Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 3 Магнитные исследования широкозонных полупроводников Cd1-xZnxTe (x = 0.12, 0.21) + й Ю.В. Шалдин, И. Вархульска, М.Х. Рабаданов, В.К. Комарь Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, 119333 Москва, Россия International Laboratory of Strong Magnetic Fields and Low Temperature, 53-241 Wroclaw, Poland + НТК ДИнститут монокристалловУ Национальной академии наук Украины, 61001 Харьков, Украина (Получена 25 июня 2003 г. Принята к печати 9 июля 2003 г.) Представлены результаты измерений намагниченности M и магнитной восприимчивости кристаллов Cd1-x Znx Te. В магнитном поле H < 2 кЭ обнаружен гистерезис зависимости M(H), обусловленный наличием магнитных кластеров произвольной ориентации. Существенный вклад в магнитную восприимчивость вносит ван-флековский парамагнетизм, вызванный электрическими полями дефектов. Наличие аномалий зависимости (T ) в области температур T < 50 K связано в одном случае (x = 0.12) с изменением зарядового состояния межузельного теллура, в другом (x = 0.21) Ч либо с парамагнетизмом невзаимодействующих дефектов, либо с антиферромагнитным упорядочением дефектной подсистемы, образованной ZnCd и Tei.

Установлено влияние отжига на магнитное состояние дефектной подсистемы в образцах.

1. Введение акцепторы становятся парамагнитными [3], а возникающие в кристаллах донорно-акцепторные пары (ДАП) Создание на базе теллурида кадмия достаточно высо- могут привести к образованию своеобразных магнитных коомного материала, необходимого для разработки ак- кластеров [4].

тивных элементов разнообразных устройств (например, Впервые на возможность магнитных методов в исслемодуляторов, детекторов и т. д.), является весьма труддовании дефектов указал F.A. Krger [5]. В дальнейшем ной, но чрезвычайно актуальной задачей материаловебыли исследованы магнитные свойства CdTe, легировандения полупроводников. Отправной точкой ее решения ного Ge [6,7], In и Cl [8], Zn [9], ZnO Li [10]. Результаты должны служить современные представления о реальной этих исследований позволили выявить существенные структуре CdTe, определяемой условиями выращивания.

вклады ван-флековского парамагнетизма, прецессионноОчевидно a priori, что широкозонные полупроводниго ланжевеновского диамагнетизма и парамагнетизма ки (с шириной запрещенной зоны Eg > 1эВ) должны взаимодействующих между собой ДАП в суммарную обладать низкой проводимостью и из-за известной осовеличину магнитной восприимчивости. Более того, в бенности химической связи (два связанных электрона кристаллах CdTe Ge [11] и PbTe In [12] результаты с противоположными спинами) быть диамагнитными.

исследований свидетельствуют о четко выраженном гиОднако реальная ситуация такова, что все соединения стерезисе намагниченности в слабых магнитных полях.

AIIBVI нестехиометричны и отклонение от идеальной Несомненный интерес представляют также исследоструктуры вызвано наличием собственных дефектов:

вания влияния изоморфных замещений на физические вакансий (VA и VB) и межузельных атомов (Ai и Bi).

свойства. Установившиеся представления, что в системе Возникновение дефектов в процессе роста приводит к CdTeЦZnTe изменение состава адекватно изменению существенному изменению физических свойств. Поэтофизических свойств, поставлены под сомнение авторами му установление корреляции между условиями выращиработы [13], результаты которой указывают на измевания и физическими свойствами не только представлянение макросимметрии образцов точечной группы от ет практический интерес, но и крайне необходимо для 43m до 3m и, как следствие, возникновение по крайней уточнения наших представлений о природе физических мере электронного состояния образцов, разрушаемого свойств реальных кристаллов.

в процессе нагрева выше температуры 450 K. Задача На данном этапе наиболее полно состояние исслеисследования влияния отжига на магнитные свойства дований дефектов, возникающих в процессе роста в Cd1-xZnx Te не ставилась.

кристаллах AIIBVI, проанализировано в [1,2]. Особое Данной работой мы продолжаем цикл публикаций внимание авторами [1] уделено вопросам образования результатов измерений кривых намагничивания и маги устойчивости изолированных и связанных дефектов, нитной восприимчивости реальных кристаллов AIIBVI.

зарядовые состояния которых могут изменяться при Далее речь пойдет о магнитных свойствах исходных внешних воздействиях. При определенных условиях и отожженных монокристаллов Cd1-xZnxTe (x = 0.12, (например, в области низких температур) доноры и 0.21) в магнитных полях до H = 4.25 кЭ и температур E-mail: graimo@aha.ru ном интервале T = 4.2-300 K.

Магнитные исследования широкозонных полупроводников Cd1-x ZnxTe (x = 0.12, 0.21) 2. Методика эксперимента Объектом изучения магнитных свойств служили монокристаллы, выращенные методом Бриджмена из расплава под высоким давлением аргона [14]. В течение всего цикла получения кристалла давление внутри камеры поддерживалось на уровне 100 атм. В качестве контейнеров для загрузки шихты использовались графитовые тигли с пироуглеродным упрочняющим покрытием.

Шихта состояла из предварительно синтезированного теллурида кадмия, к которому добавлялось необходимое количество кристаллического теллурида цинка, чтобы образовать тройное соединение Cd1-xZnx Te с номиРис. 1. Наиболее вероятный вариант расщепления позиции нальным содержанием цинка в большей части були атомов цинка в решетке CdTe.

x = 0.12 или 0.21. Благодаря применению многоступенчатой очистки для каждого из основных элементов все использованные компоненты перед загрузкой имели чистоту не ниже 6N.

Вычисления одночастичных потенциалов атомов в моСодержание цинка в твердом растворе измеряли делях с разупорядочением показали, что только для методом электронно-зондового микроанализа (ЕРМА) атомов Zn получается многоминимумный потенциал с энергетическими барьерами, сравнимыми с kT (k Ч на растровом микроскопе JEOL JSM-820 с системой рентгеновского микроанализа LINK 10000, а концентра- постоянная Больцмана). Данный факт означает, что в цию посторонних примесей Ч методом лазерной масс- образце могут возникать кластеры, группирующиеся в домены, размеры которых, по-видимому, определяютспектроскопии (LMS) на приборе ЕМАЛ-2. Интегралься условиями выращивания образцов. Таким образом, ный уровень концентрации не превышал 10-4% по массе результаты обработки рентгеновского эксперимента не для 75 элементов. Степень структурного совершенства противоречат факту обнаружения спонтанной полярикристаллов контролировали методом рентгеновской дизации кристаллов CdTeЦZnTe [13]. Возникающие при фракции (XRD) на двухкристальном рентгеновском диэтом локальные электрические поля приводят к перефрактометре на базе стандартного ДРОН-3. Согласно мешиванию энергетических уровней валентных элекполученным данным, в исходных образцах отсутствотронов и вследствие этого процесса к возникновению, вали малоугловые границы и двойники, а средняя покак минимума, дополнительного вклада парамагнетизлуширина кривой дифракционного качания была равна ма Ван-Флека в суммарную магнитную восприимчи16-20 угл. с. Исследование вольт-амперных характеривость [8,10,11].

стик образцов с омическими контактами показало, что Исходные образцы в виде пластинок, ориентирообразцы даже без легирующих добавок имели высокое удельное сопротивление Ч в диапазоне от 1010 ванных вдоль направления 111, изготавливались из слитков (буль). Для проведения магнитных измерений до 1011 Ом см.

пластинки разрезались на параллелепипеды размером Рентгеноструктурные исследования (дифрактометр 3.0 3.0 3.5мм3. Образцы в медном контейнере подEnraf-Nonius, MoK-излучение, sin / < 1.14 -1) при вешивались на кевларовой нити в объеме гелиевого комнатной температуре были выполнены на сферичепродувного криостата, размещенного между полюсами ских образцах смешанных кристаллов CdTeЦZnTe. При постоянного магнита со специальными наконечниками.

уточнении атомных моделей структуры авторы исходили В качестве регистрирующего устройства использоваиз предположения, что распределение атомов замещения лись электронные весы Cahn Electrobalanc-1000. Все в образцах имеет случайный характер. В этом случае соизмерения магнитной восприимчивости и кривых нагласно биномиальному распределению имеем, что веромагничивания были выполнены в режиме повышения ятность образования координационных тетраэдров типа температуры. Чувствительность установки при массе [TeCd3Zn] и [TeCd2Zn2], например, при x = 0.21 равна образцов 0.3г была 3 10-8 см3/г. Из-за трудности соответственно 0.41 и 0.17. Так как локальная симметрия четкой фиксации образцов относительно направления таких тетраэдров соответствует точечным группам 3m магнитного поля представленные результаты являются и mm2, упаковка мезотетраэдров в элементарную ячейку усредненными в плоскости (111). Измерения намагничидолжна удовлетворять соображениям симметрии, соотвания образцов проводились при температурах T = 4.2, ветствовать минимуму термодинамического потенциала, 77.5 и 293 K в магнитном поле от 0.05 до 4.25 кЭ. Кона суммарный дипольный момент должен быть равен струкция установки не позволяла изменять направление нулю. Обработка данных прецизионного дифракционно- магнитного поля H. В дальнейшем измеренные образцы го рентгеновского эксперимента с большой степенью подвергались отжигу в муфельной печи при 450 K в достоверности указывает на расщепление позиции Zn течение 2 ч, затем монтировались в объеме криостата, вдоль кристаллографических направлений 111 (рис. 1). охлаждались, и процесс измерений опять повторялся.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 302 Ю.В. Шалдин, И. Вархульска, М.Х. Рабаданов, В.К. Комарь 3. Результаты измерений и их обсуждение Результаты измерений образцов CdTeЦZnTe, характеризующие намагниченность материала M при 4.2, 77.3 и 290 K и температурные зависимости магнитной восприичивости, приведены на рис. 2 и 3. Анализируя представленные результаты, следует констатировать:

а) во всех случаях, когда суммарная восприимчивость отрицательна, в полях H < 2 кЭ наблюдается мигнитный гистерезис; б) при H > 2 кЭ образцы стремятся перейти в устойчивое термодинамическое равновесие с минимумом соответствующего термодинамического потенциала при условии M/H < 0; в) исключение составляет зависимость M(H), соответствующая парамагнитному состоянию образца с x = 0.21 (рис. 2, кривая 1) с дальРис. 3. Температурные зависимости магнитной восприимчивонейшим переходом в устойчивое термодинамическое сти монокристаллов Cd1-xZnxTe: 1 Ч x = 0.12, 2 Ч x = 0.21.

состояние в полях более 4 кЭ; г) в полях 3 кЭ значе- H = 3 кЭ. На вставке Ч участок зависимости 2.

ния величин магнитной восприимчивости при T > 100 K практически не зависят от концентрации атомов Zn;

д) принципиальное различие наступает только в области ны p, характеризующей вклад собственных дефектов низких температур.

и их возможных ассоциатов с примесями. Для d следует Как уже отмечалось выше, магнитная восприимчипринять значение -3.5 10-7 см3/г, приводимое в рабовость реальных кристаллов слагается из магнитной востах [5,9]. Как показано в [4], величина d практрически приимчивости номинально чистого образца d и величине зависит от внешних воздействий. Тогда разность (-d) будет характеризовать вклад дефектов p в магнитную восприимчивость исследованных образцов.

Как нам представляется, роль атомов замещения и собственных дефектов решетки двояка: с одной стороны, их присутствие приводит к деформации решетки и, как следствие, сопровождается локальными электрическими полями в пьезоэлектрике; с другой стороны, сами дефекты и их ассоциаты могут служить носителями магнитного момента в электронной подсистеме кристаллов.

В исследованных кристаллах локальные электрические поля дефектов, в качестве которых следует рассматривать атомы замещения и межузельный теллур, приводят к снятию анизотропного (с учетом спин-орбитального взаимодействия) линейного по полю вырождения электронных уровней в зоне Бриллюэна [15], что неизбежно (по нашему мнению) сопровождается частичным перемешиванием орбитальных моментов основного состояния и возбужденного. Данное предположение позволяет фактически объяснить существенное различие измеренных значений величин и приводимых оценок в [5,9] за счет вклада ван-флековского парамагнетизма, практически также не зависящего от T. Поэтому в дальнейшем можно полагать, что наблюдаемые в эксперименте аномалии являются следствием неких магнитных взаимодействий в электронной подсистеме образцов.

Непосредственным проявлением этих взаимодействий является магнитный гистерезис в полях H < 2 кЭ, возникающий за счет существования большого числа метастабильных состояний, обусловленных расщеплением позиций Zn в решетке. В случае полупроводников магРис. 2. Кривые намагниченности монокристаллов нитный гистерезис обусловлен необратимыми процесCd1-xZnx Te: a Ч x = 0.12, b Ч x = 0.21. T, K: 1 Ч 293, 2 Ч 77.3, 3 Ч4.2. сами вращения векторов намагниченности магнитных Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Магнитные исследования широкозонных полупроводников Cd1-x ZnxTe (x = 0.12, 0.21) кластеров, образованных дефектами [4,16]. При изменении внешних воздействий (например, концентрации Zn и температуры) вяло текущий процесс вращения подавляется либо вкладом ланжевеновского парамагнетизма невзаимодействующих (при фиксированных параметрах воздействия) между собой дефектов, обладающих магнитным моментом, либо антиферромагнитным упорядочением дефектной подсистемы, образованной атомами замещения и межузельным теллуром. Эта часть зависимости описывается законом КюриЦВейсса с постоянной C 2 10-6 см3/г. Однозначно указать на тип дефектов и их концентрацию пока не представляется возможным.

На вставке к рис. 3 явно прослеживается аномалия в области 100-150 K: происходит частичное насыщение магнитной восприимчивости. При T 130 K производРис. 4. Температурные зависимости магнитной восприимчивоная /T максимальна. Аналогичное явление насыщести отожженных монокристаллов Cd1-xZnx Te: 1 Ч x = 0.12, ния наблюдается и в кристаллах CdTe, легированно2 Ч x = 0.21. H = 3 кЭ. Режим отжига: 450 K/2 ч.

го другими примесями [9]. Все эти факты позволяют утверждать, что экспериментально выявленная аномалия связана с магнитным кластером, образованным ДАП Дискуссионным остается вопрос о том, какие центры типа (VCdXCd), где в качестве неконтролируемой примеответственны за подобные электрические и магнитные си X выступают атомы Al. По нашим оценкам, вклад взаимодействия.

последних в суммарную восприимчивость при T Полагая аномалии (T ) в области T = 20-50 K свясоставляет 4 10-8 см3/г.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам