Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2 Магнитные и оптические свойства кристаллов фосфида индия, легированных иттербием й Н.Т. Баграев, В.В. Романов, В.П. Савельев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия E-mail: impurity.dipole@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 17 февраля 2005 г.

В окончательной редакции 21 июня 2005 г.) Взаимосвязанность магнитных и оптических свойств кристаллов фосфида индия, легированных иттербием, исследуется в условиях локального магнитоупорядочения и компенсации спиновых корреляций электрон-колебательным взаимодействием. Анализ полученных температурных зависимостей статической магнитной восприимчивости и спектров фотолюминесценции показывает, что примесный магнетизм кристаллов InP(Yb) обусловлен наличием антиферроупорядоченных квазимолекул Yb2O3, которые переходят в ферроупорядоченное состояние вблизи мелких доноров, захватывая на себя донорный электрон, либо на конкурентной основе образуют области спонтанной намагниченности Ч связанные спин-поляроны. Причем в обоих случаях значения констант s- f -обмена, определенные из температурных зависимостей статической магнитной восприимчивости, аномально велики, по-видимому, из-за эффективной компенсации спиновых корреляций электрон-колебательным взаимодействием. Кроме того, вследствие s- f -обмена в запрещенной зоне фосфида индия формируется обменно-связанный глубокий уровень ферроупорядоченной квазимолекулы Yb2O3, возникновение которого стимулирует Оже-рекомбинацию неравновесных носителей, ответственную за усиление внутрицентровой фотолюминесценции ионов Yb3+.

PACS: 75.20.Ck, 75.30.Cr, 78.20.-e 1. Введение нию их амплитуды. Поэтому физико-химические свойства редких земель, например их исключительно высоВзаимосвязанность магнитных и оптических свойств кая химическая активность как раскислителей, а также полупроводниковых кристаллов, содержащих примеси корреляции в распределении примесей лантаноидов по элементов с незаполненными d- и f -оболочками, в знакристаллу с кислородом, серой и другими остаточными чительной степени зависит от локального магнитоупоряпримесями, обнаруженные при использовании метода дочения и компенсации спиновых корреляций электронВИМС [7,17], показывают, что формирование центров, колебательным взаимодействием (ЭКВ) [1Ц8]. В полной содержащих одиночные ионы РЗЭ, в кристаллах InP(Yb) мере примесный магнетизм проявился в процессе изучеявляется, скорее, исключением, нежели правилом.

ния кристаллов фосфида индия, легированных редкими Указанное выше позволяет предположить, что терземлями (РЗЭ) [9Ц16].

модинамически равновесным в фосфиде индия будет Результаты исследований ЭПР [9] и фотолюминесцентвердый раствор иттербия, состоящий из квазимолекуции [10Ц16] позволили заключить, что иттербий, занимая лярных центров Ln2O3 (КМРЦ), внутри которых, как позицию галлия в катионном узле, может формировать и в кремнии [7,8,18,19], пары атомов РЗЭ связаны в кристалле фосфида индия центры замещения с тетраобменным антиферромагнитным взаимодействием через эдрической симметрией окружения, чему, в частности, валентные электроны остаточных примесей. В свою очеспособствует наименьший из всех атомов ряда ионный редь центры, содержащие одиночные атомы иттербия, радиус. Кроме того, сверхтонкая структура спектра ЭПР по-видимому, наблюдаются, когда полная концентрапозволяет надежно идентифицировать наличие одноция РЗЭ превышает фон присутствующих в кристалле атомных центров иттербия. Однако спектры ЭПР, иденнеконтролируемых примесей.

тифицирующие центры тетраэдрической симметрии [9], Магнитная 4 f -оболочка иона РЗЭ, будучи экраниросодержащие одиночные атомы иттербия, наблюдались в ванной 5p- и 5s-электронами, слабо искажается электридендритных кристаллах с достаточно большой конценческим полем лигандов, поскольку основные состояния трацией примеси, полученных с помощью растворноредкоземельных примесей практически не гибридизирорасплавной, сравнительно низкотемпературной, технованы с зонными состояниями кристалла, а возбужденлогии. Причем максимальная амплитуда сигнала ЭПР регистрировалась непосредственно после получения ле- ные гибридизированы слабо [9]. Поэтому наблюдаемые гированных кристаллов. С течением времени процессы спектры внутрицентровой люминесценции, как правило, распада твердого раствора при комнатной температуре сформированы совокупностью узких линий ( 1nm) приводили к искажениям формы линий ЭПР и уменьше- независимо от типа матрицы [10Ц16]. В то же время приМагнитные и оптические свойства кристаллов фосфида индия, легированных иттербием сутствие даже самого ДмаленькогоУ из лантаноидов Ч сти: dia = -313 10-9 cm3/g. Измеренное таким обраdB иттербия, находящегося в катионном узле фосфида ин- зом значение B было в пределах 2 107 CGSM units.

dz дия, должно приводить к низкосимметричным искажени- Определение значения индукции внешнего магнитноям кристаллической решетки, что определяет тетраэд- го поля в месте нахождения образца осуществлялось рическую симметрию примесного центра иттербия вряд с помощью датчика Холла, а также из полевой зали единственно возможной. Действительно, изучение висимости магнитной восприимчивости para образцов спектров внутрицентровой фотолюминесценции InP(Yb) CdF2(Mn) при температуре T = 4.2K.

позволило обнаружить тригональные центры иттербия Установка MGD 312 FG позволяет проводить измерес характерной структурой мультиплета F5/2 [12,13], ния в интервале температур от 3.2 до 300 K. Образцы наличие которых впоследствие было подтверждено ис- помещались в кварцевую чашку, подвешиваемую на следованиями эффекта Зеемана в сильных магнитных тонкой кварцевой нити к весам. Весы вместе с образцом полях [16] и наблюдением ЭПР тригональных центров, заключались в герметичную оболочку, полость которой содержащих одиночные атомы иттербия в дендритных перед началом измерений вакууммировалась и затем закристаллах [20]. Тем не менее оставался открытым во- полнялась газообразным гелием до давления 200 Torr, прос, содержат ли тригональные центры, обнаруженные чтобы обеспечить необходимый теплообмен образца в оптических исследованиях, одиночные атомы иттербия со стенками полости, поддерживаемыми при заданной или их пары, которые могут быть описаны в рамках температуре. Охлаждение стенок полости, где находился модели квазимолекулярного центра (КМРЦ). В насто- исследуемый образец, производилось регулируемым поящей работе для решения данной задачи использовалась током паров жидкого гелия, принудительно отбираемых регистрация температурных и полевых зависимостей из сосуда Дьюара, с термостатированием при заданной статической магнитной восприимчивости, поскольку по- температуре. Температура измерялась с помощью терведение магнитного момента при изменении температу- мисторов, закрепленных на стенке внутренней полости ры и внешнего магнитного поля позволяет определить криостата. Калибровка термисторов осуществлялась с зарядовое и спиновое состояние точечных и протя- точностью до сотых долей Кельвина с помощью газового женных дефектов в легированных полупроводниковых термометра с использованием азота, водорода и гелия.

кристаллах.

Измерения статической магнитной восприимчивости кристаллов InP(Yb) производились в два этапа. Сначала проводилось калибровочное измерение пустой кварце2. Эксперимент вой чашки при различных температурах во всем диапазоне используемых магнитных полей. Затем аналогичИсследуемые образцы выращивались из растворано измерялась статическая магнитная восприимчивость расплава, а также методом Бриджмена. Причем леисследуемого образца. Результаты калибровочных изгирование редкоземельными элементами проводилось мерений магнитной восприимчивости кварцевой чашки из расплава. Концентрация иттербия в кристаллах вычитались из данных измерений образца.

фосфида индия определялась методами спектральноЧувствительность установки MGD 312 FG при изго и нейтронно-активационного анализа и составляла мерении значений статической магнитной восприимчи1017-1021 cm-3.

вости была не хуже 10-9 cm3/g. Погрешности в опреИзмерения статической магнитной восприимчивости делении величины (T, B) обусловлены погрешностью кристаллов InP(Yb) производились методом Фарадея на весов установки (порядка нескольких микрограмм) и установке MGD 312 FG в магнитных полях до 15 kG.

неточностью помещения образца в одну и ту же область Значения статической магнитной восприимчивости неоднородного магнитного поля при смене образца с определялись из соотношения частичной разборкой установки. При этом основную F(T, B) погрешность в абсолютное значение восприимчивости (T, B) =, (1) вносило измерение массы образца, производимое на m B dB/dz аналитических весах АДВЦ200.

где (T, B) имеет размерность [] =cm3/g, m Ч масса образца (в наших измерениях она составляет 0.1-0.3g).

3. Магнитные свойства кристаллов Величина силы F(T, B), действующей на исследуемый фосфида индия, содержащих образец при включении сильно неоднородного магнитного поля, измерялась с помощью точных электромехаточечные центры иттербия нических весов, входящих в состав установки. Градиент магнитного поля был направлен вертикально вниз вдоль Слабый парамагнетизм кристаллов InP(YB), проявнити подвеса (z -ось). ляющийся в температурных зависимостях статической dB Калибровка установки и определение значений B магнитной восприимчивости (рис. 1 и 2), находит объясdz производились в отдельном опыте при комнатной темпе- нение в рамках отмеченной выше модели электричературе с использованием в качестве эталона кристалла ски неактивного КМР - Ln2O3 (рис. 3) [8,19]. Причем InP с известным значением магнитной восприимчиво- поведение магнитной восприимчивости в области отФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. 222 Н.Т. Баграев, В.В. Романов, В.П. Савельев Таким образом, поведение температурных зависимостей магнитной восприимчивости свидетельствует, что центром РЗЭ, определяющим магнитные свойства исследуемых кристаллов, по-видимому, является КМР - типа Yb2O3. Причем в области высоких температур формирующие его редкоземельные атомы могут проявлять парамагнитные свойства, если энергия их теплового движения превышает энергию обменного взаимодействия. При понижении температуры начинает доминировать антиферромагнитный обмен атомов РЗЭ через валентные электроны кислорода, который может проявиться в относительно высоких температурах вследствие компенсации зарядовых и спиновых корреляций электрон-колебательным взаимодействием [5,8].

При низких температурах важную роль начинает играть локализация свободных электронов на мелких Рис. 1. Температурная зависимость статической магнитной донорах, что должно приводить к увеличению паравосприимчивости кристаллов InP(Yb) при статистически равмагнетизма кристаллов InP(Yb). Однако очевидно, что номерном распределении редкоземельной примеси по объему.

Кристаллы выращены по методу Бриджмена; иттербий вводил- суммарный вклад магнитных моментов атомов мелких ся в процессе роста кристалла из расплава. Точки Ч эксперидоноров в величину статической магнитной восприиммент. Сплошная кривая Ч расчет по формуле (2). Штриховая чивости пренебрежимо мал, поскольку их концентрация, кривая Ч расчет с учетом вклада ферроупорядоченных КМР - как правило, не превышает 1018 cm-3. В то же время по формуле (3).

присутствие электрона, локализованного на мелком доноре, играет ключевую роль в формировании магнитных свойств исследуемых кристаллов.

носительно высоких температур хорошо описывается Известно, что, если КМР - попадает в орбиту элеквыражением вида [8] трона, локализованного на мелком доноре, этот электрон индуцирует s- f -обмен антиферроупорядоченных a I(I + 1) exp - I(I + 1) 2 2kT 2NBg2 I редкоземельных атомов, вследствие чего происходит = , (2) a их переход в ферроупорядоченное состояние, сопрово3kT exp - I(I + 1) 2kT I где a Ч постоянная антиферромагнитного обменного взаимодействия атомов РЗЭ через валентные электроны кислорода, N и I Ч концентрация и спин КМРЦ.

Следует отметить, что хорошее согласие расчетных зависимостей с данными эксперимента наблюдается при аномально больших значениях постоянной a, составляющих десятые доли eV, хотя типичные значения постоянных обменных магнитных взаимодействий, как правило, не превышают тысячных долей eV [1,2].

Подобная аномалия указывает на важную роль ЭКВ, которое в значительной степени компенсирует спиновые и зарядовые корреляции на центрах [5,6]. При более детальном анализе ДвысокотемпературногоУ участка температурной зависимости статической магнитной восприимчивости, представленной на рис. 1, можно обнаружить, что постоянная a испытывает некоторую дисперсию, которая, по-видимому, связана с наличием в кристалле InP(Yb), помимо пар иттербия, заметного числа КМРЦ, состоящих из антиферроупорядоченных четверок атомов иттербия. Кроме того, уменьшение Рис. 2. Температурная зависимость статической магнитной средней концентрации иттербия практически не влияет восприимчивости дендритных кристаллов InP(Yb), легированна доминирование КМР - в кристаллах InP(Yb), на ных иттербием в процессе роста. Точки Ч эксперимент.

которое указывает отсутствие температурной зависимоСплошная кривая Ч расчет по формуле (7). На вставке Ч сти магнитной восприимчивости в области температур температурная зависимость намагниченности, индуцируемой выше 80 K (рис. 2). формированием спин-поляронов.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Магнитные и оптические свойства кристаллов фосфида индия, легированных иттербием ждающийся захватом донорного электрона на КМР - (рис. 3, b и 4) [7,8,18,19]. Типичным мелким донором с энергией активации 6 meV в фосфиде индия является кремний, находящийся в кристалле в позиции индия. Соответствующий этой энергии боровский радиус донорного электрона составляет примерно 15 nm [11Ц13,16].

Поэтому s- f -обмен, трансформирующий переход КМР - из антиферро- в ферроупорядоченное состояние, начинает вносить вклад в величину статической магнитной восприимчивости при достаточно низких температурах, когда электрон локализуется на мелком доноре (рис. 1).

Следует отметить, что наблюдаемые температурные зависимости статической магнитной восприимчивости свидетельствуют о статистически равномерном распределении иттербия в исследуемых кристаллах, т. е. об отсутствии значительного числа областей, в пределах которых в орбиту мелкого донора попадает более одного КМРЦ. Другими словами, демонстрируется формирование системы слабовзаимодействующих ферроупорядоченных КМР - или суперпарамагнетика [21].

Аналитически вклад ферроупорядоченных КМР - в магнитную восприимчивость InP(Yb) может быть учтен дополнительно выражением, аналогичным закону Кюри [8], которое хорошо описывает экспериментальную температурную зависимость (рис. 1).

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