Диссертация (Исследование магнитооптических свойств Ni-Mn-содержащих сплавов Гейслера и разбавленных магнитных полупроводников GaMnAs(Sb) и TiO2-V), страница 7

Полученные результаты согласуются с моделью примесной зоны,отделённой от валентной зоны.Юнгвиртом и др. [73] было произведено теоретическое исследованиевлияния структурного беспорядка на оптические свойства Ga1–xMnxAs винфракрасном диапазоне. Результаты расчётов подтверждают наличиенеупорядоченной валентной зоны для металлических образцов, в которых:нет примесной зоны, отделённой от валентной зоны, и уровень Ферминаходится глубоко в делокализованной области.На рис.

2.4 показана рассчитанная в приближении модели примеснойзоны плотность состояний для образцов с 5%-ным содержанием марганца[73]. Рассмотрены случаи с учётом и без учёта обменного взаимодействия —то есть для ферромагнитной фазы и неферромагнитной фазы. Значениеэнергии E = 0 соответствует уровню Ферми. Красная пунктирная криваяпоказывает плотность состояний, полученную в работе [74] методомприближениявиртуальногокристалла(VCA)сучётомобменного50Рис. 2.4.

Теоретически рассчитанная плотность состояний Ga1–xMnxAs с 5%ным содержанием марганца [73].Рис. 2.5. Теоретически рассчитанная локальная плотность состояниймарганца в Ga1–xMnxAs вдоль некоторой линии в моделированной ячейке[73]. Линия указана на вставке.51Рис. 2.6.

Теоретически рассчитанные спектры действительной частипроводимости Ga1–xMnxAs при различных концентрациях марганца [73].взаимодействия. Как и ожидалось, существует значительное увеличениеплотности состояний внутри щели, которое возникает из-за связанныхсостояний, созданных соседними примесями.На рис. 2.5 приведены результаты расчётов локальной плотностисостояний марганца (без учёта мышьяка) вдоль некоторой линии вмоделированной ячейке (см.

вставку) [73]. Серая вертикальная плоскостьпоказывает положение уровня Ферми. В области щели наблюдаются пики,образующиеся благодаря связанным состояниям.На рис. 2.6 представлены расчётные спектры действительной частипроводимости Ga1–xMnxAs при различных концентрациях марганца. Для всехконцентраций виден пик в области малых энергий (~ 0,1 эВ). С ростомконцентрации марганца (до 3 %) происходит красное смещение этого пика,при дальнейшем росте концентрации смещение прекращается.Результаты моделированияпоказывают, что уровень Фермивнеупорядоченном GaAs находится в области делокализованных электронов52валентнойзоны.Представленныетеоретическиерезультатыхорошосогласуются с экспериментальными данными, полученными методомтуннельнойсканирующеймикроскопииирезультатамиизученияинфракрасного оптического поглощения [73],[75].В большинстве работ для исследования магнитооптических свойствGaMnAsизучались спектральныезависимости магнитного круговогодихроизма (МКД) [54],[76]–[78], т.е.

разницы в поглощении право- и левополяризованного света (см. рис. 2.2). Cпектры МКД для магнитныхполупроводников должны отображать зонную структуру родительскогополупроводника. При этом спектры МКД для образцов с собственнымферромагнетизмом должны иметь особенности вблизи критических точекполупроводниковой матрицы. Если форма спектра МКД отличается отожидаемой, вполне возможно, что обнаруженный сигнал порождаетсяферромагнитными включениями, а не самим магнитным полупроводником[54]. Таким образом, с помощью магнитооптических спектров можноопределить,обладаетлиисследуемыйматериалсобственнымферромагнетизмом.Например, в работе [76] были получены спектры МКД для серииобразцов тонких плёнок Ga1−xMnxAs, выращенных молекулярно-лучевойэпитаксией. Хорошо заметно различие спектров для образцов с различнойконцентрацией марганца x (рис.

2.7). С увеличением содержания марганцавидно усиление эффекта в районе оптических переходов в окрестности Lточкиполупроводниковойматрицы.Подобныеособенностидолжнынаблюдаться и в других магнитооптических эффектах.Исследованиеразделитьмагнитооптическихособенности,ферромагнетизма, т. е.связанныесспектровGaMnAsвозникновениемпозволяетсобственноговыделить спин-зависимые межзонные переходымежду валентной зоной и зоной проводимости полупроводниковой матрицы,переходы из примесной зоны марганца, и особенности, связанные с53присутствием различных магнитных включений (кластеров MnAs, Mnатомных кластеров, и т.д).Рис. 2.7. Спектральные зависимости МКД для образцов Ga1−xMnxAs приx = 0 (GaAs); 0,0001; 0,001 и 0,03 [76].

Пунктирными линиями указаныэнергии оптических переходов в окрестности L-точки полупроводниковойматрицы.В работе [79] были получены спектры экваториального эффекта Керра(ЭЭК) для образцов GaAs, включающих кластеры MnAs (рис. 2.8). Виднохарактерное поведение спектра в диапазоне E = 0,5 – 2 эВ, существенноотличающееся от спектра для образца MnAs (рис. 2.9) [80] . В то же время вспектрах ЭЭК для образцов (Ga,Mn)As, а также InMnAs (см. рис. 2.9, №№ 1–5), выращенных методом лазерной абляции и содержащих нанокластерыMnAs, также наблюдалось сильное резонансное усиление в области энергий0,5 – 2 эВ. В этом диапазоне ЭЭК был сравним по величине, нопротивоположен по знаку эффекту в ферромагнитных образцах MnAs.54Рис.

