Фотогальванический эффект, представляющий собой элемент) или в подрешетку с противоположно оригенерацию светом постоянного тока в среде в отсут- ентированной намагниченностью (нечетный элемент).
ствие внешнего постоянного электрического поля и про- В первом случае его действие на вектор L ничем не странственных неоднородностей, исследован подробно в отличается от элемента точечной группы, даже если он немагнитных кристаллах без центра симметрии [1]. является винтовой осью или плоскостью скольжения.
Физическая природа фотогальванического эффекта об- Во втором случае (ЦАС-структура) L дополнительно меняет знак:
адает рядом особенностей. Одна из этих особенностей 1L = -L. (1) состоит в том, что в материалах без центра инверсии не выполняется принцип детального равновесия, поскольку В ЦАС АФ, о которых идет речь в настоящей работе, он не отражает каких-либо пространственно-временных центр симметрии отсутствует, и поэтому в них может сусвойств симметрии. Нарушение принципа детального ществовать фотогальванический эффект. При феноменоравновесия приводит к асимметрии актов рассеяния логическом описании плотность генерируемого светом электронов, что существенно изменяет кинетические постоянного электрического тока можно записать в виде свойства кристалла и создает возможность для возникновения электрического тока в любом неравновесном ji = i jklLjekeJ, (2) l стационарном состоянии [1]. Если это неравновесное состояние обусловлено внешним освещением, возникает где e Ч единичный вектор поляризации монохромафотогальванический ток, направление которого опредетической световой волны, J Ч интенсивность света.
яется только симметрией кристалла.
Ясно, что последнее равенство имеет место только В работе [2] было предсказано существование в ЦАС АФ, для которых смена знака j под действием антиферромагнитного фотогальванического эффекта компенсируется согласно (1) изменением знака L в (АФФЭ), который может наблюдаться в центроантисим- правой части.
метричных (ЦАС) антиферромагнетиках (АФ). Наличие В данной работе предпринята попытка рассмотреть в таких АФ этого эффекта следовало из симметрийных один из возможных микроскопических механизмов возсоображений. Дело в том, что при записи инвариантных никновения АФФЭ, а именно фононный. Прежде всего соотношений для материальных тензоров, энергии и т. д.
обратим внимание на то, что из немагнитных кристалпри феноменологическом описании явления следует ис- лов фотогальванический ток обнаружен в пьезоэлекходить из кристаллохимической симметрии (федоровс- триках [3]. Взаимодействие электронов с фононами как кой группы GF), если нарушающий эту симметрию одна из возможных причин возникновения фототока в векторный параметр АФ-порядка L (вектор антиферро- пьезоэлектриках исследовано в [4]. Было установлено, магнетизма) выделен в этих соотношениях в явном виде. что существенную роль в этом взаимодействии играет Тогда существенными оказываются трансформационные его дальнодействующая часть, возникающая вследствие свойства вектора L при перестановке атомов, которую поляризации решетки при распространении фононов.
осуществляет элемент группы GF. Всредах, где все маг- В ЦАС АФ пьезоэффект отсутствует, что следует нитные атомы принадлежат одной кристаллохимической из симметрии кристаллов, и, казалось бы, фононный позиции, а группа GF содержит центр симметрии 1, механизм не работает. Необходимо, однако, принять элемент симметрии в зависимости от своего пространст- во внимание тот факт, что в этих кристаллах имеет венного расположения может переводить данный маг- место магнитоэлектрический эффект, который может нитный атом в ту же магнитную подрешетку (четный приводить к поляризации решетки.
Фононный механизм антиферромагнитного фотогальванического эффекта 1. Электрон-фононное В равенстве (6) учтено то обстоятельство, что величины Di j(r) и блоховские амплитуды электронных взаимодействие волновых функций uk(r), up(r) являются периодическив центроантисимметричных ми и интеграл отличен от нуля только в том случае, антиферромагнетиках если p + q = k (нормальные процессы).
Рассмотрим в качестве среды тетрагональные Число компонент матричного элемента ЦАС АФ [5] с обменной магнитной структурой (1/V ) Di j(r)uk(r)u(r)dr определяется группой волk V 1(-)4z (-)2d(+). Выше уже обращалось внимание на то, нового вектора Gk [6]. Поэтому для произвольного что поляризация решетки в этих антиферромагнетиках волнового вектора k в зоне Бриллюэна кристалла у возникает из-за магнитоэлектрического эффекта.
тензора Di j(r) могут быть отличными от нуля все Поэтому влияние фононов на поляризацию решетки девять компонент.
