Исследование рензонансных состояний в бесщелевых и узкозонных полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ск Чернівецький державний університет ^ ,!$>? ім. ІО. Федьковича

V V

л,

РОМАНЮК ОКСАНА СТЕПАНІВНА

УДК 621.315.592

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАНСНИХ СТАНІВ В БЕЗЩІЛИНІІИХ ТА ВУЗЬКОЗОНІІИХ НАПІВПРОВІДНИКАХ

(01.04.10. - фізика напівпровідників і діелектриків)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Чернівці-1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Чернівецького державного університету ім.Ю.Федьковича

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Горлей Петро Миколайович, Чернівецький держуніверситет, завідувач кафедри фізичної електроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук,

професор Шендеровський Василь

Андрійович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділом

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Боднарук Оксана Олексіївна, провідний науковий співробітник кафедри мікроелектроніки Чернівецького державного університету

Провідна установа:

Львівський державний університет імені І.Я.Франка

Захист відбудеться *’ 29 ” жовтня 1998 р.о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 76.051.01 при Чернівецькому державному університеті ім .Ю. Федьковича (274012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького державного університету ім. Ю. Федьковича (274012, м. Чернівці, вул. Л.Українки, 23)

Автореферат розісланий вересня 1998р.

КУРГАНЕЦЬКИЙ М.В.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток науково-технічного потенціалу фундаментальної і прикладної фізики напівпровідників ставить нові завдання в таких областях науки і техніки як квантова електроніка, космічний зв’язок, обчислювальна техніка і інш., вирішення яких потребує пошуку нових напівпровідникових матеріалів цільового призначення і цілеспрямованого вивчення їх фізичних властивостей. До таких матеріалів можна віднести безщілинні і вузькозонні напівпровідники, які містять у якості легуючої домішки елементи з незаповненими Зеї- і 4Р- оболонками і утворюють окремий клас напівпровідників - напівмагнітні напівпровідники (НМН). Інтерес до напівмагнітних напівпровідників викликаний цілою низкою причин, їх трьох - чи чотирьохкомпонентна природа дає можливість регулювати постійну кристалічної гратки, зонну структуру і зонні параметри шляхом зміни складу, температури і зовнішнього магнітного поля. Наявність магнітних іонів в гратці НМН обумовлює спін-спінову обмінну взаємодію зонних ер - електронів з й -електронами, які локалізовані на магнітних іонах. Це приводить до зміни параметрів, які характеризують зонні і домішкові стани і, як наслідок, до нових фізичних ефектів, які мало, або взагалі не вивчені.

Характерною особливістю НМН є їх здатність перебувати в діамагнітному, парамагнітному, антиферо- чи феромагнітному станах, а також в стані спінового скла, в залежності від вмісту магнітної компоненти.

Новим типом НМН є селенід ртуті легований домішками групи заліза і тверді розчини РехНцЬх8е, Cr.Jlgi.xSe, Сох^і.х8е в яких виявлений цілий ряд нових властивостей, які не спостерігалися у НМН з Мп [1-4]. В Н§8е:Ре іони Ре2+(3с16), як і іони Мп2+(3сі5), є домішками заміщення в гратці ^Бе, але на відміну від іонів Мп2+, рівень яких розташований глибоко у валентній зоні, вони утворюють вузький донорний рівень на фоні суцільного спектру зони провідності. Кулонівське відштовхування між трьохвалентними іонами Ре3+, які виникають внаслідок автоіонізації іонів Ре2+, приводить до кореляції в їх просторовому розташуванні і, як наслідок, до аномальних електрофізичних властивостей. Аналогічною є поведінка іонів Сг в Н§8е, але в цьому випадку спектр нових властивостей набагато

різноманітніший [5-7]. Що стосується поведінки Со в Н§8е то отримані результати є неоднозначними і вимагають подальших досліджень [8,9].

Дослідження поведінки домішок Мп, Ре, Сг, Со, Осі в твердих розчинах типу Сс1хН§і.х8е, СсіхН§і.х.Те у вузькощілинному стані, коли резонансні рівні розташовуються біля дна зони провідності чи валентної зони є актуальними науковою і технічною задачами. Такі дослідження можуть з однієї сторони підтвердити чи заперечити теорію, розвинуту в роботі [10] для І%8е:Ре, з другої - виявити закономірності чи особливості, які притаманні іншим домішкам групи заліза.

Оскільки в науковій літературі практично відсутні дані про поведінку 4£ домішок в халькогенідах ртуті, в роботі проведені дослідження впливу Оа, як легуючої домішки, на особливості протікання явищ переносу в Н^Бе.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких представлені в дисертації, виконані у відповідності з програмою наукової тематики кафедри фізичної електроніки Чернівецького державного університету: ’’Дослідження процесів росту кристалів, структури дефектів і електронних явищ в складних напівпровідниках на основі А2Вб і А4В6 ”(№ держреєстрації 01860060721), ’’Напівмагнітні напівпровідники і прилади на їх основі” (№ держреєстрації 019311027500).

Мета і задачі дослідження. Встановлення впливу магнітних домішок Мп, Бе, Сг, Со, С<І на характер протікання електронних явищ в ЩБе, СсІхН§і.х8е за допомогою комплексних досліджень електричних, оптичних, магнітних, гальваномагнітних властивостей, та спектрів електронного спінового резонансу (ЕСР), а також можливостей практичного використання досліджуваних кристалів.

Досягнення цієї мети передбачає вирішення таких задач:

1) дослідження залежності основних характеристик зонного спектру монокристалів Ссі-Д^^е від концентрації магнітної домішки, у випадку розташування резонансних рівнів поблизу дна зони провідності, в широкому інтервалі температур (4.2-400К) з вимірювань електричних, гальваномагнітних, термоелектричних, оптичних і магнітних явищ;

з

2) виявлення спільних ознак та особливостей, які притаманні зонному спектру, магнітній (утвореній атомами Мп, Ре, Сг, Со) та дефектній підсистемам досліджуваних кристалів;

3) встановлення впливу іонів Мп на критичні явища (температуру початку спотворення кристалічної гратки, перехід в фазу спінового скла) в кристалах СгхН^і.х8е;

4) встановлення поведінки, зарядового і енергетичного станів іонів Осі в К^Бе;

5) вивчення можливостей практичного використання досліджуваних напівмагнітних напівпровідників.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що

вперше:

1. На основі досліджень явищ переносу на монокристалах СсУ%і.х5е з різною концентрацією іонів Сг встановлено, що з рухом резонансного донорного рівня до дна зони провідності просторового впорядкування в системі донорів Ре3+, Сг3+ не спостерігається.

2. Експериментально показано, що зміна спектрів поглинання з концентрацією Со обумовлена двома рівнями, один з яких лежить в зоні провідності, а другий - у валентній зоні.

3. Перехід в фазу спінового скла в зразках СгхН§І.х.уМпу8е відбувається при Т>80К і обумовлений не феромагнетизмом, а пружною деформацією.

4. Виявлено, що в кристалах С^Нд^е (х<0,01) мають місце аномалії електрофізичних характеристик, які проявляються в залежності від швидкості охолодження досліджуваних зразків. Для зразків відпалених в парах компонент, а також невідпалених зразків всіхНді_х8е (х>0,01) аномалії відсутні.

5. Встановлено, що зміна структури спектру ЕСР ОсіхН§і„х8е в залежності від швидкості охолодження зразка обумовлена дією пружної деформації, внаслідок чого відбувається коагуляція іонів в кристалі.

Практичне значення одержаних результатів.

1.Високі значення коефіцієнту пропускання СсІцНді.хЗе^е, Сг, Со, СсіхН§і.х-уМПу8е за краєм власного поглинання ( в області прозорості матеріалу Т~60-65%) вказують на можливість використання цих кристалів як оптичних матеріалів для 14- техніки.

2,Оцінка величини коефіцієнту термоелектричної добротності кристалів CdxHgi_x„yMnySe при ЗООК Z~(l,8-2,2)10-3 град-1 вказує на можливість використання даних матеріалів в термоелектричних генераторах.

3. Значне спінове розщеплення енергетичних рівнів, індуковане sp-d обміном в кристалах CrxHgi.x.yMnySe при температурах вище азотної, створює передумови для розробки на основі цих матеріалів магнітокерованих пристроїв, які можуть працювати у широкому діапазоні спектру.

4. Результати експериментальних досліджень розширюють відомості про вплив іонів з незаповненою 4f- оболонкою на характер, природу і еволюцію різних типів взаємодії в безщілинних напівпровідниках групи А2В6 і стимулюють дослідження технології їх одержання та можливість керування їх невпорядкованістю.

Особистий внесок здобувана.

В роботах [1,2,7-12,14,15] дисертант приймав участь у постановці задач, виготовленні зразків, провів дослідження оптичних і магнітооптичних властивостей при різних температурах. Обговорення одержаних результатів проведено спільно з співавторами.

В роботах [3-6,13,16-18] дисертант приймав участь в постановці технологічних експериментів, провів дослідження однорідності вирощених кристалів, їх електрофізичних властивостей, визначив основні зонні параметри. Обговорення одержаних результатів і їх теоретичну інтерпретацію проведено спільно з співавторами.

Представлені в [10,13,14,17] результати досліджень (в яких приймав участь дисертант) одержані в співробітництві з вченими Донецького фізико-технічного інституту НАН України.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, доповідались і обговорювались на таких наукових конференціях, симпозіумах і нарадах: Ювілейній

конференції ІЕФ-93 ( Ужгород, 1993), The First Intern. Conf. on Mat. Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors ( Chernivtsi, October 4th-6th, 1994), First Intemat. Conf. on Physical problems in material science of semiconductors (Chernivtsi, 11th- 16th of September, 1995), XXV International School on Physics of Semiconducting Compounds

(Jaszowiec,1996, May 25-31), International conference « Material science and Material Properties for Infrared Optoelectronics (Uzhgorod, Ukraine, 30 September - 02 October,-1996), Международной научно-технической конференции ‘’Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта” (Москва, 24-25 сентября, 1996), 11* International Conference on Ternary in Multinary Compounds (Salford, 1997), Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Chemivtsi, Ukraine, 8th-12th September 1997), XXVII International School on Physics of Semiconducting Compounds (Jaszowiec,1998, June 7-12).

Публікації За результатами досліджень опубліковано 18 робіт.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел. Робота викладена на 128 сторінках, включає 64 рисунки, 4 таблиці і список літератури, що містить 134 джерела, розташованих на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтована актуальність теми, новизна, наукова та практична цінність задач, що розв’язуються в дисертації.

У першому розділі наведений огляд теоретичних та експериментальних робіт, присвячених дослідженню фізичних властивостей безщілинних та вузькозонних напівмагнітних напівпровідників, звернута увага на явища квантового переносу, кореляційні ефекти, особливості поведінки іонів хрому в селеніді ртуті, та механізми розсіювання в даних напівпровідниках.

Другий розділ присвячений дослідженню впливу домішок з незаповненою 3d- оболонкою, зокрема Mn, Fe, Сг, на явища переносу в кристалах CdxHgj.xSe.

Монокристали твердих розчинів CdxHgi.xSe, легованих Mn, Fe, Сг, отримували методом Бріджмена при градієнті температури в області фронту кристалізації 30-35 град/см і швидкості росту 1,2-2,5 мм/год. Хімічний склад кристалів CdxHgi.xo,MnySe визначали за допомогою рентгенівського мікроаналізатора СХА-773. Розподіл домішок Fe, Сг, в кристалах як в радіальному, так і в аксіальному напрямках, проводили методом ЕСР. Встановлено, що однорідність зразків значно покращується шляхом термічного відпалу в парах

селену. Для всіх досліджуваних кристалів зміна електропровідності а з температурою є характерною для напівметалів, тобто зі збільшенням температури о зменшується. Такий температурний хід пояснюється з однієї сторони зменшенням рухливості носіїв заряду, а з другої - істотним виродженням електронного газу при концентраціях носіїв заряду ~(21017 - 2-Ю'8) см-3.

В досліджуваному інтервалі температур і складів коефіцієнт Хола від’ємний, що вказує на електронний тип провідності.

Дослідження явищ переносу в твердих розчинах СсІхК^.х.уМпуВе показали, що електричні властивості кристалів подібні властивостям потрійних сполук Cdx.Hgi.xSe, проте володіють більшою стабільністю параметрів, нижчим значенням концентрації носіїв заряду, високим значенням термо - е.р.с. Термоелектрична ефективність 2 даних матеріалів досягає (1,8 - 2,2 ) • І О3 Ю1;

Дослідження впливу атомів заліза і хрому на фізичні властивості CdxHg1 хБе проводились на кристалах з шириною забороненої зони близькою до енергії залягання донорних рівнів Ре і Сг (тобто коли рівні розташовані біля дна зони провідності) в температурному інтервалі 77 - 400 К і магнітних полях до 1,6 Т. Досліджена також зміна фізичних властивостей по довжині вирощеного кристалу і вплив термічного відпалу в парах селену на властивості х8е:Ре,Сг.

Порівняння електричних характеристик зразків Cd![Hg| хБе: Бе, вирізаних з різних частин кристалу, показує, що на початку кристалу (~ 1/3 його довжини) концентрація носіїв знаходиться на рівні (5-8)1017 см'3, а для решти зразків (2/3 кристалу) концентрація стабілізується на рівні (1,5-1,8)1018 см-3. Рухливості носіїв /л для всіх досліджених зразків мають однаковий температурний хід, тобто з ростом температури (Л зменшується, що є характерним для

халькогенідів ртуті п-типу провідності. Рухливості для зразків виготовлених з різних ділянок кристалу при концентрації заліза ТЧрс==5-10)9 см-3 практично співпадають між собою.

Відпал нелегованих зразків в парах Бе змінює концентрацію носіїв на порядок, а в зразках СбхЩ[ х8е легованих залізом з

концентрацією N^=5-1019 см3, концентрація вільних носіїв з відпалом майже не змінюється.

Для зразків СсІхНд 8е:Сг, при концентрації Т^сг=5-Н)'9см'\

значення електропровідностей зразків, вирізаних з різних ділянок кристалу, практично співпадають, що свідчить про добру однорідність кристалів при даній концентрації хрому. Відпал зразків в селені дещо зменшує електропровідність в області температур 200400 К в порівнянні з невідпаленими зразками , не змінюючи при цьому температурної залежності рухливості, проте, на відміну від зразків легованих залізом, коли відпал практично не впливає на електрофізичні характеристики, значно збільшує її по абсолютній величині. Для різних значень N0, концентрація вільних носіїв стабілізується на рівні п=(1,2-1,5) -Ю18 см 3 для невідпалених зразків і п=(2,9-3,8) -1017 см'3 , для зразків відпалених в парах селену. Порівняння електричних характеристик легованих і нелегованих зразків СсІ)!Нд1 (х=0,18) при 77К показує, що для зразків легованих

хромом, можна досягти меншої концентрації носіїв п ніж для нелегованих зразків, при цьому рухливість складає ~(4-9)-104 см2/В-с.

З аналізу експериментальних досліджень явищ переносу в твердих розчинах х8е:Ре,Сг випливає, що при русі

резонансного рівня до дна зони провідності, тобто у випадку напівпровідника у вузькощілинному стані, не спостерігається просторового упорядкування в системі донорів Ре3+, Сг3+. Легування кристалів СсіЛІдккБе залізом приводить до стабілізації їх електричних властивостей, а в зразках Ссік^і-хБе , легованих хромом, шляхом відпалу, внаслідок утворення пар Сг3+- Сг2+, можна досягти нижчої концентрації вільних носіїв заряду і більшої рухливості, ніж в нелегованих зразках. Зміна фізичних властивостей кристалів СбхН§і.х8е:Сг залежить від співвідношення іонів хрому N0 і вакансій ртуті ІЧу.

Третій розділ присвячений дослідженню оптичних властивостей твердих розчинів С<ЗхЬІді х5е легованих Зсі-елементами. Дослідження спектрів поглинання в твердих розчинах СііхН§і_х8е, легованих Ре, Сг, Со з концентрацією легуючої домішки (Ні) 2-1018< К,<5-1019 см-3, проведені при температурах 90 і 300 К. Для обчислення коефіцієнту поглинання використовувалась кейнівська

модель енергетичних ЗОН, При цьому величини Е&, Р І гС'ЬН розглядались як змінні. Найкраще співпадання експериментальних і розрахункових результатів отримано при 300 К (И^^МО18 см-3) для Е£=0,322 еВ, Р- 8,02-1(їа еВ-см, тс ітии~ 4,3-10'13с, а при 90 К (N^=2-1018 см-3 і НРе=5-10!9 см-3) Е&=0,185 еВ, Р= 7,8-Ю'8 еВ-см, тс і Ти,--' 4,0-І0'13с.

