Поляризация в ферромагнитных гетероструктурах
Контрольная работа - Физика
Другие контрольные работы по предмету Физика
ать. Очевидно, что чем выше энергия возбуждения тем меньше электронов будет доходить до дна зоны и тем меньше будет сигнал краевой люминесценции. Поскольку время безызлучательной рекомбинации электронов в GaMnAs ~10-13c, то краевая люминесценция существенно подавлена (в 106 раз) по сравнению с обычным p-GaAs. С другой стороны, часть возбуждённых электронов в точке рождения 0 Рис.3 будет рекомбинировать на акцепторный уровень марганца с испусканием фотона, переход 0-Mn Рис.3.
Малая величина этого сигнала объясняется также спадом волновой функции акцептора (в импульсном представлении) для больших волновых векторов рекомбинирующих электронов. Учёт этого фактора приводит к уменьшению сигнала по сравнению с краевой люминесценцией на два порядка. Действительно, поскольку примесная зона расположена вблизи валентной зоны то в рамках kp - теории возмущений можно разложить волновую функцию примесного состояния по волновым функциям валентной зоны. Такое разложение даст нам вид волновой функции примесного состояния. Для водородоподобных примесей квадрат волновой функции, описывающий распределение дырок по энергиям в акцепторе, имеет следующий вид:
(2)
где - радиус Бора; ; me и mA - эффективные массы электрона в зоне проводимости и дырки на акцепторе соответственно; еe и еА - энергии электрона в зоне проводимости и дырки на акцепторе соответственно.
Этим можно объяснить увеличение интенсивности хвоста с высокочастотной стороны от стрелки 0, т.к. из формулы:
(3)
где А - коэффициент пропорциональности слабо зависящий от энергии; f(е) - распределение электронов по энергиям; g(е) - распределение плотности состояний по энергиям, видно что интенсивность пропорциональна квадрату волновой функции, которая увеличивается при приближении к точке Г.
При наличие процессов безызлучательной рекомбинации форма спектра ГФЛ будет зависеть от соотношения времён энергетической релаксации электронов в зоне проводимости и их безызлучательного захвата на уровни дефектов Очевидно, что число электронов в точке рождения будет уменьшаться в связи с безызлучательной рекомбинацией в соответствии с соотношением
(4)
где фр - время определяющее процессы релаксации по зоне, а фби - время определяющее процессы безызлучательной рекомбинации. Именно поэтому целесообразней измерять люминесценцию в точке рождения и вблизи неё.
Спектр ГФЛ и её поляризационные характеристики были подробно исследованы в работе [10,11]. В частности тот факт, что время жизни электронов в точке рождения очень мало был использован для измерения поляризации дырок, связанных на магнитном акцепторе Mn. Действительно электроны в точке рождения не успевают за время жизни распределиться по зеемановским подуровням в соответствии с температурой образца, поэтому поляризация ГФЛ в магнитном поле определяется исключительно равновесной поляризацией дырок на акцепторе. Это даёт уникальную возможность исследовать структуру основного состояния акцептора.
Таким образом, ГФЛ позволяет измерять непосредственно поляризацию носителей заряда, что важно, поскольку в нашем случае интерес представляет не намагниченность образца в целом, а именно поляризация носителей.
Рис.3 Схема, поясняющая процессы фотолюминесценции и безызлучательных переходов. Валентная зона для простоты показана в виде одной параболы тяжёлых дырок (вместо трёх); стрелка показывающая переход из валентной зоны в зону проводимости обозначает возбуждение электронно-дырочных пар лазерным излучением; символом 0 обозначена точка рождения электрона; стрелка, обозначенная как 0-Mn обозначает излучательный переход из точки рождения электрона на уровень акцептора; стрелка, обозначенная как C-Mn обозначает излучательный переход со дна зоны проводимости на уровень акцептора; D - уровни дефектов; косые стрелки на уровни дефектов обозначают безызлучательное рассеяние на дефектах; кривая на акцепторном уровне обозначает квадрат волновой функции марганца; закруглённые стрелки вдоль зоны проводимости обозначают релаксацию электронов к дну зоны проводимости.
Результаты и обсуждения
На рисунке 5 показаны спектры ГФЛ, полученные от двух гетероструктур (0.11/14.4), (0.11/2.5) и образцов DLT и FM1. Анализ этих спектров показывает, что спектр образца с наименьшей толщиной GaAs (0.11/2.5) похож на спектр объёмного ферромагнитного образца FM1 с концентрацией Mn x~4.5%. С другой стороны, спектр образца с наибольшей толщиной слоёв GaAs (0.11/14.4), больше похож на спектр легированного GaAs:Mn с концентрацией Mn всего 31017см-3. Особенностью спектра образца с наибольшей толщиной GaAs (0.11/14.4) является также то, что в нем, как и в легированном образце, но в отличие от образца (0.11/2.5) наблюдается дополнительная полоса Eg+?. Обсудим сначала природу спектра, представляющего собой ступеньку с резким спадом на высоко энергетичном краю, который отмечен на рисунке значком '0'. Ранее в работе [12] было показано, что такой спектр ГФЛ в образцах, легированных Mn обусловлен рекомбинацией горячих, фотовозбуждённных электронов с дырками, связанными на нейтральном акцепторе Mn. Как уже отмечалось выше, начальная точка спектра ГФЛ, обозначенная как '0' соответствует рекомбинации электронов из точки рождения на уровень одиночного акцептора, а спектр, наблюдаемый ниже по энергии, соответствует рекомбинации электронов, испытавших энергетическую релаксацию (см. рис. 3). Очевидно, что начало спектр