происходит опосредованно с участием магнитной подсистемы кристалла. В этой ситуации важным Аналогичным образом можно представить гамильтооказывается учет не продольных, а поперечных фононов, ниан, описывающий изменение энергии носителей зарякоторые, как правило, уже в линейном приближении да с участием двух фононов, связаны с магнитной подсистемой. В работе [4] для описания короткодействующей части электрон-фонон(2) s,s ep = (p + q + l, p, q)C+ ного взаимодействия использован гамильтониан i j p+q+l p,q,l,s,s,i j Фрелиха, вследствие чего не принималась во внимание поляризация фононов, так как этот гамильтониан Cl bq,s + b+ bp,s + b+ qi pj. (7) учитывает только продольные колебания решетки. Для -q,s -p,s рассматриваемой задачи указанный гамильтониан оказывается не очень подходящим, и требуется более общее В (7) обозначения те же, что и в соотношенивыражение для электрон-фононного взаимодействия, ях (4), (5), за исключением вершинной части, для включающее в рассмотрение и фононы с поляризацией, которой имеем выражение отличной от продольной. Физические соображения, позволяющие получить в более общем виде выражение s,s (p + q + l, p, q) = Dnmi j(p + q + l, p, q) для короткодействующей части этого взаимодействия, i j (1) n,m приведены в работах [6,7]. Оператор ep, описывающий изменение энергии носителей заряда при смещении атомов решетки, имеет вид [6] en(q, s)em(p, s ), (8) 2V q,s p,s (1) ep = Di j(r)i j(r), (3) i, j Dnmi j(p + q + l, p, q)p+q+l,k где i j(r) Ч тензор деформации. Будем считать, что электрон находится в невырожденной зоне. Тогда в пред(1) ставлении вторичного квантования гамильтониан ep = 1 Dnmi j(r)u(r)ul(r) exp i(p + q + l = k)r dr. (9) k V запишется следующим образом:
V (1) s ep = i (p, q)q C+ Cp bq,s + b+, (4) j j p+q -q,s Рассмотрим теперь дальнодействующую часть p,q,s, j электрон-фононного взаимодействия, обусловленную где поляризацией решетки. Поскольку эта поляризация в ЦАС АФ возникает вследствие магнитоэлектрического s (p, q) = Di j(q + p, q)ei(q, s). (5) j 2V q,s эффекта, будем полагать, что к среде приложено внешi нее постоянное магнитное поле H, ориентированное В (4), (5) C+, Cp и b+s, bq,s Ч операторы рождения p q, вдоль главной оси тетрагонального антиферромагнетика.
и уничтожения электронов и фононов соответственно;
Выберем также магнитное состояние кристалла, в e(q, s) Ч вектор поляризации фонона с волновым котором в равновесии вектор антиферромагнетизма вектором q, относящийся к s-й акустической моде; Ч ориентирован вдоль главной оси.
постоянная Планка;, V Ч плотность и объем среды;
Используем теперь феноменологическое описание и q,s Ч частота фонона, предположим, что связь между поляризацией решетки P Di j(p + q, p)p+q,k и вектором антиферромагнетизма L имеет один и тот же вид как в статике, так и в динамических процессах, а сами эти векторы квазиравновесным образом следуют за = Di j(r)u(r)up(r) exp i(p + q - k)r dr. (6) k V упругими деформациями. В этом случае можно показать, V Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 2030 В.В. Меньшенин что справедливы соотношения вид [1] 0 2V 2B44lz 2B44lz a Wkk = Px = 3H xz, Py = 3H yz, dq(Ek - Ek )(Ek - Eq) K K V 2B2 H44 2 Im k||q q||k k ||k, (14) Pz = xz + yz, (10) lz Kгде Ek Ч энергия электрона с волновым вектором k, где i j Ч компоненты тензора деформации, B44 Ч Ч рассеивающий потенциал, который в нашем случае (1) (2) Ir магнитоупругая константа, K Ч перенормированная равен ep + ep + ep(1). Подставляя последнее выраконстанта одноосной анизотропии [8], Ч магнитная жение в равенство (14), получим восприимчивость,, Ч поперечная и продольная 0 диэлектрические восприимчивости, lz Ч приведенный a Wkk = kqk, вектор антиферромагнетизма в основном состоянии, q =3,4 Ч магнитоэлектрические константы [8].
Поляризация решетки приводит к возникновению ска- 1 s kqk = Im i (q, k - q)(k - q)j лярного потенциала, действующего на носители заряда.
j j,m,r,t,,s В представлении вторичного квантования дальнодействующая часть электрон-фононного взаимодействия, свяIr s + ee(q, s) (k - q) i (k, q - k )(q - k )m занная с этим скалярным потенциалом, для электронов m представляется следующим образом:
Ir ss + ee(q, s) (q - k ) (k, k - q, q - k) rt Ir Ir ep(1) = e (q)ei(q, s)C+ Cp bq,s + b+, (11) i p+q -q,s p,q,s (q - k )r (k - q)t (2nk-q,s + + 1),=где (2nk -q,s + + 1)(Ek - Eq - k-q,s ) 4 BIr (q) = 3H i stqsqtV 2V q,s K (Eq - Ek - k -q,s ), 2 1 3 kqk = -kk q, kqk = -k qk. (15) iz xnxl + ynyl + ix xnzl + iy znyl qnql a Из равенств (15) видно, что в величину Wkk вносят вклад как нелинейные электрон-фононные взаимодействия, так и однофононные взаимодействия электронов u(r)up(r) exp i(p + q - k)r dr. (12) k с решеткой. Важным является то обстоятельство, что V необходимо принимать во внимание дальнодействуюЗдесь i j Ч компоненты тензора диэлектрической прощую часть электрон-фононных взаимодействий. Поэтоницаемости, e Ч заряд электрона, e(q, s) Ч поляризаму нам пришлось включить в рассмотрение АФФЭ ция фонона.
магнитоэлектрический эффект.
Свойства рассеивающего центра, как известно [1], Плотность фотогальванического тока определяется характеризуются вероятностью Wkk перехода частицы, известной формулой [1] рассеивающейся на этом потенциале, из состояния с e a импульсом k в состояние с импульсом k. В средах без j = f dk, k k центра симметрии величина Wkk может быть разбита на две части, одна из которых симметрична относительно a где f Ч антисимметричная часть функции распределеk перестановки импульсов k и k (отвечает детальному ния носителей тока, Ч их энергия.
равновесию), а другая антисимметрична [4]: a Для определения f необходимо указать процессы, k которые приводят к появлению электронов в зоне s a s s s Wkk = Wkk + Wkk, Wkk = Wk k = W-k-k, проводимости АФ. Рассмотрим для простоты только возбуждение фотоэлектронов с примесных s-центров, a a a Wkk = -Wk k = -W-k-k. (13) т. е. переходы типа примесь-зона. В этом случае [1] a Именно антисимметричная часть Wkk ответственна за a a f = Wkk Ik dk, k эффекты, связанные с отсутствием центра симметрии.
Для вычисления антисимметричной части вероятности -рассеяния необходимо выйти за рамки борновского где Ч время релаксации по импульсу. В посa приближения. Тогда можно показать, что Wkk имеет ледней формуле предполагается, что объем системы Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Фононный механизм антиферромагнитного фотогальванического эффекта a равен единице, а величина Ik, имеющая смысл скорости позволяет утверждать, что вклад в величину Wkk, во возбуждения электронов, равна всяком случае от суммирования по векторам q, для которых k - q и k - q Ч низкосимметричные точки 2J Ik = ke(k) (k - k0), зоны Бриллюэна, отличен от нуля. Вклад от высокосим4kметричных точек зоны может отсутствовать вовсе, поe(k) Ч вектор поляризации электромагнитной волны, скольку тензоры Di j(k), Di jkl(k) не будут иметь компо Ч коэффициент поглощения света, k0 Ч предель- нент, позволяющих описать взаимодействие электронов ный импульс фотоэлектрона, определяемый из условия с колебаниями решетки необходимой поляризации.
= + k. Таким образом, выражение для тока имеет Оценим величину фототока. При оценке s вид будем считать, что величины (q, k - q), j ss (k, k - q, q - k) слабо зависят от волновых i j k e(k ) 2Je a векторов, а (1/V ) u(r)up(r) exp i{p + q - k}r dr 1.
j = Wkk 4 (k - k0) dk dk. (16) k 2 4 k k Тогда выражение для оценки фототока можно представить в виде 2. Обсуждение результатов me J T(1) (2) Ir j e k0. (17) ep ep ep 4 Выше уже отмечалось, что при описании АФФЭ ( cs)необходимо учесть взаимодействие электронов с фононами, поляризация которых не является продольной. В соотношении (17) e Ч заряд электрона, m Ч его Из формул (12), (15) следует, что при выбранном масса, (1) направлении внешнего магнитного поля вклад в фототок Dxz, Dyz max /2Vcs, ep вносят электроны, взаимодействующие с двумя груп (2) Dzzxx, Dzzyy, Dxzxz, Dyzyz max( /2Vcs), пами фононов. К первой группе относятся поперечные ep фононы, поляризованные по главной оси кристалла и 4lz Bраспространяющиеся вдоль оси x или y; ко второй Ir 3H /2Vcs.
ep группе Ч фононы, распространяющиеся в плоскостях xz K или yz, вектор поляризации которых направлен по Полагая теперь, что {Dxz, Dyz }max 1.6 10-12 erg, оси x или y соответственно. Все остальные фононы не {Dzzxx, Dzzyy, Dzxzx, Dyzyz }max 1.6 10-13 erg, принимают участия в формировании фототока.
1cm-1, cs 105 cm s-1, T kB10 erg, H 103 Oe, Макроскопический анализ АФФЭ показывает [5], что 0 10, 3lz 10-2, B44/K 103, 2V 1g, для одноосных тетрагональных АФ при L z фототок 5 10-12 erg, k0 10-7 cm-1, имеем j (CGS) может распространяться только вдоль оси четвертого 10-5J (erg/cm2 s).
порядка. Исходя из этого, направление внешнего магСделаем еще одно замечание. В работах [9,10] больнитного поля H было выбрано так, чтобы исключить шое внимание уделялось изучению токовых состояпоявление дополнительных компонент фототока.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам