Магнитные колебания и волны в ферромагнитных полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ



На правах рукописи

СОЛИН НИКОЛАИ ИВАНОВИЧ

МАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических, наук

Екатеринбург - 1998 г.

Работа выполнена в Институте физики металлов Уральского отделения РАН, г.Екатеринбург

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор А.В.Вашковский

доктор физико-математических наук профессор А.П.Танкеев

доктор физико-математических наук

А.Я.Фшпман

Ведущая организация - Физико-технический институт имени

А.Ф.Иоффе, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 1{.О^С КУ_1998г.

на заседании диссертационного совета Д 002.03.01 в Институте физики металлов Уральского отделения Российской Академии Наук (620219, г.Екатеринбург, ГСП-170, ул.С. Ковалевской, 18).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФМ Уро РАН.

Автореферат разослан ■ -Л вг>лЛ.т г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор фаз.- мат. наук профессор О.Д.Шашков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблемы качественного улучшения параметров сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств и приборов, их миниатюризации, уменьшения электропотребления требуют разработки новых материалов и новых принципов управления распространением СВЧ энергии. Одной из таких возможностей является использование взаимодействия между электронной и магнитной подсистемами в ферромагнитных полупроводниках. Зависимость магнитных свойств материала от электрического поля, а электрических - от магнитного поля могли бы создать новые возможности для управления распространением СВЧ энергии.

Проводимость ферритов - узкозонных полупроводников с малой подвижностью носителей заряда - не влияет заметным образом на их магнитные свойства. В настоящее время синтезирован широкий класс веществ, так называемых магнитных полупроводников, в которых существует сильная связь между магнитной и электронной подсистемами. Например, в ферромагнитных полупроводниках зонная структура и механизмы электропроводности находятся в сильной зависимости от их магнитного состояния. Однако обратное влияние электронов проводимости на магнитные свойства гораздо слабев. Оно возможно, если концентрация носителей заряда достаточно велика и образец практически является металлом. Оценки показывают, что управлять магнитным состоянием магнитного полупроводника, например, за счет изменения косвенного обмена с увеличением концентрации носителей заряда при освещении или другим способом невозможно: образец сгорит, прежде чем будет достигнут эффект.

Однако в ферромагнитных полупроводниках есть принципиально другой путь управления их магнитными свойствами. Ферромагнитные полупроводники имеют комплекс электрических свойств, характерных для широкозонных полупроводников - в первую очередь, сравнительно большую (порядка 103 см2 В-1 с-1) подвижность носителей заряда. В этом случае возможность управления свойствами магнитного полупроводника основана на том, что дрейфовая скорость носителей заряда в сравнительно невысоких электрических полях ~ I кВ/см может быть порядка скорости звука в среде, тепловой скорости электронов или фазовой скорости спиновых

волн. И передача кинетической энергии носителей заряда магнитной подсистеме может привести к изменениям их физических свойств в сильном электрическом поле.

Изменения1 магнитных свойств материала могут происходить двояким образом. В первом случае осуществляется передача кинетической энергии носителей заряда некогерентным спиновым волнам, что может привести к разогреву магнонов горячими носителями' заряда СI]. Влияние разогрева магнонов на спектр и затухание магнитных колебаний и волн было совершенно не изучено.

Во втором случае осуществляется передача энергии носителей заряда когерентным спиновым волнам в условиях черенковского синхронизма 12] (дрейфовая скорость носителей заряда равна фазовой скорости спиновых волн), что может привести к увеличению времени казни спиновых волн. Усиление спиновых волн дрейфующими носителями заряда в магнитных проводниках обсуадалось во многих теоретических работах, но прямых экспериментов по измерению затухания спиновых волн в электрическом поле не было. Оценки показывают, что в магнитных полупроводниках черепковские условия усиления когерентных спиновых волн могут быть выполнены для спиновых волн с волновыми числами к=Ю4 -106 см-1.

Все это позволяет предположить, что носители заряда могут в значительной степени влиять на спектр и затухание магнитных колебаний и волн в магнитных полупроводниках. Однако целенаправленных экспериментов по исследованию влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание магнитостатических и спиновых волн в магнитных полупроводниках не было.

Следует отметить, что эффективное взаимодействие спиновых волн с носителями тока возможно только в случае малых магнитных и электрических потерь, т.е. при малом параметре затухания спиновых волн ¿Нк и больших подвижностях носителей заряда. Поэтому необходим поиск материалов с необходимыми свойствами, выяснения природы их СВЧ магнитных и электрических потерь.

Кроме того, спектр и затухание спиновых колебаний и волн экспериментально исследовались в основном на ферритах, являющихся ферримагнетиками. В то же время большинство теоретических работ, посвященных этой теме, выполнены для ферромагнетиков и, как правило, для параметров известных ферритов. Поэтому

представляло интерес провести экспериментальные исследования спинволновых явлений на ферромагнитных полупроводниках, имеющих отличные от ферритов параметры (значения намагниченности, обменного взаимодействия и др.).

Цель диссертации - исследования спектра и затухания магнитных колебаний и волн в ферромагнитных полупроводниках, выяснения закономерностей влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание однородной прецессии, магнито-статических и спиновых волн и колебаний в ферромагнитных полупроводниках.

Объектом исследования выбраны монокристаллы ферромагнитных полупроводников Еи.0, Б&С^Зед, а также СсЮг^е^ , обладающих наиболее высокими значениями подвижности носителей заряда, концентрация которых может изменяться при легировании примесями или изменении температуры, а зонная структура сильно зависит от магнитного состояния.

Исследованы ферромагнитный резонанс (ФМР), распространение магнитостатических (МСВ), спиновых волн и колебаний в магнитных полупроводниках ЕиО и Щ$г23е4 в 3 см и 8 мм диапазоне длин волн в интервале температур 4,2-300 К и влияние электрического поля и носителей заряда на их спектр и затухание. Для обоснования и доказательства предлагаемых моделей проведены исследования электрических свойств магнитных полупроводников: подвижности и концентрации носителей заряда, СВЧ проводимости и диэлектрической проницаемости, электропроводности и постоянной Холла в магнитном поле (до 12 Тл) и электрическом поле (до 3 кВ/см) в интервале температур 4,2(1,8) -300 К.

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые установлены закономерности влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание спиновых и магнитостатических волн и колебаний, на параметры ферромагнитного резонанса в ферромагнитных полупроводниках.

На защиту выносятся следущие основные положения: I. Предложен новый механизм затухания спиновых волн за счет носителей заряда в ферромагнитных полупроводниках, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом - возбуждением электрического поля распространяющейся по магнитному полупроводнику спи-

новой волной. В широкозонном магнитном полупроводнике энергия электрона зависит от намагниченности и электроны собираются в тех областях, где их энергия минимальна СЗ]. Вследствие этого спиновая волна создает в кристалле пространственно неоднородное распределение электронов и, следовательно, безвихревое электрическое поле. При конечной электропроводности кристалла спиновая волна будет затухать из-за джоулевых потерь в этом электрическом поле с параметром затухания, пропорциональным квадрату волнового числа, ДН^к2.

2. Обнаружено резонансное уменьшение затухания спиновых волн Е&С^Бе^ в электрическом поле при выполнении условий черенковского синхронизма. Рассчитан вклад носителей заряда в затухание спиновых волн, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом, с учетом дрейфа носителей заряда. Результаты расчета объясняют основные экспериментальные особенности изменения затухания спиновых волн в электрическом поле от температуры, волнового числа, электропроводности, подвижности носителей заряда, напряженностей и ориентации магнитного и электрического шлей. Оценки параметра магнитоэлектрического механизма и подвижности носителей заряда из экспериментов по спиновым волнам находятся в разумном согласии с оценками из других независимых экспериментов.

3. Показано, что влияние носителей заряда на спектр и затухание однородной прецессии и магнитостатических волн в ферромагнитных полупроводниках определяются индукционным механизмом, вклад которого в параметр затухания ДНк и резонансные поля Нр МСВ обратно пропорционален квадрату волнового числа, Нр, ДН^ к-2. Исследованиями влияния электропроводности ферромагнитного полупроводника на ширину линии ферромагнитного резонанса в ЕиО и на затухание магнитостатических волн в НвС^е^ показано соответствие экспериментальных результатов теоретическим.

4. Показано, что особенности спектра и затухания МСВ НвСг2Зе4 в электрическом поле обусловлены вкладом индукционного механизма. Изменения электропроводности и диэлектрической проницаемости магнитного полупроводника в электрическом поле объяснены изменением зонной структуры при разогреве магнитной системы горячими носителями заряда и в связи с особенностями механиз-

мов электропроводности Н^г^Бе^. Зависимости электропроводности, СВЧ диэлектрической проницаемости, подвижности и концентрации носителей заряда Щ^С^Бед от температуры, от напряжен-ностей электрического и магнитного полей согласуются с предлагаемой моделью.

5. Показано, что зависимости параметра затухания спиновых волн от волнового числа в совершенных и непроводящих (диэлектрических) ферромагнетиках ЕиО и Н8Сг2Зе4, измеренные по порогу их параметрического возбуждения, объясняются, в основном, вкладами собственных трехмагнонных дипольных процессов расщепления и слияния, четырехмагнонных обменных процессов рассеяния.

6. Экспериментально показано, что в касательно намагниченной ферромагнитной пластине конечных размеров распространяются МСВ под произвольным углом (в^^к/2 и 0^0) к магнитному полю и с компонентами волнового числа Ку^О и к^О, определяемыми размерами пластины. При продольном распространении область существования МСВ с ку?Ю и расширяется за счет возбуждения, кроме обратных объемных МСВ, поверхностных волн магнетик -воздух и магнетик - металл. При поперечном распространении возбуздаются, кроме прямых поверхностных МСВ, и объемные МСВ. Расчет спектров МСВ на основе такой модели хорошо согласуется с экспериментальными результатами исследований спектра МСВ в слоистых структурах на основе ЕиО и Н^Сг^Бе^.

7. Выяснена роль ионов Сг+2, переноса заряда, кристаллического поля тригональной симметрии и случайных полей в анизотропии ширины линии АН и резонансного поля Нр 5МР монокристаллов Н&С^Бе^. Поле тригональной симметрии влияет на спектр 5МР, если ионы образуются за счет вакансий или неизовалентного замещения халькогена. Если ионы Сг+2 образуются за счет вакансий или неизовалентного замещения катиона на трехвалентный ион (Е&+2 =» Ме+3), то поле тригональной симметрии усредняется до поля кубической вследствие переноса заряда в кластере из 12 ионов хрома, обладающем кубической симметрией. Расчеты вклада ионов Сг+2 на основе этой модели в угловые и температурные зависимости АН и Нр ФМР В&Сг2Зе4 хорошо согласуются с экспериментом.

Научная и практическая ценность

работы. Весь комплекс выполненных исследований резонансных явлений в ферромагнитных полупроводниках значительно расширяет и углубляет существовавшие ранее представления о спин-волновых явлениях в ферромагнетиках и о взаимодействии магнитной и электронной подсистем в ферромагнитных полупроводниках. Результаты работы могут быть использованы для дальнейших теоретических исследований.

Проведенные исследования являются физической основой для создания новой области ыагнитоэлектроники - управляемых магнитным и электрическим полями СВЧ устройств и приборов: твердотельных генераторов и усилителей электромагнитных волн, модуляторов, аттенюаторов, линий задержки и других систем обработки информации и управления распространением СВЧ энергии. Достоверность результатов работы определяется как использованием стандартной измерительной аппаратуры и методик, так и соответствием основных теоретических положений работы результатам экспериментов.

Личный вклад в работах, выполненных в соавторстве, состоит в том, что автор принимал личное участие на всех этапах получения научных результатов, в том числе был инициатором проведения исследований, постановки задач и экспериментов, участвовал в проведении экспериментальных исследований и численных расчетов, в разработке моделей, обсуадении и изложении результатов исследований и формулировки выводов. Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на региональных, всесоюзных и международных конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзных семинарах по спиновым волнам (1975, 1976, 1980, 1986, 1988, 1992, 1994 г.г., Ленинград); Всесоюзных школах- семинарах по спинволновой электронике СВЧ (1985 г., Ашхабад; 1987 г., Краснодар; 1989г., Львов; 1993 г., Звенигород); Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (1980 г., Вильнюс); Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (1977 г., Донецк; 1983 г., Тула; 1988 г., Калинин); Всесозной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково- диэлектрическими структурами (1988

г., Саратов); Международной конференции по магнетизму (1974 г., Москва); Всероссийской школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (1996 г., Москва); Всесоюзных конференциях "Тройные полупроводники их применение; (1976г., Кишинев, 1987 г., Ивано-Франковск); Всесозной конференции по фер-ритовой технике(1989 г., Ленинград); Всесоюзной школе - семинаре "Проблемы совершенствования устройств и методов приема, передачи и обработки информации" (1988 г., Звенигород); Всесоюзной конференции "Физические основы твердотельной электроники" (1989 г., Ленинград); Уральских школах-семинарах по магнитным полупроводникам (1979, 1983, 1988 г.г., Свердловск); Объединенной всероссийской конференции по магнитоэлектронике (1995 г., Москва) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.Приведен список основных публикаций по теме диссертации. Ст-руктураи объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Весь материал изложен на 344 страницах машинописного текста и включает 87 рисунков, 2 таблицы и библиографический список из 229 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы. Приведены основные результаты работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию ФМР в монокристаллах магнитных полупроводников ЕиО и НвС^е^.

Отмечено, что основная проблема <ШР в ЕиО - это выяснение природы ширины линии ШР ЕиО. Простая магнитная структура, малая кристаллографическая анизотропия, отсутствие орбитального момента, высокое удельное электросопротивление на постоянном токе должны были приводить к малым значениям АН монокристаллов ЕиО в противоречии с экспериментом.

Приведены результаты частотных и температурных зависимостей проводимости кристаллов ЕиО с разными температурами Кюри. Показано, что СВЧ проводимость монокристаллов ЕиО при переходе в ферромагнитную область резко повышается и превышает значение

проводимости на постоянном токе в 10 и более раз. Результаты исследований СВЧ проводимости ЕиО объяснены в модели магнито-примесных (магнитных поляронов) состояний.

Исследованиями ДН ФМР ЕиО в зависимости от частоты, СВЧ проводимости, температуры и размеров образца (рисЛ) показано, что ширина линии ОДР ЕиО обусловлена,в основном, косвенной

20i

160

12 О

80

40

I

z;

a

J\

„ . 2 ■i

J

¡о Рис.1 Температурные зависимости диэлектрических потерь е"(1) и ширины 5 линии 5МР монокристаллов ЕиО для сфер разного О диаметра 2- 0,51; 3- 0,38 и 4- 0,30 мм

О 20 АО 60 80 ГК

спин-решеточной релаксацией через носители заряда [41: АН=4/45 8" Ш (0) г/с)2

(I)

Здесь о>- угловая частота, г- радиус сферы, е"- диэлектрические потери, М - намагниченность насыщения, с-скорость света.

Обнаружено хорошее количественное соответствие между теоретическими зависимостями (I), предсказываемым индукционным механизмом и экспериментальными зависимостями АН ЕиО. Некоторые отклонения от предсказания вклада индукционного механизма объясняются влиянием поверхностных неоднородностей.

Анизотропия резонансного поля AMP ЕиО обусловлена влиянием собственной кристаллографической анизотропии. Из исследований резонансного поля ФМР определены температурные зависимости первой Kj и второй констант анизотропии К2 ЕиО и проведены сравнения с теоретическими значениями. Анизотропия ДН ФМР ЕиО незначительна и может быть объяснена неконтролируемыми редко-

земельными примесями.

В п. 1.2 приведены результаты исследования ФМР в Щфг^е^, посвященные выяснению природы магнитной кристаллографической анизотропии этого соединения.

Изучена и проанализирована природа анизотропии монокристаллов Н^С^е^ двух типов, известных для других хромхалькогенид-ных шпинелей, но обнаруженных впервые в Н8Сг2Зе4. В наиболее совершенных образцах 1-го типа значение ДН максимально вдоль

Рис.2 Угловые зависимости АН ШР НвСг^ед Ш и Ш при 4,2 К. 9.4 ГГц. Точки - эксперимент, сплошные кривые - расчет.

трудной оси <Ш> (рис.2) и монотонно убывает с ростом температуры. В менее совершенных кристаллах 2-го типа значения АН ФМР имеют пики, кроме направления трудного намагничивания <Ш>, вдоль промежуточных направлений <112> и <110> (рис.2). Температурные зависимости ДН вдоль направлений <112> и <110> имеют немонотонный характер. Оба типа анизотропии объясняются влиянием ионов с сильной спин-орбитальной связью типа Сг+2, возникающих из-за вакансий по Ня и Бе.

Энергия расщепления для тригонального центра Сг , использованная при расчетах ДН и Нр ФМР, имеет вид [51:

ДЕ*1® = 2 /до2 (1-ЗГ) + 5 2(а + а + а )2, (2)

1 с т х у г

где 1 = а| а2 + а| а| + а2, а^., Оу, о^ - направляющие косинусы намагниченности, Ос и бт - параметры теории.

Различия в спектрах ФМР обусловлены различиями в переносе заряда между ионами хрома в примесном кластере [5]. Ионы Сг+2 в НвСг^е^ могут образоваться двумя способами: либо за счет неизовалентного замещения катиона Нв+2=» Ме3+ (образцы 1-го типа), либо за счет вакансий или неизовалентного замещения халь-когена (образцы 2-го типа). Рассмотрение ближайшего

окружения примесного центра показывает, что в первом случае лишний электрон принадлежит комплексу из 12 ионов хрома, обладающему кубической симметрией. В этом случае перенос заряда между 12 ионами хрома усредняет поле тригональной симметрии до кубической (бт®Ю). Если ионы Сг+2 образовались за счет вакансий селена, то лишний электрон принадлежит комплексу из трех ионов хрома, обладающему тригональной симметрией и наблвдается спектр ФМР, характерный для изолированного примесного центра с тригональной симметрией (ОсйО).

Проведены расчеты вклада кубических и тригональных центров в угловые и температурные зависимости Нр и АН (ЕМР НвСг^е^ в приближении теории медленной релаксации с учетом динамического и статического вклада обоих центров. Получено хорошее согласив теории 15) (рис.2) с экспериментом для всех этих зависимостей.

Вторая глава посвящена исследованию магнитостатических волн в магнитных полупроводниках ЕиО и Нв0г2Бе4. Приведены результаты исследований спектра и затухания поверхностных и объбмных магнитостатических волн и колебаний (уокеровских мод) в пластинах ферромагнитных полупроводников ЕиО и Нфг23е4, находящихся в свободном пространстве и в слоистой структуре металл -диэлектрик - ферромагнитный полупроводник - воздух в 8-мм и 3-см диапазонах длин волн в интервале температур 4,2-77 К.

В непроводящих образцах ЕиО и Н^^Эе^ спектр МСВ анализировался на основе уравнений С6]. Показано, что исследованные структуры представляют многомодовые магнитостатические волноводы, в которых волновые числа определяются размерами магнитной пластины: к1=п1х/Ь1, где 1 в х, у, г, а п^-целые числа. Экспериментально показано, что область существования МСВ с Ку*0, кдгО расширяется за счет возбуждения добавочных поверх-

ностных волн при продольном распространении МСВ, и за счет возбуждения добавочных объбмных волн при поперечном распространении. Обнаружены и исследованы спектры этих дополнительных объбмных и поверхностных МСВ, распространяющихся по поверхности ферромагнетик - воздух и по поверхности ферромагнетик -металл в пластинах ЕиО и Е&Сг^ед.Получено хорошев согласие теории [61 с экспериментом.

Вычислены групповые скорости МСВ. Показано, что вследствие высокой намагниченности насыщения ЕиО и Н£Сг25е4 значения Урр высокие (ЯО8 см/сек), а времена задержки малы (т^ 4 не) для МСВ с кзЗОО см""*, что сравнимо с временем жизни МСВ т?св=1/7ДН з1 не при ЛНзЮ2 э. Этим объясняется распространение МСВ в ЕиО и Н^г^вд с к^ЗОО см-1 при значениях ДНзЮО Э.

Впервые исследовано влияние электропроводности магнетика на спектр и затухание МСВ на примере слоистой структуры металл-диэлектрик - ферромагнитный полупроводник- воздух на основе НвСг2Зе4 и проведено сравнение с теоретическими расчетами. Значения Нр и АН^ МСВ определялись из численного решения системы уравнений [С21]. Затухание МСВ увеличивается с ростом электропроводности о магнетика и уменьшается с ростом значений К. Только в предельном случае высоких к и толстой пластины параметр затухания МСВ имеет вид:

ЛНК = 4иЯ к2 / к2, где к^ = 4тс о и / с 2 , (3)

Рис.3 Зависимости ЛН^ МСВ НвСг^вд от волнового числа (в логарифмических масштабах) при 50 (I и I') и 60 К (2 и 2'). 1-2 -эксперимент, Г-2' -расчет вклада электропроводности

совпадающий с параметром затуханием МСВ в безграничной среде.

Теоретические расчеты ДН^ в зависимости от волнового числа МСВ при экспериментально определенных значениях намагниченности, электропроводности Е&Сг^е^ и всех других параметров теории объясняют основную часть наблюдаемого затухания МСВ Н£СГ23е4 (рис.3). Отклонения расчетных значений ДН^ МСВ от экспериментальных при малых к обусловлены невыполнением условий магнитостатического приближения.

Третья глава посвящена исследованиям затухания спиновых волн в магнитных полущюводниках ЕиО и НвСг2Зе4.

Впервые методами продольной и поперечной накачки в 3-см и 8- мм диапазонах длин волн в температурном интервале 4.2-100 К проведены исследования затухания спиновых волн с к=0+4.Ю6 см-1 в ферромагнитных полупроводниках ЕиО и НвСг^Бед.

В п.3.1 приведены результаты исследований спиновых волн в ЕиО при 27-40 ГГц методом нелинейного ФМР.^Зависимость эффективной ширины линии АНдфф ФМР от напряженности СВЧ магнитного поля Ь выше порогового значения Ьд^ следует теории Сула насыщения (случай "совпадения дополнительного поглощения с основным резонансом" [71): АНдф^ Из значения оценены значения параметра затухания спиновых волн АН^аЯ 3 ЕиО» совпадающие с данными, полученными методом продольной накачки.

В п. 3.2 приведены результаты исследований затухания спиновых волн ЕиО, возбужденных методом продольной накачки на частоте 36 ГГц в зависимости от волнового числа, температуры и ориентации магнитного поля.

Параметры затухания спиновых волн в ЕиО существенно различались для образцов разных партий. С ростом температуры значение АН^ возрастало примерно пропорцинально квадрату температуры. Анизотропия ДНк=>0 ЕиО при 4,2 К относительно кристаллографических направлений мала: меньше 10-15 Ж. Вследствие низкой температуры Кюри (ТК=6Э К) и высокой намагниченности насыщения ЕиО (4яМ =24 кГс) велик вклад собственных процессов в затухание спиновых волн даже при гелиевых температурах.

В совершенных и непроводящих кристаллах ЕиО вклады трехмаг-нонных процессов расщепления и слияния, вычисленные из точного выражения для спектра спиновых волн, объясняют основную часть

наблюдаемых экспериментальных зависимостей АН^(к) при 4.2 К. Расчетный вклад этих механизмов при к=0 (ДНк=>0=0,8 Э) практически совпадает с экспериментальным.

Угловые и температурные зависимости ДНк менее совершенных образцов ЕиО обнаруживают наличие незначительного количества примесных ионов с сильной спин-орбитальной связью.

В п.3.3 приведены результаты исследований спиновых волн методом насыщения линий ФМР и магнитостатических колебаний в НзСг2Зе4 на 9,4 ГГц. Показано, что в непроводящих кристаллах зависимость резонансной магнитной проницаемости ц" от напряженности СВЧ магнитного поля Ь вше порогового значения й^р соответствует теории Сула С73: цМТ1. Нестабильности первого порядка ((1^=0^/2) ответственны за насыщение поверхностных МСВ, а нестабильности второго порядка (0^=0^)- за насыщение линии ФМР на сферах и объемных МСВ в касательно намагниченных пластинах. Для нестабильностей второго порядка зависимость ц." ~ 1г-1 нэ имеет резкого перелома и уменьшение ц" начинается при Л значительно меньших, чем Ьщ}- Результаты объясняются влиянием двухмагнонных процессов. Оценки ДН^ спиновых волн с 0<к<2.106 см-*, проведенные методом поперечной накачки, хорошо согласуются с данными по продольной накачке.

В п.3.4 приведены результаты исследований затухания

2йНК13

23

15 1П

, - / >-2 >-3

4 ¿с

Рис.4 Зависимость параметра затухания спиновых волн ДНк Н^г2Бе4 от волнового числа при 77 К для основных кристаллографических направлений. 1-<100>, 2- <110>, 3- <111>. Точки- эксперимент, сплошные кривые- расчет вклада собственных магнитных процессов.

спиновых волн HgCr2Se4, возбужденных методом продольной накачки на 9,4 ГГц. Параметр затухания спиновых волн HgCr2Se4 сильно анизотропен и зависит от температуры при гелиевых температурах и практически изотропен и слабо зависит от температуры при 77>Т>30-40 К. В проводящих кристаллах затухание спиновых волн примерно от 3 до 6 раз выше, чем в непроводящих. В непроводящих и в наиболее совершенных кристаллах HgCr2Se4 во всей исследованной температурной области 4,2-77 К k-зависящая часть параметра затухания спиновых волн объясняется вкладами собственных трехмагнонных дипольных процессов слияния Зс и расщепления Зр, а также четырехмагнонных обменных процессов рассеяния 4sc (рис.4). Анизотропная часть AHk=>0 HgCr2Se4, наблюдаемая при гелиевых температурах, обусловлена влиянием быстрорвлаксирувдих ионов типа Сг, вклад которых в угловые и температурные зависимости AHjj^q хорошо описываются теорией медленной релаксации.

Четвертая глава посвящена исследованиям влияния электрического поля и дрейфующих носителей заряда на магнитные колебания и волны в магнитных полупроводниках.

В разделе 4.1 показано, что в электрическом поле меняются нерезонансные СВЧ магнитные потери в нулевом магнитном поле и резонансное поле 5МР магнитного полупроводника Cd0r2Se4:Ag. Исследованиями температурных зависимостей СВЧ магнитных и диэлектрических потерь, электропроводности от напряженности электрического поля показано, что эти результаты можно объяснить в предположении уменьшения намагниченности магнитного полупроводника в электрическом поле. Результаты обсуждаются в модели СИ разогрева магнонов горячими носителями заряда. Непосредственными измерениями намагниченности в CdCr2Se4 [8] было подтверждено наше предположение CCI] об уменьшении намагниченности магнитных полупроводников в сильном электрическом поле.

Раздел 4.2 посвящен выяснению природы обнаруженного в 19] изменения затухания МСВ HgCr2Se4 в электрическом поле. Проанализированы возможные механизмы затухания МСВ, которые могут привести к изменению AHfc ЫСВ в электрическом поле. Сделан вывод, что вклады собственных (спин-спиновых) процессов и примесных ионов типа Сг+2 не ответственны за обнаруженные

изменения затухания МСВ HgCr2Se4 в электрическом поле.

Исследования проведены на образцах HgCr2Se4 двух типов: с металлическим (М-типа) и с полупроводниковым (ПП-типа) характерами зависимостей электропроводности от температуры. На одних и тех же образцах исследованы Нр и ДНк магнитостатических колебаний с к до 300 см-1, электропроводность образцов от напряженности электрического поля и релаксационные явления - изменения о» Нр и ДН^ МСВ во время электрического импульса и из_±-- ßcrp

. Рсвч

¿,мкс

Рис.5 Временные зависимости изменений электропроводности на постоянном токе о0 и на переменном токе освч, ширины линии в(2ЛН)н АН(Е)-АН(Е=0) , резонансного поля онцн Нр(Е)-Нр(Е=0) МбВ Щфг^е^ в электрическом поле Е=1,1 кВ/см. 77 К, 9,2 ГГЦ. к=15-200 см"1- (1-13).

менения этих величин после окончания электрического импульса. В образцах Н£Сг2Зе4 М-типа значения а, Нр и АН^ МСВ в элек-

1Т

трическом поле с напряженностью выше некоторой критической Е™зЮ.5 кВ/см резко уменьшаются (рис.5). Наоборот, в образцах

Н£Сг2Зе4 Ш-типа электропроводность их в электрическом поле увеличивается, соответственно увеличивается и затухание МСВ СС283. Изменения АН^ в электрическом поле пропорциональны изменениям электропроводности, а изменения Нр и АН^ убывают примерно обратно пропорционально к2 МСВ (рис.6). Значения о, Нр и АНК после прекращения электрического импульса релаксируют к своему равновесному значению за характерные времена и «<30 мкс (рис.5) для образцов ПП- и М-типа, соответственно.

Используя выражения для затухания МСВ магнитного полупроводника [С21] с учетом экспериментально определенных значений электропроводности (рис.5) вычислены изменения АНк(к) МСВ в электрическом поле. Показано, что вклад электропроводности (пунктирная кривая рис.6) удовлетворительно объясняет экспериментально наблюдаемые значения АН,, (к) для ШО2 см"1.

Рис.6 Изменения ширины линии 0(ДН)5 АН(Е)-ДН(Е=0) (I и I'). резонансного поля 8Нр= Нр(Е)-Нр(Е=0) (2) МСВ НбСг2ае4 в зависимости от волнового числа (в логарифмических масштабах) в электрическом поле при 54 К. 1-2 -эксперимент, I* - расчет вклада электропроводности.

/Г Л

К2. С»

Таким образом, исследования и расчеты AHk(k) однозначно доказывают, что изменения затухания МСВ HgCr2Se4 в электрическом поле связаны с изменением электропроводности образца.

Уменьшения Нр(Е) примерно обратно пропорциональны к2 (2 рис.6) и обусловлены уменьшением диэлектрической проницаемости

е' Н$5Сг2Бе4 в электрическом поле (рис.7). Зависимость резонансных полей МСВ от диэлектрической проницаемости возникает при учете эффектов электромагнитного распространения для комплексной электропроводности образца: о = о^ [С21].

В разделе 4.2.1 приведены результаты исследований СВЧ проводимости и диэлектрической проницаемости е' НвСг^е^ от температуры и напряженности СВЧ электрического шля.

Обнаружено, что значения е* являются немонотонной функцией температуры и имеют тенденцию изменяться с изменением электропроводности кристаллла около температуры Кюри. Значения е' Е£Сг2Зе4 в СВЧ электрическом поле с напряженностью Е=3 кВ/см уменьшаются (рис.7) приблизительно на 40%. Особенности изменений е' от температуры и напряженности электрического поля могут быть объяснены изменением однородности образца из-за возникновения ферронных (магнитополяровных) состояний около Тк на основе модели конденсатора Максвелла- Вагнера.

Зависимости электропроводности Н§Сг2Зе4 от напряженности

Рис.7. Зависимости СВЧ электропроводности (I), диэлектрической проницаемости (3) от напряженности СВЧ электрического поля и электропроводности на постоянном токе (2) от напряженности постояннного электрического поля. Щфг^е^, 9,4 ГТц, 77 К.

электрического поля а(Е), измеренные на постоянном токе и на СВЧ бесконтактным методом, приблизительно одинаковы: электропроводность меняется слабо в. полях до 0.5 кВ/см и сильно (примерно в десять раз) уменьшается при Е^З кВ/см (рис.7). Это свидетельствует, что изменения о(Е) обусловлены изменением внутренних свойств образца, а не влиянием контактов, инкекцией и т.п. явлений.

Раздел 4.2.2 посвящен выяснению механизмов электропроводности образцов Н&Сг^Бе^, в которых обнаружены сильные изменения электрических свойств в электрическом поле. Приведены результаты исследований электропроводности, постоянной Холла в интервале температур 4,2(1.8)-300 К и магнитных полей до 12 Т. Обнаружено сильное влияние магнитного порядка и магнитного поля на электрические свойства этих образцов. Основные экспериментальные факты:

1) около Тд меняется тип проводимости. (6-8 рис.8);

2) около Тк меняется характер температурной зависимости проводимости с полупроводникового на металлический (1-5 рис.8);

О -1

'ё -2

-3

-5

-6

_________

//5

\

\ /Пг — \

2.0

&0 14.0

ЮОО/Т, 1/К

20.0

0

§

1—1 е

«

-2 * <Р

—3

О

—4

—5

Рис.8 Температурные зависимости электропроводности о (1-5) и постоянной Холла Нв (6-8) образцов НеСг2Бе4 Ш (I, 2) и (3-8) в магнитных полях О (I, 3), 2 (4, 6), 6 (7), 12 Т (2, 8)

3) около Тк наблюдается гигантское магнитосопротивление (ГМС): на некоторых образцах электросопротивление уменьшается в несколько сотен раз в магнитном поле 12 Тл. ГМС наблюдается только на образцах, испытывающих около Тк переход типа полупроводник-металл, причем чем выше скачок электропроводности при таком переходе, тем выше значение ГМС и изменения электропроводности в сильном электрическом поле (1-5 рис.8).

Эти результаты показывают, что изменения электропроводности исследованных образцов от температуры и в сильном электрическом поле имеют магнитную природу.

Магнитосопротивление и электропроводность HgCr2Se4 качественно объясняются на основе модели зонной структуры [10] присутствием нескольких типов носителей заряда.

Показано, что зависимости поперечного магнитосопротивления бр/р и постоянной Холла RH HgCr2Se4 от напряженности магнитного поля и температуры могут быть объяснены на основе известных выражений Ор/р и для полупроводников с несколькими типами носителей заряда [III в предположении зависящей от магнитного состояния кристалла локализации носителей заряда в магнигопри-месных состояниях типа феррон (магнитный полярон) и изменении зонной структуры HgCrgSe^ от температуры и магнитного поля.

В разделе 4.2.3 приведены результаты исследований электропроводности и постоянной Холла HgCr2Se4 в сильном электрическом поле. Обнаружена взаимосвязь между зависимостями электропроводности, постоянной Холла и СВЧ диэлектрической проницаемости от температуры с одной стороны, и зависимостями этих параметров от напряженностей магнитного и электрического полей, с другой стороны. Постоянная Холла в зависимости от напряженности электрического поля (рис.9), как и в зависимости от температуры (рис.8) меняется немонотонно и имеет тенденцию к изменению знака. Изменения свойств HgCr2Se4 в сильном электрическом поле соответствуют повышению температуры примерно на одинаковую величину 10-20 К в электрическом поле 1-2 кВ/см относительно температуры проведения эксперимента 50 К при максимально возможном джоулевом разогреве 1-2 К.

Электрические свойства HgCr2Se4 в сильном электрическом поле объясняются изменением зонной структуры ферромагнитного

6000

I р?

эооо

'О 500 1000

Е, У/от

Рис.9 Зависимости постоянной Холла Н0 (I и 2) и концентрации п электронов (3 и 4) от напряженности электрического поля образцов В£Сг2Зе4 *1 (I, 3) и Ш (2 и 4) при 53 К.

полупроводника Н8Сг2Бе4 при разогреве магнонов горячими носителями заряда. В электрическом поле носители заряда в магнитном полупроводнике, как и в обычном, разогреваются. Сталкиваясь с магнонами, они передают им свою энергию. Но в НбСг2Бе4 магноны слабо связаны с фононами, так как температура Дебая Тд=225 К С12] выше температуры Кюри Тк=107 К. Вследствие этого магнонам будет затруднительно передавать полученную от электронов энергию в термостат и таким образом создаются условия для разогрева магнонов в электрическом поле.

Исследования СВЧ свойств, а также непосредственные измерения намагниченности ферромагнитных полупроводников показывают, что в электрическом поле Е г I кВ/см разогрев магнитной системы составляет примерно около 3-10 К. Эффекты становятся весьма существенными, если они связаны с изменением зонной структуры ферромагнитного полупроводника. Оптические исследования показывают сильные изменения зонной структуры Н^г2Эе4 от температуры и напряженности магнитного поля [13, 14]. Уменьшение намагниченности при разогреве магнонов приводит к подъему дна

зоны проводимости и к измененению энергетической щели. Вследствие этого наблюдаются аналогичные температурным изменения свойств НвСг25е4 в электрическом поле. Спектр МСВ в НвСг^Бе^ обусловлен электропроводостью ферромагнитного полупроводнике, которая меняется в некоторых случаях на 3-4 порядка в узкой области около температуры магнитного упорядочения. Поэтому небольшие изменения температуры магнитной системы вызывают существенные изменения электропроводности и соответственно спектра и затухания МСВ Б&Сг^е^.

Раздел 4.3 посвящен исследованиям влияния дрейфующих носителей заряда на затухание параметрических спиновых волн Б&С^Бе^ в области черенковского синхронизма.

Отмечено, что прямых экспериментов по измерению затухания когерентных магнитных .волн в проводящих магнетиках в электрическом поле не было и что для влияния дрейфующих носителей заряда на затухание спиновых волн необходимо выполнение двух условий:

1) скорость дрейфа носителей заряда должна превышать фазовую скорость спиновых волн Удр=ц Е > 7ф=«/к (условие Черенкова);

2) затухание спиновых волн, обусловленное носителями заряда

должно быть достаточно большим, чтобы при выполнении условия Черенкова происходила компенсация потерь, обусловленных другими механизмами "неэлектронного" затухания.

Раздел '4.3.1 посвящен результатам исследований влияния электрического поля на затухание спиновых волн в узком диапазоне волновых чисел кгЮ6 см-1. Такие волны возбуждались методом поперечной накачки (насыщением линии ФМР) в НвСг2Бе4. Изучалось влияние приложения к образцу дополнительного электрического поля, направленного вдоль распространения спиновых волн, на их затухание, которое оценивалось из выражения для порогового поля ЬПОр= 2ДН0(2ДНк/Ч1сМ)1/2. Обнаружено, что в электрическом поле меняются как АН0 <ШР (из-за изменения электропроводности при разогреве магнонов горячими носителями заряда), так и АН^ параметрических спиновых волн. Зависимость АНк от Е не монотонная. До полей с напряженностью 1,5- 2 кВ/см значение. ЛН^ возрастает приблизительно в 2 раза по сравнению со значением

ДНК при Е=0. При дальнейшем увеличении Е, где по оценкам выполняется условие Червнкова Удр=Уф, значение АН^ резко уменьшается: в поле с Еа 3 кВ/см значение АБк примерно в 2 раза меньше значения ДН^ при Е=0. Исследованиями порога поперечной накачки спиновых волн Н£Сг2Зе4 в электрическом поле принципиально было показано [013], что затухание спиновых волн ДНК меняется при выполнении условий черепковского синхронизма Удр=7ф.

В разделе 4.3.2 приведены результаты исследований влияния электрического шля на затухание спиновых волн Н£Сг2!5е4 в широком интервале к= (0,2+1 ,б)хЮ6 см-1, возбужденных методом продольной накачки (рис.10). Измерения проведены на частоте 9.4 ГГц при 77, 60 и 4,2 К. Затухание спиновых волн определялось из порогового поля возбуждения спиновых волн :

ЬпоР= * 2ЛНк/а1п\, (4)

где (1^=7 4кМ, о^р— частота накачки. Предполагалось, что ДН^ не зависит от направления спиновых волн и минимальным порогом обладают спиновые волны с ек=тс/2.

Исследуемые образцы имели значения подвижности носителей

Е.В

Рис.10. Зависимость пороговой мощности накачки спиновых волн Нв0г23е4 от величины напряжения электрического поля, приложенного к образцу. 1-5 для к= (9,2; 8,5; 5; 4 и 2)хЮ5 см-1. 77 К.

заряда, определенные из измерений эффекта Холла, около 35-50 см2 В-1 с- , а значения ДН^ спиновых волн возрастали от 15 до 50 Э с увеличением к от 0 до Ю6см~1.

Обнаружены изменения затухания спиновых волн от напряженности приложенного электрического шля. Отмечаются следующие особенности изменения параметра затухания спиновых волн ДН1с(Е)-ДН1с(Е=0) Н^г23е4 в электрическом поле.

1. Затухание спиновых волн от напряженности электрического поля имеет II- образный характер (рис.Н).

2. Влияние электрического шля на затухание наблюдается только при выполнении условия Черенкова 7др $ у^. с увеличением фазовой скорости спиновой волны значение Е^ увеличивается.

3. Изменение затухания спиновой волны не обнаружено, если электрическое поле перпендикулярно направлению распространения спиновой волны или СВЧ и электрические поля сдвинуты во времени на величину более I мкс.

4. Влияние электрического поля не обнаружено на непроводящих образцах и кристаллах с малой подвижностью носителей заряда,

Рис. II. Изменения затухания спиновых волн НвС^Бе^ ек(Е)= АН^(Е)-ДН£(Е=0) от напряженности электрического поля. Т=77 К,

а0=7.ю_3 Точки

Ом-1см""1

I- к=9.2 10е

см

,-1

2- к=6,З.Ю5 см-1.

эксперимент, сплошные кривые - расчет из (5).

где не выполняются условия Черенкова.

5. Результаты эксперимента в пределах точности эксперимента не меняются при изменении направления Е на противоположное.

Результаты свидетельствуют в пользу черепковского механизма взаимодействия. Особенность, отмеченная в п.5, объясняется тем, что при продольной накачке возбуждаются пара спиновых волн с противоположными направлениями распространения.

Отмечено, что известные механизмы взимодействия спиновых волн с носителями заряда не объясняют полученные результаты, т.к. AHj[ ~ I/K^sO для спиновых волн с к=Ю5+Ю6.см .

По аналогии с акустоэлектроникой предложен новый CCI7] -магнитоэлектрический - механизм затухания спиновых волн носителями заряда в магнитных полупроводниках. Предполагается, что распространяющаяся спиновая волна возбуждает электрическое поле неиндукционной природа. Это поле группирует носители заряда, а последующая релаксация неоднородного распеределения объемного заряда приводит к дополнительному затуханию спиновой волны, чувствительному к дрейфу носителей заряда. Результаты анализируются на основе развитой теории COI73 затухания спиновых волн носителями заряда для этой модели:

мэ \ 1-я2 ДНк(Е)=--- 1 (5)

" (И-К^ф2 + (1 -а2)2 - 4щг

где а=Е/Е0, ц Е0 созШк т}1/2 = ш/k, /(d+k2^)2 +

Tg-максвелловское время релаксации, Lj,- дебаевская длина экранирования, h^-подгоночный параметр, (¡^-азимутальный угол.

Расчет (сплошные кривые рис.11) ДН"Э(Е) на основе (5) при оцененных из эксперимента значениях параметров образца - iu, Ьр, ¡i, к- объясняет основные особенности изменения ¿Нк в электрическом поле: наличие двух экстремумов (N -образный характер), зависимость Е^ от Уф спиновой волны. