Диссертация (Исследование магнитооптических свойств Ni-Mn-содержащих сплавов Гейслера и разбавленных магнитных полупроводников GaMnAs(Sb) и TiO2-V), страница 6

Экспериментальные результатыизмерения магнитных, оптических и магнитооптических свойств и ихинтерпретации, полученные разными исследовательскими группами, такжесущественно различаются.Дляполученияразбавленныхмагнитныхполупроводниковприменяются различные методы. Некоторые виды разбавленных магнитныхполупроводниковвыращивалисьметодомБриджменапритепловом44равновесии. При таком методе расплав в тигле с коническим дном опускаетсяв холодную область печи.Примерами являются(II,VI)-содержащиеполупроводники [56]–[58].Для (III,V)Mn-содержащих разбавленных магнитных полупроводниковиспользуются методы синтеза, далёкие от теплового равновесия. Вчастности, наиболее распространенным способом получения (Ga,Mn)Asявляется низкотемпературная молекулярно-лучевая эпитаксия [59],[60].Также применяются осаждение из газообразной фазы [61], ионнаяимплантация [62],[63], импульсная лазерная абляция [64]. Эти методы имеютвозможность обеспечить высокое качество плёнок разбавленных магнитныхполупроводников с концентрацией магнитного компонента выше пределарастворимости при тепловом равновесии [2].Рис.

2.1. Фазовая диаграмма роста (Ga,Mn)As [65].Рис. 2.1 представляет собой принципиальную схему температурного«окна» для роста разбавленного магнитного полупроводника Ga1–xMnxAs,полученного методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии.С увеличением содержания марганца х «окно» сужается. Из-за низкой45растворимости примесей переходных металлов и тенденцией их катионов кобъединению, при высоких температурах возникает нанокомпозитнаясистема, состоящая из соединений с избытком переходного металла в виденанокристаллов,расположенныхвполупроводниковойматрицеснедостатком переходного металла. Это кристаллографическое разделениефаз ухудшает качество кристалла и морфологии поверхности [66], [67].В (Ga,Mn)As результатом разделения фаз является формирование Mnсодержащихнанокристаллов,имеющихвысокотемпературныеферромагнитные свойства (с температурой Кюри в диапазоне 300–350 К).Рост слоёв (Ga, Mn)As происходит при температуре подложки в диапазоне170 – 300 oC [68].

Высокотемпературный отжиг, приводящий к заметномуразделению фаз, выполняется при температуре 400 – 700 ◦C. После отжигаMn-содержащие нанокристаллы внутри матрицы GaAs могут быть выявленыметодомпросвечивающейэлектронноймикроскопии,частично-индуцированной рентгеновской эмиссией (PIXE), методом рентгеновскойспектроскопии поглощения (EXAFS) [2],[69] или магнитооптическимиметодами.Физическимипараметраминанокристаллов,например,ихразмерами и плотностью, можно управлять с помощью температуры отжига,а также с помощью начального содержания марганца. Таким образом,отожжённые слои (Ga,Mn)As можно использовать в качестве модельнойсистемы для изучения фазового разделения в разбавленных магнитныхполупроводниках, легированных переходными металлами [69].Садовский и др. исследовали выращенные молекулярно-лучевойэпитаксией слои (Ga,Mn)As с различным содержанием марганца иотожжённые при температурах 400 ◦C, 560 ◦C и 630 ◦C [69]. Отжиг слоёв снизким содержанием марганца приводит к образованию нанокомпозитнойсистемы, в которой Mn-содержащие нанокристаллы помещены в матрицеGaAs.

С помощью дифракции рентгеновских лучей, просвечивающейэлектронной микроскопии и СКВИД-магнитометрии было показано, чтопроцесс разделения фаз происходит уже при температурах ниже 400 ◦C с46образованиемнаноразмерныхMn-содержащихкристаллов,которыесливаются в более крупные (5 – 15 нм) кристаллы при высоких температурахотжига. Кроме того, отжиг слоёв (Ga,Mn)As с низким содержанием марганцаможет привести к возникновению структуры, состоящей из гексагональныхнанокристаллов(Ga,Mn)Asимышьякаи/илипустот.Минимальнаяконцентрация марганца, при которой происходит разделение фаз вотжигаемых слоях (Ga,Mn)As, близка к 0,3%.

В отожжённых слоях(Ga,Mn)As с более высоким содержанием марганца (1% и 2%) проявляютсятолько суперпарамагнитные свойства.Вработе[70]Квятковскимидр.исследовалисьсвойствананокристаллов MnAs, встроенных в матрицу GaAs, в зависимости оттемпературы отжига образцов. Образцы, отожжённые при 600 oC проявлялинетипичные магнитные свойства; было установлено, что магнитные моментынанокристаллов MnAs ориентированы в одном направлении, то естьпредставляют собой однодоменную структуру. В образцах, отожжённых при500 и 550oC , нанокристаллы MnAs проявляли суперпарамагнитныесвойства. Тем самым было показано, что температура отжига оказываетрешающее влияние на размер и структуру нанокристаллов MnAs.Одним из методов, позволяющим разделить вклады от ионов марганца,внедрённых в матрицу полупроводника, от вкладов ферромагнитныхкластеров, содержащих ионы марганца, является магнитооптический метод.Кроме того, оптические и магнитооптические методы широко используютсядля изучения электронной зонной структуры разбавленных магнитныхполупроводников.2.1.2.

Оптические и магнитооптические свойстваЕсли магнитныеи полупроводниковыесвойстваразбавленногомагнитного полупроводника существуют независимо друг от друга, такойматериал не имеет никакого значения. Важно, чтобы существовало47взаимодействие между магнитными свойствами (обусловленными наличиемd-электронов в магнитных ионах) и полупроводниковыми свойствами(обусловленными наличлием s- и р-электронов) [54].Благодаряs,p–d-обменномувзаимодействию,можнонамагниченностью с помощью электрического поляполупроводниковымиоптическимихарактеристикамиуправлятьили управлятьспомощьюмагнитного поля. Из-за наличия s,p–d-обменного взаимодействия, энергии sи р-электронов в магнитном полупроводнике зависят от направления ихспинов(рис.2.2).полупроводниковыхТакимзонобразом,являетсяналичиеспин-поляризованныхподтверждениемсуществованиямагнитного полупроводника [54].В настоящее время существуют две альтернативные модели зоннойструктуры (Ga,Mn)As [2],[72].

P–d-модель Зенера предсказывает смешиваниепримесной зоны марганца с валентной зоной GaAs. Положение уровняФерми определяется концентрацией дырок в валентной зоне. Вторая модель,модель примесной зоны, предполагает расположение уровня Ферми внутрипримесной зоны марганца, отделенной от валентной зоны GaAs. Обеописанные модели применяются при интерпретации экспериментальныхданных.На рис. 2.3 показаны возможные варианты расположения атомовмарганца в полупроводниковой матрице GaAs.

Зачастую атомы примесимарганца вместо того, чтобы занимать положения в узлах кристаллическойрешётки (рис. 2.3а), располагаются в междоузлиях (рис. 2.3б), чтоподтверждается многочисленными экспериментальными данными [2]. В товремя как атомы марганца в узлах решётки являются акцепторами, будучи вмеждоузлиях, они становятся донорами. Поскольку образование дырок ввалентной зоне увеличивает энергию системы, энергетически выгоднопоявлениекомпенсирующихдефектов—доноров.Такимобразом,происходит компенсация акцепторов и доноров. Следствием её является48Рис.2.2.Зоннаяструктурамагнитногополупроводникасучётомзеемановского расщепления валентной зоны и зоны проводимости взависимости от направления спина [54].Рис.

2.3. Варианты расположения атомов марганцав полупроводниковойматрице GaAs : в узлах кристаллической решётки (а) и в междоузлиях (б) [2].49существенное понижение температуры Кюри для GaMnAs. Как показано в[2],концентрациямеждоузельныхатомовможетбытьзначительноуменьшена за счёт отжига образцов. Сравнение значений температуры КюриTC для плёнок (Ga,Mn)As, рассчитанных в приближении модели Зенера, сэкспериментальными значениями внасыщенияMsиконцентрациизависимости от намагниченностимарганцаприменимости модели Зенера [71],[2].показываетограничениеПри малых значениях Msэкспериментальные значения TC близки к расчётным, но при большихзначениях Ms экспериментальные значения TC существенно меньшерасчётных [2].Для понимания особенностей электронной и магнитной структурыполупроводников (Ga,Mn)As широко использовались методы оптической имагнитооптической спектроскопии [72]–[80].В работе [72] изучались спектры отражения эпитаксиальных слоёв(Ga,Mn)As.