Полумагнитные полупроводники. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Полумагнитные полупроводники (разбавленные магнитные полупроводники) - полупроводниковые тв. растворы, в к-рых осн. диамагн. кристаллич. решётка содержит нек-рое кол-во парамагн. примесных атомов. Концентрация последних не слишком велика, так что диполь-дипольное взаимодействие между их магн. моментами М мало. При этом расстояние между примесными атомами значительно больше постоянной решётки а, и они, в нек-ром приближении, подобны атомам идеального газа с магн. восприимчивостью

подчиняющимся Кюри закону .В роли магн. примесных атомов могут выступать атомы переходных элементов, лантаноидов и актиноидов, имеющие нескомпенсиров. электронный спин на

или d-оболочках (см. Парамагнетик ).Обменные эффекты при взаимодействии электронов проводимости или дырок с магн. примесными атомами приводят к возможности магн. фазовых превращений.

Наиб. изучены соединения типа

(где

- Cd, Zn, Hg;

- Sn, Pb, Се;

- S, Se, Те; М - Мn, Fe, Eu), имеющие структуру ZnS, вюрцита и NaCl. Магн. ионы в этих полумагнитных полупроводниках (М)не создают состояний в запрещённой зоне полупроводника (рис. 1) (или вблизи точки вырождения зоны проводимости и валентной зоны у бесщелевых полупроводников), однако отличие их потенциала от потенциала замещённых ими ионов приводит к изменению электронного спектра [ширины запрещённой зоны (щели), эфф. массы носителей заряда т]. Наиб.

исследованы как бесщелевые полумагнитные полупроводники

при x < 0,07 и

Se при x< 0,06), так и полумагнитные полупроводники с узкой и широкой запрещёнными зонами

при c > 0,07,

Рис. 2. Зависимость ширины запрещённой зоны

(в мэВ) у

(вверху) и у бесщелевого полупроводника

(внизу) от содержания.

Зависимости

от Т и c для тв. растворов полупроводников

хорошо описываются эмпирич. ф-лами (рис. 2):

Возможность варьировать в широких пределах состав полумагнитных полупроводников (изменять х)позволяет плавно перестраивать электронную структуру от бесщелевого инверсного спектра до обычного

> 0).

Энергетический спектр зонных носителей заряда

Специфические свойства полумагнитных полупроводников обусловлены обменным взаимодействием зонных носителей заряда с электронами магн. ионов. Гамильтониан этого взаимодействия

где

- спиновые операторы зонных носителей и локализов. магн. моментов,

- интеграл обменного взаимодействия зонных носителей с электронами магн. ионов (r - пространств. координата); суммирование ведётся по всем узлам

занятым магн. ионами. Т. к. зонные носители взаимодействуют с большим числом локализов. магн. моментов, то

можно заменить его термодинамич. средним

а суммирование по

- суммированием по всем узлам, умножив сумму в (1) на долю узлов, занятых магн. ионами. При этом энергетич. спектр носителей в полумагнитных полупроводниках вблизи краёв разрешённых зон

можно получить, добавив к гамильтониану, записанному в

приближении

В отсутствие магн. поля

и энергетич. спектр полумагнитных полупроводников аналогичен спектру соответствующего обычного полупроводника. В магн. поле энергия обменного взаимодействия

что приводит к перестройке энергетич. спектра носителей заряда. В полупроводниках с достаточно широкой запрещённой зоной энергетич. интервалы между соседними квантовыми уровнями (орбитальное квантование энергии носителей) удовлетворяют условию

Тогда можно пренебречь орбитальным квантованием носителей, и обменное взаимодействие приводит лишь к аномально большому спиновому расщеплению зонных состояний. В узкощелевых и бесщелевых полупроводниках

перестройка спектра значительно сложнее. Возникают особенности квантования в магн. поле. Напр., могут наступить вырождение и даже инверсия спиновых подуровней, относящихся к разным квантовым уровням. Особенно сильно обменное взаимодействие сказывается на положении низшего электронного

и высшего валентного

уровней, к-рые при увеличении Я могут перекрыться. К такому же эффекту приводит увеличение содержания Мh при фиксированных Я и температуры Т. Так, бесщелевой полупроводник

при включении магн. поля становится полуметаллом (происходит перекрытие зоны проводимости и валентной зоны), а при дальнейшем увеличении Я в нек-ром поле

он превращается в обычный полупроводник со щелью (рис. 3).

Магнитные свойства полумагнитных полупроводников

Рис. 3. Зависимость положения верхнего уровня валентной зоны

и нижнего уровня зоны проводимости

от магнитного поля в бесщелевом полупроводнике

Здесь

- феноменология, параметры, учитывающие отличие I от намагниченности идеального парамагнетика, к-рое обусловлено взаимодействием (обычно антиферромагнитным) соседних магн. ионов или более сложных комплексов.

При низких темп-pax и значит. x в полумагнитных полупроводниках наблюдается переход в фазу спинового стекла (напр., в

при c >0,17; рис. 4). В бесщелевых полумагнитных полупроводниках спинового стекла может, по-видимому, существовать и при малых х. что связано с косвенным обменным взаимодействием магн. ионов через электроны проводимости. Антиферромагн. фаза обнаружена лишь в

при х > 0,6.

Рис. 4. Фазовая (Т - х)диаграмма магнитного состояния

P - парамагнитная фаза, S - область спинового стекла.

Локализованные состояния полумагнитных полупроводников

Как и обычные полупроводники, полумагнитные полупроводники могут быть легированы как донорами, так и акцепторами. Энергии локализованных примесных состояний в полумагнитных полупроводниках определяются не только кулоновским взаимодействием с потенциалом поля примесного центра, но и обменным взаимодействием с локализованными магнитными моментами, расположенными внутри боровского радиуса примесного центра. Такое локализов. состояние наз. связанным магнитным поляроном. Вклад обменного взаимодействия в энергию локализов. состояния зависит от концентрации магн. ионов (х), температуры (Т)и магн. поля (Н). В узкощелевых и бесщелевых полумагнитных полупроводниках зависимость энергии ионизации мелких примесей от Н связана также со спецификой квантования зонных состояний (см. выше). Т. о., в полумагнитных полупроводниках энергия ионизации примесей, а следовательно, и кинетич. явления значительно сильнее зависят от Н и Т, чем в обычных полупроводниках.

Кинетические явления в полумагнитных полупроводниках

Наиболее ярким проявлением роли обменного взаимодействия электронов с локализов. магн. нонами является гигантское отрицат. магнетосопротивление

наблюдаемое в узкоще левых полумагнитных полупроводниках jo-типа (r уменьшается на 5-7 порядков в полях Н

4-5 Тл). Уменьшение r в магн. поле в ряде случаев сопровождается фазовым переходом полупроводник - металл (см. Переход металл - диэлектрик). Этот переход обусловлен уменьшением энергии ионизации акцепторных примесей и ростом радиуса волновой функции акцепторных состояний в магн. поле из-за специфики квантования валентной зоны полумагнитного полупроводника и разрушения состояний связанного магн. полярона. Др. особенность кинетич. явлений в полумагнитных полупроводниках - немонотонная зависимость амплитуды осцилляции Шубнико-ва - де Хааза от Н и Т, обусловленная разл. вкладом обменного взаимодействия в энергию разных спиновых подуровней (см. Квантовые осцилляции в магнитном поле).

Оптические свойства полумагнитных полупроводников

Специфика энергетич. спектра свободных и локализов. состояний носителей заряда в полумагнитных полупроводниках приводит к особенностям оптич. и магн--оптич. явлений. В полумагнитных полупроводниках наблюдаются гигантский Фарадея эффект при энергиях фотонов, близких к энергии края фундам. поглощения (в

Верде постоянная достигает 36000 град/см-Тл), сильная зависимость от магн. поля стоксовского сдвига в спектрах комбинационного рассеяния света и расщепления линий поглощения свободных и связанных экситонов.

Литература по полумагнитным полупроводникам

Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм ложен в своей основе. Он противоречит фактам. Среди них такие:

1. Электромагнитная волна (в религиозной терминологии релятивизма - "свет") имеет строго постоянную скорость 300 тыс.км/с, абсурдно не отсчитываемую ни от чего. Реально ЭМ-волны имеют разную скорость в веществе (например, ~200 тыс км/с в стекле и ~3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью "Температура эфира и красные смещения"), разную скорость для разных частот (см. статью "О скорости ЭМ-волн")

2. В релятивизме "свет" есть мифическое явление само по себе, а не физическая волна, являющаяся волнением определенной физической среды. Релятивистский "свет" - это волнение ничего в ничем. У него нет среды-носителя колебаний.

3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.

4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те "подтверждающие теорию Эйнштейна факты", которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике