Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |

ше концентрации электронов из-за антиферромагнитной Исходя из этого, можно считать, что при относительно связи. Такая информация извлекается из площади под высоких температурах время диффузии, определяющее кривой линии поглощения, которая пропорциональна соотношение крыльев производной, соответствует, как и концентрации парамагнитных центров в том случае, у Дайсона, времени диффузии через скин-слой, а само отношение A/B = 2.7. По мере уменьшения темпера- когда СВЧ поле пронизывает весь объем образца. Это туры становятся эффективными два независимых низко- справедливо для диэлектриков и слабо легированных полупроводников, а в случае металлов и сильно летемпературных процесса взаимодействия электронов с гированных полупроводников в поглощении участвует заряженными примесными центрами. С одной стороны, спины электронов начинают релаксировать на близких только небольшая часть парамагнитных центров из-за донорно-акцепторных парах, что проявляется в увели- того, что в средах с высокой проводимостью вследствие чении ширины линии, а с другой Ч на них начинают скин-эффекта высокочастотное поле проникает только в действовать флуктуации потенциального рельефа дна зо- приповерхностный слой и действует только на центры, ны проводимости. Увеличение отношения A/B указывает расположенные в этом слое. По этим причинам в матена то, что эти процессы имеют различную зависимость риалах с высокой проводимостью сигнал ЭПР обычно от температуры. При уменьшении температуры время мал.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Электронный парамагнитный резонанс в области перехода металЦизолятор... для пяти образцов. В таких координатах парамагнетизму Кюри соответствуют горизонтали, а парамагнетизму Паули Ч прямые с положительным наклоном, равным 1. Из рисунка видно, что в образцах с вырожденным электронным газом, в которых проводимость слабо изменяется с температурой и глубину скин-слоя можно считать не зависящей от температуры, nR T, (12) где 2/3.

Такой рост концентрации резонирующих спинов при увеличении температуры свидетельствует, по-видимому, о парамагнетизме Паули в образцах с вырожденным электронным газом вплоть до температур 40Ц50 K. Выше этих температур вырождение исчезает, и концентрация Рис. 8. Температурная зависимость концентрации резонируnR начинает уменьшаться за счет быстрого роста скороющих центров nR для образцов 1Ц5; обозначения эксперименсти спин-решеточной релаксации. Следует отметить, что тальных данных такие же, как и на рис. 4.

в случае парамагнетизма Паули концентрация резонирующих центров в металлах не зависит от температуры, и поэтому в пределе сильного вырождения показатель должен быть близким к 1. В нашем случае слабого Как отмечалось во Введении, в области перехода вырождения, по-видимому, существенную роль играет МИ в кремнии наблюдается переход от парамагнетизма уменьшение плотности состояний на уровне Ферми с Кюри, характерного для невырожденных систем, к параповышением температуры, которое и приводит к осламагнетизму Паули в вырожденных системах. При этом блению температурной зависимости в (12).

в области паулиевского парамагнетизма температурная К сожалению, не удалось построить зависимости nR зависимость парамагнитной восприимчивости остается от концентрации нескомпенсированных доноров в этих заметной, но отличной от парамагнетизма Кюри. Для образцах, поскольку на настоящем этапе исследований выяснения характера парамагнетизма в исследованных образцах компенсированного Ge : As нам следовало из- не удалось корректно учесть одновременное изменение учить температурные зависимости концентрации резо- глубины скин-слоя и добротности резонатора при регистрации сигнала ЭПР для образцов с различной компеннирующих центров. Для этого необходимо было решить сацией. Для этого необходимы более точные измерения.

ряд задач обработки экспериментальных данных.

Во-первых, в нашем случае при записи первой произ- Что касается образцов с невырожденным электронным водной линии ЭПР для определения величины, пропор- газом, то для них в широком диапазоне температур наблюдается зависимость, соответствующая парамагнециональной концентрации резонирующих центров nR, необходимо было вычислить второй интеграл от про- тизму Кюри. Однако здесь нужно принять во внимание тот факт, что измеренная проводимость изоляторных изводной линии ЭПР-поглощения, пропорциональный образцов увеличивается с температурой на порядок и величине парамагнитной восприимчивости:

более. Это приводит как к уменьшению глубины скинслоя, так и к изменению добротности резонатора. ПоI dH (dP/dH)dH. (10) этому зависимость для образца 5 на рис. 8 можно рассматривать только как весьма грубое приближение, В связи с тем что форма линии не изменялась в интерваиллюстрирующее изменение зависимости по сравнению ле рабочих температур и была одинакова для всех образс образцами с вырожденным электронным газом. Для цов, мы, с целью упрощения построения температурных подтверждения же наличия антиферромагнетизма на изозависимостей, двойной интеграл (10) заменяли простой ляторной стороне Ge вблизи перехода МИ по темпераоценкой турным зависимостям ЭПР необходим дальнейший учет I (dP/dH)max(H1/2)2, (11) указанных выше факторов.

