Диссертация (1150798), страница 4
Текст из файла (страница 4)
[22; 23]), и даже было предпринято несколько успешных попыток регистрацииЭПР в слоистых низкоразмерных структурах (см., напр., [24; 25]). Однако прямое применение ЭПР-спектроскопии к квантово-размерным структурам крайнезатруднено вследствие недостаточной чувствительности метода к столь маломуколичеству исследуемых спинов, а в случае III-V структур дополнительным препятствием являются сильные эффекты взаимодействия электронов и ядер.
Такие технологические расширения метода, как электрически детектируемый ЭПР(electrically detected ESR, EDESR, иначе electrically detected magnetic resonance,16EDMR), позволяют применять метод к низкоразмерным структурам типа квантовых ям [26—28], но их существенным недостатком является необходимостьмодификации исследуемых образцов (нанесение электродов и т. п.).
Подробныйобзор методов, основанных на зарядовом транспорте, представлен в работе [3].Вышеуказанных недостатков лишены оптические методы исследований, завоевавшие большую популярность. Подробным обзорам становления этих методов посвящена обширная литература, в частности, метод оптического детектирования магнитных резонансов в полупроводниках представлен в обзоре Б. К. Кавенетта [29], в коллективных монографиях «Оптическая ориентация» под ред.Б. П.
Захарчени и Ф. Майера [30] и «Spectroscopy of crystals containing rare earthions» под ред. А. А. Каплянского и Р. М. Макфарлейна [31]. Как известно, спинсвободного электрона напрямую не взаимодействует с электромагнитным излучением, однако в среде возможна передача фотонного механического момента вспиновую подсистему за счёт спин-орбитального взаимодействия в атомах. Этотфакт и эффект Зеемана (представляющий собой оптическое следствие того жеэффекта расщепления энергетических уровней в магнитном поле, что и явлениеЭПР) являются физической основой магнитооптики, т. е. области физики, исследующей взаимное влияние внешних и внутренних магнитных полей на оптическиесвойства среды.
Действие внешнего магнитного поля на среду выражается в возникновении антисимметричной части в тензоре восприимчивости [32, §123], чтоприводит к неравенству оптических констант для лево- и правоциркулярно поляризованного света. Разница в поглощении и преломлении компонент определяет эффекты изменения состояния поляризации проходящего через образец света — фарадеевское вращение и магнитный циркулярный дихроизм (подробнеесм.
2.1.1). Системы с узкими дискретными спектрами наиболее просты для магнитооптических исследований, что определило приоритеты их применения: изначально реализованные на атомных системах (напр., парах щелочных металлов),они были перенесены на примесные центры в кристаллах и стёклах и, впоследствии, на полупроводниковые структуры. В 1951 г. А. Кастлер теоретически предсказал [33], а в 1958 г. Дж.
М. Дэниелс и Х. Вессемейер впервые осуществили [34]оптическую регистрацию неравновесной намагниченности в этилсульфате неодима, наблюдая изменение величины фарадеевского вращения при насыщении парамагнитного резонанса. В дальнейшем множество магнитооптических экспериментов было проведено именно на кристаллах с редкоземельными ионами, в которых17оптическая поляризация спиновой системы весьма эффективна за счёт высокойэнергии спин-орбитального взаимодействия. Этот метод позволил детально исследовать процессы спин-решёточной релаксации при возбуждении микроволновыми или тепловыми импульсами, а также при быстром переключении магнитногополя, причём доступный диапазон полей оказался существенно шире, чем в стандартном методе ЭПР.
В 70-80-х гг. Е. Б. Александров, В. С. Запасский, А. А. Антипин, С. А. Казанский и другие авторы выполнили цикл работ по оптическойрегистрации энергетической структуры спиновых систем, в том числе в кристаллах и стёклах, активированных редкоземельными ионами (напр., [35—39] и др.).Е. Б.
Александровым и В. С. Запасским были предложены новые методическиеподходы и экспериментальные техники, в частности, метод радикального повышения чувствительности поляриметрических измерений [40; 41], модуляционнаятехника магнитооптической спектроскопии [35] и, наконец, способ регистрациипарамагнитного резонанса в спектре шумов фарадеевского вращения.Прежде чем перейти к рассмотрению шумовой спектроскопии, следует отметить, что спектроскопические и разрешённые по времени методы исследования спиновой подсистемы не исчерпываются техниками на базе явлений индуцированной анизотропии (эффектов Фарадея, Керра, магнитного циркулярногодихроизма (МЦД), эффекта Коттона—Мутона и др.) и оптической ориентации.Чувствительны к магнитному полю также и процессы вторичного свечения, такиекак люминесценция, комбинационное рассеяние, генерация высших гармоник ипр.
В частности, оптическим проявлением ЭПР является эффект деполяризациифотолюминесценции в магнитном поле, или же эффект Ханле [30, гл. 2]. Именно с использованием эффекта Ханле впервые была произведена оптическая регистрация ЭПР в GaAs [42] и продемонстрированы рекордно длинные временажизни электронов в слоистом образце GaAs/AlGaAs с низкой концентрацией носителей [43]. Однако общим для всех перечисленных методов свойством являетсянеобходимость каким-либо образом воздействовать на спиновую систему (насыщая резонанс микроволновым излучением или создавая разность населённостейпутём оптической накачки), переводя её в термодинамически неравновесное состояние. В то же время при любой отличной от нуля температуре флуктуации влюбой системе будут присутствовать всегда.
Именно поэтому возможность «подслушивать» эти шумы позволила бы выполнять качественно новые, не возмущающие термодинамического равновесия исследования. В 1981 г. Е. Б. Александров18и В. С. Запасский впервые продемонстрировали возможность регистрации парамагнитного резонанса в шумах фарадеевского вращения плоскости поляризациисвета, прошедшего через пары щелочного металла [44]. В данном экспериментелинейно поляризованное непрерывное излучение лазера на красителях, подстроенного близко к линиям натриевого дублета 1 и 2, пропускалось через парынатрия в атмосфере буферного газа. Узость спектральных линий и сопутствующая ей [45, с.
410] большая величина фарадеевского вращения в сочетании с модуляционной техникой регистрации сигнала обеспечила малое, порядка 1 с, времянакопления спектра. Применительно к оптической регистрации ЭПР эта работаоставалась незамеченной до конца 20-го века, пока не была независимо воспроизведена [46] и развита [47] группой С. А. Крукера. Этим публикациям предшествовало исследование Т.
Мицуи [48], в котором регистрация магнитного резонансаосуществлялась в шумах магнитного циркулярного дихроизма (МЦД).Сразу после этого техника спектроскопии шумов фарадеевского вращения была успешно применена группой М. Острайха к объёмному образцу-легированного GaAs [49]. Важно подчеркнуть, что оптические резонансы в полупроводниковых структурах характеризуются значительно меньшей добротностью, нежели пары щелочных металлов; эффект Фарадея вблизи этих резонансов,как следствие, намного слабее, и авторам работы [49] потребовалось более 20 часов для накопления одного спектра, несмотря на то, что выбранный образец характеризуется долгими (порядка сотен нс [50]) временами жизни электронов и темсамым относительно узкой линией в спектре шумов.
Таким образом, эта работаносила скорее академический, нежели прикладной характер, однако она положила начало дальнейшим исследованиям полупроводников методом спектроскопииспиновых шумов. Существенным техническим недостатком эксперимента [49] являлось использование сканирующего спектроанализатора, накопление сигнала вкотором в каждый момент времени осуществляется в узкой частотной полосе, врезультате чего информация о сигнале на всех других частотах оказывается утрачена. Ситуация в корне изменилась благодаря стремительному развитию вычислительной техники и появлению цифровых спектроанализаторов, выполняющихбыстрое преобразование Фурье (БПФ).
Применение БПФ-спектроанализаторовсократило время накопления спектров на 2-3 порядка величины [51] и позволилопревратить ССШ в мощный инструмент исследования полупроводниковых струк-19тур. БПФ-спектроанализаторы стали де-факто стандартным оборудованием дляпоследующих экспериментальных работ в данной области [51—63].Группа М. Острайха (университет Ганновера) выполнила целый цикл работ по ССШ в арсениде галлия.
Были проведены многосторонние теоретическиеи экспериментальные исследования -легированных объёмных образцов GaAs снесколькими значениями концентраций вблизи перехода металл-полупроводник,установлена температурная зависимость скоростей релаксации электрона и множителя Ланде, а также обнаружено наличие зависимости скорости релаксации отдлины волны зондирующего света [51].
В работе [52] было продемонстрировано невозмущающее исследование динамики электронов в образце со множественными квантовыми ямами (МКЯ, англ. multiple quantum wells, MQW). В 2009 г.был поставлен эксперимент [64], раскрывающий одну из уникальных особенностей ССШ — чувствительность к так называемому Z-сканированию (см. гл. 2.2.3),что делает метод ССШ применимым для томографирования спиновой подсистемы кристалла. Иллюстрация этого факта в работе [64] выполнена следующим образом: зависимость интегральной мощности шумов фарадеевского вращения отположения фокуса объектива визуализирует прохождение каустики пучка из одного образца в другой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