Аналіз експериментальних залежностей а2 = для

зразків СсЦ^і-хБеїСг (х=0,18) з N0= 2-1018, 5-Ю18, 5-Ю19 см-3 показує, що збільшення концентрації хрому зсуває край поглинання в сторону менших енергій, причому температурний коефіцієнт ширини забороненої зони зменшується. В інтервалі досліджуваних значень а, залежність сґ(Иу) для Ксг=5-1019 см-3 не є лінійною функцією. В цьому випадку можуть мати місце два ефекти: по-перше, збільшення концентрації N0, приводить до зменшення концентрації носіїв заряду (що в дійсності спостерігається) за рахунок зміни зарядового стану хрому, а це в свою чергу, до пониження рівня Фермі, і відповідно зсуву краю поглинання в довгохвильову область; по-друге, іони Сг в можуть утворювати два рівні, один з яких знаходиться в зоні провідності, а другий - близько вершини валентної зони.

З спектрів поглинання зразків CdxHgi.xSe.Co (х=0,18) з Ктс«,=5-101у, 1-Ю20 см-3 слідує, що криві поглинання з ростом концентрації N00 зміщуються в область більших енергій і слабо змінюються з температурою, при цьому з ростом Г4Со змінюється нахил кривих поглинання. Для аналізу спектрів поглинання запропонована схема можливих оптичних переходів при наявності двох рівнів обумовлених атомами Со. Зсув кривих поглинання в область більших енергій пов’язується з рухом рівня, обумовленого

кобальтом, в глибину валентної зони, а зміну нахилу а2 = / (/п!) з деяким розширенням енергетичного рівня при збільшенні концентрації кобальту.

Проведені дослідження спектрів пропускання і поглинання монокристалів CdxHgbx.yMnj.Se (х>0,1-0,6; у=0,01-0,1) при 77 і 300К, а також досліджено вплив відпалу в парах компонент (Hg.Se) і вакуумі на крутизну короткохвильового краю і величину пропускання.

З експериментальних кривих поглинання#2 = /{Ьх>)

визначено ширину забороненої зони Ея і її залежність від складу при температурах 80 і ЗООК, при цьому зі збільшенням концентрації Мп при Т=300 і 80 К, лінійно зростає.

Показано, що введення Мп в СсіхІ^і.х8е приводить до того, що Е&

концентрації Ссі в Сс1хНзі_х5е. Встановлено, що найбільш доцільно проводити відпал зразків С(іхН§Л_х.уМп>5е у вакуумі, оскільки крутизна кривої пропускання і Т,„аї в цьому випадку збільшуються. Відпал в парах ртуті дещо зменшує Ттах і зміщує короткохвильову границю в область менших довжин хвиль.

Дослідження спектрів пропускання твердих розчинів СсіхНдьхЗеїРе, Сг, Со при температурах 80 і 300 К для різних концентрацій 3(1-іонів показали, що дані кристали володіють досить високим пропусканням (Т > 55-65%) з крутизною короткохвильового краю 0,8-0,9.

Розраховано інтерференційний фільтр для спектральної області 3,7- 4,1 мкм, який складається з непоглинаючих плівок матеріалів з високим і низьким показниками заломлення. З приведених розрахунків слідує, що фільтри на основі С(іхНді.х8е, СсіхІ^і.,..уМпу8е при подавленні понад 5-10 порядків випромінювальних завад в області 3,7- 4,1 мкм забезпечують пропускання не гірше 80% в області Лтак.

В роботі проведено детальне дослідження впливу зовнішніх факторів, а саме: відпалу в динамічному вакуумі, кисневому середовищі, термоциклювання, а також імпульсного і неперервного лазерного випромінювання на спектральний розподіл пропускання зразків СсіхІ^і.х8е (х=0,2-0,3). Встановлено, що відпал в динамічному вакуумі (Р=13,3 Па) на протязі 5 хв при 400 °С веде до окислення поверхні і різкого зменшення пропускання (пропускання невідпалених

Величина

(Т= ЗООК) = 4,5-10-2

еВ

аг

о/ ’ ^ МОЛЬ/ь

-~г(Т= 80 А!) = 5,5-10"2

еВ

моль%'

зразків 50%). Після механічної і хімічної поліровки зразків пропускання збільшується, досягаючи 60%, при цьому крутизна краю складає 0,85-0,9. Термоциклювання зразків на протязі трьох годин (120 циклів, 77- 400 К) практично не впливає на спектральний розподіл пропускання. Відпал в кисневому середовищі при 200 °С збільшує пропускання, при цьому короткохвильовий край зміщується в довгохвильову область спектру. Відпал в кисні при Т=350 °С змінює не тільки поверхневі властивості, але й об’ємні. При імпульсному лазерному опроміненні, збільшення кількості імпульсів приводить до збільшення пропускання в початковий момент, а в подальшому практично не впливає на величину пропускання і крутизну

короткохвильового краю. Двохстороння дія неперервного лазерного випромінювання на зразки Сс1хН§і.х8е на протязі 10 хв (Я = 1,06 мкм, Р=0,5 Вт/см2) практично не змінює величини пропускання в максимумі, хоча в деякому інтервалі довжин хвиль пропускання зменшується, що обумовлено поглинанням вільними носіями, оскільки дія лазера приводить до зміни дефектної підсистеми, а це в свою чергу, до зміни концентрації носіїв.

Високе оптичне пропускання кристалів СсіхІ^і_х8е, Сс1*Е^і.х8е:Ре, Сг, Со, Сс^Щьх.уМпуБе, а також стійкість їх до впливу зовнішніх факторів, дозволяє рекомендувати дані матеріали як для 14- фільтрів, так і підкладок для інтерференційних фільтрів.

В четвертому розділі розглянуто вплив магнітної взаємодії та дефектів структури на електронні процеси в селеніді ртуті, легованому Сг, Мп а також явища переносу і спектри ЕСР в Н§Бе: Ссі.

Дослідження явищ переносу і діелектричних втрат в СгхНйі.х-уМпу8е проведені в інтервалі температур 4,2 - 400 К і магнітних полях до 1,6 Т. Для всіх досліджуваних зразків коефіцієнт Хола практично не залежав від температури і магнітного поля. Аналіз експериментальних досліджень показує, що холівська рухливість електронів в Сг^ь^МПуБе, при низьких концентраціях марганцю, істотно більша рухливості електронів в системі СгхН§1.х8е.

Порівняння температурних залежностей релаксаційних діелектричних втрат зразків СгхЩі_х8е і СгхН§і.х_уМпу8е з однією і тією ж концентрацією хрому, які вимірювались відразу ж після росту

кристалу, показали, що в другій системі дефектна структура більш впорядкована і концентрація дефектів релаксаторів значно менша. При цьому, після шести місяців витримки кристалу в звичайних умовах, пік нерезонансного поглинання зміщується в область менших температур і зменшується його ширина. Протягом цього часу відбувається перебудова дефектної структури і кількість дефектів в даному матеріалі зменшується. Ці зміни дефектної структури істотним чином впливають на рухливість носіїв заряду .

На основі досліджень спектрів ЕСР в Н§8е:Сг:Мп (НСг=Ю20см'3, N^„=5-1020 см’3) встановлено, що з пониженням температури до певної величини спектр складається з однієї симетричної ізотропної лінії, що свідчить про знаходження Сг3 в кубічному полі. При цьому резонансне поле Нг лінії поглинання не залежить від Т. При Т <Tf.Hr залежить від температури, при цьому появляється аксіальна анізотропія спектру, про що свідчить кутова залежність лінії ЕСР. З подальшим пониженням температури Т проявляється тонка структура спектру і збільшується ступінь анізотропії. З порівняння температурних залежностей Нг спектру ЕСР на іонах Сг3т в Н§5е:Сг:Мп і Н§8е:Сг з одинаковими концентраціями хрому слідує, що характер зміни структури спектру з температурою для обох систем аналогічний, але температура початку спотворення симетрії гратки Tf для системи Н§8е:Сг:Мп на 20К вища ніж в Н§8е:Сг. З досліджень магнітної сприйнятливості X в слабких магнітних полях слідує, що характер зміни %(Т) для Н§8е:Сг і Щ8е:Сг:Мп аналогічний, але абсолютні значення величини % істотно різні в області температур фазового переходу і при Т<ТЙ .Аналіз експериментальних результатів показує, що добавка атомів марганцю в кількості 5-Ю18 см_3 в Н§8е:Сг викликає істотне підвищення температури переходу в фазу спінового скла. Підвищення температури переходу з ростом атомів марганцю в ^8е:Сг, обумовлене збільшенням кількості кластерів на одиницю об’єму і відповідно ближчим розташуванням їх один до одного, тобто можна стверджувати, що дефектна структура досліджуваного зразка впливає як на утворення певної кількості кластерів, так і на швидкість збільшення їх розмірів з пониженням температури, а

це в свою чергу приводить до зміни величин Tg, X І іншого характеру зміни ^(Х) в області T<Tg.

Експериментальні результати явищ переносу кристалів HgSe легованих гадолінієм свідчать про те, що в даних кристалах мають місце такі особливості: а) збільшення вмісту Gd до х=0,01 приводить до росту провідності; б) при вмісті Gd більше 0,01 провідність зменшується на порядок; в) величина провідності зразків з вмістом Gd ^0,01 залежить від швидкості охолодження. Аналіз температурної зміни рухливості досліджуваних зразків показує, що величина рухливості не залежить від швидкості охолодження. Встановлено, що гадоліній в селеніді ртуті, при вмісті х=0,01, майже на порядок збільшує рухливість в низькотемпературній (77-120 К) області, а дальнійше збільшення вмісту гадолінію значно зменшує рухливість. Досліджено вплив низькотемпературного (200 °С) відпалу в парах Hg, Se на температурні залежності рухливості з яких слідує, що відпал в парах Se збільшує рухливість, а відпал в парах Hg - зменшує, причому значення рухливостей практично не змінюються в залежності від швидкості охолодження. Відпал в парах Se по різному впливає на значення і температурну залежність коефіцієнту Хола R. Так, для зразків з х=0,01 відпал в парах Se понижує концентрацію носіїв заряду, проте R не залежить від Т. Найістотніший вплив відпалу на значення R(T) проявляється для зразків HgSe при No^TO^cm'3 . Окрім зниження концентрації вільних носіїв зряду, величина R змінюється з температурою, починаючи з 180К, причому значення R залишається практично однаковим при охолодженні зразків з різною швидкістю. Одержані результати свідчать про складну поведінку Gd в HgSe, яка пов’язана з різним зарядовим станом Gd, а також динамікою точкових дефектів. Експериментально встановлено, що характер спектру ЕСР залежить від швидкості охолодження досліджуваного зразка. Так, при швидкості охолодження 20 К/хв спектр починає спостерігатись при 80 К. Структура спектру, який складається з семи анізотропних ліній поглинання, відповідає іону Gd1+. Зменшення швидкості охолодження зразка до 15 К/хв приводить до збільшення ширини кожної з ліній спектру в середньому до 100 Е при незмінності їх резонансних полів. При

швидкості охолодження 1 К/хв структура спектру не відповідає іону Осі3і. В цьому випадку спектр починає спостерігатись при 120 К і складається з двох ізотропних широких ліній. Резонансні поля цих ліній рівні: Ні=11,75кЕ , А Ні=0,92кЕ і Н2=14кЕ, А Н2 =2кЕ. Структура спектру з подальшим пониженням температури не змінюється до 65К. При Т<65К лінія поглинання в меншому магнітному полі перестає спостерігатись, а у більшому полі - дещо зсовується в сторону меншого магнітного поля з незначним зменшенням її ширини. З експериментально отриманих даних слідує, що при повільному охолодженні зразка під дією пружної деформації, яка виникає зі зміною температури, відбувається коагуляція іонів в кристалі, в процесі якої змінюється структура спектру і утворюються два магнітні спін-центри. У випадку швидкого охолодження іони в кристалі не встигають прийняти участь в процесі коагуляції, тобто відбувається загартовування, і спостерігається спектр ЕСР, який відповідає іону

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1.Показано, що електрофізичні властивості кристалів СсіхН§і.х„уМпу8с подібні властивостям потрійних сполук

проте, на відміну від останніх, володіють більшою стабільністю параметрів, нижчим значенням концентрації носіїв заряду, високим значенням термо-е.р.с.

2.Вперше, на основі досліджень явищ переносу на

монокристалах (х=0,18; 0,23) з концентрацією іонів Сг

(ІЧСг=2-1018, 5-1018,5-1019см'3) в температурному інтервалі 77-400К, встановлено, що з рухом резонансного донорного рівня до дна зони провідності просторового впорядкування в системі донорів Ре3+, Сг3+ не спостерігається. Стабілізація властивостей С(іхІ^і.х5е легованих залізом здійснюється за рахунок зменшення кількості власних дефектів, а для кристалів легованих хромом зміна фізичних властивостей залежить від співвідношення іонів хрому і вакансій ртуті.

3.Вперше з досліджень оптичних властивостей встановлено, що у твердих розчинах Сс1хН§і.к8е, легованих залізом, край власного поглинання формується прямими дозволеними переходами. Наявність резонансного рівня Бе в зоні провідності, який розташований поблизу

її дна, не вносить змін в спектри оптичного поглинання при температурі ~ 90К.

4.Експериментально показано, що спектри поглинання, кристалів С^Щ^ве з концентрацією кобальту КСо-5-1018, 5-1019,Ю20см-3 не змінюються з температурою, а з ростом концентрації Со зміщуються в область коротких довжин хвиль. Зміна спектрів поглинання з концентрацією Со обумовлена двома рівнями, один з яких лежить в зоні провідності, а другий - у валентній зоні.

5.Встановлено, що характер зміни магнітної сприйнятливості з температурою для кристалів СгхН$і.х8е і СгхН£Кх.уМпу8е з однаковою концентрацією хрому КСг=1020см-3 і концентрацією марганцю ^Ь)-5-1018см'3 аналогічний, але абсолютні значення величин магнітної сприйнятливості істотно різні в області температур фазового переходу. Крім того, температура фазового переходу Т„ для СгхН§і.х.уМпу8е на 12,5К вища ніж для СгхН£і_х8е при однаковій концентрації N0- , за рахунок збільшення кількості кластерів в одиниці об’єму.

6.Виявлено, що в кристалах ОсіхЬ^.^е (х<0,01) мають місце аномалії електрофізичних характеристик, які проявляються в залежності від швидкості охолодження зразків. При N0,1=5-10і 9см-3 значення рухливості ц співпадає з величиною ц для селеніду ртуті, а збільшення концентрації Од в НдБе до х=0,01 приводить до росту рухливості в низькотемпературній області майже на порядок. Для зразків відпалених в парах компонент, а також невідпалених зразків СсУН^.хБе (х>0,01) аномалії відсутні.

7.Вперше для проведені дослідження ЕСР і

встановлено, що зміна структури спектру ЕСР від швидкості охолодження зразка обумовлена дією пружної деформації, яка виникає зі зміною температури, внаслідок чого відбувається коагуляція іонів в кристалі в процесі якої змінюється структура спектру і утворюється два магнітні спін-центри.

8.Високе оптичне пропускання, за краєм власного поглинання, кристалів Сс^Нц^е^'е, Сг, Со; Сс1,Д§і.х.уМпу8е, а також стійкість до впливу зовнішніх факторів, дозволяє рекомендувати їх як для ІЧ-фільтрів, так і підкладок для інтерференційних фільтрів; кристали С(УН£і.х_уМПу8е володіють високим коефіцієнтом

термоелектричної добротності при 300 К (Z~l ,8-2,2 -1Q'3 град-1 ) і можуть використовуватись в термоелектричних генераторах; значне спінове розщеплення енергетичних рівнів, індуковане sp-d обміном в кристалах CrxHgi_x.yMnySe, при температурах вище азотної, створює передумови для розробки на основі цих матеріалів магнітокерованих пристроїв, які можуть працювати у широкому діапазоні спектру.

Цитована література

1. Mycielski A. Fe-based semimagnetic semiconductor (invited) II J.Appl.Phys.- 1988.- 63,- P.3279-3284.

2. Twardowski A. Magnetic properties of Fe-based diluted magnetic semiconductors (invited) // J. Appl.Phys.-1990.-67, № 9,- P.5108-5113.

3. Furdyna I.K. Diluted Magnetic Semiconductors // J.Appl.Phys.-1988.-64, №4.- P.R29-R64.

4. Цидильковский И.М. Бесщелевые полупроводники с магнитными примесями образующими резонансные донорные состояния. Препринт, Свердловск: Ур О АН СССР -1991.- 74 с.

5. Прозоровский В.Д., Решидова И.Ю., Паранчич С.Ю., Паранчич Ю.С. Исследование твердых растворов Hg,_xCrxSe // ФТТ.- 1992,- 34, №3.- С.882-888.

6. Prozorovskii V.D., Rechidova I.Yu., Puzynya A.I., Paranchich Yu.S. Electron spin resonance and magnetic susceptibility of Hgj.xCrxSe solid solutions with 0,00112<x<0,07 // Low.Temp.Phys,- 1995,- 21, № 6,-P.1057-1060.

7. Прозоровский В.Д., Решидова И.Ю., Паранчич С.Ю., Паранчич Ю.С. Електродипольний спіновий резонанс, індукований одновісним напруженням в Hg,.xCrxSe // УФЖ.-1995.- 40, №9.- С. 1003-1008.

8. Tsidilkowski I.M., Lerinman N.K., Sabirzanova L.D., Paranchich S.Yu., Paranchich Yu.S. Features Peculiar to Transport Phenomena in Cobalt-Doped HgSe Ctysfal // Phys.stat.sol.(b).- 1992,- 171,-P. 153-158.

9. Szuszkiewicz W., Ariszewska M, Witkowska B, Julien C., Balkanski M. Hg!.xCoxSe mixed crystals: new semimagnetic semiconductor // J. Of Magnetism and Magnetic Materials.- 1995.-140-144.-P.2037-2038.

10. Mycielski J. Semimagnetic semiconductors// Abstr. Proc.l Int.Conf on

Phys. Magn. Mater., Jaszowiec, 1980.-1, P.280-290.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Романюк О.С., Паранчич Л.Д., Юрценкж P.M. Тверді розчини CdxHgi.KSe - матеріали для оптичних фільтрів різного спектрального діапазону // Збірник доповідей ювілейної конференції ІЕФ-93 .- Ужгород, 1993.- С.59-62

2. Паранчич Л..Д. , Романюк О.С., Макогоненко В.Н., Нычий С.В. Спектры пропускания твердых растворов CdxHgi.xSe// Журнал прикладной спектроскопии.- 1996.- 63, №2.- С.353-356.

3. Паранчич Л.Д., Романюк О.С., Макогоненко В.Н., Курганецкий

H.В. Выращивание монокристаллов CdxHgi.xSe при минимальном и контролируемом давлении пара // Неорганические материалы.-1977.-33, №2.- С. 201-204.

4. Романюк О.С. Релаксаційні ефекти в селеніді ртуті легованому гадолінієм // Науковий вісник Чернівецького держуніверситету.-1998.- в.30, Фізика.- С. 52- 60.

5. Фодчук І.М., Нічий С.В., Романюк О.С., Політанський Р.Л., Колесникова О.О. Структурні зміни в кристалах CdxHgbxSe, обумовлені дією лазерного випромінювання // Науковий вісник Чернівецького держуніверситету.- 1998.- в.30, Фізика.- С.104-108.

6. Нічий С.В., Грицюк Б.М., Фодчук І.В., Романюк О.С., Данилюк

I.Р. Явища переносу в плівках CdxHgi.xSe і CrxHg].xSe // Науковий вісник Чернівецького держуніверситету.- 1998.- в.30, Фізика.-С. 120-123.

7. Savchuk А.І, Paranchych S.Yu., Paranchych L.D., Romanyuk O.S.,.Andriychuk M.D, Nikitin P.I. Optical absorption and Faraday rotation in spin doped CdxHgj.xSe:Mn Crystals // Inst. Phys. Conf. № 152: Section G: Magnetic Materials 1998 IOI Publisning Ltd p.877-880.

8. Паранчич Л.Д., Макогоненко B.M., Романюк O.C., Нічий С.В., Гавалешко Н.М. Вплив зовнішніх факторів на оптичні властивості твердих розчинів CdxHgi-A-Se // The First Intern. Conf. on Mat. Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors, Chtemivtsi, October 4th-6th, 1994, p. 100.

9. L.D.Paranchich, V.MMakogonenko, P.M.Gorley, O.S.Romanyuk. Obtaining and Photoelectric Properties of CdxHgi„xSe // First Internal. Conf.

on Physical problems in material science of semiconductors.-Chernivtsi,llth-16th of September, 1995.-p.121.

lO.Paranchich S.Yu., Romanyuk O.S., Prozorovskii V.D. Magnetic susceptibility of Hgi„xCrxSe samples // XXV International School on Physics of Semiconducting Compounds.-Jaszowiec,1996, May 25-31, p.35.

П.Горлей П.Н., Романкж O.C. Полумагнитные полупроводники Cd4Hg(.x_yMnySe - перспективные материалы ИК-техники// Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта”, Москва, 24-25 сентября, 1996., С.102-103.

12. Paranchich S.Yu., Savchuk A.I., Romanyuk О.S., Macogonenko V.N., Paranchich L.D., Savchuk O.A.. Optical and magnetooptical studies of Cd-rich CdxHgi_xSe crystals spin doped with Mn Second International School-Conference - Physical Problems in Material Science of Semiconductors, Chemivtsi, Ukraine, 8th-12th September 1997, p.131.

13. Paranchych S.Yu., Paranchych Yu.S., Romanyuk O.S.,Macogonenko V.N., Gikavyi A. Ya.,Andriychuk M.D Influence of iron and chrome on transport properties of CdHgSe// Second International School-Conference - Physical Problems in Material Science of Semiconductors, Chernivtsi, Ukraine, 8*-12th September 1997, p.213.

14.Prozorovskii V.D., Rechidova I. Yu., Puzynya A.I., Romanyuk O.S. Influenc of the Hgi.xCdxSe sample cooling rate on ESR spectrum //Second International School-Conference - Physical Problems in Material Science of Semiconductors, Chernivtsi, Ukraine, 8th-12th September 1997, p. 132.

15. Romanyuk O.S., Paranchych S.Yu., Paranchych Yu.S., Yurtsenyuk R.M., Savchuk O.A. Optical transition in CdxHgt_xSe having Fe or Cr resonance levels// Second International School-Conference - Physical Problems in Material Science of Semiconductors, Chemivtsi, Ukraine, 8th-12,h September 1997, p.221.

16. Romanyuk O.S., Gorley P.M., Paranchych L.D., Gavalechko N.N. Kinetic effects in semimagnetic semiconductors of Cd4Hgj.x.yMnySe // Second International School-Conference - Physical Problems in Material Science of Semiconductors, Chemivtsi, Ukraine, 8th-12th September, 1997, p.222.

17.Paranchych S.Yu., Romanyuk O.S., Andriychuk M.D., Prozorowskii V.D Influence of manganese on the transfer effect and the temperature of transition

in CrxHgi.xSe// XXVII International school on physics of semiconducting compounds Jaszowiec ’98 , Ustron - Jaszowiec, Poland, June 7 - 12, 1998, p.59.

18. Paranchych S.Yu., Paranchych Yu.S., Romanyuk O.S., Gikavyy A.Ya., Prozorowskii V.D. Relaxation effect in the HgSe doped with Gd// XXVII International school on physics of semiconducting compounds Jaszowiec ’98 , Ustron - Jaszowiec, Poland, June 7 - 12, 1998, p.60.

АНОТАЦІЯ

Романюк O.C. Дослідження резонансних станів в безщілинних та вузькозонних напівпровідниках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика

напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький державний університет ім. Ю. Федьковича, Чернівці, 1998.

До захисту подається 18 наукових робіт, в яких приводяться результати комплексних досліджень електричних, оптичних, магнітних, гальваномагнітних властивостей, та спектрів електронного спінового резонансу монокристалів CdxHgj.xSe:Mn, Fe, Cr, Co; HgSe:Cr:Mn, HgSe:Gd. Вивчено температурні зміни явищ переносу, оптичних властивостей монокристалів CdxHgi.xSe при наявності резонансних рівнів близько дна зони провідності. Показано, що характер зміни оптичних властивостей визначається типом домішки, і в випадку Со в CdxHgi_xSe переходи обумовлені двома рівнями, один з яких знаходиться в зоні провідності, а другий -у валентній зоні. Наводяться результати досліджень, що свідчать про можливість використання CdxHgt.xSe:Mn, Fe, Cr, Co для оптичних фільтрів і підкладок інтерференційних фільтрів.

Вперше для кристалів HgSe:Cr:Mn виявлено перехід в фазу спінового скла при температурах вище азотних, а для кристалів HgSe:Gd характерними є аномалії електричних властивостей і спектрів ЕСР, які проявляються в залежності від швидкості охолодження досліджуваних зразків.

Ключові слова; напівмагнітні напівпровідники, тверді розчини, резонансний стан, електронний спіновий резонанс, магнітна сприйнятливість, фазовий перехід, вузькозонний, безщілинний.

АННОТАЦИЯ

Романюк О.С. Исследование рензонансных состояний в бесщелевых и узкозонных полупроводниках._ Рукопись. а

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика

полупроводников и диэлектриков.- Черновицкий государственный университет им.Ю.Федьковича, Черновцы, 1998.

Защищается 18 научных работ, в которых приведены результаты комплексных исследований электрических, оптических, магнитных, гальваномагнитных свойств и спектров электронного спинового резонанса монокристаллов Сс1х^!.х8е:Мп, Бе, Сг, Со; Щ8е:Сг:Мп, ЩБеЮсІ. Изучены температурные изменения явлений переноса, оптических свойств монокристаллов СсіхЩі.х5е при наличии резонансных уровней вблизи дна зоны проводимости. Показано, что характер изменения оптических свойств определяется типом примеси, и в случае Со в Сс^^.^е переходы обусловлены двумя уровнями, один из которых находится в зоне проводимости, а другой - в валентной зоне. Приводятся результаты исследований, которые свидетельствуют о возможности использования С<1хН§і_х8е:Мп, Бе, Сг, Со для оптических фильтров и подложек интерференционных фильтров.

Впервые для кристаллов Н§8е:Мл:Сг выявлен переход в фазу спинового стекла при температурах выше азотной, а для кристаллов ЩБеЮсІ характерными являются аномалии электрических свойств и спектров ЭСР, которые проявляются в зависимости от скорости охлаждения исследуемых образцов.

Ключевые слова; полумагнитные полупроводники, твердые растворы, резонансное состояние, электронный спиновый резонанс, магнитная восприимчивость, фазовый переход, безщелевой, узкозонный.

ABSTRACT

O.S.Romanyuk. The Investigation of Resonance Conditions in

Zero-Gap and Narrow-Gap Semiconductors.- Manuscript.

Thesis on search of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences in speciality of 01.04.10 - Physics of Semiconductors an£ Dielectrics. Chernivtsi State University, Chernivtsi, 1998.

Herewith, 18 scientific works are being represented to sum up the results of complex investigations of electrical, optical, magnetic and galvanomagnetic properties and spectra of electron-spin resonance in CdxHg).xSe:Mn, Fe, Cr, Co; HgSe:Cr:Mn, HgSe:Gd monocrystals. There have been investigated temperature changes of transport phenomena, optical properties of CdxHgi_xSe single crystals with resonance levels available nearby the bottom of conducting band. It has been shown that the character of optical properties change depends on types of impurities, and in case of Co in CdxHgi_sSe, the transitions are predefined by the two levels, one of which is situated in the conductance band and the other one is in the valence band. The work represents the results of researches which prove the possibility of use of CdxHg!.xSe:Mn, Fe, Cr, Co in optical filters and interferential filters substrates.

The transition into spin glass phase of HgSe:Mn:Cr at temperatures higher that 77 K was discovered for the first time; HgSe:Gd shows regular anomalies of electrical properties and ESR spectra which appear in accordance to the cooling speed of samples under investigation.

Key words: semimagnetic semiconductor, solid solution, resonance state, electron spin resonance, magnetic susceptibility, phase transition, Zero-Gap, Narrow-Gap.