2.8. Спектральные зависимости ЭЭК (transversal Kerr effect, TKE) дляобразцов (Ga,Mn)As с кластерами MnAs диаметром d < 3 нм, 6 нм и 11 нм[79].Рис. 2.9. Спектральные зависимости ЭЭК дляобразцов InMnAs (№№ 1–5) [80].образца MnAs (№ 6)и55Резонансныйвозбуждениемхарактер спектров ЭЭКповерхностныхплазмоновМоделированиеспектровЭЭКМаксвеллаГарнеттаподтвердило—в этих образцах объяснялсяввприближениянанокластерахэффективнойпредположениеоMnAs.средыплазмонноммеханизме резонансного усиления ЭЭК в InMnAs.

Этот механизм можетбыть причиной сильных магнитооптических эффектов, наблюдаемых вдругих образцах вида (III,V)MnAs при комнатной температуре [79],[80].2.1.3. Постановка задачиНесмотря на обилие экспериментальных и теоретических результатов,посвящённыхобразцам(Ga,Mn)As,сохраняетсянеобходимостьдополнительных исследований.Импульсная лазерная абляция является более дешёвым методом посравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией и также позволяет получатьобразцы с высокой температурой Кюри. Однако вопрос о наличиисобственного ферромагнетизма в образцах (Ga,Mn)As, полученных этимметодом при различной концентрации марганца не получил решения [79].В данной работе была поставлена задача изучения магнитооптическихсвойств серии образцов (Ga,Mn)Z, где Z = As, Sb, приготовленных методомлазерной абляции, в зависимости от концентрации марганца и температурыосаждения с целью выяснения природы ферромагнетизма и выявленияспектральных особенностей ЭЭК, связанных с появлениемсобственногомагнетизма в разбавленных магнитных полупроводниках.§ 2.2.

Магнитные полупроводники TiO2:VНесмотря на значительные успехи последних лет в области изучениясвойств магнитных полупроводников на основе оксида титана [81],происхождение ферромагнетизма при температурах выше и ниже комнатной56в оксидных разбавленных магнитных полупроводниках остаётся спорнымвопросом [67]. Механизм дальнего магнитного упорядочения в наиболееизученных оксидных полупроводниках, легированных переходным металломдо сих пор является предметом обсуждения [82],[83].Оксид TiO2, являющийся полупроводником с широкой запрещённойзоной, особенно интересен в качестве основы для разбавленных магнитныхполупроводников из-за своих свойств [84]. Легированный переходным 3dметаллом, например, кобальтом, ванадием или железом, TiO2 обладаетферромагнитными свойствами при температурах до 800 К и выше.

Наиболееизученными являются полупроводники TiO2, легированные кобальтом.Ферромагнетизм в этом материале был впервые обнаружен в работеМацумото и др. [85]. Позже ферромагнетизм при комнатной температуре былвыявлен в TiO2:V [86]–[88]. В течение последних лет изучаются свойстваразбавленных магнитных полупроводников на основе TiO2 различных видов:объёмных образцов [89], тонких плёнок [90], наночастиц [91],[92],нанопроволок [93], нанотрубок [94].Существует несколько объяснений происхождения ферромагнетизмапри комнатной температуре в TiO2, легированном переходным металлом:косвенное РККИ или двойное обменное взаимодействие [81],[95],[96],суперобменное взаимодействие [97], поляронная перколяция [82],[98],ферромагнетизм дефектной зоны [99] и другие.Каждая из этих моделей встречается с серьёзными трудностями вобъяснении всех имеющихсяэкспериментальных данных.Например,ферромагнетизм за счёт косвенного обменного взаимодействия являетсясамой популярной и правдоподобной точкой зрения, но она не можетобъяснить происхождение ферромагнетизма в диэлектрике TiO2–δ:Со [100] иочень большого магнитного момента на примеси кобальта принизкойстепени легирования [101].

Кроме того, одной из основных трудностей впонимании ферромагнетизма при комнатной температуре в разбавленныхмагнитных полупроводниках на основе TiO2 является зависимость свойств57плёночных образцов от условий изготовления и небольших структурныхразличий, что было подтверждено во многих экспериментальных итеоретических работах, например [102].В то же время, в литературе представлены данные, указывающие наотсутствие магнитного порядка в легированном TiO2, в частности, в [103]было продемонстрировано парамагнитное поведение с антиферромагнитнымвзаимодействием ионов кобальта. Подобное поведение наблюдалось ранее воксиде цинка ZnO:Co [104],[105].В работах [106]–[109] обсуждалось влияние кислородных вакансий намагнитныесвойстванелегированногоTiO2,атакженаличиеферромагнетизма при температурах до 880 К [109].

Тем не менее, в этомвопросе также нет единого мнения — например, Янг и др. теоретическипоказали, что разные состояния TiO2 (рутил и анатаз) должны бытьантиферромагнитными благодаря избыточным электронам, возникающим входе преобразования двух ионов Ti4+ в два иона Ti3+, которые образуютстабильное антиферромагнитное состояние [110]. В случае легированногоTiO2 магнитные свойства могут изменяться с изменением количествадефектов, например, с гидрированием [111], [112].Случаилегированияванадиемизучалисьрежепосравнениюлегированием кобальтом, так как предполагалось, что механизм дальнегоферромагнитного упорядочения в TiO2–δ:V аналогичен механизму в TiO2–δ:Со.Тем не менее, на основе последних экспериментальных результатовбыли выявлены определённые отличия. Данные по аннигиляции позитронов[113] свидетельствуют о возможности наличия в полупроводниках TiO2:Vферромагнетизма, обусловленного дефектами.В работе [86] максимальная намагниченность в плёнках TiO2:Vнаблюдалась при 5% ванадия.