Поляризация в ферромагнитных гетероструктурах
Контрольная работа - Физика
Другие контрольные работы по предмету Физика
? 1,2,3,4 в зависимости от взаимной ориентации моментов дырки и акцептора. При F=4 (JS и Jh направлены в одну сторону) реализуется ферромагнитное взаимодействие между акцептором и дыркой, а при F=1 (JS и Jh направлены в разные стороны) антиферромагнитное. Ранее в [13, 12] было показано, что поляризация ГФЛ в легированных образах хорошо объясняет модель, предполагающая антиферромагнитное взаимодействие в комплексе ион Mn - валентная дырка, и наличие случайных слабых электрических полей или деформаций. Отметим, что основной причиной уменьшения поляризации ГФЛ при переходах на Mn по сравнению с другими не магнитными акцепторами является сильное обменное взаимодействие между валентной дыркой и атомом марганца. Это обменное взаимодействие описывается гамильтонианом вида:
(8)
Где константа обменного p-d взаимодействия (=2.2 мэВ [14]) Было показано, что обменное взаимодействие в этом комплексе носит антиферромагнитный характер [12], т.е. основным состоянием является состояние с полным моментом F=1 [13], соответственно возбужденные состояния имеют энергии :
F=2, ДЕ= -Дdh;
F=3, ДЕ= - Дdh;
F=4, ДЕ= - Дdh;
Поскольку эксперимент проходил при низких температурах (2є К), вкладами в ФЛ возбуждённых состояний можно пренебречь. Основное состояние F=1 под действием электрических и деформационных полей расщепляется на подуровни F=0 и F=1, отстоящие друг от друга на величину д, что показано на рисунке 8. Далее во внешнем магнитном поле подуровень F=1 расщепляется на подуровни F=+1 и F=-1, отстоящие друг от друга на расстоянии gм0B. В зависимости от соотношения величин расщепления д и gм0B могут реализоваться следующие три случая. Первый, когда д gAмBB). Третий, промежуточный случай, когда деформационное расщепление сравнимо с расщеплением в магнитном поле также показано на рисунке 9 (кривая обозначенная д?gAмBB). Этому случаю соответствует схема на рисунке 8 (б).
Рис. 8 Схема уровней системы акцептор марганца + валентная дырка в случае больших деформационных полей. а) случай слабых магнитных полей; б) случай средних магнитных полей; в) случай сильных магнитных полей. д величина расщепления уровней в электрических и деформационных полях; gм0B - величина расщепления уровней во внешнем магнитном поле; F=0 - неполяризованное состояние системы; F=1 - поляризованное состояние системы не расщеплённое во внешнем магнитном поле; F=+1 и F=-1 расщеплённые в магнитном поле уровни.
Рис. 9 Зависимость циркулярной поляризации спектров ГФЛ от величины магнитного поля в различных деформационных полях; д gAмBB - случай больших деформационных полей.
Заметное уменьшение поляризации в DMS (по сравнению с 50%) можно объяснить тем, что все исследованные СР были выращены при относительно низких температурах а это в свою очередь предполагает большое количество дефектов и следовательно величина случайных деформационных и электрических полей может быть велика по сравнению с кТ и gB. Это соответствует второму случаю (kT > д > gм0B) и описывается теоретической зависимостью:
(9)
где (B-внешнее магнитное поле, g1=2.76 , м0 - магнетон Бора ); б - параметр описывающий распределение электронов по импульсам (для возбуждения hh-c б=-1).
В случае ферромагнитного образца магнитное поле B в (9) следует заменить на B+гM(B). Наличие гM(B) приводит к быстрому росту поляризации в малых магнитных полях, что также является признаком ферромагнетизма.
По-видимому такая ситуация наблюдается в гетероструктуре с наименьшим расстоянием между д слоями. При увеличении расстояния между ними в д - слои приходит всё больше электронов с уровней доноров. Электроны начинают компенсировать дырки связанные на акцепторе, что проявляется в уменьшении циркулярной поляризации в полях насыщения и уменьшении наклона кривой поляризации при малых магнитных полях, что говорит об ослаблении ферромагнитных свойств и уменьшении члена гM(B). К тому же увеличение толщины слоёв GaAs, имеющего меньшую постоянную решетки, чем Ga,MnAs, приводит к изменению величины и знака деформационных полей в д - слоях, что в свою очередь приводит к тому, что вместо уровней F=+1 и F=-1 основное состояние занимает уровень F=0 (рис. 8). Вследствие чего заселённость неполяризованного подуровня F=0 увеличивается, а заселённость поляризованных подуровней F=+1 и F=-1 уменьшается. Это приводит к уменьшению поляризации с увеличением толщины слоёв GaAs.
Рис. 10 Зависимости циркулярной поляризации от магнитного поля в спектральной точке 1,8 эВ. (а) FM1 - ферромагнитный образец; PM - парамагнитный образец; R1 - не магнитный образец. (б) зависимости для СР с различными толщинами слоёв GaAs.
Рис. 11 Зависимости циркулярной поляризации от магнитного поля измеренные при Т=5К для СР (0.11/5) в спектральной точке 0 (заштрихова