвым методом по сравнению смолекулярно-лучевой эпитаксией и также позволяет получать образцы с6высокойтемпературойКюри.Однаковопросособственномферромагнетизме в образцах (Ga,Mn)As, полученных этим методом приразличной концентрации марганца не получил решения. ОтносительноприродыферромагнетизмавTiO2:VиTiO2:Сотакжесуществуютпротивоположные мнения.В данной работе для решения указанных выше вопросов используетсямагнитооптическая спектроскопия.

Изучение магнитооптических параметровявляется эффективным неразрушающим методом для понимания свойствсплавов Гейслера и магнитных полупроводников. Хорошо известно [3], чтоисследование магнитооптических свойств параметров позволяет получитьуникальную информацию об электронной и магнитной структуре, охарактере межзонных переходов. Сравнение магнитооптических спектровпри изменении состояния или состава образцов позволяет получить сведенияобизменениях,произошедшихвэлектроннойструктуреобразцов.Исследование магнитооптических спектров РМП позволяет разделитьособенности, связанные с возникновением собственного ферромагнетизма,т. е.

выделить спин-зависимые межзонные переходы между валентной зонойи зоной проводимости полупроводниковой матрицы, переходы из примеснойзоны марганца, и особенности, связанные с присутствием различныхмагнитных включений (кластеров MnAs, Mn-атомных кластеров, и т.д).Такимобразом,изучениемагнитооптическихсвойствNi-Mn-содержащих сплавов Гейслера и разбавленных магнитных полупроводниковявляется актуальной на сегодняшний день задачей, как с практической, так ис фундаментальной точки зрения.Цель работыЦель данной работы заключалась в изучении особенностей измененияэлектронной структуры и магнитных свойств при мартенситном переходе вполных и нестехиометрических Ni-Mn-содержащих сплавах Гейслера, а7также в изучении природы ферромагнетизма в разбавленных магнитныхполупроводниках GaMnAs(Sb), полученных методом лазерной абляции, иполупроводниковых оксидах титана, допированных ванадием (TiO2:V).Задачи исследованияДля достижения поставленных целей решались следующие задачи:1.

Изучение магнитооптических свойств Ni-Mn-содержащих сплавахГейслера различных составов и типов (тонкие плёнки, ленты, моно- иполикристаллы).Сравнительныйанализмагнитооптическихсвойствмартенситной и аустенитной фаз сплавов Гейслера.2. Изучение магнитооптических свойств серии образцов GaMnAs иGaMnSb, приготовленных методом лазерной абляции, в зависимости отконцентрации марганца и температуры осаждения с целью выясненияприроды ферромагнетизма и выявления спектральных особенностей ЭЭК,связанных с появлением собственного ферромагнетизма в разбавленныхмагнитных полупроводниках.3. Изучение магнитооптических свойств магнитных полупроводниковоксида титана, допированного ванадием (TiO2:V) в зависимости отконцентрации ванадия и технологических параметров изготовления с цельювыяснения природы ферромагнетизма при комнатной температуре.Положения, выносимые на защиту1.

Магнито-структурный (мартенситный) переход в исследованных NiMn-содержащихсплавахГейслеранесопровождаетсясущественнойперестройкой электронной структуры в области энергий 0,5–4,0 эВ.2. Характеристики мартенситного перехода (вид и ширина петлитемпературного гистерезиса, температуры прямого и обратного перехода) в8тройных и четверных нестехиометрических Ni-Mn-содержащих сплавахГейслера в приповерхностных слоях отличаются от объёмных.3. Положение и интенсивность пиков в магнитооптических спектрахэкваториального эффекта Керра (ЭЭК) для сплавов Гейслера зависят ототносительной концентрации и типа 3d-металлов. Это доказывает, чтонаиболее интенсивные пики в магнитооптических спектрах связаны спереходами между 3d-уровнями переходных металлов, гибридизированных сs- и p-уровнями.4.