Магнитные колебания и волны в ферромагнитных полупроводниках Солин, Николай Иванович

Введение к работе

Актуальность работы. Проблемы качественного улучшения параметров сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств и приборов, их миниатюризации, уменьшения электроготребления требуют разработки новых материалов и новых принципов управления распространением СВЧ энергии. Одной из таких возможностей является использование взаимодействия между электронной и магнитной подсистемами в ферромагнитных полупроводниках. Зависимость магнитных свойств материала от электрического поля, а электрических - от магнитного поля могли бы создать новые возможности для управления распространением СВЧ энергии.

Проводимость ферритов - узкозонных полупроводников с малой подвижностью носителей заряда - не влияет заметным образом на их магнитные свойства. В настоящее время синтезирован широкий класс веществ, так называемых магнитных полупроводников, в которых существует сильная связь между магнитной и электронной подсистемами. Например, в ферромагнитных полупроводниках зонная структура и механизмы электропроводности находятся в сильной зависимости от их магнитного состояния. Однако обратное влияние электронов проводимости на магнитные свойства гораздо слабев. Оно возможно, если концентрация носителей заряда достаточно велика и образец практически является металлом. Оценки показывают, что управлять магнитным состоянием магнитного полупроводника, например, за счет изменения косвенного обмена с увеличением концентрации носителей заряда при освещении или другим способом невозможно: образец сгорит, прежде чем будет достигнут эффект.

Однако в ферромагнитных полупроводниках есть принципиально другой путь управления их магнитными свойствами. Ферромагнитные полупроводники имеют комплекс электрических свойств, характерных для широкозонных полупроводников - в первую очередь, сравнительно большую (порядка 10 см² В^-1 с ) подвижность носителей заряда. В этом случае возможность управления свойствами магнитного полупроводника основана на том, что дрейфовая скорость носителей заряда в сравнительно невысоких электрических полях ~ I кВ/см может быть порядка скорости звука в среде, тепловой скорости электронов или фазовой скорости спиновых

волн. И передача кинетической энергии носителей заряда магнитной подсистеме может привести к изменениям их физических свойств в сильном электрическом поле.

Изменения' магнитных свойств материала могут происходить двояким ''образом'. В первом случае осуществляется передача кинетической анергии носителей заряда некогерентным спиновым волнам, что может привести к разогреву магнонов горячими носителями заряда СI]. Влияние разогрева магнонов на спектр и затухание магнитных колебаний и волн было совершенно не изучено.

Во втором случае осуществляется передача энергии носителей заряда когерентным спиновым волнам в условиях черенковского синхронизма [2] (дрейфовая скорость носителей заряда равна фазовой скорости спиновых волн), что может привести к увеличению времени жизни спиновых волн. Усиление спиновых волн дрейфующими носителями заряда в магнитных проводниках обсуждалось во многих теоретических работах, но прямых экспериментов го измерению затухания спиновых волн в электрическом поле не было. Оценки показывают, что в магнитных полупроводниках черенков-ские условия усиления когерентных спиновых волн могут быть выполнены для спиновых волн с волновыми числами к=10⁴ -10 см^-1.

Все это позволяет предположить, что носители заряда могут в значительной степени влиять на спектр и затухание магнитных колебаний и волн в магнитных полупроводниках. Однако целенаправленных экспериментов по исследованию влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание магнитостатических и спиновых волн в магнитных полупроводниках не было.

Следует отметить, что эффективное взаимодействие спиновых волн с носителями тока возможно только в случав малых магнитных и электрических потерь, т.е. при малом параметре затухания спиновых волн AH_fc и больших подвижностях носителей заряда. Поэтому необходим поиск материалов с необходимыми свойствами, выяснения природы их СВЧ магнитных и электрических потерь.

Кроме того, спектр и затухание спиновых колебаний и волн экспериментально исследовались в основном на ферритах, являющихся ферримагнетиками. В то же время большинство теоретических работ, посвященных этой теме, выполнены для ферромагнетиков и, как правило, для параметров известных ферритов. Поэтому

представляло интерес провести экспериментальные исследования спинволновых явлений на ферромагнитных полупроводниках, имеющих отличные от ферритов параметры (значения намагниченности, обменного взаимодействия и др.).

Цель диссертации- исследования спектра и затухания магнитных колебаний и волн в ферромагнитных полупроводниках, выяснения закономерностей влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание однородной прецессии, магнито-статических и спиновых волн и колебаний в ферромагнитных полупроводниках.

Объектом исследования выбраны монокристаллы ферромагнитных полупроводников ЕаО, HgCr₂Se₄, а также CdGr₂Se₄ , обладающих наиболее высокими значениями подвижности носителей заряда, концентрация которых может изменяться при легировании примесями или изменении температуры, а зонная структура сильно зависит от магнитного состояния.

Исследованы ферромагнитный резонанс (ФМР), распространение магнитостатических (МСВ), спиновых волн и колебаний в магнитных полупроводниках ЕиО и HgCr₂Se₄ в 3 см и 8 мм диапазоне длин волн в интервале температур 4,2-300 К и влияние электрического поля и носителей заряда на их спектр и затухание. Для обоснования и доказательства предлагаемых моделей проведены исследования электрических свойств магнитных полупроводников: подвижности и концентрации носителей заряда, СВЧ проводимости и диэлектрической проницаемости, электропроводности и постоянной Холла в магнитном поле (до 12 Тл) и электрическом поле (до 3 кВ/см) в интервале температур 4,2(1,8) -300 К.

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые установлены закономерности влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание спиновых и магнитостатических волн и колебаний, на параметры ферромагнитного резонанса в ферромагнитных полупроводниках.

На защиту выносятся следущие основные положения: I. Предложен новый механизм затухания спиновых волн за счет носителей заряда в ферромагнитных полупроводниках, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом - возбуждением электрического поля распространяющейся по магнитному полупроводнику спи-

новой волной. В широкозонном магнитном полупроводнике энергия электрона зависит от намагниченности и электроны собираются в тех областях, где их энергия минимальна СЗ]. Вследствие этого спиновая волна создает в кристалле пространственно неоднородное распределение электронов и, следовательно, безвихревое электрическое поле. При конечной электропроводности кристалла спиновая волна будет затухать из-за даоулевых потерь в этом электрическом поле с параметром затухания, пропорциональным квадрату волнового числа, АН^к².

1. Обнаружено резонансное уменьшение затухания спиновых волн HgGr₂Se₄ в электрическом поле при выполнении условий черенковского синхронизма. Рассчитан вклад носителей заряда в затухание спиновых волн, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом, с учетом дрейфа носителей заряда. Результаты расчета объясняют основные экспериментальные особенности изменения затухания спиновых волн в электрическом поле от температуры, волнового числа, электропроводности, подвижности носителей заряда, напряженностей и ориентации магнитного и электрического шлей. Оценки параметра магнитоэлектрического механизма и подвижности носителей заряда из экспериментов по спиновым волнам находятся в разумном согласии с оценками из других независимых экспериментов.

2. Показано, что влияние носителей заряда на спектр и затухание однородной прецессии и магнитостатических волн в ферромагнитных полупроводниках определяются индукционным механизмом, вклад которого в параметр затухания AH_fc и резонансные поля Н_ МСВ обратно пропорционален квадрату волнового числа, Н-, Ш^~ к^-2. Исследованиями влияния электропроводности ферромагнитного полупроводника на ширину линии ферромагнитного резонанса в ЕиО и на затухание магнитостатических волн в HgCrgSe^ показано соответствие экспериментальных результатов теоретическим.

3. Показано, что особенности спектра и затухания ЫСВ HgCr₂Se₄ в электрическом поле обусловлены вкладом индукционного механизма. Изменения электропроводности и диэлектрической проницаемости магнитного полупроводника в электрическом поле объяснены изменением зонной структуры при разогреве магнитной системы горячими носителями заряда и в связи с особенностями механиз-

мов электропроводности HgCr-gSe^. Зависимости электропроводности, СВЧ диэлектрической проницаемости, подвижности и концентрации носителей заряда HgCr₂Se₄ от температуры, от напряжен-ностей электрического и магнитного полей согласуются с предлагаемой моделью.

5. Показано, что зависимости параметра затухания спиновых волн от волнового числа в совершенных и непроводящих (диэлектрических) ферромагнетиках EuO и HgCr₂Se₄, измеренные по порогу их параметрического возбуждения, объясняются, в основном, вкладами собственных трехмагнонных дипольних процессов расщепления и слияния, четырехмагнонных обменных процессов рассеяния.

6. Экспериментально показано, что в касательно намагниченной ферромагнитной пластине конечных размеров распространяются МСВ под произвольным углом (0#с/2 и 6^0) к магнитному полю и с компонентами волнового числа к_?«0 и к^О, определяемыми размерами пластины. При продольном распространении область существования МСВ с ку?Ю и І^Д) расширяется за счет возбуждения, кроме обратных объемных МСВ, поверхностных волн магнетик -воздух и магнетик - металл. При поперечном распространении возбуждаются, кроме прямых поверхностных МСВ, и объемные МСВ. Расчет спектров МСВ на основе такой модели хорошо согласуется с экспериментальными результатами исследований спектра МСВ в слоистых структурах на основе EuO и HgCr₂Se₄.

7. Выяснена роль ионов Сг⁺², переноса заряда, кристаллического поля тригональной симметрии и случайных полей в анизотропии ширины линии АН и резонансного поля Нр UMP монокристаллов HgCrgSe^. Поле тригональной симметрии влияет на спектр Ш>, если ионы Сг⁺* образуются за счет вакансий или неизовалентного замещения халькогена. Если ионы Сг образуются за счет вакансий или неизовалентного замещения катиона на трехвалентный ион (Hg⁺² =» Ме⁺³), то поле тригональной симметрии усредняется до поля кубической вследствие переноса заряда в кластере из 12 ионов хрома, обладающем кубической симметрией. Расчеты вклада ионов Сг на основе этой модели в угловые и температурные зависимости 4Н и Н. ФМР HgCr₂Se₄ хорошо согласуются с экспериментом.

Научная и практическая ценность

работы. Весь комплекс выполненных исследований резонансных явлений в ферромагнитных полупроводниках значительно расширяет и углубляет существовавшие ранее представления о спин-волновых явлениях в ферромагнетиках и о взаимодействии магнитной и электронной подсистем в ферромагнитных полупроводниках. Результаты работы могут быть использованы для дальнейших теоретических исследований.

Проведенные исследования являются физической основой для создания новой области ыагнитоэлектроники - управляемых магнитным и электрическим полями СВЧ устройств и приборов: твердотельных генераторов и усилителей электромагнитных волн, модуляторов, аттенюаторов, линий задержки и других систем обработки информации и управления распространением СВЧ энергии. Достоверность результатов работы определяется как использованием стандартной измерительной аппаратуры и методик, так и соответствием основных теоретических положений работы результатам экспериментов.

Личный вклад в работах, выполненных в соавторстве, состоит в том, что автор принимал личное участие на всех этапах получения научных результатов, в том числе был инициатором проведения исследований, постановки задач и экспериментов, участвовал в проведении экспериментальных исследований и численных расчетов, в разработке моделей, обсуадении и изложении результатов исследований и формулировки выводов. Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсувдались на региональных, всесоюзных и мевдународша конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзных семинарах по спиновым волнам (1975, 1976, 1980, 1986, 1988, 1992, 1994 г.г., Ленинград); Всесоюзных школах- семинарах по спинволновой электронике СВЧ (1985 г., Ашхабад; 1987 г., Краснодар; 1989г., Львов; 1993 г., Звенигород); Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (1980 г., Вильнюс); Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (1977 г., Донецк; 1983 г., Тула; 1988 г., Калинин); Всесозной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково- диэлектрическими структурами (1988

г., Саратов); Мездународной конференции по магнетизму (1974 г., Москва); Всероссийской школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (1996 г., Москва); Всесоюзных конференциях "Тройные полупроводники их применение; (1976г., Кишинев, 1987 г., Ивано-Франковск); Всесозной конференции по фер-ритовой технике(1989 г., Ленинград); Всесоюзной школе - семинаре "Проблемы совершенствования устройств и методов приема, передачи и обработки информации" (1988 г., Звенигород); Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (1989 г., Ленинград); Уральских школах-семинарах по магнитным полупроводникам (1979, 1983, 1988 г.г., Свердловск); Объединенной всероссийской конференции по магнитоэлектронике (1995 г., Москва) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.Приведен список основных публикаций по теме диссертации. Ст-руктураи объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Весь материал изложен на 344 страницах машинописного текста и включает 87 рисунков, 2 таблицы и библиографический список из 229 наименований.