Спектроскопия поляризованной люминесценции полумагнитных полупроводников CdMnTe и квантовых ям CdTe/CdMnTe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф. Иоффе

СПЕКТРОСКОПИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПОЛУМАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СаМпТе И КВАНТОВЫХ ЯМ Сс1Те/СаМпТе

специальность 01.04.10 физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Кудинов Алексей Валерьевич

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук КУСРАЕВ Ю.Г.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук ВОРОБЬЕВ Л.Е. ,

доктор физико-математических наук СЕЙСЯН Р.П.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт физики

Санкт-Петербургского Государственного университета..

Зашита состоится .^И-^Анр-й. 1997 г.

в часов на заседании специализированного совета К 003.23.01 Физико-технического инстигуха им. А.Ф.Иоффе, по адресу: ¡94021. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь

специализированного совета .

>—X" I I кандидат физ.-иат. наук ^ ___ Г.С.Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Полумагнитные полупроводники (ПМП) за последнее десятилетие выделились в особый класс полупроводниковых материалов. Ежегодно публикуются десятки работ по физике ПМП, проводятся конференции, специально посвященные этим веществам. Специфика ПМП заключается в сочетании типичных свойств полупроводниковых твердых растворов с аномально яркими магнитными свойствами. Присущая твердым растворам технологическая гибкость и обусловленная сильной обменной связью магнитных ионов с зонными носителми заряда возможность ^правления энергетическим спектром носителей при помощи магнитного поля делают ГШП перспективными для приборных применений.

В классе полумагнитных систем можно выделить два подкласса: узкозонные (бесщелевые) и широкозонные ПМП. При этом условно основными сферами исследовательской активности являются: в отношении первых • гальваномагнитные свойства, в отношении вторых - магнитооптика. Твердые растворы ряда С^Мп^Те - типичные представители широкозонкых ПМП.

Достигнутые в последние годы успехи МВЕ-технологии полупроводников А^В41 позволили получить качественные гетеропереходы и структуры пониженной размерности с полумагнитными слоями. Это позволяет надеяться на создание новыч ог.тоэлектронных приборов на базе ПМП - ь частности, элементов памяти с оптической записью и считыванием, полупроводниковых перестраиваемых лазеров. Поэтому актуальной задачей является исследование магнитооптических свойств подобных структур и лежащи* в их основе спиновых взаимодействий.

Обменное взаимодействие носителей с магнитными ионами в ПМП служит источником ряда необычных для традиционных полупроводников явлений. При достаточно низких температурах оно, в частности, приводит к образованию магнитных поляронов - областей ферромагнитного упорядочения спинов магнитных ионов в пределах радиуса локализации носителя (экситона). В твердых растворах С<1МпТе с большим солгржаннем марганца краевая люминесценция носщ могнитополяроннын характер. В диссертации получеиь экспериментальные свидетельства того, что магнитооптика кристаллов ПМП при низких температурах существенным образом определяется структурой поляронного состояния и взаимодействием поляронов с магнитным полем. Особый интерес предспт.икч вопрос о влиянии на полярон фазового перехода парамагнетик - спиновое стск.ча. Указанный круг вопросов изучается в Главах 'II и IV.

Одним из наиболее информативных методов исследования спиновой динамики полупроводников является мегод оптической ориентации спинов. Он позволяет получать информацию о зонной структуре, временах жизни и спиновой релаксации носителей заряда и экситонов, реализоэывать условия нелинейной динамики спиновой системы ч т.д. Однако попы пси применения метода оптической ориентации к ПМП встречали трудности принципиального характера. В диссертации указаны возможные пути преодоления этих трудностей и сообщается о первом наблюдении эффекта оптической ориентации в структурах с полумагнитными слоями (Глава V).

Все вышесказанное определяет актуальность темь; диссертационной работы, иелыо которой явилось изучение связи магнитооптических свойств твердых растворив ПМП с различными аспектами присущего этим системам структурного и магнитного беспорядка.

Научная новизна работы заключается в том. что в ней впервые: - исследовано ориентирующее действие слабого магнитного поля на анс амбль экситонных магнитных поляронов. Обнаружена смена фактора, лимитирующего степень поляризации излучения полярснного ансамбля;

-обнаружена резкая кубическая анизотропия степени поляризации фотолюминесценции, указывающая на существование анизотропных корреляций в системе решеточных спинов;

-объяснена характерная спектральная зависимость эффекта оптически индуцированной поляризации люминесценции и выявлены причины отсутствия эффекта при возбуждении линейно'поляризованным светом;

-выявлены два канала спиновой релаксации экситоиов, возбужденных на неосновных подуровнях зееманозского мультиилета во внешнем магнитном поле, показано, что сравнительная эффективность »тих каналов зависит от величины поля;

-обнаружена оптическая ориентация экситонов в квактоиых ямах с полумагпитнымн барьерами, исследована раздельная деполяризация электронов и дырок в поперечном магнитном голе.

Научная и практическая значимость работы состоит в том. что в ней получен ряд экспериментальных и теоретических результатов, описывающих макроскопические проявления характерного для ПМП комплекса спиновых взаимодействий.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. При геллевых температурах в слабом магнитном поле поляризация экономной фотолюминесценции твердых растворов СсЗМп'Ге с большим содержанием марганца вызывается несферичностью распределения ансамбля экснто:ш их магнитных поляронов по направлениям магнитного момента. В общем случае это распределение не обладает и аксиальной симметрией.

2. Модель среды со скрытой анизотропией экситонных состоний адекватно описывает круг явлений оптически индуцированной поляризации фотолюминесценции, возникающих при селективном возбуждении локализованных экситонов в спиновых стеклах С<ШпТе.

3. В спиновых стеклах СММпТе сравнительная эффективность каналов релаксации локализованных экситонов с неосновных спиновых подуровней в продольном магнитном поле зависит от величины поля: в сильных полях доминирует упругий процесс с туннелированием экситона, в слабых - неупругая релаксация без изменения пространственной локализации.

А. В формировании дублетного экситонного спектра ФЛ квантовых ям СсГГе/СсШмТе важную роль играет динамика локализации носителей. 5. В квантовых ямах СсГГе/СиМпТе в стационарных условиях наблюдается оптическая ориентация экситонов. В широких (80 А) ямах вклад в поляризацию ФЛ вносят как электроны, так и дырки. Эффект Ханле - деполяризация ФЛ в поперечном магнитном поле - происходит в две ступени. В слабых полях деполяризуются электроны, в более сильном поле смешивание состояний дырочных подзон приводит к деполяризации дырок.

Апробация работы: Основные результата диссертации докладывались ни I и II Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород. 1943 и Зеленогорск, 1996). на XXII и XXIII Международных конференциях по фишке полупроводников (Ванкувер, 1п94 и Берлин, 1996), на Международном симпозиуме "Гетероструктуры в науке и технике" (Вюрцбург. 1995). на 15-н Генер.пын-ч! конференции Отделения конденсированных сред Европейского физическою общества (Бавено-Стреза, 1996), на XXIII Международном симпозиуме т-полупроводниковым соединениям (Санкт-Петербург, 1996), а также на сем,пир.а лабораторий ФТИ им.Иоффе.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в десяти печатных работах [1-1 С], перечень которых приведем в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. пяти глаз, заключения и списка цитированной литературы из У2 наименований. Объем диссертации - 119 страниц, включая 45 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении очерчен круг полупроводниковых материалов, относящихся к семейству полумагкитных полупроводников (ПМП). Наиболее распространенными П.МП являются тзердыс растворы с катионным замещением типа A"|_xMexBv\ где

A=Zn, Cd, Mg,...; B=S, Se, Te; Me=Mn, Fe, Со и т.п. Можно выделить два основных атрибута полумагнитных систем - наличие "встроенных" в кристаллическую решетку спиновых моментов магнитных ионое (Мс) и структурную неупорядоченность кристалла. К сочетанию этих атрибутов иосходят качественные огличия свойств ПМП от свойств немагнитных твердых растворов, с одной стороны, и упорядоченных магнитных полупроводников, с другой стороны.

Диссертация посвящена исследованию ма1нитоог:тических свойств и спиновых взаимодействий, реализующихся в кристаллах типичного представителя ширикозонных ПМП - теллурида кадмия-марганца. Структура диссертации кратко . изложена в конце зеедени.ч.

Первая гласа носит обзорный характер. В ис и приведены имеющиеся в литературе данные о кристаллической и зонной структуре твердых растворов ряда Cd| .xMnxTe, о важнейших магнитооптических явлениях г. этих материалах. Описаны

некоторые типы взаимодействий в спиновой системе полупроводника в связи с их макроскопическими прояз;:еннями. В ходе анализа имеющихся результатов по магнитооптике ПМП рассмотрены основные .етоды оптического исследования Г1М П.

Твердые растворы CdMnTo во всем диашноне растворимости кристаллизуются б решетку типа иичкпыо:" обманки. Главный минимум зоны прочодчмосгн и максимум сложной валентной зоны Г^ находится в иемтре зоны

Г)рилл:озна. Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки как функции состава хорошо омисын.потся в приближении виртуального кристалла. Ионы марганца распределены t,о k;iti;ohho:i подрешетке хаотически, не образуя композиционных кл.ч'■ iepoj [С I].

Для ПМП характерно сильное обменное эзаЛмодействие магнитных конов с зонными носителями заряда. Гамильтониан этого взаимодействия имеет гейзенберговский вид:

Н=з£Ц -б(г-г,) , .(I)

i

где J - обменная константа, s и S¡ - операторы спина носителя и 1-го магнитного иона .соответственно, F и F¡ - радиус-векторы носителя и магнитною иона. Во внешнем магнитном поле у магнитных ионов появляется ненулевая средняя проекция спина, и суммирование в (I) приводит к спиновому расщеплению состояний носителя. Из-за большой величины константы J это расщепление обычно намного превосходит зеемановское, однако.для слабых полей его формально можно записать как зеемановское расщепление носителя, обпида'ошего гигантским эффективным g-фактором. Этот важнейший эффект носиг название гигантского зееманоеското расщепления зонных и экситонных состояний.

• В гамильтониане (I) заложена м возможность влияния спина носителе на спины магнитных ионов. Результатом взаимного воздействия может быть формирование автокоррелированных "спиновых молекул" - магнитных гюляронов. В магнитополяронном состоянии носитель окружен облаком ферромагнитного порядка в системе ионных спинов, а его энергия понижена на энергию взаимодействия с этим облаком. При гелиевых температурах излучательная рекомбинация в CdMnTe происходит преимущественно из гюляронных состояний [С2].

Между магнитными ионами решетки также существует короткодействующее обменное взаимодействие. Хотя обменная константа соответствует взаимодействию антиферромагнитного типа, из-за структурною беспорядка антиферромагнетизма не наблюдается. Вместо этого при понижении температуры сначала обра!уются спиновые кластеры, а затем может происходить переход в специфическую маг нитну ю фазу с ближним порядком, которую в литературе принято называть спиновым стеклом [С1]. Магнитооптика спиновых стекол и, в особенности, взаимодействие поляронов со спиновыми кластерами изучены сравнительно слабо.

Совершенствование МВЕ-технологии полупроводников A"BV' .< начал) Ч0-.\ годов позволило получить качественные низкоразмерные структур'.! с полумагнитными слоями. Привлекательное .ь поденных структур состчн и во1мп;м|ости перестраивать ''нергстическни снекгр поспелей н ни» при помощи мшннппчо поля. Н imiv структур.i\ обнаружены кназилнучернме магппние 11-.1тя|мчи.!. iiii isiuip.'B.iiiiibiii j:ai iih'i 1:1 im и ■■ lev .к'Р'.-н.д i iüi ! - гип Ii н u.ep ,puiu-i км\

g

и т.д. [СЗ.С4] Кроме того, низкоразмерные структуры предоставляют дополнительные возможности исследования динамики спинов [С5].

Во второй главе описаны методика измерений, экспериментальная установка и образцы. Для измерения степени поляризации света мы использовали фотоупругий модулятор поляризации [С6] и диухканальную схему счета фотонов. Абсолютная ошибка измерений поляризации была порядка 0.2%. Образцы объемных кристаллов выращивались методом Бриджмена отчасти в ФТИ (В.Д.Прочуханом с сотрудниками), отчасти в. Минском ИФТТ (В.Н Якимовичем). Структуры с квантовыми ямами CdTe/CdMnTe были выращены методом МВЕ в университете Халла, Великобритания (Д.Е.Ашеифордом и Б.Ланном).

В третьей главе исследована индуцированная ьнешним магнитным полем поляризаций фотолюминесценции (ФЛ) локализованных экентонов в объемных кристаллах CdMnTe. Обнаружен новый эффект - резкая анизотропии степени линейной поляризации ФЛ в геометрии Фойхта.

В геометрии Фарадея поле индуцирует циркулярную поляризацию ФЛ, причем для всех составов степень поляризации рс сначала растет с полем линейно, а

затем стремится х насыщению вблизи 100%. Мы нашли, что наклон 0 зависимости рс(Н) в области слабых полей, зависящий от температуры и содержания марганца,

является существенной (и, к тому же, легко измеримой) характеристикой кристалла. На первый взгляд, большая величина О есть прямое следствие термализации экентонов на спиновых подуровнях гигантского зеемановского расщепления экситонного состояния в магнитном поле. Однако как прямые численные оценки, так и характер измеренной нами концентрационной зависимости $ опровергают это предположение. В действительности степень поляризации ФЛ определяется распределением ансамбля экситонных магнитных поляронов по направлениям момента. Связь экситона и облака намагниченности столь сильна, что полярон можно рассматривать как монолитный диполь с магнитным моментом в десятки магнетонов Бора, причем внешнее поле оказывает на поляроны лишь сравнительно слабое ориентирующее действие [1].

Анализ концентрационной и особенно температурных зависимостей Ь приуел нас к заключению о том, что в разных условиях (содержание марганца х, температура Т) выстраивание поляронов вдоль магнитного поля лимитируется различными факторами. Если в 'парамагнитной" области (малые х. большие Т) оо/овнуо роль играет тепловое разупорядочение. то в "спин-стекольнон" области

(большие х, мапые Т) выстраиванию поляронов препятствуют замороженные спиновые флуктуации. Смену лимитирующих факторов удалось визуализопать в температурной зависимости О для кристалла с х=0.3.

В геометрии Фойхта магнитное поле индуцирует линейную поляризацию ФЛ. Плоскость поляризации перпендикулярна полю. Полевые зависимости степени линейной поляризации ФЛ не находятся, вообще говоря, в тривиальной связи с результатами по циркулярной поляризации в геометрии Фарадея, поэтому оба типа зависимостей были с единых позиций рассчитаны нами теоретически для каждой из двух моделей. Приведем результат расчета в модели теплового разброса поляронов:

р< Р|- с+Ц«'

Здесь £=МН/кТ (М - магнитный момент полярона, Н - магнитное поле), -функция Ланжевена: Более громоздкие формулу для модели с

замороженными флуктуациями можно найти в [2]. Формулы (2) при единственном подгоночном параметре удовлетворительно описывают пары экспериментальных магнитополевых зависимостей рс(Н). рь(Н), измеренные в двух различных

геометриях эксперимента [I].

Мы обнаружили, однако, что степень линейной поляризации ФЛ может существенно зависеть от ориентации поля относительно кубических осей кристалла. Так. в образце с х=0.15 при тридцатипроцентной изотропной части поляризации анизотропная добавка достигает 12%. Эффект резко зависит от температуры и содержания марганца. В том же образце с ростом температуры от 2 до 4.2К амплитуда осцилляции степени поляризации уменьшается более чем вдвое. хотя величина изотропной части зависит от температуры слабее. В образце с у-О.ОЯ д;'Же при 2К анизотропии практически не наблюдается. Феноменологическая теория эффекта предложена в [3]. Микроскопическая теория пока отсутствует, однако, можно предположить, что природа анизотропии связана с анизотропными корреляциями в системе решеточных спинов.

В четвертой главе изучается магнитополяронная люминесценция спиновых стекол Сс1МпТе. Измерены зависимости энергии магнитного полярона от величины внешнего магнитного поля и энергии квантов возбуждающего света. Предложен;! феноменологическая модель случайного потенциала, формирующего спектр,-урок вблизи порога подвижности, н проведен вариационный расчет энергии маиштною полярона н затзисимпсги оч магнитного поля и энергии предвари гецной !окм.!и мини дырки. IК следование механизма возникновения оптгнчм!

индуцированной поляризации люминесценции позволило объяснить характерный вид спектральной зависимости явления при возбуждении циркулярно поляризованным светом и выявить причины отсутствия эффекта при линейно поляризованном возбуждении. Изучены также пути спиновой релаксации экситонов, резонансно возбужденных на неосновных подуровнях зеемановского мультиплета е магнитном поле.

При плавном переходе от межзонного оптического возбуждения к резонансному возбуждению локализованных акситонных состояний линия экситонной ФЛ ведет себя следующим образом: остается неподвижной до некоторого порогового значения частоты возбуждающего света, а затем движется, сохраняя постоянной вгличину стоксова сдвига. Этот постоянный сдвиг в [С7] был отожлествпен с энергией .зкситонного магнитного полярона. Наши измерения показали, что энергия полярона не зависит от энергии квантов возбуждающего света в широком дапазоне. Этот результат требует объяснения, поскольку изменение энергии кьангов соответстьует изменению энергии предварительной локализации носителей, а следовательно - изменению параметров немагнитного локализующего потенциала, который в трехмерном случае определяющим образом влияет на координатную часть волновой функции носителя.

Энергию магнитного полярона можно рассматривать как меру компактности 80 1НСВ0Й функции носктепя. Мы промоделировали случайный немагнитный потенциал набором сферических потенциальных ям фиксированной. глубины. В таком потенциале компактность волновой функции зависит от ширины ямы (т.е. от положения уровня размерного кяантэвания) немонотонно: при нулевой и бе».:;окечьой ширинах ямы часгица делокализована, а в промежуточной области локализация проходит через максимум, вблизи которого слабо зависит ог ширины ямы. Это позволяет качественно объяснить существование области энергий предварительной локализации, в которой энергия полярона меняется слабо. Еыл продолен еари.'цчонный расчет, который при реалистических параметрах потенциала дал (дг.х флуктуационкых ям с мелким уровнем) слабую зависимость энергии полярона от энергии предварительной локализации [4]. В рамках модели были удовлетворительно оплсапы н измеренные нами зависимости энергии поляроча от магнитного по™.

''"•Эффект оптически «ндуцнрчвачиоК поляризации люминесценции (ОИРЛ) ¡С.4] сосюнг к то\:. что при селективном возбуждении и хвост плотности экситонных ;остояниГ цир;;\ллр|,о голярнкчз'шным светом люминесценция окапывается ч.ч^гччно поляризованной по крму В отличие от оптической ориентации, этот

эффект не является динамическим, т.е. не зависит от соотношения времен жизни и спиновой релаксации эксигона. Эффект имеет характерную спектральную зависимост' [С7]. В тех же условиях эксперимента возбуждение линейно поляризованным светом не приводит к появлению линейной поляризации ФЛ (т.е. отсутствует аналог эффекта оптического выстраивания [С9]). Мы также нашли, что при циркулярно поляризова!.ном возбуждении линии ФЛ, зарегистрированные в поляризациях п+ и сг*, сдвннуты друг относительно друга. •

Следуя общим представлениям работы [С8], мы провели расчет спектров поляризованной ФЛ среды со скрытой магнитной анизотропией экситонных состояний. Оказалось, что основными параметрами эффекта ОИПЛ являются параметр скрытой анизотропии А, параметр спада хвоста плотности состояний (параметр Урбаха) и и ширина 2Г0 "элементарной" линии ФЛ, т.е. линии ФЛ при

возбуждении лишь одного из расщепленных локальным обменным полем спиновых подуровней эксиюнного мультиплета. Модель адекватно воспроизводит общую физическую картину явления, включая "гладкие" контуры линий поляризованной ФЛ, соо¡ношение интенсчвностей в максимумах линий, соотношение сдвига между линиями и ширины линий, вид спектральной зависимости ОИПЛ, отсутствие эффекта "оптического выстраивания". Сравнение экспериментальных спектров с расчетными позволило оценить масштаб и иерархию трех упомянутых выше основных параметров [5].

Несмотря на наличие хаотически направленных локальных спиновых флуктуации, в достаточно сильном продольном магнитном поле экситонная люминесценция оказывается полностью поляризованной по кругу.. При резонансном возбуждении локализованных экситонов это происходит вне зависимости от поляризскии возбуждающего света, указывая тем самым на высокую эффективность спиновой релаксации экситонов, возбужденных на неосновных подуровнях зееманозского мулыиплета.

Для выявления путей спиновой релаксации таких экситонов мы модулировали знак круговой поляризации возбуждающего света, попеременно возбуждая то основной, нижний спиновый подуровень (и один из вышележащих), то пару неоснозмь'х подуровней [5]. Сравнивались спектры ФЛ, зарегистрированные в четные и нечетные периоды модуляции (1^ и I!). Англиз сложной эволюции подобных пар спектров с изменением величины поля и частоты Еозбуждаюшего свети позволил сделать следующий выводы. Хотя и в сильных магнитных полчх кОе) и ". более слабых !£Ю кОе) п опрелеленных интерчалах частот во;бужда;оые- о спста чаолюд'.ается сдвиг меж чу линиями |ч" и Г_ , причини этого сдвига длч си,шш\ и

слабых полей различна. В слабых полях спиновая релаксация локализованного экситона с неосновного спинового подуровня происходит без смены области его пространственной локализации. В магнитном поле такой процесс с необходимостью сопровождается энергетической релаксацией, приводящей к спектральному сдвигу линии. Напротив, в сильных полях спиновая релаксация сопровождается пространственным переносом экситона и носит упругий характер. Что касается сдвига между линиями, то он в этом случае обусловлен циркулярным дихроизмом поглощения возбуждающего света в сочетании с известным эффектом поглощения ФЛ на пути из толщи кристалла [СЮ].

В пятой главе изучаются динамика локализации носителей в квантовых ямах CdTe/CdMnTe и впервые наблюдавшиеся в структурах с полумагнитными барьерами эффекты оптической ориентации экситонов. Выявлена роль динамики процессов локализации носителей в эффекте перераспределения интенсивностей линий экситонного дублета. Зарегистрированы оптическая ориентация экситонов и двухступенчатый эффект Ханле в широких (ЪО А) квантовых ямах CdTe/CdMnTe, а также оптическая ориентация и эффект Ханпе на ТА- и LO-фононных резонансах в узких (40 А) ямах.

В квантовых ямах CdTe/CdMnTe известна дублетная структура экситонной люминесценции. Относительная интенсивность коротковолновой компоненты дублета растет с ростом температуры или продольного магнитного поля. Температурный эффект обычно объясняли больцмановским перераспределением заселенностей состояний, а полевой эффект - дестабилизацией экгитон-примесного комплекса D°X, которому приписывали длинноволновую компоненту дублета [С11]. Лишь в [CI2] говорилось о возможной роли динамических эффектов.

Наши экспериментальные результаты заставляют усомннться в модели с дестабилизацией донорного коплекса. Во-первых, эта модель не может объяснить наблюдавшуюся зависимость эффекта перераспределения от направления магнитного поля. Во-вторых, измерения показали, что эффект не насыщается в полях, в которых происходит насыщение намагниченности марганцевой системы: гго также противоречит дестабилизациоиной модели. В-третьих, оказалось, что в магнитном поле соотношение интенсивностей компонент дублета зависит от энергии квантов возбуждающего света.

Предложенная нами интерпретация полевого зффекта как следа ния ограничения доступа носителей к центрам локалтаиии (из-за их никлофонш'Н' движения в магнитном поле) позволяет объяснить первые дна m упомиилнншии

экспериментальных фактов. Этот подход предполагает отсутствие теплового равновесия между состояниями, ответственными за коротковолновую-, и "длинноволновую компоненты дублета. Поставив под сомнение адекватность дестабилизационной модели, мы тем самым приобретаем свободу в интерпретации /шинноволновой компоненты дублета. Ответственным за нее может оказаться как экситон-примесный комплекс, так и. например, 'экситон, локализованный на монослойных флуктуацнях ширины квантовой ямы. В работе [6] предложен тест на Природу этих состояний: в поперечном магнитном поле линия комплекса О0Х должна расщепиться на две, в то время как линия экситона, локализованного монослойной флуктуацией, просто сдвинется в длинноволновую сторону. Для проведения контрольного эксперимента мы, к сожалению, не располагали структурой с достаточно узкими линиями ФЛ.

При квазирезонансном возбуждении экситонов в 80 А квантовой яме СёТе/СЛМпТе нами был зарегистрирован сигнал оптической ориентации. В работах [7,8] приводятся спектры поляризации ФЛ и спектры возбуждения оптической ориентации. Кризые деполяризации ФЛ в поперечном магнитном поле (кривые Ханле) имеют двухступенчатый характер. Сильно зависящая от поля часть, с характерными полями порядка единиц килоэрстед, соответствует электронному вкладу в поляризацию ФЛ. Форма кривой деполяризации электронов хорошо описывается классической лоренцевской зависимостью:

оЛн)=-^т. (3)

Здесь рс(0)=^/(т+т5)=т5/Т5; т, т5, и Т5 - времена жизни экситона, спиновой релаксации и жизни спина,соответственно, Й = частота ларморовой прецессии спина,

■ ц„ - магнетон Бора, ц* - эффективный g-фaктop электрона. Однако определенные из (3) стандартным образом [С9] времена, в первую очередь время жизни, существенно расходятся с известными из литературы данными, полученными средствами время-разрешенной спектроскопии. В качестве одной из возможных причин этого расхождения в диссертации обсуждается неприменимость формулы (3) в условиях сильного электрон-дырочного обменного взаимодействия в эксчтоне [9[. Так. при некоторых частных предположениях учет электрон-дырочного обмена дает:

Р,(Н)-Р<(0)

V и) V Д.-ь )

(4)

Как и (3), формула (4) описывает лоренцевскую зависимость поляризации от поля. Интересно, что полуширина кривой (4), описывающей деполяризацию электронов, зависит от времени спиновой релаксации дырок т^-

Деполяризация дырок происходит в полях величиной порядка десятков килоэрстед. Поскольку поперечный g-фактор тяжелой дырки равен нулю, прецессия дырок начинается по мере смешивания состояний подзон легких и тяжелых дырок поперечным магнитным полем. Другим следствием индуцированного полем смешивания является возникновение линейной поляризации ФЛ при неполяризованном оптическом возбуждении. Экспериментальная проверка показала, что линейная поляризация возникает в полях того же масштаба, что и характерные поля деполяризации дырок в условиях оптической ориентации [7,8].

В узких 40 А .квантовых ямах наблюдаются интересные спектры комбинационного рассеяния света. В этих структурах в условиях резонансной оптической накачки на фононных репликах регистрируется сигнал оптической ориентации [9,10]. Оптическая ориентация предоставляет дополнительные возможности исследования процессов рассеяния света. Например, в одной из исследованных структур ТА-фононный резонанс неразличим в спектре излучения, а наблюдается только в спектре оптической ориентации. Мы наблюдали также оптическую ориентацию и эффект Ханле на lLO-реплике и комбинированных LO-модах, причем в определенных условиях сигнал оптической ориентации на ILO- и 21_0-резонансах оказывался разного знака.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации: I. Установлено, что поляризация экситонной фотолюминесценции кристаллов CdMnTe с большим содержанием марганца (более 10"о) во внешнем магнитном поле определяется не гигантским спиновым расщеплением экситонного состояния, а сравнительно слабым взаимодействием экситонного магнитного полярона с полем. Измерены магнитополевые, композиционные и температурные зависимости поляризации ФЛ: оптически зарегистрирован фазовый переход парамагнетик -спиновое стекло. Получены выражения для степени поляризации ФЛ в двух моделях: для равновесного поляронного ансамбля (в парамагнетике) и в среде со скрытой магнитной анизотропией (в спиновом стекле).

2 Обнаружена резкая кубическая анизотропия линейной поляризации ФЛ в CdMnTe в 1еометрии Фоихга. Сильная зависимость эффекта oi темпсрат\ры и содержания ионов марганца юворит о tov, чю причиной анизотропии янчяютси ичнюнме

корреляции в системе магнитных ионов, обусловленные анизотропными взаимодействиями типа диполь дипольного или Дгялошинского-Морка.

3. Измерены зависимости энергии эксигониого магнитного полярона от внешнего магнитного поля и энергии квантов возбуждающего света в спиновых стеклах СйМпТе. Установлено, "то энергия полярока не зависит от энергии предварительной локализации экситона в широком диапазоне энергий вблизи порога подвижности экситснов. Предложена феноменологическая модель флуктуационного потенциала, формирующего спектр дырок вблизи порога подвижности.

4. Выяснено, что характерная температура подавления эффекта оптически индуцируемой поляризаш. люминесценции (ОИПЛ) близка к температуре перехода спнновое сгекло - парамагнетик. 3 условиях ОИПЛ обнаружен спектральный сдвиг между линиями поляризованной фотолюминесценции. Расчет спектров ФЛ, проведенный для модельной среды со скрытой магнитной анизотропией, позволил объяснить характерную спектральную зависимость эффекта ОИПЛ и установить причину его отсутствия при возбуждении линейно поляризованным светом.

5. Выявлены два канала спиновой релаксации локализованных экситонов, резонансно возбужденных на неосновных подуровнях зеемановского мультиплета в СйМпТе в продольном магнитном поле. Сравнительная эффективность этих каналов зависит ог величины поля: з слабых полях доминирует неупругая релаксация без перенога экентояа, а е сильных преобладает туннелирование с переворотом спина.

6. Проанализированы спектры излучения структур с квантовыми ямами СсГГе/СйМпТе. В частности, показана существенна* роль динамики локализации носителей в формировании дублетчою экситонього спектра, наблюдавшегося и другими авторами. Предложен тест на природу локализованного эксигонного состояния, ответственного за длинноьолновую компоненту дублета.

7. Впервые зарегистрирована оптическая ориентация экситонов в квантозых ямах с п.. магнитными барьерами. Исследованы спектры поляризации ФЛ, спектры возбуждения оптической ориентации и кривые деполяризации люминесценции в поперечном магнитном поле - кривые Ханле. Разделены электронный и дырочный вклады в поляризацию эксичонной люминесценции. Показано, что эффекУ.Ханле на дырках происходит вследствие смешивания состояний дырочных подзон в магнитном поле. В геометрии Фойхта зарегистрировано появление линейной поляризации люминесценции при неполяризованом возбуждении, что 1акжг является результатом смешивания подзон.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Yu.G.Kusrayev and A.V.Koudinov. Magnetic Fkid Induced Polarization of Luminescence in Paramagnetic and Spin Glass Phases of CdMnTe. II Phys. Stat. Solidi (b), 190.315-320(1995).

2. А.В.Кудинов, Ю.Г.Кусраев, В.Н.Якимович. Поляризованная люминесценция CdMnTe вп внешнем магнитном поле. // ФТТ. 37,660-666 (1995).

3. A.V.Koudinov, Yu.G.Kusrayev, K.V.Kavokin, I.A.Merkulov, and B.P.Zakharchenya. Magnetic anisotropy in Cdj.xMnxTe alloys revealed by polarized luminescence. II To be

published in Proc. 23 Int. Sy.np. on Compound Semicond., St.-Petersburg, 1996.

4. Ю.Г.Кусраев, А.В.Кудинов. Оптические исследования локализованных магнитных поляронов в спиновых стеклах CdMn Те. II ФТТ 36, 2088-2098 (1994).

5. Б.П.Захарченя, А.В.Кудинов, Ю.Г.Кусраев. Скрытая магнитная анизотропия в спиновых стеклах CdMn Те. IIЖЗТФ 110, 177-193 (1995)

6. V.F.Aguekian, D.E.Ashenford, B.Lunn, A.V.Koudinov, Yu.G.Kusrayev, and B.P.Zakharchenya. Phot »luminescence spectra of quantum well structures CdTe/CdMnTe in external magnetic field. // Phys. Stat. Solidi (b) 195, 647-652 (1996).

7. Yu.G.Kusrayev, A.V.Koudinov and B.P.Zakharchenya, Optical Orientqtion of Excitons in CdTt/CdMnТе Quantum Wells. II Proc. 22 Int. Conf. Phys. Semicond., Vancouver, Canada, 1994, p.2501-2504.

8. Yu.G.Kusrayev, A.V.Koudinov, B.P.Zakharchenya, W.E.Hagston. D.E.Ashenford, and B.Lunn. Optical Orientation of Excitons in Quantum Wells xuith'Semimagnetic Barriers. //Solid StateCommun.95, 149-151 (1995).

9. Б.П.Захарченя, А.В.Кудинов, Ю.Г.Кусраев. Эффект Хаме в асимметричной Овойпчй квантовой яме CdTe/CdMnTe. // Письма в ЖЭТФ 63, 241-245 (1996).

10. Yu.G.Kusrayev, A.V.Koudinov, K.V.Kavokin B.P.Zakharchenya. D.E.Ashenford, and R.Lunn. Polarized Raman scattering and Hanle effect in CdTe/CdMnTe quantum wells. // Proc. 23 Int. Conf. Phys. Semicond., Berlin, Germany, 1996, p.2459-2462.

Цитированная литература:

CI. Diluted Magnetic Semiconductors, ed. by J.K.Furdyna and J.Kossut, in Semiconductors and Semimetals, ed. by R.K.Wiilardson and A.C. Beer, Vol.25 (Academic Press, New York, 1988)

C2. A.Goinik, J.Ginter and J.A.Gaj. Magnetic polamns- in exciton luminescence of Cd¡. xMnxTc. Hi. Phys. С ¡6, 6073-6084 (1983).

C3. D.R.Yakovlev, V/.Ossau, G.Landwehr, R.N.Sicknell-Tassius, A.Waag, S.Schmeusser, and I.N.Uraltsev. Тно-dimensicna! exciton magneticpolaron in CdTe/Cdj_xMnxTe quantum

well structure:. II Solid State Commun. 82, 29-32 (1992).

C4, X.Liu, A.Petrou, J.Warnock, B.T.Joncker, G.A.Prinz, and J.J.Krete. Spin-dependent type I. type II behavior in a quantum well system. II Phys. Rev. Lett. 63, 228C-22S3 (1984).

C5. J.Stahler, G.Schaack, M.Dahl, A.Waag, G.Landwehr, K.V.Kavokin and I.A.Merkulov. Multiple MrJ+-Spin-Ftip Raman Scattering at High Fields via Magnetic Polaron States in Semimagr.etic Quantum Wells. II Phys. Rev. Lett. 74, 2567-2570 (1995).

C6. S.N.Jasperson, S.H.Schnatterly. An improved method for high reflectivity ellipsometry based on a ne^v polarization modulation technique. И Rev. Sci. Instr. 40, 76! (1969).

C7. Б.П.Захарченя, Ю.Г'.Кусраев. Оптическое проявление спин-стеколышх свойств папумогнитиых полупроводников. И Письма в ЖО; Ф 50, 199-201 (1989).

СЗ. J.Warnock, R.N.Kershaw, D.Ridgely. K.Dwight, A.Woid, and R.R.Galazka. Localized excitons and magnetic polaron formation in (Cd.Mn)Se and (Cd.Mn)Te. II J. Lumin. 34, 25-35(1935).

C9. Оптическая ориентация. Под ред. Б.П.Захарчени и Ф.Манера. Л., Наука, 1989.

CIO. D.D.Sell and H.C.Casey, Jr. Optical absorption andpliotoluminescence studies of thin CaAs layers in GaAs - AlxGaj.xAs double hcterostruciures. // J.Appi.Phys. 45, 800-807

(1974). •

Cll. W. Heimbrodt, O. Goede, Tli, Kopp, H.-E. Gumlich. H. Hoffman, V. Siuten-baurner, B. Lunn, and D. E. Ashenford. Magneto-optical study of donor-bound excitons in CdTe/CdMnTe-MQ W urtictui s. // Proc. 20-th Int. Conf. Phys. Semicond., Tbessaloniki, Greece. 1990. p 1190-1193.

CI2. J.P.J.ascaray, A.Kavokin, Yu.Rubo, A.Ribayrol, N.Paganotto, D.Coquillat. and J.Cibert. Temperature and magnetic field dependence of the free and bour.d exciton luminescence in CdTe/CdMn Те quantum well. II Mater. Sci, Forum 182-184. 643-646 (1994).