Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

кривая Ч расчетная зависимость по (2). Пунктир Ч расчет a с учетом вклада ферроупорядоченных КМР - (3).

I(I + 1) exp - I(I + 1) 2 2kT Bg2|J|2NF 2NBg2 I = +, a 3kT 3kT exp - I(I + 1) 2kT I кристаллов AIIIBV. Однако очевидно, что суммарный (4) вклад атомов мелких доноров в наблюдаемый при где N и I Ч концентрация и спин КМРЦ, NF и J Ч низких температурах рост магнитной восприимчивости концентрация и момент спин-полярона, локализованного пренебрежимо мал, поскольку их концентрация, как на мелком доноре, который рассчитывается при решении правило, не превышает 1018 см-3. В то же время соответствующего уравнения Шредингера [21]:

присутствие электрона, локализованного на мелком доноре, играет ключевую роль в формировании магнит- b ных свойств кристаллов AIIIBV, легированных РЗЭ.

|J| = L Nd3r = 4N L r2dr, (5) Если одиночная КМР - попадает в орбиту электрона, локализованного на мелком доноре, то ионы редкой земли, находящиеся в составе антиферроупорядоченгде L Ч средний спин центра РЗЭ, b Ч боровский ной квазимолекулы, переходят в ферроупорядоченное радиус мелкого донора. Следует отметить, что вклад состояние в результате s-f -обмена через донорный электрон [10,11]. В процессе обменного взаимодействия электрон с мелкого донора захватывается на КМРЦ, чему, в частности, способствуют большие значения константы a вследствие отмеченной выше взаимосвязанности спиновых корреляций и ЭКВ (рис. 1, b). Причем образование ферроупорядоченных КМР - вблизи мелких доноров способствует возникновению парамагнитной составляющей статической магнитной восприимчивости при низких температурах:

a I(I + 1) exp - I(I + 1) 2 2kT 2NBg2 I = a 3kT exp - I(I + 1) 2kT I Bg+ N[I(I + 1) - I (I + 1)] + NdI (I + 1), (3) 3kT Рис. 3. Температурная зависимость статической магнитной где N и I Ч концентрация и спин КМРЦ, Nd и I Ч восприимчивости дендритных кристаллов InP Yb, легироконцентрация и спин мелкого донора, участвующего в ванных иттербием в процессе роста. Сплошная кривая Ч образовании ферроупорядоченного КМРЦ. расчетная зависимость (4).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Магнетизм кристаллов AIIIBV, легированных редкими землями КМР - в величину статической магнитной восприимчи- компенсирует увеличение энергии кулоновского отталвости становится существенным только при их локаль- кивания и обеспечивает устойчивость ферроупорядоченных концентрациях, превышающих 1020 см-3. ного состояния КМР - (рис. 1, b). Данный механизм Температурные зависимости статической магнитной образования ферроупорядоченных КМРЦ, в котором восприимчивости, рассчитанные при использовании (3), определяющей является роль ЭКВ, объясняет высокие (4), представлены на рис. 2 и 3. Видно, что в области значения констант косвенного обмена, проявляющиеся, высоких температур КМР - может проявлять парамаг- в частности, в температурной зависимости статической нитные свойства, если энергия теплового движения магнитной восприимчивости, соответствующей закону образующих его атомов РЗЭ сравнима с величиной кон- Кюри при низких температурах (рис. 2 и 3).

станты обменного взаимодействия a, тем самым разру- В кристалле InP(Yb), температурная зависимость магшая взаимосвязанность спиновых корреляций и ЭКВ [6]. нитной восприимчивости которого приведена на рис. 3, Снижение температуры приводит к антиферромагнит- средняя концентрация иттербия составляет, по данным ному упорядочению магнитных моментов атомов РЗЭ химико-спектрального анализа, 1017 см-3, что на 2 повнутри КМР - через валентные электроны кислорода. рядка меньше, чем содержание иттербия в образце При низких температурах, несмотря на малое значение фосфида индия, описанном выше. Поведение магнитконцентрации, основной вклад в магнитную восприимчи- ной восприимчивости при температурах выше 80 K вость вносят спин-поляроны, локализованные на мелких по-прежнему определяет доминирующую роль КМРЦ.

донорах, и одиночные ферроупорядоченные КМРЦ, так Однако в диапазоне температур 80-40 K магнитная как величина их момента сильно возрастает при сни- восприимчивость образца изменяется по экспоненциальжении температуры. Причем связанные спин-поляроны ному закону, что указывает на формирование в исследупри увеличении концентрации мелких доноров могут емом кристалле областей с высоким значением локальобразовывать суперпарамагнетик [22]. ной концентрации РЗЭ, которая на несколько порядков Далее, анализируются характеристики КМРЦ, сфор- превышает среднюю по образцу. Наблюдаемая аномамированных из атомов разных РЗЭ, которые отражаются лия в температурной зависимости магнитной восприв экспериментальных зависимостях статической магнит- имчивости может быть объяснена, если предположить, ной восприимчивости исследованных кристаллов AIIIBV. что в результате косвенного s-f -обмена образуется спин-полярон, локализованный на мелком доноре.

2.4.1. Центры иттербия в фосфиде индия. ПредлоПонижение энергии донорного электрона, участвуженная модель КМР - позволяет объяснить, в частноющего в образовании спин-полярона, должно найти сти, слабый парамагнетизм кристаллов InP(Yb), котоотражение в ДкрасномУ сдвиге эмиссионной полосы, рый проявляется при измерении статической магнитной связанной с процессами излучательной рекомбинации, восприимчивости при высоких температурах (рис. а также в структуре спектра внутрицентровой фотолюи 3). В этом случае основному состоянию иттербия в минесценции редкоземельного центра. Действительно, фосфиде индия, как и в кремнии [10], соответствует элексоответствующий сдвиг (1.35-1.40 эВ) проявляется в трически неактивный антиферроупорядоченный КМРЦ, спектрах фотолюминесценции кристаллов InP(Yb), в копредставляющий собой синглет с нулевым магнитным торых концентрация иттербия, введенного методом ионмоментом. Однако эффект перекрытия возбужденных соной имплантации, достигала значений 1019 см-3 [14Ц16].

стояний соседних КМР - при их высокой локальной конВеличина ДкрасногоУ сдвига полосы фотолюминесценцентрации частично снимает запрет на индуцируемые ции согласуется с расчетными данными, полученными температурой переходы в высокоспиновое состояние, при решении уравнения Шредингера, и соответствует что отражается в ходе высокотемпературной (T > 20 K) значению энергии связи спин-полярона, определенной части зависимости магнитной восприимчивости (рис. 2).

из измерений температурной зависимости статической Из температурной зависимости статической магнитной магнитной восприимчивости (рис. 3).

восприимчивости также следует, что постоянная a в Ниже 40 K исследуемый образец InP(Yb) проявляисследованных образцах проявляет дисперсию, которая ет свойства суперпарамагнетика, поскольку взаимодейобусловлена наличием в кристалле, помимо одиночных ствие как между спин-поляронами, так и между ферроКМР - на основе кислорода, заметного числа их пар, а упорядоченными КМР - пренебрежимо мало. Поэтому также с возможностью образования квазимолекулярных при низких температурах зависимость статической магцентров на основе других халькогенов.

нитной восприимчивости образцов InP(Yb) описывается При понижении температуры начинает сказываться функцией ЛанжевенаЦБриллюэна. Причем под эффеквлияние мелких доноров кремния с энергией активативным магнитным моментом парамагнитного центра ции 6 мэВ, электроны которых посредством s-f -обмена следует понимать средний эффективный момент спинтрансформируют КМР - в ферроупорядоченное состополярона или ферроупорядоченной пары (см. (3) и (5)).

яние. Как отмечено выше, участвующий в обменном взаимодействии донорный электрон захватывается на 2.4.2. Центры эрбия в фосфиде индия. Эрбий наряду КМРЦ. Причем захват донорного электрона на Дмо- с иттербием, будучи введенным в кристаллы фосфида стиковыйУ кислород сопровождается изменением про- индия, проявляется не только при использовании опстранственного положения атомов иттербия, которое тических методов исследования, но и при регистрации Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1178 Н.Т. Баграев, В.В. Романов ЭПР [23]. Изучение спектров ЭПР показало, что основным состоянием иона Er3+ в фосфиде индия является дублет, а форма линий свидетельствует о слабом 6(7) аксиальном искажении предполагаемой тетраэдрической симметрии центра эрбия. Внутрицентровая фотолюминесценция = 1.54 мкм (0.8 эВ) в соединениях AIIIBV, легированных эрбием, наблюдалась в слоях, выращенных методом осаждения из газовой фазы [24], и в кристаллах, в которые эрбий вводился методом ионной имплантации [14,25]. При этом было установлено, что центры эрбия являются некубическими. Однако, в силу обсуждаемых выше особенностей поведения редких земель, полученные данные не позволяют судить о взаимосвязанности магнитных и оптических свойств, обусловленных присутствием центров эрбия в исследуемых кристаллах.

Исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости кристаллов InP(Er) показали, что поведение центров эрбия может быть объяснено в рамках концепции формирования КМРЦ. Причем данная Рис. 5. Температурная зависимость статической магнитной зависимость не свидетельствует о разбросе в значевосприимчивости кристаллов фосфида галлия, легированных:

ниях константы обменного взаимодействия a, который a Ч гадолинием (масштаб по оси ординат показан справа), имеем место при легировании фосфида индия иттерb Чтулием, c Ч тербием, d Чэрбием.

бием (рис. 4), что, по-видимому, обусловлено наличием меньшей на порядок концентрации РЗЭ. В этом случае при статистически равномерном распределении лантаноидов по кристаллу уменьшается вероятность образования центров РЗЭ, содержащих более двух атомов эрбия. Таким образом, подавляющее большинство центров РЗЭ в кристалле InP(Er) представляют собой пары атомов эрбия, которые в основном ответственны за наблюдаемые магнитные свойства образца.

Кроме того, на рис. 4 показан температурный интервал, в котором обменное взаимодействие между ионами эрбия внутри КМРЦ, характеризуемое меньшим, чем для иттербия, значением константы a, оказывается разрушенным температурой, вследствие чего при температурах выше 40 K образец проявляет парамагнитные Рис. 6. Температурная зависимость статической магнитной восприимчивости кристаллов фосфида галлия, легированных:

a Ч иттербием, b Ч неодимом, c Ч церием.

свойства, описываемые законом КюриЦВейсса. Подобное поведение проявляют также центры других РЗЭ в кристаллах фосфида индия и галлия (рис. 5 и 6).

В то же время с увеличением концентрации легирующей Рис. 4. Температурная зависимость статической магнитной примеси в кристаллах InP(Er) на фоне образования восприимчивости кристаллов InP Er с низкой концентрацией эрбия. спин-поляронов возникают магнитные аномалии, котоФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Магнетизм кристаллов AIIIBV, легированных редкими землями рые, по-видимому, связаны с ферроупорядочиванием КМР - (рис. 7).

Учитывая активность атомов РЗЭ к комплексообразованию, можно ожидать, что при высокой концентрации лантаноидов в кристаллах AIIIBV будут возникать области с существенно отличающимися от рассмотренных выше свойствами, Ч так называемые включения Двторой фазыУ. В этом случае твердые растворы лантаноидов уже не могут рассматриваться как системы слабовзаимодействующих точечных центров или как суперпарамагнетики, состоящие из спин-поляронов и ферроупорядоченных КМРЦ. Поэтому температурные зависимости магнитной восприимчивости, полученные при исследовании кристаллов, содержащих включения Двторой фазыУ, демонстрируют отклонения от закоРис. 9. Температурная зависимость статической магнитной восприимчивости кристаллов GaP Dy, содержащих Двключения второй фазыУ, которая измерялась при различных значениях внешнего магнитного поля: a Ч0.5 T, b Ч1.0 T, c Ч 1.45 T.

на Кюри вследствие фазовых переходов, температуры которых позволяют идентифицировать их химический состав. Известно, что атомы РЗЭ, помимо оксидов, могут формировать прочные соединения с фосфором, а также азотом, который является остаточной примесью в кристаллах AIIIBV. Подобные включения Двторой фазыУ, по-видимому, проявляются в образцах, легированных неодимом (рис. 8) и диспрозием (рис. 9).

2.4.3. Центры неодима в фосфиде галлия и индия.

Спектр фотолюминесценции неодима в фосфиде галлия Рис. 7. Температурная зависимость статической магнитной состоит из двух групп линий, характеризуемых длинами восприимчивости кристаллов InP Er с высокой концентрациволн 0.9 и 1.1 мкм [26]. Аналогичный спектр наблюдался ей эрбия.

на слоях GaAs(Nd), полученных методом эпитаксии из газовой фазы [27]. Эти группы линий относятся к внутрицентровым переходам между уровнями мульти4 4 плетов F3/2 основного и I15/2 и I11/2 возбужденных состояний иона Nd3+ некубической симметрии. Данные исследований ЭПР центров неодима в кристаллах AIIIBV отсутствуют.

Полученная температурная зависимость статической магнитной восприимчивости кристаллов GaP(Nd) показывает, что поведение центров неодима подчиняется тем же закономерностям, которые наблюдались для КМРЦ, образованных иттербием и эрбием. Вместе с тем изучение твердых растворов неодима на основе фосфида индия дает наглядное подтверждение склонности атомов РЗЭ к комплексообразованию с остаточными примесями и пниктидами, входящими в состав основной решетки, в данном случае с фосфором (рис. 8). Таким образом, увеличение локальной концентрации лантаноидов в кристаллах AIIIBV приводит к образованию включений Двторой фазыУ, что отражается в соответствующих Рис. 8. Температурная зависимость статической магнитной восприимчивости кристаллов InP Nd, содержащих Двключе- изменениях температурных зависимостей статической ния второй фазыУ. магнитной восприимчивости.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1180 Н.Т. Баграев, В.В. Романов Следует отметить, что в таких кристаллах центры, неконтролируемых примесей. Однако дальнейшие исслеобразованные одиночными атомами РЗЭ, практически дования показали, что обнаруженные кубические центры отсутствуют, что объясняет неудачные попытки реги- гадолиния являются неустойчивыми. С течением времестрации спектров ЭПР. Однако при наличии эффектив- ни ( 1-2 недели) было обнаружено самопроизвольное ного канала возбуждения их отсутствие не является гашение спектра ЭПР в образце, который хранился причиной, препятствующей наблюдению интенсивной при комнатной температуре, выражавшееся в искажении внутрицентровой фотолюминесценции.

формы линий и уменьшении их интенсивности. По истечении указанного времени спектр ЭПР одиночных 2.4.4. Центры диспрозия в фосфиде галлия. Исслецентров гадолиния в фосфиде индия не наблюдался.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам