Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Слабый ферромагнетизм в слоистых кристаллах InSe : Mn й В.В. Слынько, А.Г. Хандожко, З.Д. Ковалюк, А.В. Заслонкин, В.Е. Слынько, M. Arciszewska+, W.D. Dobrowolski+ Черновицкое отделение Института проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, 58001 Черновцы, Украина Черновицкий национальный университет, 58000 Черновцы, Украина + Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, 02-668 Warszawa, Poland (Получена 5 октября 2004 г. Принята к печати 19 октября 2004 г.) Проведены исследования электронного парамагнитного резонанса, намагниченности и динамической магнитной восприимчивости в слоистых кристаллах In1-x Mnx Se (x = 0.0125). Установлено, что в неотожженных образцах независимо существуют две разные примесные подсистемы Ч в кристаллическом слое и в межслоевом пространстве. В температурном интервале от 300 до 140 K в обеих подсистемах действует ферромагнитное обменное взаимодействие между ионами Mn, а в области 140-77 K Ч антиферромагнитное.

При температурах ниже 77 K возникает трехмерный ферромагнитный порядок.

1. Введение типом катионов. В данной работе проведены исследования спектров ЭПР, кривых намагничивания и динаВ последние годы появился ряд работ, посвященных мической магнитной восприимчивости монокристаллов изучению нового класса полумагнитных полупроводIn1-xMnx Se. На их основе анализируется состояние приников типа AIII MxBVI, где AIIIBVI Ч слоистые кримесной системы в разных температурных интервалах.

1-x сталлы группы GaS (GaSe, GaS, InSe, GaTe), а M Ч металлический ион переходной группы [1Ц6]. Интерес 2. Эксперимент к данным системам объясняется тем, что они характеризуются нелинейными оптическими свойствами и Легированные монокристаллы In1-xMnx Se были появляются перспективными материалами для применения лучены методом Бриджмена путем добавления 1 ат% в оптоэлектронике.

марганца в ростовую шихту. Методом рентгеновского Как и в полупроводниках AIIBVI, магнитные ионы в флюоресцентного анализа установлено, что распредеслоистых кристаллах AIIIBVI находятся в тетраэдричеление примеси вдоль слитка является неоднородным.

ском окружении. Однако локальное окружение магнитВ начальной части слитка (вплоть до 0.6 его длины) конных ионов является разным, поскольку каждый катион центрация марганца не превышала 0.15 ат%. В конечной окружен тремя анионами и одним катионом. Кроме того, части слитка она достигала 3.5 ат%.

наличие прямой связи катионЦкатион делает вполне Спектры ЭПР записывались на частоте 10 ГГц в вероятным образование в легированных слоистых криинтервале 77-300 K при помощи спектрометра ЭПР с сталлах пар прямого взаимодействия (M-M), помимо цифровым накопителем сигнала. Магнитное поле констандартных непрямых пар типа M-Se(S)-M.

тролировалось датчиком ЯМР по протонному резонансу Образование прямых пар MnЦMn в Ga1-x MnxSe [5] с точностью 1 Гс. В качестве эталонного образца иси отсутствие таких пар в Ga1-xMnxSe [6] было устапользовался дифенил-пикрил-гидразил (ДФПГ) с числом новлено при исследовании температурных и полевых спинов 5.0 1017 см-3 и g-фактором, равным 2.0036.

зависимостей намагниченности Ч M(T ) и M(H). НаДля исследования кривых намагничивания M(H) личие сильного прямого взаимодействия между ионаи динамической магнитной восприимчивости ac(T ) ми Mn в Ga1-xMnxSe (x = 0.012) приводит к установлеобразцов использовалось двухфункциональное экспению двухмерного короткодействующего антиферромагриментальное оборудование Lake Shore 7229 AC нитного порядка в области 120-195 K. В кристаллах Susceptometer/DC Magnetometer [7,8]. Измерение ac(T ) Ga1-xMnx Se (x = 0.11; 0.066) в том же интервале проведено в переменном магнитном поле с амплитудой температур действует косвенное антиферромагнитное 20 Э и частотой 800 Гц в интервале 4.2-300 K. Кривые взаимодействие между ионами Mn. А при T = 10.9K намагничивания M(H) получены в области слабых магна зависимости M(T ) наблюдается резкий пик, котонитных полей (H = 40 Э) при разных температурах.

рый, предположительно, связан с переходом в спиновое стекло.

Учитывая существенное различие в состоянии при3. Экспериментальные результаты месной системы в слоистых системах Ga1-xMnxSe иGa1-xMnx S, представляет интерес изучение магнитных Спектры ЭПР измерялись на неотожженных образцах, свойств In1-xMnsSe, отличающегося от Ga1-xMnxSe вырезанных вдоль оси роста слитка. Очень слабый сиг E-mail: sel@chv.ukrpack.net нал ЭПР регистрируется на образцах с концентрацией Слабый ферромагнетизм в слоистых кристаллах InSe : Mn NMn 0.15 ат% (без признаков сверхтонкой структуры).

На образцах с NMn 1-2 ат% наблюдаются двухкомпонентные спектры ЭПР: на фоне широкой линии обнаруживается узкая линия, интенсивность которой меняется в зависимости от характера распределения примеси в кристалле.

Максимальное разделение компонент спектра получено на образце с NMn = 1.25 ат% при направлении магнитного поля H под углом 55 к гексагональной оси c. Как видно из рис. 1, кривая a, спектр ЭПР состоит из двух резонансных линий Ч широкой I-линии и более узкой L-линии. Необходимо отметить, что L-линия практически исчезает в образце, отожженном в вакууме при T = 593 K на протяжении 28 ч (рис. 1, кривая b).

Далее приводятся результаты исследований ЭПР, ac Рис. 3. Температурные зависимости ширины линий ЭПР: 1 Ч и M(H), полученные на неотожженных образцах с для I-линии, 2 Чдля L-линии.

NMn = 1.25 ат%.

Разложение спектра ЭПР на компоненты I и L проведено с помощью специальной компьютерной программы.

Рис. 4. Зависимость интегральной интенсивности от температуры для I-линии (кривая 1) и L-линии (кривая 2).

Рис. 1. Спектры ЭПР в образцах In1-x MnxSe (x = 0.0125) при T = 293 K: a Чдо отжига, b Ч после отжига. Метка DPPH Ширина I-линии, HI, составляет 390 Э и g-фактор отвечает положению эталонной линии с g = 2.0036.

равен 1.996. Оба параметра не зависят от ориентации магнитного поля H относительно оси c. Напротив, в случае L-резонанса такая зависимость имеется: HL изменяется примерно от 160 до 200 Э и g-факторы равны 2.189 и 2.0998 при H c и H c соответственно. На рис. 2 представлена зависимость положения L-резонанса от угла между полем H и гексагональной осью c при T = 293 K. Похожая угловая зависимость наблюдается и в плоскости скола.

Существенное различие между I- и L-линиями обнаруживается и в характере температурных зависимостей их ширин. С понижением T от 300 до 77 K I-линия монотонно уширяется от 400 до 700 Э (рис. 3, кривая 1).

В случае L-линии зависимость HL(T ) является немонотонной: в интервале от 300 до 140 K происходит сужение L-линии, а при T < 140 K Ч резкое уширение (рис. 3, кривая 2). Однако температурные зависимости интегральных интенсивностей обеих линий, SI(T ) и SL(T ), Рис. 2. Зависимость положения центра L-резонанса от угла между полем H и осьюc. имеют аналогичный немонотонный характер (рис. 4).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 808 В.В. Слынько, А.Г. Хандожко, З.Д. Ковалюк, А.В. Заслонкин, В.Е. Слынько, M. Arciszewska...

4. Обсуждение результатов исследования Кристаллическая структура слоистых полупроводников AIIIBVI может быть представлена в виде четырехкратных слоев, упакованных в последовательности анионЦкатионЦкатионЦанион. В слое действует преимущественно ковалентная связь, между слоями Ч слабая ван-дер-ваальсовская связь. Вполне естественно, что при легировании этих полупроводников примесные атомы могут как замещать катионы в кристаллическом слое, так и локализоваться в межслоевом пространстве. Последний механизм, очевидно, будет преобладающим, поскольку он требует значительно меньших затрат энергии. Известно, что интеркалирование слоистых кристаРис. 5. Температурная зависимость динамической магнитной лов (введение примеси в межслоевое пространство) восприимчивости: 1 Ч реальная часть, 2 Чмнимая часть.

происходит даже при комнатной температуре [9].

Наличие в спектре ЭПР двух линий поглощения с отличающимися параметрами (рис. 1, кривая 1) однозначно указывает на существование в неотожженном образце In1-xMnx Se (x = 0.0125) двух разных примесных подсистем. Естественно предположить, что I-компонента (с большей интенсивностью) связана с атомами Mn, которые находятся в ван-дер-ваальсовской щели, а L-компонента Ч с атомами Mn, которые замещают атомы индия в слое. В рамках данной модели становится понятным отсутствие L-компоненты в спектре ЭПР отожженного образца. В процессе отжига ионы Mn диффундируют из кристаллического слоя в межслоевое пространство, в результате чего L-компонента исчезает.

Наличие ориентационной зависимости параметров L-линии и отсутствие такой зависимости в случае I-линии свидетельствует о разной симметрии локального поля, действующего на ион Mn в кристаллическом слое и в межслоевом пространстве. Известно, что g-фактор является тензором, отражающим анизотропию Рис. 6. Релеевские петли гистерезиса, полученные при разных внутрикристаллического поля, и число его компонент температурах, K: 1 Ч 20, 2 Ч 50, 3 Ч 100. связано с симметрией локального поля в кристалле [10].

Кубической симметрии локального поля соответствует изотропный g-фактор. Если имеется два g-фактора, g и g, и спектр ЭПР имеет аксиальную симметрию в Интенсивности линий увеличиваются с понижением T плоскости xy, то симметрия локального поля будет от 300 до 140 K и уменьшаются в интервале T от аксиальной. В случае, когда имеется три g-фактора до 77 K. При этом интенсивность I-линии на порядок (gx, gy, gz ), симметрия будет ромбической или ниже.

превышает ее значение для L-линии.

Следовательно, наблюдение ориентационной зависиДинамическая магнитная восприимчивость исследомости L-линии в двух плоскостях Ч ac и плоскованных кристаллов является комплексной величиной:

сти скола Ч свидетельствует о том, что симметрия ac = 1-i2. Действительная, 1, и мнимая, 2, комполокального поля в кристаллическом слое ниже аксиненты немонотонно изменяются с температурой (рис. 5).

альной симметрии. Последнее утверждение согласуется Ярко выраженный максимум на кривой 1 наблюдается с данными [11,12], согласно которым кристаллы InSe, при T = 28 K, а другие два, гораздо меньшие Ч при выращенные методом Бриджмена, обычно относятся к 190.5 и 267 K. На кривой 2 также имеются три пика:

-политипу с ромбоэдрической (тригональной) кристалбольшой Ч при T 34 K, малый Ч при 184 K и едва лической структурой. Отсутствие угловой зависимости заметный при 269 K. Заметим, что точность измерепараметров I-линии (g-фактор изотропный) свидетельния ac составляет 10-7. При исследовании кривых ствует о кубической симметрии локального поля в намагничивания M(H) в области слабых магнитных межслоевом пространстве In1-xMnx Se (x = 0.0125).

полей (H = 40 Э) получены релеевские петли гисте- Характер температурных зависимостей ширины лирезиса при T = 20 и 50 K. При T = 100 K наблюдается ний HI(T ) и HL(T ) и их интегральных интенсивлинейная зависимость M(H) (рис. 6). ностей SI(T ) и SL(T ) определяется главным образом Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Слабый ферромагнетизм в слоистых кристаллах InSe : Mn типом обменных пар, которые существуют в меж- чивания определяется формулой Релея [13,14]:

слоевом пространстве и в средине кристаллического M = aH bH2, (1) слоя. В последнем случае, кроме суперобмена в парах MnЦSeЦMn (и, возможно, MnЦInЦSeЦMn), может где a Ч начальная магнитная восприимчивость, b Ч происходить прямое обменное взаимодействие в парах константа Релея, знак + или - отвечает направлению MnЦMn (рис. 1 работы [5]). В межслоевом же промагнитного поля. Постоянная b связана с остаточной странстве, где ионы Mn, наиболее вероятно, находятся намагниченностью MR и полем насыщения Hm соотнов тетраэдрических пустотах, образованных соседними шением [13] монослоями селена, косвенный обмен возможен только 2MR b =. (2) через ионы Se (в парах MnЦSeЦMn).

Hm Наблюдаемое уменьшение интенсивностей SI и SL с Увеличение площади петли гистерезиса при уменьшепонижением T от 140 до 77 K (рис. 4), при одноврении температуры (рис. 6) связано с увеличением потерь менном уширении I- и L-линий (рис. 3), свидетельсвует на гистерезис, что характерно для типичных ферроо том, что в обеих примесных подсистемах обменное магнетиков. Используя экспериментальные значения MR взаимодействие между ионами Mn является антифери Hm (рис. 6), можно определить потери на гистерезис в ромагнитным. Напротив, увеличение интенсивностей SI случае релеевской петли [13]:

и SL в интервале от 300 до 140 K указывает на фер1 bHm 2MRHm ромагнитный характер обменного взаимодействия как Wh = HdM = =. (3) в межслоевом пространстве, так и в кристаллическом 4 3 слое.

Мнимая компонента 2 магнитной восприимчивости Наблюдаемое сужение L-линии в интервале от (рис. 5) также связана с потерями на гистерезис, подо 140 K (рис. 3, кривая 2), в противоположность скольку измерения ac(T ) выполнены в низкочастотном уширению I-линии (кривая 1), может быть вызвано поле [14]. Потерями на вихревые токи можно пренепрямым обменом в парах MnЦMn, которые существуют бречь ввиду малой концентрации свободных носителей только в середине слоев. Согласно [13], очень быстрый (порядка 1012-1013 см-3).

прямой обмен между парамагнитными ионами приводит Относительно происхождения слабых пиков на крик усреднению локальных полей, действующих на паравых 1(T ) и 2(T ). Как видим, они наблюдаются в магнитный ион, и в результате Ч к сужению ЭПР линии.

температурной области 300-150 K (рис. 5), где в обеВ работе [6] высказано предположение, что острый их примесных подсистемах действует ферромагнитное пик на зависимости M(T ) в Ga1-xMnx S при T = 10.9K обменное взаимодействие (рис. 4). При этом в интервале связан с фазовым переходом в состояние спиново140-77 K, которому соответствует антиферромагнитное го стекла, что характерно для трехмерных структур.

обменное взаимодействие между ионами Mn в подсиВыдвинутая гипотеза вполне вероятна, поскольку при стемах (рис. 4), указанные пики отсутствуют. Поскольнизких температурах в таких квазидвухмерных кристал- ку магнитная восприимчивость является интегральной лах, как Ga1-xMnx S и In1-xMnxSe, вполне возможно характеристикой кристалла, вполне вероятно допустить, образование пар типа Mn1ЦS(Se)ЦMn2, где ион Mnчто природа появления указанных пиков та же, что и при локализован в межслоевом пространстве, а Mn2 Ч в низкой температуре. Отличие состоит лишь в том, что слое. Косвенное обменное взаимодействие с участием ферромагнитный порядок устанавливается в кластерах, таких пар объединяет соседние кристаллические слои, размер которых близок к критическому.

в результате чего возникает трехмерный магнитный порядок.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам