Экситонные магнитные поляроны в полупроводниковых квантово-размерных гетероструктурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

¡fficub^eßif Utöfito Николаевичу,

моему цчи/пемо посвящается

ЯКОВЛЕВ Дмитрий Робертович

ЭКСИТОННЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯРОНЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВО - РАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ

(01.04.07 - физика твердого тела)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт - Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................5

Сокращения и используемые обозначения..............13

Гл. I Свойства широкозонных полумагнитных полупроводников и

гетероструктур на их основе..................15

§1.1 Основные свойства полумагнитных полупроводников............16

1.1.1 Система магнитных ионов..................................18

1.1.2 Носители заряда и их взаимодействие с системой магнитных ионов...........................26

1.1.3 Энергетическая и спиновая релаксация магнитных ионов и носителей в полумагнитных полупроводниках........31

§1.2 Магнитные полкроны в полумагнитных полупроводниках.....35

§1.3 Гетероструктуры на основе полумагнитных полупроводников . . 45

1.3.1 Компоненты квантового конструктора и типы гетероструктур . 45

1.3.2 Гетероструктуры во внешнем магнитном поле.........49

1.3.3 Оптические свойства гетероструктур........................58

§1.4 Экспериментальные методы и исследуемые структуры.....67

Резюме к главе I..................................................69

Гл. II Условия формирования магнитных поляронов в системах

различной размерности......................................71

§2.1 Теоретические аспекты формирования магнитных поляронов в

системах пониженной размерности............................72

§2.2 Метод селективного возбуждения для исследования свойств

экситонных магнитных поляронов...............81

§2.3 Экситонные магнитные поляроны в толстых эпитаксиальных

слоях (31) система)......................98

2.3.1 Магнитные поляроны в (Сс1,Мп)Те.............98

2.3.2 Магнитные поляроны в (С(1,Мп5М§)Те и (Сс1,Мп,гп)Те ... 106

2.3.3 Локализация зкситонов, обусловленная формированием магнитных поляронов...................113

§2.4 Экситонные магнитные поляроны в квантовых ямах (2В система) 119 §2.5 Экситонные магнитные поляроны в сверхрешётках

(переход от ЗБ к 2В системе).................127

2.5.1 Спиновые сверхрешётки (С<1,Мп)Те/(С(1,М£)Те.......127

2.5.2 Сверхрешётки типа I С<1Те/(С(1,Мп)Те...........129

Резюме к главе II.........................134

Гл. III Динамика формирования магнитных поляронов..............136

§3.1 Теоретические аспекты динамики формирования магнитных

поляронов..............................136

§3.2 Динамика формирования экситонных магнитных поляронов . . . 141

3.2.1 Эпитаксиальные слои (ЗБ система) .............141

3.2.2 Квантовые ямы (2Б система)................144

§3.3 Проявление релаксационных процессов в системе

взаимодействующих магнитных ионов в динамике

формирования поляронов....................149

§3.4 Оптическая ориентация магнитных поляронов.........157

§3.5 Иерархия релаксационных процессов при формировании

экситонных магнитных поляронов...............170

Резюме к главе III.............................174

Гл. IV Эффекты, определяемые анизотропией магнитных поляронов

в гетероструктурах..........................................176

§4.1 Теоретическое рассмотрение.................177

§4.2 Подавление квази-двумерных магнитных поляронов во внешнем

магнитном поле..............................................182

§4.3 Понижение симметрии основного состояния экситона в квантовой яме при формировании магнитного полярона

во внешнем магнитном поле..................188

§4.4 Механизм формирования магнитного полярона с передачей

энергии в зеемановский резервуар системы магнитных ионов ... 196

Резюме к главе IV.............................206

Гл. У Оптическая характеризация магнитных свойств полумагнитных

полупроводниковых гетероструктур......................207

§5.1 Экситонная спектроскопия как метод исследования локальных

характеристик системы магнитных ионов...........208

§5.2 Переход в фазу спинового стекла в 3D и 2D системах......215

§5.3 Гистерезисные явления в полумагнитных сверхрешётках ..... 233

Резюме к главе V .............................239

Заключение........................................................242

Литература.............................244

Публикации по теме диссертации.....................244

Публикации не вошедшие в диссертацию ..............249

Цитируемая литература......................253

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Открытие в 1976 г. полумагнитных полупроводников (п/м п/п) ознаменовало появление нового направления физики твёрдого тела, находящегося на стыке физики полупроводников, магнетизма и неупорядоченных систем. Обменное взаимодействие носителей заряда с магнитными примесями (ионами переходных металлов с нескомпенсированным спином), заместившими часть ионов полупроводника, существенно модифицирует оптические и транспортные свойства полупроводникового материала. Оно в тысячи раз усиливает магнитооптические эффекты, приводит к гигантскому спиновому расщеплению зонных состояний, гигантскому эффекту фарадеевского вращения плоскости поляризации света и даёт целый спектр новых эффектов, изучение которых важно для понимания фундаментальных физических явлений и перспективно с точки зрения их практического применения.

Уникальное сочетание полупроводниковых и магнитных свойств делает полумагнитные полупроводники важными модельными объектами для исследования: спин-зависимых явлений в полупроводниках, свойств неупорядоченной спиновой системы, переходящей при определённых условиях в фазу спинового стекла, магнитополяронного эффекта. Использование оптических методов, а также сочетание оптических и магнитометрических методов значительно расширяет экспериментальные возможности иследования свойств этих модельных объектов.

Современный уровень эпитаксиальных технологий роста полупроводниковых квантово-размерных гетероструктур, в особенности метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), позволяет производить структуры с

толщинами слоев в несколько постоянных решётки. При этом имеется возможность варьировать в широких пределах состав слоев, получая сложные структуры с заданным профилем потенциального рельефа для носителей заряда, контролируемым распределением магнитных примесей и необходимыми оптическими свойствами. Полупроводниковые структуры с пониженной размерностью - квантовые ямы, гетеропереходы и др., являются перспективными материалами микро- и оптоэлектроники. Они позволяют реализовать переход от трёхмерной к двумерной системе, что значительно повышает ценность полумагнитных гетероструктур как модельного объекта. Первые полумагнитные гетероструктуры были выращены методом МПЭ в 1984 г., а интенсивные работы их по росту и исследованию начавшись в 1989-90 гг. продолжаются и в настоящее время.

Поляроном называют состояние носителя заряда в релаксирующей среде часть энергии которого зарабатывается за счёт поляризации окружающей среды. Наиболее изученными являются фононные поляроны скоррелированные состояния электрона и колебаний решётки. В случае мешитных поляронов поляризация среды осуществляется за счёт обменного взаимодействия спина носителя и локализованных магнитных моментов, и приводит к ориентации последних в области локализации носителя. Вопрос о критериях стабильности поляронных состояний и их модификации при понижении размерности системы представляет широкий интерес и выходит за рамки физики полумагнитных полупроводников. Сам процесс формирования магнитного полярона тесным образом связан с динамическими свойствами полумагнитных полупроводников, определяющими характер взаимодействия систем носителей заряда, магнитных ионов и фононов.

Целью настоящей работы является всестороннее исследование методами оптической спектроскопии экситонных магнитных поляронов в двумерных и трёхмерных системах, реализуемых в полумагнитных полупроводниках и квантово-размерных гетероструктурах на их основе.

Научная новизна работы определяется рядом перечисленных ниже новых результатов.

Впервые обнаружен и исследован двумерный магнитный полярон в полумагнитных полупроводниковых гетероструктурах (квантовых ямах и сверхрешётках). Показано, что уменьшение размерности системы от трёхмерной к двумерной значительно облегчает условия формирования магнитных поляронов, что находится в качественном согласии с теоретическими предсказаниями.

Формирование экситонных магнитных поляронов (ЭМП) исследовано в эпитаксиальных слоях Сс11.хМпхТе, Сс11-х-уМпх]\/^уТе и Сё 1 -х_уМпх2пуТе в широком интервале составов д;=0-*-0.4. Установлена решающая роль начальной локализации экситона для формирования ЭМП в трёхмерной системе.

Показано, что динамика спиновой организации в процессе формирования ЭМП определяется характерным временем спин-спиновых взаимодействий в системе магнитных ионов. Обнаружен эффект насыщения релаксационных каналов в системе магнитных ионов, приводящий к замедлению формирования ЭМП.

Установлена иерархия релаксационных процессов при формировании экситонных магнитных поляронов. Определены характерные времена и механизмы, соответствующие всем этапам формирования ЭМП.

Предложен и экспериментально обнаружен новый механизм формирования магнитных поляронов в гетероструктурах, обеспечивающий

быструю передачу энергии в зеемановский резервуар, формируемый спинами Мп, прецессирующими во внешнем и обменном полях. Этот механизм на порядок величины сокращает время формирования ЭМП.

Обнаружен эффект спонтанного понижения симметрии системы при формировании двумерного магнитного полярона в магнитном поле, лежащем в плоскости квантовой ямы.

Оптическими методами исследована модификация магнитных свойств системы магнитных ионов вблизи гетерограницы немагнитный / полумагнитный п/п и в тонких слоях п/м п/п. Показано, что фаза спинового стекла не формируется в квази-двумерных слоях п/м п/п толщиной менее 20А, что совпадает с теоретическими представлениями о том, что критическая размерность системы, обеспечивающей формирование спинового стекла, лежит между 2В и ЗО.

Обнаружен эффект фотоиндуцированной смены знака магнитного гистерезиса, связанный с динамическим намагничиванием спиновых кластеров фотоносителями в процессе их спиновой релаксации.

Практическая значимость работы. В диссертации получена новая информация о п/м п/п гетероструктурах, их оптических и магнитных свойствах, статических и динамических характеристиках.

Экспериментальные данные по формированию экситонных магнитных поляронов в двумерных и трёхмерных системах стимулировали теоретическую разработку проблемы формирования магнитных поляронов в системах различной размерности. Это позволило установить основные механизмы, ответственные за энергетические и динамические характеристики магнитных поляронов.

Научные выводы носят общий характер и не ограничиваются объектами исследования, используемыми в работе. Они относяться ко всему классу полумагнитных полупроводников и могут быть использованы в исследованиях по физике поляронных состояний и неупорядоченных спиновых систем. Результаты работы могут быть полезны для разработки оптических методов характеризации магнитных свойств тонкослойных структур.

Основная научная и практическая ценность работы заключается в фундаментальном характере исследованных явлений и установленных закономерностей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В формировании экситонных магнитных поляронов в полумагнитных полупроводниках и гетероструктурах на их основе доминирующую роль играют условия начальной локализации экситонов. Начальная локализация экситонов определяется немагнитным потенциальным рельефом и магнитными флуктуациями.

2. Понижение размерности системы от трёхмерной к двумерной, экспериментально реализованное в квантово-размерных гетероструктурах на основе полумагнитных полупроводников, существенно облегчает условия формирования магнитных поляронов. Этот результат находится в согласии с теоретическим выводом о стабилизации автолокализованных состояний в низкоразмерных системах.

3. Динамика формирования экситонных магнитных поляронов определяется характерным временем спин-спиновых взаимодействий в системе магнитных ионов. В двумерной системе изменение волновой функции экситона в процессе формирования магнитного полярона в несколько раз удлиняет время его формирования.

4. Иерархия релаксационных процессов при формировании экситонных магнитных поляронов включает три основных этапа:

0) быстрая релаксация спина экситона на направление момента магнитной флуктуации (<1 пс);

(И) энергетическая и спиновая релаксация магнитных ионов в объёме локализации экситона, приводящая к их выстраиванию и формированию магнитного полярона (-100 пс);

(Ш) медленная релаксация магнитного момента полярона на направление внешнего магнитного поля (~1-н10 не).

Рекомбинация экситонов происходит за времена характерные для второго этапа. Она может прерывать процесс формирования магнитного полярона и препятствовать равновесному распределению поляронных магнитных моментов во внешнем магнитном поле.

5. В полумагнитных гетероструктурах имеется эффективный механизм формирования магнитных поляронов за счёт передачи энергии из резервуара обменного взаимодействия носителя с магнитными ионами в зеемановский резервуар, формируемый спинами Мп, прецессирующими во внешнем и обменном полях. Этот механизм на порядок сокращает характерные времена формирования магнитных поляронов.

6. Стоксов сдвиг экситонной линии люминесценции в полумагнитных полупроводниках и гетероструктурах на их основе определяется конкуренцией между магнитной и немагнитной локализацией и зависит от температуры и величины внешнего магнитного поля, с увеличением которых подавляется вклад магнитных механизмов в локализацию экситонов.

7. Магнитные свойства полумагнитных полупроводниковых гетероструктур, определяемые системой взаимодействующих магнитных ионов,

существенно модифицируются вблизи гетерограниц и в тонких квазидвумерных слоях.

Апробапия работы. Основные результаты работы докладывались на многих отечественных и международных коференциях, симпозиумах, семинарах и школах по физике полупроводников и полупроводниковых гетероструктур. Приглашенные доклады были представлены на: конференции Немецкого Физического общества (Регенсбург, Германия, 1992); конференции по оптике экситонов в квантово-размерных системах (Монпелье, Франция, 1993); конференции по тонким пленкам (Вена, Австрия, 1993); конференции по применению сильных магнитных полей в физике полупроводников (Кембридж, США, 1994); конференции по полумагнитным полупроводникам (Линц, Австрия, 1994); конференции по физике и технологии мезоскопических систем (Черноголовка, Россия, 1994); симпозиуме по физике и технологии наноструктур (С.-Петербург, Россия, 1995); конференции по модулированным полупроводниковым структурам (Мадрид, Испания, 1995); Российской конференции по физике полупроводников (С.-Петербург, Россия, 1996); международной школе по полупроводниковым материалам (Яжовиц, Польша, 1996); зимней школе по физике полупроводников (Зеленогорск, Россия, 1997). Цикл работ А.В.Кавокина, К.В.Кавокина, И.А.Меркулова и Д.Р.Яковлева "Магнитные поляроны в полумагнитных полупроводниковых гетероструктурах" был удостоен премии Учёного Совета ФТИ им.А.Ф.Иоффе за 1996 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 56 работах, одна из которых является обзором.

и

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, и заключения. Объём диссертации составляет 266 страниц, включая 89 рисунков, и список литературы из 334 наименований, включая работы автора.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводятся необходимые сведения об оптических и магнитных свойствах широкозоных п/м п/п и гетероструктур на их основе и сделан обзор литературы по проблеме магнитного полярона до 1990 г., т.е. на момент начала исследований, представленных в настоящей работе. Во второй главе исследованы условия формирования экситонных магнитных поляронов в трёхмерных и двумерных системах. Динамическим аспектам формирования ЭМП посвящена глава III. В четвёртой главе рассматриваются эффекты, связанные с анизотропной спиновой структурой магнитополяронных состояний в квантовых ямах. Пятая глава посвящена исследованиям оптическими методами магнитных свойств п/м п/п. Основные результаты и выводы представлены в конце каждой главы.

Библиография разделена на три части. В первую часть включены работы автора, в которых опубликованы основные результаты по теме диссертации. Вторую часть составляют публикации автора, относящиеся к исследованию оптических свойств гетероструктур на основе II-VI полупроводников, но не рассматриваемые непосредственно в настоящей диссертации. В третью часть включена цитируемая литература.

Сокращения и используемые обозначения

ГСР гигантское спиновое расщепление

КЯ квантовая яма

ЛМП локализованный магнитный полярон

ЛЭМП локализованный экситонный магнитный полярон

ME край подвижности (mobility edge)

М