где (dP/dH)max Ч максимальное значение положительной части производной линии поглощения, (H1/2) Ч 3.4. Анализ положения и вида спектра ЭПР ширина этой части производной на половине ее высоты.

Кроме того, учитывая, что при постоянной концен- В металлических образцах зависимость положения трации парамагнитных центров амплитуда сигнала ЭПР центра линии ЭПР от температуры является очень слапропорциональна 1/T, для представления температур- бой. В пределах точности наших измерений g-фактора он ной зависимости nR необходимо учитывать, что nR IT. оставался независимым от температуры и компенсации, На рис. 8 представлены зависимости lg nR = f (lg T ) равным g-фактору электрона, связанного на донорном Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 54 А.И. Вейнгер, А.Г. Забродский, Т.В. Тиснек центре. С этой точностью положение линии не изменя- макроскопические области, в которых имеется внутренлось не только при изменении температуры, но и при нее магнитное поле B, которое и определяет истинное изменении компенсации. Такое поведение линии находит- значение резонансного магнитного поля. В таком случае ся в соответствии с известными результатами работ [2] между внешним полем H и внутренним полем B должно для Si и [13] для Ge, в которых показано, что g-фактор существовать соотношение для электронов на мелком доноре очень мало отличается B = H, (14) от g-фактора электронов в зоне проводимости.

Однако в двух наиболее компенсированных образцах, здесь Ч магнитная проницаемость. Для того чтобы которые находились уже на изоляторной стороне перелиния сдвигалась в сторону сильных полей, необхохода МИ, при температурах ниже 4 K мы обнаружили димо, чтобы внутреннее магнитное поле, в котором совершенно новый эффект, а именно отщепление от происходит резонанс, было меньше внешнего, т. е. магосновной линии дополнительной аномальной линии, конитная проницаемость была заметно меньше единицы.

торая при дальнейшем понижении температуры быстро Для T = 3.2K H = 5500 Э, а B = 4300 Э. Это знасмещается в сильные поля. Эти спектры для образца чит, что макроскопические области образца, в которых показаны на рис. 3. Зависимость расстояния между существует внутреннее магнитное поле, должны быть основной и аномальной отщепленной линией от темпедиамагнитными, причем их магнитная проницаемость, ратуры понятна из рисунка. Видно, что это расстояние во-первых, должна иметь такую малую величину, какая пропорционально обратной температуре. Аналогичная не наблюдается в природе для несверхпроводящих везависимость наблюдается и на изоляторном образце 6.

ществ, = B/H = 0.78, а во-вторых, должна еще и Различие между ними состоит только в том, что в образуменьшаться с понижением температуры.

це 6 амплитуда отщепленной линии заметно меньше, чем 2. Макроскопические диамагнитные области отсутв образце 5. Положение отщепленной линии не зависит ствуют, но на каждый спин действует магнитное поле от ни от компенсации на изоляторной стороне перехода соседнего спина, направленное против внешнего магнитМИ, ни от кристаллографического направления. Важно ного поля. Однако в таком случае мы должны видеть и отметить и необычную форму отщепленной линии. В линию, обусловленную спинами, находящимися в поле ней не наблюдается крыло с отрицательной производной, соседнего спина, направленном по полю. Такая линия т. е. увеличение СВЧ поглощения с ростом магнитного должна находиться в более слабых полях по сравнению с поля имеет вид ступеньки. Такое поведение спектра ЭПР нерасщепленной линией. Как видно из рис. 2, такая линия и такая форма линии до сих пор не наблюдалась ни отсутствует. Кроме того, непонятно, каким образом поле в каких парамагнитных системах. Эффект не находит от соседнего спина может увеличиваться при понижении даже качественного объяснения в рамках существующих температуры.

моделей ЭПР. Наблюдаемую форму отщепленной линии можно приписать резкому увеличению сопротивления. 3. Для того чтобы приблизить механизм, изложенТакое явление наблюдается при разрушении сверхпро- ный в п. 2, к эксперименту, можно предположить, что водимости [7]. Хотя направление движения ступеньки одновременно с увеличением поля от соседнего спина соответствует аналогичному движению в сверхпроводни- при уменьшении температуры происходит уменьшение ках, нам не удалось найти подходящую модель для описа- g-фактора. Это не устраняет противоречий, связанных с ния ступенчатого увеличения сопротивления в исследо- возникновением внутреннего магнитного поля, но если ванных образцах. В связи с этим далее мы ограничимся оно возникло и увеличивается с уменьшением температуры, то для сохранения симметрии спектра необходивозможными объяснениями эффекта в рамках ЭПР.

