Введение к работе
Актуальность темы. В конце 70-х годов сформировался новый раздел Физики полупроводников - магнитосмешанкые (или полумагнитные} полупроводники, т.е. твердые растворы магнитных полупроводников в немагнитных. Интерес к этим объектам определился новыми возможностями значительно!* перестройки энергетического спктра зонных состояний при сравнительно слабых внешних воздействиях. Так, величина гигантского спинового расщепления энергетических зон в магнитосмешанных полупроводниках достигает десятков м^В в магнитных полях Т Тл. Как было установлено, ответственными за основные явления в новом классе объектов выступают обменные взаимодействия между магнитными ионами и носителями тока. Между тем, существовавшее в ранних работах представление о носитель-ионном обменном взаимодействии как факторе, определяющем перенормировку спиновых расщеплений пропорциональ-нув намагниченности кристалла, приводило к противоречии с новыми экспериментальными данными. Дальнейший прогресс в исследованиях магнитосмешанных полупроводников стал невозможным без построения соответствующей теории.
Носитель-ионные обменные взаимодействия играют важную роль и в спин-зависимых явлениях, обусловленных наличием парамагнитных центров в немагнитных полупроводниках. Так, скорость парамагнитной релаксации, вызванной обменным рассеянием сравнительно небольшого числа свободных носителей, может превысить скорость спин-решеточной релаксации ,^~что позволяет при помощи ЭПР локализованных состояний исследовать зонные возбуждения полупроводника.Обработка экспериментальных данных по парамагнитной релаксации также невозможна без теоретического описания явления обменного рассеяния, в основе которого лежит носитель-ионное взаимодействие. Все сказанное определяет актуальность избранного направления исследований.
Целью диссертации является последовательное построение теории спектроскопических явлений в магнитосмешанных полупроводниках, способной описать э<М>екты, обусловленные сильным носитель-ионным_ обменным взаимодействием в этих системах, позволяющей в простой и наглядной форме интерпретировать экспериментальные результаты, а также определить условия наблюдения ранее не обнаруженных а.Міектов.
Дня достижения указанной цели в работе решены следустие основные задачи.
- 4 -I. Предложена микроскопическая теория носитель-ионного обменного взаимодействия, учитывающая возможное орбитальное вырождение в симметричных точках зоны Бриллюэна.
-
Выяснена роль кристаллического поля в гигантском спиновом расщеплении гэкситонных спектров гексагональных кристаллов.
-
Установлена зависимость сечения обменного рассеяния свободных электронов, дырок, экситонов на магнитных ионах от зонных параметров полупроводника.
-
Установлено влияние гигантского спинового расщепления энергетических зон магнитосмешанного полупроводника на динамическую поляризацию локализованных спиновых моментов.
-
Выяснена природа огИ>ектов, наблюдаемых в спектрах комбинационного рассеяния света с переворотом спина мелкого донора в магнитосметанных полупроводниках.
-
Изучен вклад виртуальных процессов обменного рассеяния носителей на локализованных спиновых моментах в энергии зонных состояний магнитосмешанного полупроводника.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые предложены модели и на основе их анализа проведено описание широкого круга явлений, обусловленных сильным носитель-ионным обменным- взаимодействием в магнитосметанных полупроводниках.
Оригинальными являются теоретические исследования процессов обменного рассеяния и динамической поляризации локализованных спиновых моментов при обменном рассеянии fanoвозбужденных носителей, а также исследования оптической бистабильности магнитосметанных полупроводников в области резонансного возбуждения зонных состояний. На:основе развитых модельных представлении получили объяснения обнаруженные ранее э^екты в магнитосметанных полупроводниках. В частности, было дано объяснение сильной анизотропии гигантских спиновых расщеплений экситонных спектров в гексагональных кристаллах, особенностям гигантских спиновых расщеплений в ван<<Нлековских парамагнитных полупроводниках, изменению знака вклада процессов обменного рассеяния в неравновесную поляризацию локализованных спиновых моментов с ростом магнитного поля, неисчезающему при высоких температурах бесполевому расщеплению линии комбинационного рассеяния с переворотом спина, незквидистантнооти гигантских спиновых расщеплений дырочных зон в кубических магнитосмешанных полупроводниках.
Научная и практическая значимость работы состоит о получении
новых сведений о явлениях, происходящих в магнитосметанных яолупро-
- 5 -водниках; в разработке теоретических основ методов спектроскопического исследования полупроводников, основанных на изученных в работе спин-зависящих эФФектах; предсказании новых явление, представляющий научный и практический интерес; в разработке теоретического аппарата, позволяющего описать основные явлений, обусловленные коллективным проявлением носитель-ионных обменных взаимодействий в магнитосыешашшх полупроводниках. Защищаемые положения.
-
Гамильтониан носитель-ионного обменного взаимодействия выведен в представлении спиновых операторов локализованных и зонных электронов с учетом неортогональности взаимодействующих одноэлект-ронных состояний. Лри конечной величине интеграла перекрытия знак обменных интегралов может соответствовать антиферромагнитному взаимодействию. Обменное взаимодействие электрона (дырки) с ванФлеков-скими ионами в слабом магнитном поле Н характеризуется константой, пропорциональной Н .
-
Доказано существенное влияние кристаллического поля в гексагональных полупрородниках на гигантские спиновые расщепления дырочных вон. ^ля кубических кристаллов магнитополевая анизотропия проявляется в тензоре эффективных мисс и, как следствие, в величинах циклотронной эффективной массы и эффективной массы плотности состояний. Магнитная изотропность инерционной эффективной массы объясняет отсутствие заметного проявления магнитополевой анизотропии в экситонных спектрах отражения.
-
Показано, что обменное рассеяние электронов, дырок, эксито-иов на магнитных ионах является эффективным механизмом спиновой релаксации. Обменное рассеяние электронов происходит с сохранением проекции спиновых моментов взаимодействующих подсистем. #ля дырок
в кубических и тексагональных кристаллах проекция углового момента подсистем в общем случае не сохраняется. Температурная зависимость скорости парамагнитной релаксации определяется структурой энергетических зон носителей и спектром энергий парамагнитного центра.
4. Развита теория динамической поляризации локализованных спиновых моментов при обменном рассеянии Фотовозбужденнмх носителей, іцри Ферромагнитном знаке (J > 0) константы носитель-иоиного обмен-'ного тзаимодействия, реализующимся для электронов проводимости, обменное рассеяние ослабляет поляризацию, тогда как лри J.< 0 (днр-іки a Tg — ;зоне) — усиливает спиновую поляризация по сравнению с рай* іновесннм ее значением. Теория объяснила эксперименты по.влиянию ол~
ткческой накачки на энергии зона-зонных переходов в Сс/^Мп^Те -
-
.Показана возможность оптической биетабилъности магнитосме-шанного полупроводника о.кубической решеткой при оптической накачке с энергией вблизи полосы экеитонного поглощения. Показано, что обменное рассеяние ЧГ -экантонов в энергетически нижайгауи G"+ -эк-ситоннуго зону осуществляет внутреннюю положительную обратную связь для оптического сигнала.
-
Развита теория локализованных электронных состояний большого радиуса в магнитосметанных полупроводниках в модели обменного ящика. Лля этой модели получены точные аналитические выражения термодинамических потенциалов и построена теория спектров ЭПР и комбинационного рассеяния с переворотом спина. Теория обт,яснила наб-людавяиеся особенности сдвига линии комбинационного рассеяния в магнитном поле, резкую магнигополевую зависимость поляризации линии комбинационного рассеяния нее уширение спиновыми флуктувлжгл' и Ллуктуациями состава.
7. Изучено влияние процессов обменного рассеяния на энергии зонных состояний магнитосмешанных полупроводников. В сильных магнитных полях сдвиги энергий, обусловленные этими процессами, приводят к неэквидистантности гигантских спиновых расщеплешь дырочных зон в кубических кристаллах. Теория объяснила наблюдавшуюся асимметрию экситонных спектров отражения.
0. Предложен и теоретически илучен новы:' мехаїш^л стан-рега^-точ-ного взаимодействия для локализованного спинового момента, обусловленный обменнил рассеянием сопровождающих гТонон виртуальных элокт-ронно-дырочных пар.
Апробация работы. Материалы диссертационное работы докладывались на ТУ—Гі Международной конференции по сегнетоэлектричеству, (Ленинград, Т977), П-м Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, Т900), Всесоюзной конференции по Физике магнитных явлений (Пермь, Т9Ш), УП-й Всесоюзной конференции "Эк-ситоны в кристаллах " (Черновцы, Т98І), па Т-м, П-м , Ш-м, ТУ-м Всесоюзных семинарах "Оптическое детектирование магнитных резонан-сов'", на выездной сессии Совета по радиоспектроскопии (Киев, 19с,?.), Всесоюзной конференция "Современные методы ЯМР и ЭПР в химии твердо го тела" (Черноголовка, Т982), УП-м и У!',1-м Всесоюзных симпозиумах по спектроскопии кристаллов (Ленинград, Ї9Я2 , Свердловск, T9BF)), на Международном совещании "Экситоны-Р
- ? -
решки по магнитному резонансу (Казань, Т934), ХУП-м Всесоюзном семинаре "Экситоны-04) (Черноголовка, І9Я4), 1-й Украинской республиканской школе-семинаре по физике полупроводников, на IX Уральской школе по физике полупроводников.
Публикации. Основные результаты выполненных исследований, вошедшие в диссертационную работу, изложены в 35 публикациях, перечень которых приведен в конце автор'-Лерата.
Структура и объем диссертации. .Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 239 страниц машинописного текста и 37 рисунков. Список литературы 'включает Т9Т наименований.
