Гетероструктуры на основе халькогенидов европия и свинца тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

НИКОЛЬСКАЯ ЛЮДМИЛА ВЛАДИМИРОВНА

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ЕВРОПИЯ И СВИНЦА

01.04.10 — физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Курск 2006

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, профессор

Головнев Юрий Филиппович

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор

Панин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Родионов Александр Андреевич

доктор физико-математических наук, профессор

Вахитов Роберт Миннисламович

Ведущая организация: Московский государственный

университет им. М.В. Ломоносова

Защита состоится « ^ » 2006 г. в /^часов на заседании

диссертационного совета К 212.105.03 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040 г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ по адресу: 305040 г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Автореферат разослан: «/& » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук(_/''<'сЛг7С Л.И. Рослякова

У .и.:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ведутся активные экспериментальные исследования ферромагнитных полупроводниковых гетероструктур. Особенностью подобных структур является возможность управления их электрическими, магнитными, оптическими, магнитооптическими и частотными характеристиками с помощью внешнего электрического или магнитного полей, дающих дополнительную «степень свободы», что не всегда допустимо для гетероструктур на базе немагнитных полупроводников. В такого рода структурах могут быть достигнуты предельные возможности записи информации, где ее носителем будет спин электрона. Очевидным возможным практическим применением описанных эффектов является создание нового поколения узкополосных устройств твердотельной электроники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, модулируемых и перестраиваемых по частоте магнитным полем.

Главной задачей работы являлся анализ магнитных и оптических свойств сверхрешетки на основе парамагнитный полупроводник — ферромагнитный полупроводник, обладающих почти идеальным согласованием постоянных кристаллических решеток.

Моносульфид европия (ЕиБ) — ферромагнитный полупроводник с сильной спиновой поляризацией носителей тока. Материал обладает кристаллической структурой типа №С1, что позволяет, при использовании моносульфида свинца (РЬБ) в качестве партнера по гетероструктуре, получать идеальные гетеропереходы. Наличие общего аниона 8 в халькогенидах свинца и европия не дает скачка потенциала в области валентных зон на гетеропереходе РЬБ-ЕиБ. Разрыв потенциала на 2,9 эВ происходит в области зон проводимости этих полупроводников и приводит к образованию глубоких квантовых ям. Это учитывалось при моделировании гетероперехода, а также при расчете и анализе энергетических диаграмм и спектров сверхрешетки РЬБ-ЕиЗ.

Цель работы. Создание «идеальных» моделей гетероперехода и сверхрешетки «ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник», расчет их энергетических диаграмм и спектров, анализ физических свойств, которые могут быть ирпользованы в практических приложениях. А также исследование условий образования бозе-конденсата из триплетных экситонов высокой плотности и большим временем жизни в ферромагнитных слоях таких гетеросистем.

Основные задачи;

- выбор гетеропары ферромагнитный полупроводник — парамагнитный полупроводник, удовлетворяющей требованиям максимального соответствия параметров , кристаллических решеток (рассогласование менее 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией;

- на основе подобранных полупроводников построить модель гетероперехода и сверхрешетки РЬБ-ЕиБ;

- провести расчеты и анализ энергетических диаграмм гетероперехода и минизонной структуры сверхрешеток на основе моносульфидов европия и свинца;

- проанализировать возможность создания устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов и рассчитать энергию таких экситонов в сверхрешетке РЬБ-ЕиБ при достаточно высоких температурах (>15 К);

- проанализировать свойства гетероструктур на основе ферромагнитного (ЕиБ) и парамагнитного (РЬ5) полупроводников с целью их использования в спинтронике, а также возможность создания на основе рассматриваемых материалов приборов экситонной спектроскопии;

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что впервые: анализируется гетеропереход и сверхрешетка, состоящие из парамагнитного полупроводника РЬ8 и ферромагнитного полупроводника ЕиБ;

- построена энергетическая диаграмма гетероперехода РЬЗ-ЕиЭ;

- рассчитан энергетический спектр сверхрешетки РЬБ-ЕиБ; определено влияние «закрытых квантовых ям» на проводящие свойства сверхрешетки РЬБ-ЕиБ;

- рассчитаны энергии прямых и межъямных экситонов в сверхрешетках на основе сульфидов европия и свинца;

- проанализированы условия достижения высокой экситонной плотности и возможность образования бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов в сверхрешетке РЬБ-ЕиЗ.

Практическая значимость. Рассмотренная модель сверхрешетки РЬБ-ЕиБ может использоваться при создании высокочастотных устройств электроники, а также в качестве материала для устройств спиновой информатики.

При достижении достаточных критических плотностей экситонов появляется возможность создания на основе рассматриваемых материалов приборов экситонной спектроскопии, оптических модуляторов, фазовращателей, переключателей и бистабильных элементов, оптических транзисторов и лазеров, где могут быть успешно использованы свойства экситонного газа.

Достоверность полученных результатов. Результаты теоретического расчета зонной структуры сверхрешеток на основе сульфидов европия и свинца, а также энергии экситонов, приведенные в диссертации, позволили детально объяснить результаты экспериментальных исследований по экситонной люминесценции в сверхрешетках РЬБ-БиЭ, по определению силы осциллятора экситонов, а также появлению поляризованного туннельного тока в рассматриваемых гетеросистемах.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование выбора компонентов гетероперехода и их структурного соответствия.

2. Результаты расчета энергетического спектра и минизонной структуры сверхрешетки РЬЭ-ЕиЗ.

3. Результаты расчета энергии прямых и межьямных экситонов в сверхрешетке РЬБ-ЕиБ.

4. Выводы по результатам анализа физических свойств сверхрешетки РЬ5-ЕиБ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-ой научной молодежной школе «Микро- и наносистемная техника» (Санкт-Петербург, 2002), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2002), IV Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2003), Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2003), 7-ой научной молодежной школе по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» (Санкт-Петербург, 2004), XIX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, МГУ, 2004), Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2004), 6-ой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников «Полупроводниковая опто- и наноэлектроника» (Санкт-Петербург, 2004), Международной конференции по физике электронных материалов «ФИЭМ-2005» (Калуга, 2005), Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2005), 7-ой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников «Полупроводниковая опто- и наноэлектроника» (Санкт-Петербург, 2005), 5-ой Теренинской научно-практической конференции «Взаимодействие света с веществом» (Калуга, 2006), XX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, МГУ, 2006), VIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006), VI Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006).

Личный вклад соискателя. Автором работы получены основные результаты и научные положения, выносимые на защиту. Им также проведен анализ полученных результатов теоретических исследований и подготовлены все материалы к опубликованию. Вклад соавторов в опубликованных в соавторстве работах заключается в формулировке общей концепции исследования и постановке задач (научный руководитель), при обсуждении и описании результатов.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано шесть статей, восемь материалов и восемь тезисов докладов конференций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 119 страницах, иллюстрируется 29 рисунками, сопровождается 6 таблицами и включает в себя введение, 4 главы, общие выводы и список используемой литературы, включающий 147 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи, выносимые на защиту, показаны научная новизна и прикладное значение работы.

В первой главе приведен критический анализ степени изученности, выбранных для формирования гетероперехода и сверхрешетки, объектов — моносульфидов свинца и европия. Обоснован выбор этих компонентов в качестве «идеальных» для создания гетероперехода и сверхрешетки. Рассмотрены теоретические методы расчета, используемые в диссертации.

Исследование и реализация переноса пространственно-ориентированного спина электрона в настоящее время осуществляется в спинтронике и связаны с разработкой и созданием квантовых одноэлектронных логических структур и спин-информационных систем для информатики.

Значительный прогресс в данной области возможен при использовании в качестве основы ферромагнитных полупроводников.

Рекордный для ферромагнетиков магнитный момент, приходящийся на один ион, наблюдается в кристаллах монохалькогенидов европия (~7цБ, цБ — магнетон Бора). Причем этот момент обусловлен чисто спиновой составляющей 4 ^-оболочки иона Еи2+. Величина намагниченности насыщения достигает значения —2-^-2,5Тл для температуры Т—>0К. Это приводит к тому, что носители тока в ферромагнитном полупроводнике максимально поляризованы по спину. Также, интерес к моносульфиду европия возрастает и в связи с возможностью управления его электрическими и оптическими свойствами с помощью внешнего магнитного поля и изменения температуры. Например, магнитным полем можно влиять на концентрацию и подвижность носителей тока в зоне проводимости при максимальной спиновой ориентации. И в тоже время, являясь слабо анизотропным и магнитомягким соединением, халькогенид европия занимает особое место и в ряду магнитных полупроводников. Описанные свойства ЕиБ позволяют значительно расширить его практическое применение. Особенно перспективным представляется создание на его основе сверхрешеток для реализации спинового транспорта. При низких температурах халькогенид европия обладает полностью ферромагнитно упорядоченной структурой локализованных магнитных моментов ионов Еи2+, обусловленных 4 ^-электронами. Это в свою очередь приводит к почти 100% спиновой поляризации носителей тока. Такая высокая поляризация по спину в классических ферромагнитных металлах не достижима, так как высокая плотность электронов в металлах (п~1022см'3) не позволяет получить, вследствие рассеяния, большую длину свободного пробега спина и спиновая поляризация не превышает 10%. В ферромагнитных полупроводниках она достигает 96%, что близко к теоретическому пределу. Это обстоятельство является определяющим для использования подобных материалов в сверхрешетках для сгшнтроники.

Монохалькогенид европия обладает простой кристаллической структурой (типа ЫаС1) и пространственной группой симметрии 0\. В кристаллической

решетке каждый ион Еи2+ находится в центре октаэдра анионов Б. Вторая координационная сфера состоит из двенадцати катионов европия.

Отличительной особенностью энергетического спектра халькогенида европия является наличие наполовину заполненных 4 Р-уровней в запрещенной зоне, ширина которой составляет В3,1 эВ. Зона проводимости образуется из 5(1-состоянии катионов Еи2+ и частично гибридизована с его бе-состояниями. Валентную же зону создают 2р-состояния анионов серы. Эффективная запрещенная зона составляет 3-1,64 эВ.

В качестве источника пространственно ориентированных спинов мы рассматриваем халькогенид европия (ферромагнитный материал). При этом возникает задача подобрать ему парамагнитный слой, с которым бы он образовал гетеропереход, удовлетворяющий основным требованиям, предъявляемым соответствующим гетероструктурам.

Таким образом, поиск «идеальной пары», составляющей сверхрешетку, представляет собой одну из важных, но сложных проблем в современной физике низкоразмерных систем. Задача заключается в том, чтобы подбираемые элементы обладали определенными свойствами. Прежде всего, совместимостью кристаллической и зонной структур, а так же электрических, тепловых и др. параметров. Причем, материалы пары должны удовлетворять самому важному условию: иметь близкие значения постоянных решетки. В противном случае на гетерогранице появляются дислокации несоответствия, приводящие к появлению зарядовых ловушек, которые не позволяют использовать полезные свойства составляющих компонент в практических целях. Поэтому при выборе пары для моносульфида европия выбор пал на сульфид свинца, так как тип симметрии и постоянные решеток этих полупроводников практически совпадают.

Параметры зонной структуры халькогенидов свинца и европия приведены в таблице 1:

Таблица 1.

Физические параметры РЬЭ ЕиЭ

Тип структуры Постоянная решетки а, А Пространственная группа Ширина запрещенной зоны ДЕ, эВ Расстояние между 4С7- уровнями и дном зоны проводимости Е8, эВ т /то — эффективная масса 1Чаа 5,95 01 =РтЗт 0,29 0,09 ЫаС1 5,96 0\ =РтЗт 3,10 1,64 0,45

Глава 2. Обычно, при исследовании новой гетероструктуры прежде всего строят энергетическую зонную диаграмму гетероперехода, составляющих ее полупроводников, которая позволяет принципиально определить область практического применения данной гетеросистемы. Поэтому исследование гетероструктур из халькогенидов свинца и европия было начато с построения энергетической зонной диаграммы гетероперехода РЬЗ-ЕиБ.

В данной главе подобные теоретические расчеты проведены на основе диффузионной модели Андерсона, которая оптимально подходит для рассматриваемой системы, так как на гетерогранице не образуется приповерхностный заряд.

В начале сопоставлялись основные параметры материалов составляющих сверхрешетку (они представлены в таблице 2). Выбрано направление (111), совпадающее с осью z сверхрешетки. При этом учтено, что потолок валентной зоны в обоих материалах образован р-состояниями серы. Поэтому, согласно «правилу общего аниона» валентные зоны PbS и EuS будут находиться на одном уровне, а заполненная 4Г-полоса сульфида европия выше дна зоны проводимости сульфида свинца. Такая конфигурация энергетических зон отдельно для каждого слоя представлена на рис. 1. Индексами 1 и 2 отмечены основные характеристики слоев PbS и EuS (соответственно).

Таблица 2.

Основные параметры халькогенидов европия и свинца

Сульфид Электронное сродство х, эВ Работа выхода <р, эВ Ширина запрещенной зоны Ее,, эВ Статическая диэлектрическая проницаемость е

EuS 2,70 2,84 3,10 10,2

PbS 4,06 4,21 0,29 195,0

PbS

Ф1

Е.:

е.,-

Xi

EuS

Х2

уровень вакуума

<Р2

H4f

• Ev2 -> z

Рис 1. Энергетическая зонная диаграмма до образования п-Ы гетероперехода РЬЗ-ЕиБ. (Ес - дно зоны проводимости, Еу — потолок валентной зоны, Б —

уровень Ферми).

Для расчета электронной плотности на гетеропереходе, высоты и дальности изгиба зон после выравнивания уровней Ферми на гетероконтакте (рис.2) использовалось уравнение Пуассона:

= <»>

¿с е

где Ф — потенциал, р - плотность заряда, ае — статическая диэлектрическая проницаемость.

Проделанные расчеты позволяют сделать важный для практического применения выводы, а именно: гетеропереход халькогенид европия — халькогенид свинца является резким гетеопереходом, в котором потенциальная

яма образована только за счет разрыва зон проводимости рассматриваемых материалов; в результате образования гетероперехода плотность электронов в сульфиде свинца возрастает до 1021см"3 за счет их перетекания из слоя сульфида европия. При этом, уровень Ферми в РЬБ поднимается выше, чем на 5к,Т и, таким образом, моносульфид свинца переходит в вырожденное состояние; из-за глубокой потенциальной ямы (~2,9 эВ), резко уменьшаются токи утечки, что может найти применение на практике при создании гетеролазеров, полевых гетеротранзисторов и биполярных транзисторов с широкозонным эмиттером.

уровень вакуума Ес2

4Г

Рис 2. Модель энергетической диаграммы гетероперехода РЬБ-ЕиБ.

Однако, для гетероструктуры на основе ферромагнитного и парамагнитного полупроводников, выше рассмотренного анализа на основе уравнения Пуассона, недостаточно. Ферромагнитный порядок в слое сульфида европия существенно зависит от концентрации электронов проводимости, которая изменяется при гетероконтакте с парамагнетиком: на границе она возрастает, а в глубину Еи8 падает по квадратичному закону (обедненный слой). В соответствии с этим изменяется и ферромагнитное упорядочение на гетерогранице, где концентрация достигает ~1021см"3. Косвенный обмен за счет этих электронов возрастет и установившийся ферромагнитный порядок приведет к понижению высоты барьера и оттоку электронов в эту область с обеих сторон, что обусловит дальнейшее его понижение.

! А \ \ \ /X 1 к ф г

..^Л".__________

Рис.3. Изменение энергетической диаграммы гетероперехода РЬБ-Еив с ростом косвенного обмена в области зоны проводимости ЕиБ.

Это изменит квадратичную зависимость (рис.3) с одной стороны, а с другой проявится в образовании сверхрешетки типа ферромагнетик-парамагнетик, смещенной относительно кристаллической свехрешетки ЕиБ-РЬБ (рис.4).

Здесь ферромагнитная часть сосредоточена на гетерогранице в области, размеры которой были найдены нами при решении уравнения Шредингера следующего вида:

7т {аг 2 ') 2е

у/ = Еу/,

(2)

где А — интеграл з^обмена, Тк — «поверхностная» температура Кюри, 5 — спин магнитного атома Ей, О - площадь ферромагнитной области, т — эффективная масса электрона, е— диэлектрическая проницаемость, а — постоянная решетки, г—расстояние от гетерограницы вглубь слоя Еи8, о(г е равна единице внутри ферромагнитной микрообласти и нулю вне ее, \е\п — плотность положительного заряда в приповерхностной области сульфида европия.

РЬБ

^ £ я £

фм; пм ¡фм \ ^

РЬв

Я с?

I £

^ к

Ф!^ ПМ | ФК

РЬЭ

Рис. 4. Образование сверхрешетки типа ферромагнетик — парамагнетик в кристаллической сверхрешетке РЬБ-ЕиЗ (ферромагнитные области

заштрихованы).

Используя вариационную процедуру и пробные функции вида:

где Ъ — вариационный параметр, определяемый из условия минимизации энергии системы с гамильтонианом (2) и функциями (3). Считая малой величиной в (2):

ТкП АЗ

(3)

и--

-гг = 1,2эВ для слоя ЕиБ, были найдены

так как — =0ДэВ, ^г = 0,ЗэВ, г.

2 а 2е

размеры ферромагнитной области на гетеропереходе. Они оказались ~ 20 В этой области дно зоны проводимости может опускаться до 0,25эВ, предоставляя тем самым возможность другим электронам просачиваться в слой ЕиБ.

Подобное уточнение энергетической диаграммы гетероперехода должно быть учтено при анализе спин-поляризованного транспорта, где предполагается применение рассматриваемых гетеросистем.

Глава 3. Для более полного анализа зонных параметров рассматриваемой гетероструктуры РЬБ-ЕиБ необходимо рассчитать энергетический спектр и ее минизонную структуру, возникающую благодаря дополнительному одномерному периодическому потенциалу У81(г), который накладывается на периодический потенциал кристаллической решетки У(г).

В данной главе впервые рассчитываются энергетический спектр и минизонная структура сверхрешетки РЬБ-БиЭ методом огибающей функции в приближении эффективной массы.

Рассматривается композиционная система, образованная чередованием слоя А — халькогенида свинца и слоя В — халькогенида европия (рис.5). Учитывается, что границы между слоями являются резкими и длина свободного пробега электрона превосходит период сверхрешетки. Это позволяет не учитывать эффекты рассеивания.

.4 £

еЫ

<1в

Рис.5. Модель сверхрешетки ЕиБ-РЬБ (без учета искривления зон и расщепления по спину).

Вычислить зонную структуру сверхрешетки РЬБ-ЕиБ позволило уравнение Шредингера в приближении эффективной массы с одномерно-периодическим потенциалом (г) в зоне проводимости, записанное в следующем виде:

(4)

Здесь у{г)= Х^/^КС'О» а огибающие функции сверхрешетки РЬБ-Еив;

1

и, (г)— периодические блоховские функции. При этом волновые функции РЬЭ и ЕиБ сшиваются на гетерогранице (2=0), а граничные условия для огибающих функций и их производных имеют вид:

РМ

а^М = Т аг

где ^ и Рв — огибающие функции в слоях РЬБ и ЕиБ, соответственно; а — постоянная решеток этих материалов; Т11Л ~ матрица переноса, содержащая информацию о структуре и свойствах гетероперехода:

О

О

'„А,

в области которого ЛА и Лв - ширина запрещенных зон в слоях А и В, <л, 'в, <лв — энергии переноса.

Решения уравнения (4) удовлетворяют следующему соотношению:

кг-к2

ссъ{М) = ъ\п(к{1л > А (к2с1в ) + со$(к{(1л )сИ(к2с1в), (5)

где к — волновой вектор сверхрешетки, величина которого изменяется в

пределах первой зоны Бриллюэна (-жМШШл/ф, к. = У2"1*- , к2 = ^2т?

А А

с1=с1А+с1в.

Исходя из этого, находилась энергия как функция от Л и учитывались только такие значения, для которых левая часть (5) попадает в интервал от —1 до 1.

Численные расчеты были проведены для композиционной системы с толщиной слоев йл=Знм и ¿4=1,5нм, когда энергетические уровни в квантовой яме слоя РЬБ расширяются в минизоны, что является следствием влияния периодического потенциала сверхрешетки. В исследуемом интервале энергий О < £ < 3,1 эВ получено одиннадцать подзон. Положение, ширина и смещение этих минизон от уровней размерного квантования изолированной ямы приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Сопоставление энергетических спектров сверхрешетки при с1РЬз=3 нм, сЗЕи5=1,5 нм и изолированной квантовой ямы толщиной <1=3 нм.

№ Положение Положение Ширина Сдвиг

дна подзоны, эВ потолка подзоны, эВ подзоны, мэ В дискретного уровня, мэВ

1. 0,130 0,144 14 5,7

2. 0,365 0,386 21 8.9

3. 0,612 0,639 27 12

4. 0,860 0,893 33 17

5. 1,102 1,143 41 27

6. 1,325 1,369 44 58

7. 1,660 1,716 56 28

8. 1,897 1,958 61 15

9. 2,124 2,208 84 4,3

10. 2,353 2,460 107 0,2

11. 2,581 2,709 128 4,9

Но барьерный слой халькогенида европия требует специального анализа, так как у него в запрещенной зоне есть 4/-уровни, образующие полосу шириной ~0,5 эВ (что шире запрещенной зоны сульфида свинца), которые попадают под влияние периодического потенциала сверхрешетки а значит

тоже должны дробиться на минизоны. А так как эти минизоны находятся в запрещенной зоне, то их можно назвать «закрытыми квантовыми ямами», в которых находятся поляризованные электроны. Они являются источниками образования триплетных экситонов.

Анализ минизонной структуры «закрытых квантовых ям» был проведен по схеме, описанной выше, но в приближении сильной связи для взаимодействующих квантовых ям (с учетом связи между ближайшими соседями). Решение уравнения (4) приняло следующий вид:

£= 0,5(Г + Е-)± л/0,25(£' - Е')г + + соз[А'(с*х + </,)]),

где 2Слп соЩс1л + </„)], & = + + 2Сът соф^ + </,)], индексы Л

и а относятся соответственно к слоям РЬБ и Еив, К — волновой вектор сверхрешетки.

о::=

Здесь — интеграл, определяющий сдвиг дискретного уровня Е„ в «закрытой» яме; /„(г) — огибающая функция, С„ — интеграл переноса, с1л и - толщины слоев РЬБ и ЕиБ.

Расчеты минизонной структуры, выполненные для ширины слоев <1рьз=3 нм, <1Еи5=1,5 нм представлены на рис. 6а,б.

!

cosfKi.it

тюзоса

Рис.б. Минизонная структура сверхрешетки при с1РЬз=3 нм, бЕи8=1,5 нм, а) расчитанная методом сильной связи с учетом 4£-состояний в барьере (для направления спина, параллельного спину 4Г-полосы), б) расчитанная методом сильной связи без учета 4Г-состояний в барьере (для направления спина, антипараллельного спину 4Р-полосы).

Таким образом, результаты расчетов показывают, что в подобной гетероструктуре, в отличие от обычного разделения носителей заряда на электроны и дырки, наблюдается еще и спиновое разделение. На рис.б видно разделение уровней размерного квантования для разного направления спина электрона.

Данный анализ позволяет сделать следующие выводы: при использовании подобных систем в спинтронике надо учитывать фильтрующие особенности ферромагнитного сульфида европия; при анализе возможности образования экситонов надо учесть не только переходы электронов из сульфида свинца в сульфид европия, но и в самом слое ЕиБ; разность диэлектрических проницаемостей (на порядок) при гетеропереходе приводит к

перераспределению электрической компоненты локального электромагнитного поля, что способствует образованию межъямных экситонов с большой энергией связи и силой осциллятора.

В четвертой главе анализируются условия получения прямых и межъямных экситонов в «закрытых квантовых ямах» в слоях из ферромагнитных полупроводников на основе EuS, а также условия создания устойчивого бозе-конденсата из таких экситонов.

В полупроводниковых сверхрешетках могут образоваться более стабильные экситонные состояния в широком диапазоне внешних полей и температур, благодаря увеличению энергии связи и силы осциллятора. В двумерных структурах, когда электроны и дырки локализуются в разных квантовых ямах, появляются непрямые экситоны с большим временем жизни вследствие слабого перекрытия волновых функций из-за барьера, разделяющего ямы.

Проанализируем экситонный спектр «закрытых квантовых ям», образованных ^-уровнями в запрещенных зонах барьерных слоев халькогенида европия (рис.7).

Eus Eus

-Ес2

PbS * a PbS PbS

4f h

si 62

-- -1 -

5—d-?

Е.е

Рис.7. Схема образования прямых (а) и межъямных (Ь) экситонов в слоях ЕиБ. Ес1 и ЕС2 — дно зоны проводимости в РЬ8 и Еи8 соответственно, ЕУ1=ЕУ2 — потолок валентных зон этих слоев. е1 и с2 — диэлектрические проницаемости соответственно в слоях ЕиБ и РЬБ, с! — ширина слоя РЬБ.

При этом из-за низких значений энергии связи (для РЬБ Еел ~ 6,8 мэВ, е2»£1) образование «рыхлых» экситонов в квантовых ямах сульфида свинца в наших расчетах не учитывалось.

Далее, гамильтониан для прямых экситонов можно представить в следующем виде:

ЪГ.-Гн I 2

(б)

где т\к,гРЬ, 5е/1 — эффективные массы, координаты вдоль квантовых ям, спин

электрона и дырки соответственно, е, — статическая диэлектрическая проницаемость слоя ЕиБ, А — интеграл 5-Г обмена. В случае межъямных экситонов гамильтониан можно записать так:

-j(s.+st),

(7)

где <1 — ширина слоя РЬБ, разделяющего «закрытые квантовые ямы», е2 — статическая диэлектрическая проницаемость сульфида свинца.

Здесь волновые функции подбирались в виде линейной комбинации одночастичных функций с определенной локализацией дырки и электрона. И в качестве базисных были выбраны:

= (8)

где <рХК) ~ волновые функции электрона, <р,{гк) — волновые функции для дырки в «закрытой квантовой яме», % — вариационный параметр, который можно найти из условия минимизации энергии системы с гамильтонианом (6) и волновыми функциями (8).

Для межьямного экситона, где учитывался переход электрона между барьерами, волновую функцию системы РЬЭ-ЕиБ строили в виде линейной комбинации:

У = 2!¡ГЛ) .

1.1

где а}1 — амплитуды вероятности обнаружения электрона в «закрытой квантовой яме» I, а дырки в яме }. Энергии прямых и межъямных экситонов можно определить из уравнений:

Используя метод теории возмущения в комбинации с вариационной процедурой решения уравнения Шредингера с гамильтонианом (6) или (7) при определении вариационного параметра А,, считая малой величиной энергию обменного взаимодействия

и исходя из условия минимума полной энергии электронной системы

5- = °'

аг

получим:

пгЕ; п1

-зГ^Ц. (9)

2

где /( = —*.- — приведенная масса электрона и дырки. Величина энергии (9)

отсчитывапась от дна зоны проводимости Ес2 и ее абсолютное значение при к~0 равно энергии связи электрона и дырки в покоящемся экситоне. Как видно из формулы (9), она возросла на величину энергии обмена. На рис.8 показано понижение энергетического уровня п=1 экситона при воздействии обменного взаимодействия.

Как было отмечено в ряде исследований, для разрешенных электрических дипольных переходов 4/-5с1 характерна большая сила осциллятора. Расчет ее для Еи2+ по формуле

дал действительно большие значения £=0,014-0,03. Здесь N — число ионов, способных возбуждаться; а — коэффициент поглощения, V- частота света.

Для межъямного экситона расчет силы осциллятора на один электрон, проведенный по формуле

где |/;(0)| — вероятность нахождения электрона на определенном узле, а^,-волновая функция водородоподобного атома; (£у -Е„) ~ энергия возбуждения, также подтвердил ее высокое значение.

Зона проводимости<Ёи5) _

Па , » " " ~

.. ¡Энергия сея»я без учет» обменного

п—1 - ■ -£—. взаимодействия

Эяергея свявя с ¡легок обменного взаимодействия В»1 - -

417- полоса

Ввлетнвя зона

Рис.8. Схема энергетических уровней прямого экситона в Ей5: — при отсутствии обменного взаимодействия (п') и при его влиянии (п).

Следует отметить, что в гетероструктуре на основе сульфидов европия и свинца можно создать высокую концентрацию таких коллективных возбуждений как триплетные экситоны с большим временем жизни. Ограничение в плоскости квантовых ям позволяет достичь достаточных критических плотностей экситонов, что проявляется в росте экситонного рассеяния в наиболее низкие энергетические состояния в соответствии с их бозевской природой. При этом для электрона и дырки, локализованных в разных слоях, перекрытие волновых функций мало, что понижает вероятность взаимной аннигиляции. Внутреннее магнитное поле заметно влияет на время жизни и спектр межъямных экситонов. Плотность таких экситонов возрастает до 10'4 см"2. Поэтому рассмотренные гетеросистемы имеют практическое приложение в приборах экситонной спектроскопии, оптических модуляторах, оптических транзисторах и лазерах, построенных на свойствах экситонного газа. Они отличаются высокой чувствительностью к внешнему управляющему воздействию, а для изменений их оптических параметров достаточно энергетических затрат порядка экситонной энергии связи.

Основные выводы.

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Осуществлен выбор гетеропары: ферромагнитный полупроводник (Еив) — парамагнитный полупроводник (РЬБ), удовлетворяющий требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование 0,17%) и обладающих одинаковой сингонией. Это

обеспечивает создание «идеального гетероперехода» без поверхностных состояний и дислокаций несоответствия.

2. Дан теоретический анализ гетероперехода PbS-EuS на основе диффузионной модели Андерсона, по результатам которого построена энергетическая диаграмма изотипного гетероперехода PbS-EuS и определена область применения подобных структур в наноэлектронике.

3. Рассчитан энергетический спектр сверхрешетки PbS-EuS методом огибающей функции в приближении эффективной массы.

4. Проведен анализ магнитного состояния на гетеропереходе PbS-EuS с использованием комбинированного метода теории возмущений и вариационного принципа, что позволило вычислить размер ферромагнитных областей в EuS (>20Ä). Показано образование в кристаллической сверхрешетке PbS-EuS периодической структуры типа ферромагнетик-парамагнетик.

5. Приведен механизм образования «закрытых квантовых ям» из 4f-уровней, находящихся в запрещенной зоне сульфида европия, которые могут играть основную роль при туннелировании поляризованных электронов в рассматриваемых структурах.

6. Проведен расчет минизонной структуры «закрытых квантовых ям» в сверхрешетке PbS-EuS в приближении сильной связи. Установлено, что ферромагнитный сульфид европия может служить фильтром для туннелирующих электронов, что надо учитывать при использовании подобных систем в спинтроннке.

7. Рассмотрены условия образования прямых и межъямных экситонов и проанализировано влияние обменного взаимодействия на энергию связи подобных коллективных возбуждений.

8. Внутреннее магнитное поле заметно влияет на время жизни и спектр межъямных экситонов, которые находиться в триплетном состоянии со временем жизни много выше синглетного. Установлено, что плотность таких экситонов в рассматриваемой гетероструктуре возрастает до 10'4 см"2.

9. Проанализирована возможность создания на базе гетероструктур PbS-EuS устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов при достаточно высоких температурах (>15К).

10. Дано обоснование применения сверхрешеток на основе моносульфидов европия и свинца в приборах экситонной спектроскопии, оптических транзисторах, лазерах и др. устройствах, в которых могут быть использованы свойства экситонного газа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Головнев Ю.Ф. Расчет коэффициента проникновения для сверхрешеток на основе халькогенидов европия методом трансферных матриц / Ю.Ф. Головнев, A.B. Ермолов, JI.B. Никольская // Материалы 5-ой научной молодежной школы-семинара «Микро- и наносистемная техника (материалы, технологии, структуры, приборы)».— СПб., 2002,— С. 37.

2. Головнев Ю.Ф. Решение системы волновых уравнений для периодических структур методом трансферных матриц / Ю.Ф. Головнев, A.B. Ермолов, JI.B. Никольская // Тез. док. Всероссийской конференции «Современные проблемы математики, информатики, механики». — Тула, 2002.-С. 86-88.

3. Головнев Ю.Ф. Резонансное туннелирование в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников / Ю.Ф. Головнев, JI.B. Никольская, A.B. Ермолов // Тез. док. 4-ой Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». — Саранск, 2003. — С. 95.

4. Никольская Л.В., Построение зонных диаграмм гетероперехода PbS-EuS методом Андерсона / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Тез. док. Международной конференции «Современные проблемы математики, информатики, механики»,— Тула, 2003. — С. 106-107.

5. Головнев Ю.Ф. Решение системы волновых уравнений для периодических структур методом трансферных матриц / Ю.Ф. Головнев, Л.В. Никольская, A.B. Ермолов // Известия 11 У. Серия Математика. Механика. Информатика.- Тула, 2003. - Т.9.- Вып.2. - С. 47-52.

6. Никольская Л.В. Магнитные сверхрешетки на основе гетероструктуры EuS-PbS / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Материалы XIX Международной школы-семинара НМММ. — М., 2004. — С. 889-891.

7. Никольская Л.В. Гетероструктуры из ферромагнитных и парамагнитных полупроводников / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Материалы 7-ой научной молодежной школы по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур». - СПб., 2004. - С. 31.

8. Никольская Л.В. Анализ методом огибающей функции особенностей энергетического спектра в гетеросистеме из халькогенидов европия и свинца / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Тез. док. Международной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики. — Тула, 2004. — С. 67-69.

9. Головнев Ю.Ф. Построение зонных диаграмм гетероперехода методом Андерсона и расчет зонной структуры сверхрешетки PbS-EuS методом эффективной массы / Ю.Ф. Головнев, Л.В.Никольская // Известия ТГУ. Серия Математика. Механика. Информатика. Тула, 2004. — Т. 10. — Вып.3.-С. 31-41.

Ю.Никольская Л.В. Минизонная структура закрытых квантовых ям в сврхрешетке на основе ферромагнитных и парамагнитных полупроводников / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Тез. док. 6-ой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике — СПб., 2004. — С. 8.

П.Никольская Л.В. Влияние диэлектрической проницаемости на энергию связи экситонов в гетероструктурах PbS-EuS / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Материалы 8-ой научной молодежной школы по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур. - СПб., 2005. - С. 33.

12.Nikolskaja L.V. Heterostructures from magnetic and paramagnetic semiconductors for spintronics / L.V. Nikolskaja, J.F.Golovnev // 2nd international conference on physics of electronic materials PHYEM. - Калуга, 2005.-С. 244-247.

13.Головнев Ю.Ф. Гетероструктуры на основе халькогенидов европия и свинца / Ю.Ф. Головнев, JI.B. Никольская // Вестник ТГПУ им. Толстого. Естественные и физико-математические науки. — Тула, 2005. — С. 91-98.

14.Никольская JI.B. Влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода PbS-EuS / JI.B. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Вестник ТГПУ им. Толстого. Естественные и физико-математические науки. - Тула, 2005. - С. 205-209.

15.Головнев Ю.Ф. Эситоны в сверхрешетках PbS-EuS / Ю.Ф. Головнев, Л.В. Никольская // Известия ТулГУ. Серия Физика. — Тула, 2005. — Вып. 5. — С. 104-110.

16.Никольская Л.В. Выбор пробных функций в вариационном методе расчета энергии триплетных экситонов для гетероструктур / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Материалы международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики». - Тула, 2005. - С. 103-104.

17.Никольская Л.В. Расчет энергии связи триплетных экситонов в гетероструктурах PbS-EuS / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Тез. док. 7-ой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. СПб., 2005.-С. 15.

18.Головнев Ю.Ф. Получение высокой экситонной плотности в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников / Ю.Ф. Головнев, Л.В. Никольская // Материалы 5-й Теренинской научно-практической конференции «Взаимодействие света с веществом». — Калуга, 2006.-С. 124-128.

19.Никольская Л.В. Прямые и межъямные экситоны в магнитных наноструктурах / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев П Материалы XX Междунар. школы-семинара НМММ. - М., 2006. - С. 999-1000.

20.Головнев Ю.Ф. Применение сверхрешеток на основе ферромагнитных полупроводников в оптоэлектронных приборах / Ю.Ф. Головнев, Л.В. Никольская // Тез. док. VIII Международной конференции «Опто-, нанотехнологии и микросистемы». — Ульяновск, 2006. — С. 57.

21.Никольская Л.В. Расчет энергетического спектра сверхрешетки PbS-EuS / Л.В. Никольская, A.B. Ермолов, Ю.Ф. Головнев // Неорганическая химия. -СПб., 2005. -С. 21-42.

22.Никольская Л.В. О конденсации экситонного газа в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников / Л.В. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Тез. док. VI Международной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». - Кисловодск, 2006. — С. 102-103.

Отпечатано в Издательском центре ТГПУ им. Л.Н. Толстого

Тираж 100 экз. Заказ 06/104.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Зонная структура и экситонный ферромагнетизм EuS.

1.2. Электронные состояния и проводимость в PbS.

1.3. Экситоны в системах пониженной размерности.

1.4. Обзор современных теоретических методов расчета в квантовой теории полупроводников.

1.4.1. Особенности метода огибающей функции в сверхрешетках.

1.4.2. Вариационный метод в задачах физики твердого тела.

Глава 2. Анализ гетероперехода PbS-EuS.

2.1. Построение энергетической диаграммы гетероперехода PbS-EuS.

2.2. Влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода PbS-EuS.

Глава 3. Расчет энергетического спектра (минизонной структуры) сверхрешетки PbS-EuS.

3.1. Расчет энергетического спектра сверхрешетки PbS-EuS в рамках метода огибающей функции в приближении эффективной массы.

3.2. Расчет минизонной структуры «закрытых квантовых ям» в сверхрешетке PbS-EuS.

Глава 4. Экситоны в сверхрешетках PbS-EuS.

Последнее десятилетие развития физики полупроводников характеризуется тем, что основными объектами исследования становятся не массивные кристаллы, а гетеросистемы. В них, изменяя размерность и регулируя величину квантового ограничения гетероструктуры, можно радикальным образом изменять энергетический спектр системы. Появился даже термин «зонная инженерия» для обозначения попытки искусственного синтезирования новых материалов с заданными магнитными, оптическими и проводящими свойствами [1].

Специфические электронные свойства низкоразмерных систем открывают широкую перспективу для создания на их основе новых типов полупроводниковых приборов, таких как лазеры на квантовых ямах и квантовых точках, оптические модуляторы, фотоприемники, лавинные фотодиоды, транзисторы с высокой подвижностью носителей и др. Поэтому полупроводниковые гетероструктуры сегодня являются предметом изучения большинства исследовательских групп, работающих в данной области [2].

Изготовление квантово-размерных структур требует создания полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для этого прежде всего нужно найти подходящую пару материалов. В работе [3] обосновывалась необходимость подбора гетероструктуры для создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей и хорошо согласующимися постоянными решетками, расхождение которых не должно превышать 0,5%. При данных условиях рассеяние связанное с примесями и дислокациями практически отсутствует и отражение от гетерограницы будет «зеркальным», что будет способствовать сохранению когерентности потока и не влиять на длину свободного пробега электрона.

Первые «идеальные» гетеропереходы для различных полупроводников были приведены в патенте Г. Кремера [4]. Примерно в тоже время была составлена «карта мира» гетероструктур с «идеальным» решеточным согласованием. При этом исследуемые в данной работе материалы в нее не вошли, однако попытки создать и использовать для получения экситонного газа гетеросистему на основе халькогенида свинца и европия уже предпринимались, но не были исследованы теоретически, что и будет проделано в данной работе.

Ферромагнитный моносульфид европия и парамагнитный моносульфид свинца характеризуются простыми кристаллическими структурами (типа NaCl), рассогласованием постоянных решеток менее 0,17% и общим анионом S, что, как говорилось выше, является необходимым при создании «идеальных» гетероструктур. Обладая большой разницей ширин запрещенных зон, данные материалы реализуют на гетеропереходе скачек дна зоны проводимости порядка 2,9 эВ, что позволяет в гетеросистемах на их основе создавать глубокие квантовые ямы. Поэтому уже сейчас с большой долей уверенности можно сказать, что указанные системы будут использоваться в каскадных лазерах, в которых излучение возникает в результате внутризонных переходов электронов между уровнями квантовых ям [5-7], фотоприемниках далекого инфракрасного излучения, работающих на эффекте фотопроводимости, обусловленной фотопереходами электронов из квантовых ям сверхрешетки в непрерывный спектр [8], детекторах, транзисторах и эмиттерах ИК-диапазона.

Интерес к халькогениду европия впервые возник в связи с открытием в нем ферромагнетизма в 60-х годах XX века. Более того, EuS обладает полупроводниковой проводимостью зонного типа. При низких температурах локализованные магнитные ионы Еи2+ обладают полностью ферромагнитно упорядоченной структурой, что приводит к спиновой поляризации носителей тока.

Из экспериментов по рентгеноструктурному анализу была установлена пространственная группа симметрии и тип кристаллической решетки. В то же время рядом исследовательских групп была определена зонная структура EuS. Основные параметры зонной структуры (ширина f-зоны, величина запрещенной зоны и зоны проводимости) получены из теоретических расчетов [9]. В дальнейшем были измерены основные магнитные параметры этого полупроводника [10].

Возможность повышения температуры Кюри при сохранении полупроводниковых свойств сульфида европия была показана на примере твердых растворов типа EuixSmxS, наличие в которых ионов самария должно было, либо уменьшить энергию перехода 4f7—> 4^5d, либо образовать магнитные примесные состояния [11]. Оба процесса должны были привести к увеличению эффективного обменного взаимодействия. С целью проверки этих предположений исследовались магнитные, оптические, электрические свойства и рентгеновские спектры таких растворов. В результате были получены зависимости парамагнитной и ферромагнитной температур Кюри, а также постоянной кристаллической решетки и величины края поглощения от состава х. Обнаружена вероятность увеличения обменного взаимодействия и, соответственно, температуры Кюри моносульфида европия при сохранении его полупроводниковой проводимости. Здесь же было определено, что в отличие от других редкоземельных элементов ионы самария и европия могут существовать и в двухвалентном состоянии.

Для объяснения природы обменного взаимодействия были синтезированы и исследованы твердые растворы с примесью калия, кальция, стронция, гадолиния и т.д. И следующий ряд работ посвящался исследованию влияния изменения межзонного расстояния и катионного разбавления на температуру Кюри, повышение которой остается одной из важных проблем физики магнитных полупроводников [12-17].

Полупроводниковые свойства соединений халькогенидов свинца известны более ста лет, а интенсивные исследования их физических свойств начались фактически к середине шестидесятых годов. Были изучены их электрические, оптические, термоэлектрические, фотоэлектрические, тепловые и магнитные свойства [18,19].

Соли свинца обладают рядом свойств, которые давно привлекали к ним внимание: высокие значения диэлектрической проницаемости, большие подвижности носителей заряда и относительно узкие запрещенные зоны.

В 1865 г. экспериментально наблюдали термо-э.д.с. в естественных кристаллах PbS, причем термо-э.д.с. имела различный знак в зависимости от образца, что соответствует электронной и дырочной проводимости в полупроводнике.

Выпрямляющее действие контакта металла с PbS было обнаружено 1874 г. и использовалось на ранних стадиях развития радиотехники [21]. Искусственные монокристаллы моносульфида свинца впервые удалось вырастить методом Бриджмена в 1951г., что способствовало детальному изучению зонной структуры.

Исследования края собственного поглощения света показали, что при комнатной температуре запрещенная зона сульфида свинца составляет 0,30,4 эВ [20]. Изучение магнетооптического поглощения вблизи края собственного поглощения дало с большой точностью значение ширины запрещенной зоны PbS при низких температурах [21].

Согласно расчетам зонной структуры моносульфида свинца [22] химическая связь кубических халькогенидов свинца состоит в основном из р-орбиталей (из-за сильных релятивистских поправок образуются глубокие полностью заполненные зоны из s-электронов, которые дают малый вклад в образование химической связи). Такие р-связи являются ненасыщенными и носят резонансный характер. Подобный характер химической связи определяет ее высокую электронную поляризуемость и является причиной большого значения статической диэлектрической проницаемости (е=195).

Несмотря на то, что, как показано выше, халькогениды свинца и европия достаточно хорошо изучены, упоминаний в литературе о создании на их основе сверхрешеток и гетероперехода практически не встречается. Имеются только экспериментальные данные по люминесценции тонких пленок сульфида свинца и сверхрешеток PbS-EuS. Нет так же достоверных сведений, которые давали бы ответ на вопрос о расположении уровня Ферми в халькогениде европия, что значительно осложняет даже качественный анализ процессов, протекающих в гетеросистемах, созданных на их основе.

В настоящее время ведутся активные экспериментальные исследования ферромагнитных полупроводниковых структур, особенностью которых является возможность управления их электрическими, магнитными, оптическими, магнитооптическими, частотными характеристиками с помощью внешнего электрического или магнитного полей, дающих дополнительную «степень свободы», что не всегда допустимо для гетероструктур на базе немагнитных полупроводников [27]. Очевидным возможным практическим применением описанных эффектов является создание нового поколения узкополосных устройств твердотельной электроники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов -генераторов, усилителей, фильтров и др. приборов, модулируемых и перестраиваемых по частоте магнитным полем.

Еще одной особенностью привлекающей внимание исследователей является спиновая поляризация электронного транспорта в структурах с ферромагнитными полупроводниками. Так, в 2000-м году журнал «Physics World» опубликовал наиболее перспективные и актуальные проблемы исследования в физике, в числе которых - исследования в физике полупроводников, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик.

В 60-е годы XX века Л. Эсаки и др. в экспериментах по туннелированию куперовских пар сквозь ферромагнитный барьер наблюдали туннельный ток между двумя нормальными металлами, разделенным магнитным полупроводником EuS [28]. Практически, это были первые наблюдения спин-поляризованного туннельного тока.

С развитием нового направления в микроэлектронике - спинтроники, вновь обратились к ферромагнитным полупроводникам, в связи с возможностью осуществления спинового токопереноса в устройствах электроники на его основе.

Спинтроника - новая ветвь электроники, когда спин электрона наряду с его зарядом представляет собой активный элемент как для хранения, так и для передачи информации [29]. Ее главной задачей является интеграция магнитных систем в полупроводниковую электронику. Полагают, что новые типы датчиков и микропроцесоров можно создать на основе спина, поскольку электронным спином в полупроводнике легко управлять. Спиновые устройства могли бы выполнять ряд вычислений более эффективно и с меньшей затратой энергии, чем их зарядовые аналоги. Высокое быстродействие устройств спинтроники достигается за счет того, что здесь не обязательно перемещать в пространстве заряд и связанную с ним массу. Для переключения состояния достаточно лишь развернуть спин в обратном направлении.

Определенную трудность представляет создание в полупроводнике магнитно-поляризованного электронного кластера. В первых экспериментах для этой цели использовался сложный метод инжекции спин-поляризованных электронов в двумерную квантовую яму с помощью лазерного импульса [30]. В настоящее время внедряется методика инжектирования в полупроводник поляризованных электронов с помощью квантовых магнитных туннельных переходов. В таких переходах электроны туннелируют управляемым образом между двумя ферромагнитными слоями. Подобные туннельные переходы исследуются в связи с разработками новых типов электронной памяти - MRAM (magnetic random access memory). Каждый переход может хранить один бит информации, что позволяет создавать электронную полупроводниковую память нового типа с высокой скоростью записи и чтения, а также с высокой плотностью записи. Такая память обеспечивает сохранение информации при отключении питания (поскольку в основе метода лежит не заряд, а магнетизм) и к тому же не требует регенерации в процессе работы.

Таким образом, системы ферромагнитный - парамагнитный полупроводник являются перспективными в данном направлении, так как при туннелировании сквозь ферромагнитный полупроводник степень спиновой поляризации носителей тока достигает практически 100% [32]. Получить высокую степень поляризации электронов удалось авторам [33, 34] при использовании в качестве ферромагнитного материала сульфида европия.

Итак, в качестве материалов для создания устройств спиновой информатики можно рассматривать сверхрешетки на основе халькогенидов свинца и европия, которые будут изучаться в данной работе.

Анализ литературных данных показывает, что в гетероструктурах на основе ферромагнитных полупроводников еще практически не исследовались процессы происходящие в приповерхностной области гетерограницы и оптические свойства, связанные с образованием в них экситонов. Между тем, спиновая инжекция поляризованных электронов из ферромагнитного полупроводника в парамагнитный способна приводить к радикальному изменению свойств последнего. В частности, возможно наблюдение поляризованной люминесценции.

Как известно, экситонами во многом определяются физические свойства полупроводников и структур на их основе. Низкоразмерность системы стабилизирует экситонные состояния, делая их устойчивыми в гораздо более широком диапазоне температур и внешних электрических полей. Энергия связи и сила осциллятора экситонных состояний в низкоразмерных системах существенно растут, способствуя практической реализации экситонных эффектов даже при комнатной температуре [35]. Это привело к тому, что экситонная спектроскопия стала превращаться в источник новых идей и средств полупроводникового приборостроения. Появились оптические модуляторы, фазовращатели, переключатели и бистабильные элементы, оптические транзисторы и лазеры, в которых используются свойства экситонного газа [36]. Эти приборы отличаются высокой чувствительностью к внешнему управляющему воздействию, а для радикальных изменений их оптических свойств достаточно энергетических затрат порядка экситонной энергии связи.

Время жизни триплетных возбуждений в ферромагнитных полупроводниках оказывается на много порядков больше, чем время жизни синглетных возбуждений. Это обстоятельство повышает роль триплетных экситонов при переносе энергии электронного возбуждения в кристалле, а также дает возможность создания в кристаллах высоких концентраций экситонов, так как внутреннее магнитное поле и установившийся ферромагнитный порядок в полупроводнике препятствует процессу поворота спина [17, 37-41].

В течение нескольких последних лет все большее внимание привлекает исследование межъямных (непрямых) экситонов, с пространственно разделенными электроном и дыркой, в двумерных полупроводниковых структурах. Основная особенность таких систем - появление экситонов с большим временем жизни вследствие локализации электрона и дырки в разных ямах и слабого перекрытия их волновых функций. Эта особенность позволяет создавать высокую концентрацию экситонов в гетероструктурах и исследовать их коллективные свойства. Возникновение высокой концентрации коллективно взаимодействующих межъямных экситонов в двойных квантовых ямах было исследовано в работах [42-45].

Подобные экситонные состояния с большим временем жизни, силой осциллятора и концентрацией можно получить в сверхрешетках на основе ферромагнитного полупроводника - халькогенида европия и парамагнитного полупроводника - халькогенида свинца, рассматриваемых в данной работе.

В большинстве изучаемых гетероструктур разница диэлектрических постоянных ввиду её небольшой величины, как правило, не приводит к существенным эффектам. Однако, в гетероструктурах PbS-EuS, из-за разницы на порядок между epbs и cEuS, вариации диэлектрических проницаемостей может сильно влияют на их электронные и оптические свойства. В подобной системе происходит перераспределение электрической компоненты локального электромагнитного поля, что проявляется в усилении экситонов за счет взаимодействия с зарядами изображений [46,47].

Также следует отметить, что на гетеропереходе PbS-EuS необходимо учесть влияние разделения зарядов на магнитное состояние моносульфида европия. Уход электронов из EuS на низкоэнергетические уровни PbS может привести к разрушению его ферромагнитного состояния. С другой стороны изгиб зон, происходящий при образовании гетероперехода, обоих слоев увеличит энергию электронов в слое EuS и будет способствовать их перетеканию в область халькогенида свинца. В результате этого концентрация электронов в приповерхностной области PbS повысится, что может способствовать установлению ферромагнитного порядка в приповерхностной области сульфида европия. Стабилизация ферромагнитного состояния также возможна благодаря тонкопленочному состоянию моносульфида европия.

Таким образом, в данной работе будет проведен анализ изменения магнитного состояния на гетеропереходе, расчет минизонной структуры сверхрешетки и спектра коллективных возбуждений в гетероструктурах на основе халькогенидов европия и свинца.

При этом, подводя итоги, заметим, что использование рассматриваемых материалов является актуальным по следующим причинам:

1. Благодаря возможности реализации «идеального» гетероперехода, обладающего «зеркальной» границей, не рассеивающей спин электрона.

2. Из-за образования глубоких квантовых ям (~2,9 эВ) появляется возможность изменения в широких пределах положения уровней размерного квантования и, следовательно, минизонной структуры сверхрешетки.

3. Вероятного повышения проводящих свойств рассматриваемых структур, обусловленного перераспределением электронов на гетероконтакте и отделению дырочной области от электронной.

4. Созданием спиновой поляризации за счет внутреннего обменного поля и возможностью управления электрическими, магнитными, оптическими, магнитооптическими, частотными характеристиками рассматриваемых гетероструктур с помощью внешних электрического или магнитного полей.

5. Увеличением энергии связи, времени жизни, силы осциллятора экситонных состояний за счет размерных эффектов, обменного поля и диэлектрического конфаймента (диэлектрического усиления экситонов). Целью диссертационного исследования является создание «идеальных» моделей гетероперехода и сверхрешетки «ферромагнитный полупроводник -парамагнитный полупроводник», расчет их энергетических диаграмм и спектров, анализ физических свойств, которые могут быть использованы в практических приложениях. А также исследование условий образования бозе-конденсата из триплетных экситонов высокой плотности и большим временем жизни в ферромагнитных слоях таких гетеросистем. Задачами исследования являются:

1. Выбор гетеропары: ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник, удовлетворяющей требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование менее 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией.

2. На основе подобранных полупроводников построить модель гетероперехода и сверхрешетки PbS-EuS.

3. Провести расчеты и анализ энергетических диаграмм гетероперехода и минизонной структуры сверхрешеток на основе моносульфидов европия и свинца.

4. Проанализировать возможность создания устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов и рассчитать энергию таких экситонов в сверхрешетке PbS-EuS при достаточно высоких температурах (>15 К).

5. Проанализировать свойства гетероструктур на основе ферромагнитного (EuS) и парамагнитного (PbS) полупроводников с целью их использования в спинтронике, а также возможность создания на основе рассматриваемых материалов приборов экситонной спектроскопии.

Объектом исследования является сверхрешетка, созданная на основе ферромагнитного полупроводника - халькогенида европия и парамагнитного - халькогенида свинца.

Основные выводы

Цель и задачи в работе были следующие:

Создание «идеальных» моделей гетероперехода и сверхрешетки «ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник», расчет их энергетических диаграмм и спектров, анализ физических свойств, которые могут быть использованы в практических приложениях. А также исследование условий образования бозе-конденсата из триплетных экситонов высокой плотности и большим временем жизни в ферромагнитных слоях таких гетеросистем.

Задачи:

- выбор гетеропары ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник, удовлетворяющей требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование менее 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией;

- на основе подобранных полупроводников построить модель гетероперехода и сверхрешетки PbS-EuS;

- провести расчеты и анализ энергетических диаграмм гетероперехода и минизонной структуры сверхрешеток на основе моносульфидов европия и свинца;

- проанализировать возможность создания устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов и рассчитать энергию таких экситонов в сверхрешетке PbS-EuS при достаточно высоких температурах (>15 К);

- проанализировать свойства гетероструктур на основе ферромагнитного (EuS) и парамагнитного (PbS) полупроводников с целью их использования в спинтронике, а также возможность создания на основе рассматриваемых материалов приборов экситонной спектроскопии;

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Осуществлен выбор гетеропары: ферромагнитный полупроводник (EuS) - парамагнитный полупроводник (PbS), удовлетворяющий требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование 0,17%) и обладающих одинаковой сингонией. Это обеспечивает создание «идеального гетероперехода» без поверхностных состояний и дислокаций несоответствия.

2. Дан теоретический анализ гетероперехода PbS-EuS на основе диффузионной модели Андерсона, по результатам которого построена энергетическая диаграмма изотипного гетероперехода PbS-EuS и определена область применения подобных структур в наноэлектронике.

3. Рассчитан энергетический спектр сверхрешетки PbS-EuS методом огибающей функции в приближении эффективной массы.

4. Проведен анализ магнитного состояния на гетеропереходе PbS-EuS с использованием комбинированного метода теории возмущений и вариационного принципа, что позволило вычислить размер ферромагнитных областей в EuS (>20Е). Показано образование в кристаллической сверхрешетке PbS-EuS периодической структуры типа ферромагнетик-парамагнетик.

5. Приведен механизм образования «закрытых квантовых ям» из 4f-уровней, находящихся в запрещенной зоне сульфида европия, которые могут играть основную роль при туннелировании поляризованных электронов в рассматриваемых структурах.

6. Проведен расчет минизонной структуры «закрытых квантовых ям» в сверхрешетке PbS-EuS в приближении сильной связи. Установлено, что ферромагнитный сульфид европия может служить фильтром для туннелирующих электронов, что надо учитывать при использовании подобных систем в спинтронике.

7. Рассмотрены условия образования прямых и межъямных экситонов и проанализировано влияние обменного взаимодействия на энергию связи подобных коллективных возбуждений.

8. Внутреннее магнитное поле заметно влияет на время жизни и спектр межъямных экситонов, которые находяться в триплетном состоянии со временем жизни много выше синглетного. Установлено, что плотность таких экситонов в рассматриваемой гетероструктуре возрастает до 1014 см"2.

9. Проанализирована возможность создания на базе гетероструктур PbS-EuS устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов при достаточно высоких температурах (>15К).

10. Дано обоснование применения сверхрешеток на основе моносульфидов европия и свинца в приборах экситонной спектроскопии, оптических транзисторах, лазерах и др. устройствах, в которых могут быть использованы свойства экситонного газа.

Заключение

Теоретический анализ зонной структуры и экситонного спектра сверхрешетки ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник EuS-PbS позволил определить следующие характеристики и параметры этой системы:

- построена энергетическая зонная диаграмма гетероперехода PbS-EuS на основе диффузионной модели Андерсона, из которой следует, что при образовании гетероперехода плотность электронов в сульфиде свинца возрастает до перехода его в вырожденное состояние (уровень Ферми поднялся на величину энергии больше, чем на 5кТ)\

- разность диэлектрических проницаемостей (eEuS«Spbs) на границе гетероперехода приводит к перераспределению электрической компоненты локального электромагнитного поля, и способствует образованию межъямных экситонов с большой энергией связи и силой осциллятора;

- большая разница ширин запрещенных зон (-2,9 эВ) позволяет в гетеросистемах на основе PbS-EuS создавать глубокие квантовые ямы, которые образованы только за счет разрыва дна зон проводимости на гетероконтакте;

- получена дисперсионная зависимость энергий подзон от волнового вектора для минизонной структуры сверхрешетки на основе моносульфидов европия и свинца в приближении огибающей функции. Установлено, что с увеличением периода сверхрешетки ширина минизон в квантовых ямах уменьшается до образования дискретных уровней энергии;

- дан анализ условий образования закрытых квантовых ям в слое ферромагнитного полупроводника EuS и ее минизонной структуры;

- гетероструктуры типа ферромагнитный полупроводник -парамагнитный полупроводник действительно интересны как материалы для «спиновых сверхрешеток», где возможна фильтрация электронов с разными проекциями спина.

- установлено, что в гетероструктурах на основе ферромагнитного моносульфида европия возможно получение самых нижних по энергии прямых и межъямных экситонов в закрытых двойных квантовых ямах.

Показанные особенности сверхрешетки PbS-EuS позволяют определить практическое применение данной структуры для создания современных устройств наноэлектроники.

Перспективным направлением применения тонкопленочных структур на основе халькогенида европия является их использование в качестве запоминающей среды при термомагнитной записи информации, которая основана на переводе в новое магнитное состояние локальных участков пленки путем нагревания лазерным лучом. Данный принцип позволяет

11 -л осуществить запись информации с плотностью вплоть до 10 бит/см . Считывание информации основывается на эффектах Кеерра и Фарадея. В свою очередь удаление информации может осуществляется переменой магнитного поля на обратное. Заметим, что малое поглощение и невысокая теплоемкость халькогенидов так же определяют ее в качестве запоминающей среды.

Устройства СВЧ-электроники на основе халькогенида свинца и европия могут составить серьезную конкуренцию устройствам на основе ферритов, работающим при низких температурах. Серьезным основанием для этого является малая кристаллическая анизотропия, высокая намагниченность насыщения и малые диэлектрические потери.

В исследуемой сверхрешетке реализована идея «широкозонного окна», которая позволяет благодаря наличию высокого потенциального барьера на границе полупроводников, практически свести к нулю сквозное токопрохождение электронов и дырок. Это обстоятельство позволяет создать транзисторы с отсутствием рекомбинации в эмиттере. Более того, реализация этого эффекта позволяет значительно расширить и точно контролировать спектральную область солнечных элементов и фотодетекторов и повысить эффективность светодиодов.

Рассматриваемая сверхрешетка может найти применение в каскадных лазерах, в которых излучение возникает в результате внутризонных переходов электронов между уровнями квантовых ям, а также фотоприемниках далекого инфракрасного излучения, работающих на эффекте фотопроводимости, обусловленной фотопереходами электронов из квантовых ям сверхрешетки в непрерывный спектр.

Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного (ИК) диапазона находят практическое применение в области телекоммуникации и локации. Широкое применение находят длинноволновые лазеры в ИК-спектроскопии и медицине. Известно, что высокоэнергетические лазеры используют в качестве хирургического инструмента — это так называемый световой скальпель. Низкоэнергетические лазеры, каковыми являются полупроводниковые лазеры, используются в фото динамической терапии и лазеротерапии.

Более того, сочетание магнитных и полупроводниковых свойств в одном материале позволят создать принципиально новые приборы быстродействующей электроники. Их работа основывается на взаимодействии дрейфующих носителей заряда с бегущими спиновыми волнами. Это делает возможным использование таких систем как в качестве усилительных, так и генерирующих.

Из-за того, что концентрация носителей тока в ферромагнитном полупроводнике на несколько порядков меньше, чем в ферромагнитных металлах, а следовательно, туннелирование через ферромагнитный полупроводниковый барьер энергетически выгоднее, чем сквозь ферромагнитный металл, определяет возможность создания на их основе магнитоуправляемого диода, обратное пробойное напряжение которого можно регулировать внешним магнитным полем.

Сверхрешетка PbS-EuS «идеально» подходит для реализации в ней спинового токопереноса, и, следовательно, создания на ее основе спиновых фильтров, инжекторов, одноэлектронных логических структур для информатики и т.д. Ведь основная сложность при создании приборов на основе спиновой инжекции это подбор пары ферромагнитный полупроводник - полупроводник, которая характеризовалась бы 100% спиновой поляризацией носителей в ферромагнитном полупроводнике и большой степенью спинового расщепления электронных уровней полупроводника. Заметим, что использование структур ферромагнитный металл - полупроводник в спинтронных устройствах малопродуктивно в силу того, что пренебрежимо мала вероятность осуществления спинового транспорта из ферромагнитного металла в полупроводник.

Увеличение энергии связи, силы осциллятора экситона в наноструктурах и усиление кулоновского взаимодействия между электроном и дыркой, образующими экситон в двумерной структуре парамагнитный полупроводник - ферромагнитный полупроводник позволяет создавать приборы, действие которых основано на физических процессах, определяемых экситонными состояниями. Прикладывая внешнее напряжение к квантовой яме или множественным квантовым ямам можно модулировать интенсивность света на частоте экситонного перехода за счет изменения поглощения. Подобная структура может одновременно быть как оптическим модулятором, так и детектором излучения. На ее основе возможно построение фазовращателей, переключателей и бистабильных элементов, оптических транзисторов и лазеров, где могут быть успешно использованы свойства экситонного газа.

Таким образом, здесь показано, что сверхрешетки на основе магнитных полупроводников обладают рядом уникальных электрофизических свойств, позволяющие расширить круг используемых материалов для создания электронной полупроводниковой техники. Это в свою очередь является основой для принципиально новых практических применений магнитных полупроводников.

104

1. Ivchenko E.L. Superlattices and Other Heterostructures: Summery and Optical Phenomena / E.L Ivchenko, G.E. Pikus.-B.: Springer, 1995.-370 c.

2. Физика низкоразмерных систем / под ред. А .Я. Шика СПб.: Наука, 2001.-160 с.

3. Alferov Zh.I. The history and future of semiconductor heterostructures from the point of view of a Russian scientist / Zh.I. Alferov // Phys. Scripta, 1996-T.68.-P. 32.

4. Кремер Г. Квазиэлектрическое поле и разрывы зон / Г. Кремер // УФН.- 2002, Т. 172-Вып. 9, С. 1087-1101.

5. Казаринов Р.Ф. О возможности усиления электромагнитных волн в полупроводнике со сверхрешетками / Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис // ФТП.-1971- Т.5.-С.797.

6. Capasso F., Mohammed К., Cho A.Y. // IEEE J. Quantum Electronics, QE-22, 1986.-V.9.-P.1853.

7. Казаринов Р.Ф. К теории электрических и электромагнитных свойств полупроводников со сверхрешетками / Р.Ф. Казаринов, Р.А. Сурис // ФТП.- 1972.-Т.6 С.148.

8. Chin R., Holonyak N., Stillman G.E., Tang Y.Y., Hess K. // Electron. Letters.-V. 16, 1980.-P.467.

9. Cho A.Y. Growth of periodic structures by the molecular-beam method / A.Y. Cho // Appl. Phys. Lett.-V19.-1971.- P. 467.

10. Вонсовский C.B. Магнетизм / C.B. Вонсовский- M.: Наука, 19711032 с.

11. Эфрос A.JI. Локализация электронов в неупорядоченных системах / А.Л. Эфрос//УФН, 1973.-Т. 126.-Вып. 1.-С. 41-65.

12. Самохвалов А. А. О температурной зависимости насыщения ферромагнитного окисла EuO / А.А. Самохвалов и др. // Физика металлов и металловедение-Т. 20.-№2, 1972 С. 309-310.

13. Самохвалов А.А., Лошкарева Н.Н., Бамбуров В.Г. // ФТТ.- Т.13.-1971.-С.1878-1881.

14. Бердышев А.А. Введение в квантовую теорию магнетизма / А.А. Бердышев.- Екатеринбург: Урал. Ун-т, 1992 276 с.

15. Smit J. Application of the Rudermann-Kittel interactions of metals / J. Smit //J.Appi.Phys.-V.371, 1966.-P. 1455-1459.

16. Лихтенштейн А.И. Метод переходного состояния в теории магнетизма / А.И. Лихтенштейн, В.А.Губанов.- Свердловск.- Ин-т химии УНЦ АН СССР; Препринт.- 1982.

17. Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников / Э.Л. Нагаев.-М.: Наука, 1979.-432 с.

18. J.B. Conklin, L.E. Johnson, G.W. Pratt//Phys. Rev.-V.137.-1965.-P.1282.

19. S. Rabi I //Phys. Rev.-V.167,1968.-P.801.

20. P. J. Lin, L. Kleinman // Phys. Rev.-V.142,1966.-P. 478.

21. Равич Ю.И. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца / Ю.И. Равич, Б.А. Ефимова, И.А.Смирнов -М.: Наука, 1968.-384 с.

22. Волков Б.А. Теория электронного энергетического спектра полупроводников группы AIVBVI / Б.А. Волков, О. А. Панкратов О. А., А.В. Сазонов А. В. //ЖЭТФ.-Т.85.-4(10), 1983.- С.1395.

23. Parada N.J. New model for vacancy states in PbTe / N.J. Parada, G.W. Pratt // Phys. Rev. Lett.-V.22, 1969.-P.180-182.

24. Parada N.J. Localized defects in PbTe / N.J. Parada // Phys. Rev. B.-V 3, 1971.-P.2042-2055.

25. Hemstreet L.A. Cluster calculations of the effects of single vacancies of the electronic properties of PbS / L.A. Hemstreet // Phys. Rev. B.-V 11, 1975-P.2260-2270.

26. Волков Б.А. Энергетические спектры и неравновесные состояния в твердых растворах на основе теллурида свинца / Б.А. Волков, О.А. Панкратов // ДАН СССР 255, 1980.-С.93.

27. Борухович А.С. Особенности квантового туннелирования в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитные полупроводники / А.С. Борухович // УФН.- 1999, Т.169.-№7 С. 745.

28. Esaki L. Magnetointernal field emission injunction of magnetic insulators / L. Esaki, Stiks P.J, von Molnar S. // Phys. Rev. Lett.- 1967.- V. 19, P. 852.

29. Prinz G. Spin-polarized transport / G. Prinz // Science.- 282, 1998.-P.1160.

30. Жувикин Г. Спинтроника / Г. Жувикин // Компьютерра, 2005.-№3.

31. Кесслер И. Поляризованные электроны / И. Кесслер.-М.: Мир, 1988416 с.

32. Бамбуров В.Г. Введение в физико-химию ферромагнитных полупроводников / В.Г. Бамбуров, А.С. Борухович, А.А. Самохвалов.-М.: Металлургия,1988.-206 с.

33. Борухович А.С. Спин-поляризованный транспорт как основа нового поколения структур микроэлектроники /А.С. Борухович, Н.А. Виглин, В.В. Осипов // Исследовано в России .-http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/039.pdf

34. Prinz G.A. Spin-polarized transport / G.A. Prinz // Physics Tooday.-1995.-V. 48.-№4.- P.353.

35. Сейсян Р.П. Спектроскопия диамагнитных экситонов / Р.П. Сейсян.-М.: Наука, 1984.

36. Белявский В.И. Экситоны в низкоразмерных системах / В.И. Белявский // Соросовский Образовательный Журнал.- №5.-1997.- С. 9399.

37. Sternlicht Н. Paramagnetic excitons in molecular crystals / H. Sternlicht, H. M. McConnell // Chem. Phys.-V.35, 1961.-P.1793.

38. Lynden-Bell R.M. Theory of paramagnetic excitons in solid free radicals / R.M. Lynden-Bell, H.M. McConnell H.M. // Chem. Phys.-V.37,1962.-P.794.

39. Thomas D.G. Exciton magnetic resonance in wurster's blue perch lorate / D.G. Thomas and et. // Chem. Phys.- V.39, 1963.-P. 2321.

40. Thomas D. G. Phonon-coupled interactions between paramagnetic excitons / D.G. Thomas and et. // Chem. Phys.-V.40,1964.-P. 2588.

41. McConnell H.M. Paramagnetic excitons in solid free radicals / H.M. McConnell, R.M. Lynden-Bell // Chem. Phys.- V.36, 1962,- P. 2993.

42. Butov L.V. Anomalous transport luminescience of indirect exitons in AlAs/GaAs coupled quantum wells as evidence for exiton condensation / L.V. Butov, A.I. Filin // Phys. Rev. B.-V 58, 1998.-P. 1980.

43. Ларионов A.B. Коллективное состояние межъямных экситонов в GaAs/AlGaAs двойных квантовых ямах при импульсном резонансном возбуждении / А.В. Ларионов и др. // Письма в ЖЭТФ.-75, 2002 С. 233.

44. Бутов Л.В. Конденсация и образование пространственных структур в холодном экситоном газе / Л.В. Бутов и др. // Тез. док. VI Российской конференции по физике полупроводников СПб, 2003- С. 751.

45. D. Shoke, S. Denev, Y. Liu, L. Pfeifer, K. West. Nature 418, 2002.-P.754.

46. Nakamura S. High-power InGaN singl-quantum-well-structure blue and violet light-emitting diodes / S. Nakamura and et. // Appl. Phys. Lett- 67, 1995.-P.1868.

47. Kumagai M, Takagahara T // Phys. Rev.B.-V. 40, 1989.- P.2359; Funato M, Fujita Shizuo, Fujita Shigeo Jpn. // Appl. Phys.- V.32, 1993.- P.3396.

48. Flederling R., Kelm M., Reuseher G. al. Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode // Nature 1999 - V.402 - P.787.

49. Ohno Y., Young K., Beschoten B. al. Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure // Ibid—1999 — V.402.-P.790.

50. Кесслер И. Поляризованные электроны / И. Кесслер.-М.: Мир, 1988416 с.

51. Агранович В.Л. Источники поляризованных электронов / В.Л. Агранович, А.В.Гламаздин, В.Г. Горбенко-М.: ЦНИИ атоминформ.-1984.-325 с.

52. Busch G. Stability of Alkali halide Crystals in Terms of Many-Body Interactions / G. Busch and et. // Phys. Lett., 1964.- V.12.- P. 11-14.

53. Busch G. Magnetic properties of rare-earth compounds / G. Busch // Appl. Phys, 1967.-V. 38.-P. 1368.

54. Argule B.E. Plasma radiation from silver foils excited by light / B.E. Argule and et. //Phys. Rev. Lett., 1965.-V. 15.-P. 882.

55. Метфессель Э. Магнитные полупроводники / Э. Метфессель, Д. Маттис. М.: Мир, 1972. - 406 с.

56. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы / А.А. Преображенский, Е.Г. Бишард. М.: Высш. шк., 1986. -352 с.

57. Самохвалов А.А. Магнитные редкоземельные полупроводники. / В сб. Редкоземельные полупроводники. JI: Наука, 1977-С.5-47,

58. Белов К. П. Редкоземельные магнетики и их применение / К.П. Белов.-М.: Наука, 1987.-240 с.

59. Мотт Н. Электронные процессы в некристаллических веществах / Н. Мотт, Э. Дэвис. М.: Мир, 1982. - Т. 1. - 368 с.

60. Вдовин О.С. Пленки оксидов редкоземельных элементов в МДМ- и МДП -структурах. / Вдовин О.С., Котелков В.Н., Рожков В. А. и др-Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1983. -159 с.

61. Борухович А.С. Физические основы и структуры спиновой одноэлектроники / Сб.тр. 17-й межд. школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники".- М., МГУ, 2000 С.648.

62. Osipov V.V. Spin injection in the FS/S structures as the base fo the millimeter and submillimeter range / V.V. Osipov, N.A.Viglin, A.A Samckhvalov, A.S. Borukhovich // Proc.of the 1-st Intern. Symp. on the spintronics. FRG, 2000. -P. 18.

63. Яковлев Ю.М. Магнитные полупроводники для устройств функциональной электроники / Ю.М. Яковлев, А.И. Меркулов // Обзоры по электронной технике. Сер. материалы. М.: Электроника, 1983Вып.9.

64. Schmidt G. Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor / G. Schmidt, D. Ferrand, L.W. Molenkamp // Phys. Rev.- B, 2000.- V.62.- №8,- P.4790.

65. Колесников И.В. Квантоворазмерные эффекты а люминесценции тонких пленок сульфида свинца и сверхрешеток PbS-EuS / И.В. Колесников, В.А. Литвинов, А.Ю. Сипатов и др. // ЖЭТФ.- Т. 94.-1988,-С. 239.

66. Королева Л.И. Магнитные полупроводники / Л.И. Королева. М.: Физический факультет МГУ, 2003. - 312 с.

67. Slater J.C. A soluble problem in energy bands / J.C. Slater // Phys. Rev., 1952.-V. 87.-P. 807.

68. Голубков A.B. и др. В кн.: Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. / Под ред. В.П. Жузе. - Л.: Наука, 1973.

69. Yanase A., Kasuya Т. // Phys. Soc. Japan. 1968.- V.25, №4.

70. Kasuya Т. // Phys. Soc. Japan. 1958. V.13, P. 1096.

71. Yanase A., Kasuya T. // Rev. Mod. Phys. 1968. V.40(4), P.678.

72. Holtzberg F. Effect of electron concentration of magnetic properties of EuTe-GdTe / F. Holtzberg and et. // Appl. Phys, 1966.- V. 37.- P.976.

73. Busch G., Junod P., Risi M., Vogt O., Proc. Int. Conf. Phys. Semiconduct., Exeter, 1962. 729 p.

74. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии / Ж.И. Алферов // УФН, 2002.-Т. 172, №9.

75. Busch G., Junod P., Morris R.G., Muheim J. // Helv. Phys. Acta. 1964. V. 37, P. 637.

76. Moruzzi V.L., Tearey D.T. // Solid State Comm. 1963.- V.l, P.127.

77. Dillon J.F., Olsen C.E. // Phys. Rev. 1964.- V. 135, P. 434.

78. Van Vleck J.H. The Theory of Electric and Magnetic Susceptibilities / J.H. Van Vleck. London, 1965.

79. Kasuya Т. IBM J. Res. Develop., 1970.- 14.- C. 216.

80. Гуденаф Ф. Магнетизм и химическая связь / Ф. Гуденаф.- М.: Металлургия, 1968.

81. Вдовин О.С. Пленки оксидов редкоземельных элементов в МДМ- и МДП-структурах / О.С. Вдовин, В.Н. Котелков, В.А. Рожков и др. -Саратов: Изд-во саратовского университета, 1983. 159 с.

82. Капустин В.А. Аномальные явления переноса в халькогенидах европия / В.А. Капустин. Л.: Наука, 1977. - С. 82.

83. Busch G., Wachter P. // Phys. Condens. Mater. 1966,- V. 5, P. 232.

84. Силин А.П. Полупроводниковые сверхрешетки / А.П. Силин // УФН. -1985.- Т. 147.- Вып. 3.- С.485-521.

85. White S.R. Electronic properties of flat-band semiconductor heterostructures / S.R. White, L.I. Shame // Phys. Rev. Lett, 1981.- V. 47.-P. 879-882.

86. White S. R., Shame L. J.//Surf. Sci.- 1982.-V.l 13.-P. 131.

87. Chang L.L. Semimetallic InAs-GaSb superlattices to the heterojunction limit / L.L. Chang and et. // Appl. Phys. Lett, 1981.- V. 38,-P. 30.

88. S. Rabi I // Phys. Rev.- V.l69.- 1969.- P. 900.

89. L. Kleinman, P. J. Lin, Proc. Int. Conf. Phys. Semicond Paris, 1964- P. 63.

90. P. J. Lin, L. Kleinman // Phys. Rev.- 1966, V.142.- P. 478.

91. Nicholas R.J. Contemp.Phys., 1980.- V.21.- P.501.

92. Esaki L. Superlattice and negative differential conductivity in semiconductors / L. Esaki, R. Tsu // IBM J. Res. And Develop, 1970- V. 14.-P. 61.

93. J.O. Dimmock. The Physics of Semimetals and Narrow Gap Semiconductors / Dimmock J.O.//Proc. Confer-Dallas, 1970.-P.319.

94. Martines G. Bend inversion of Pb.xSnxSe alloys under hydrostatic pressure

95. G. Martines // Phys. Rev. В.- V.8.- 1973.- P. 4678.

96. Глушко Е.Я. Расчет иерархической сверхрешетки PbS-C в рлиямной модели / Е.Я. Глушко, В.Н. Евтеев // ФТП.- Т. 31, Вып. 7, 1997,- С. 889.

97. Александрова О.А. Подвижность носителей заряда в двухслойных структурах PbTe/PbS / О.А. Александрова и др. // ФТП Т.32 - Вып. 9, 1998,-С. 1064.

98. Бондаренко В.В. Электрон-фононное взаимодействие и подвижность электронов в квантово-размерных структурах II типа PbTe/PbS /В.В. Бондаренко и др. // ФТП.- Т. 32.- Вып. 6,1998.- С. 739.

99. Михайлов И.Ф, Савицкий Б.А, Сипатов А.Ю, Федоренко А.И, Шпаковская Л.П. // ФТТ.- Т.25.- Вып.4.- 1983.- С.1166.

100. Андреев А.Д. Влияние анизотропии зонной структуры на оптические переходы в сферических квантовых точках на основе сульфида и селенида свинца / А.Д. Андреев, А.А. Липовский // ФТП Т. 33 - Вып. 12,1999.-С. 1450.

101. ЮО.Мусихин С.Ф. Спектры оптического поглощения сверхрешеток Фибоначчи PbS/C с участием фононов / С.Ф. Мусихин и др.// ФТП.-Т. 34.-Вып. 11, 2000,- С. 1380.

102. С.С. Борисова, И.Ф. Михайлова, Л. С. Палатник, А. Ю. Сипатов, А.И Федоренко, Л.П. Шпаковская. Кристаллография.- 34.-1989.- Р.-716.

103. С.Н.Давиденко, Ф.Ф.Сизов, В.В.Тетеркин // Укр. физ. журн.- Т.-38.-1993.-Р. 938.

104. Днепровский B.C. Линейное и нелинейное поглощение экситонов в полупроводниковых квантовых нитях, кристаллизованных в диэлектрической матрице / B.C. Днепровский и др. // ЖЭТФ, 1998 Т. 113.

105. Гиппиус Н.А. Влияние перераспределения электрического поля на электронные и оптические свойства наноструктур / Н.А. Гиппиус и др. // УФН.-Т. 167.-Вып.5, 1997.- С. 558.

106. Fomin V.M, Pokatilov Е.Р. // Phys. Stat. Sol. В.-V.136, 1986.-P.187.

107. Юб.Верцимаха А.В. Межъямные экситоны/ в полумагнитных полупроводниковых двойных квантовых ямах во внешнем магнитном поле / А.В. Верцимаха и др. // ФТТ.~ Т. 46.- Вып 5.- 2004,- С. 919.

108. Кулаковский В.Д. Магнитоэкситоны в приповерхностных квантовых ямах: эксперимент и теория / В.Д. Кулаковский и др. // ФТТ- Т. 40-№5,- 1998.-С. 806.

109. Tran Thoai D.B. Image charges in semiconductor quantum wells: effect exciton binding energy / D.B. Tran Thoai and et. // Phys. Rev. B.-V. 42, 1990.-P. 5906-5909.

110. Андрюшин E.A. Спиновое расщепление энергетических уровней в несимметричных узкощелевых полупроводниковых гетероструктурах / Е.А. Андрюшин, А.П. Силин. // ФТТ.- Т. 35.- Вып. 7, 1993,- Р.1947.

111. Muljarov Е.А. Dielectric enhancement of excitons in near-surface quantum wells / E.A. Muljarov // Phys. Rev. B.-V. 51, 1995.- P. 370.

112. Ш.Бабаев НА. Размерное квантование экситонов в CdTe // НА. Бабаев и др. //Письма в ЖЭТФ 40, 1984,- Р.190.

113. Т. Ishihara. J. Lumin. 60,61, 1994.-P. 269.

114. Kulik L.V. dielectric enhancement of excitons in near-surface quantum wells / L.V. Kulik and et. // Phys. Rev. В. V. 54, 1996.- R2335-R2338.

115. Агранович B.M. Теория экситонов / B.M. Агранович.- М.: Наука, 1968,-382с.

116. Херман М.А. Полупроводниковые сверхрешетки / М.А. Херман. М.: Мир, 1989.

117. Bastard G. Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures // Springer Ser. Sol. State Sci., 1984.-V. 53,-P. 168.

118. Kane E.O. // Phys. Chem. Sol., 1957.- V. 2.- P. 330.

119. White S.R. Electronic properties of flat-band semiconductor heterostructures / S.R. White, L.J. Sham // Phys. Rev. Lett., 1981.- V. 47.- P. 879-882.

120. Bastard G. Theoretical investigations of superlattic band structure in envelop-function approximation / G. Bastard // Phys. Rev. B, 1982 V. 25-P. 7584.

121. Гомбаш П. Проблема многих частиц в квантовой механике / П. Гомбаш.- М.: Издательство иностранной литературы, 1953 276 с.

122. Kroemer Н. Theory of a wide-gap emitter for transistors / H. Kroemer // RCA Rev.-18, 1957.-P. 332.

123. Anderson R. L. Germanium-gallium arsenide heterojunctions / R. L. Anderson // IBM Journ. Res. Dev.- 4.-1960.- C.283.

124. Харрисон У. Электронная структура и свойства твердых тел / Харрисон У.- М.: Мир, 1983,- Т.1.

125. Милне А. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник / А. Милне, Д. Фойхт- М.: Мир, 1975.

126. Ковалев А.Н. Современные направления и проблемы создания полевых транзисторов на AlGaN/GaN-гетероструктурах/ А.Н. Ковалев // Материалы электронной техники.-№2.—2001- С.4-10.

127. Стерн Ф. Новое в исследовании поверхности твердого тела Вып.2, М.: Мир,1977.-С.280-305.

128. Никольская JI.B. Магнитные сверхрешетки на основе гетероструктуры EuS-PbS / JI.B. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Материалы XIX Международной школы-семинара НМММ. М., 2004. -С. 889-891.

129. Никольская JI.B. Влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода PbS-EuS / JI.B. Никольская,

130. Ю.Ф. Головнев // Вестник ТГПУ им. Толстого. Естественные и физико-математические науки. Тула, 2005. - С. 205-209.

131. Шик А .Я. Сверхрешетки периодические рлупроводниковые структуры//ФТП, 1974-Т. 8.-Вып. 10.-С. 1841.

132. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение / К.П. Белов. -М.: Наука, 1987.-240 с.

133. Головнев Ю.Ф. Решение системы волновых уравнений для периодических структур методом трансферных матриц / Ю.Ф. Головнев, JI.B. Никольская, А.В. Ермолов // Известия ТГУ. Серия Математика. Механика. Информатика Тула, 2003. - Т.9.- Вып.2. - С. 47-52.

134. Головнев Ю.Ф. Гетероструктуры на основе халькогенидов европия и свинца / Ю.Ф. Головнев, J1.B. Никольская // Вестник ТГПУ им. Толстого. Естественные и физико-математические науки. Тула, 2005. -С. 91-98.

135. Nikolskaja L.V. Heterostructures from magnetic and paramagnetic semiconductors for spintronics / L.V. Nikolskaja, J.F.Golovnev // 2nd international conference on physics of electronic materials PHYEM. -Калуга, 2005. С. 244-247.

136. Головнев Ю.Ф. Эситоны в сверхрешетках PbS-EuS / Ю.Ф. Головнев, J1.B. Никольская // Известия ТулГУ. Серия Физика. Тула, 2005. - Вып. 5. - С.104-110.

137. Никольская JI.B. Прямые и межъямные экситоны в магнитных наноструктурах / JI.B. Никольская, Ю.Ф. Головнев // Материалы XX Междунар. школы-семинара НМММ. М., 2006. - С. 999-1000.

138. Freiser M.J., Methfessel S, Holtzberg F // Appl. Phys.- 39.- 1968,- P. 900.

139. Головнев Ю.Ф. Применение сверхрешеток на основе ферромагнитных полупроводников в оптоэлектронных приборах / Ю.Ф. Головнев, JI.B. Никольская // Тез. док. VIII Международной конференции «Опто-, нанотехнологии и микросистемы». Ульяновск,2006.-С. 57.