Гипотетически возможные причины расщепления ли- мо, чтобы при понижении температуры одновременно с ростом внутреннего магнитного поля в образце уменьнии и сдвига одной из них в сильные поля можно шался g-фактор так, чтобы низкополевая линия остаобсудить, исходя из основного условия ЭПР:

валась на месте, а высокополевая двигалась в область сильных полей. Поскольку g-фактор определяется эффекh = gBH, (13) тивной массой носителей [27], одновременно со сдвигде Ч частота внешнего переменного магнитного гом g-фактора должно наблюдаться резкое изменение поля. Из (13) видно, что сдвиг одной из линий ЭПР подвижности. Однако, как видно из рис. 1, заметного может быть связан либо с появлением изменяющегося изменения подвижности в образце 5 в этом диапазоне с температурой внутреннего магнитного поля, либо с температур не наблюдается.

температурно-зависимым изменением частоты перемен- 4. Расщепление линии при низких температурах можного поля, действующего на резонирующий спин. Обсу- но пытаться связать с взаимодействием спина с электридим трудности, возникающие при привлечении каждой ческим полем примесей. Выше было показано, что своиз этих причин для объяснения обнаруженного нами бодные спины в образцах с вырожденным электронным эффекта расщепления линии ЭПР.

газом чувствуют наличие примесного электрического 1. Можно представить себе, что при увеличении ком- поля, что выражается в изменении формы дайсоновской пенсации при низких температурах в образце возникают линии при понижении температуры и при увеличении Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Электронный парамагнитный резонанс в области перехода металЦизолятор... компенсации. Это происходит из-за того, что на движу- В заключение этой части обсудим необычную форму щийся электрон действует дополнительное переменное аномальной линии. В отличие от достаточно симмеэлектрическое поле с частотой тричной неподвижной линии, подвижная имеет только положительную часть производной. В случае справед1 = d/rs, (15) ливости последнего предположения о происхождении этой линии (как результат взаимодействия движущегося где d Ч скорость диффузии электронов, rs Ч поперечэлектрона с потенциальным рельефом дна зоны провоный размер флуктуации.

димости) такую форму производной можно объяснить При переходе в изоляторное состояние в образце поразбросом энергий движущихся электронов. Действиявляется некоторая запрещенная зона (кулоновская или тельно, движущиеся электроны имеют энергию, нижнее хаббардовская). Электроны с энергией, большей этой значение которой ограничено верхней границей щели запрещенной зоны, остаются свободными. Остальные (кулоновской или хаббардовской), а верхнее Ч ничем не электроны оказываются связанными. Свободные элекограничено, т. е. электроны по энергиям распределены в троны диффундируют по кристаллу, и на них действует интервале kT. Сравним соответствующие энергии между примесное электрическое поле с частотой 1. При этом, собой. Как видно из рис. 3, расстояние между нормалькак ясно из разд. 3.2, движущиеся электроны с понижениной и аномальной линиями при T = 3.2 K составляет ем как температуры, так и своей энергии чувствуют все E = 1215 Гс = 10-5 эВ 0.05kT. Наблюдаемая поболее мелкие флуктуации. Поэтому частота 1 должна луширина линии, которую мы приписываем свободным увеличиваться с уменьшением температуры. В таком электронам, EH = 150 Э 0.005kT. Таким образом, случае частота поля, действующего на свободные элеквсе наблюдаемые расщепления много меньше kT, и троны, будет складываться из частоты внешнего поля и амплитуда линии, обусловленной свободными электрочастоты 1(T ). Связанные электроны не перемещаются нами, должна уменьшаться очень медленно в масштабе по кристаллу, и на них примесное электрическое поле спектра ЭПР. В соответствии с этим производная этой не действует. Поэтому свободные электроны резонируют части должна быть очень малой по абсолютной велипри более сильном поле по сравнению со связанными.

чине и не проявляться в экспериментальных сигналах, Для них резонанс определяется соотношением подобно тому как при дайсоновской форме линии в производной не проявляется низкополевая часть линии h + 1(T ) = gB H +H(T ), (16) поглощения [21,22].

где H(T) Ч разница между резонансными магнитными полями для подвижной и неподвижной линий, завися4. Заключение щая от температуры. Но и здесь возникают трудности с объяснением. Во-первых, внешнее переменное поле 1. В Ge : As вблизи перехода металЦизолятор, выявляется магнитным, а поле примесей Ч электрическим.

званного компенсацией, сигнал ЭПР при частоте 10 ГГц В литературе описаны эффекты, связанные с воздействи- наблюдается с обеих сторон перехода в области темпеем электрических полей на сигнал ЭПР (см., напри- ратур до 100 K.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |    Книги по разным темам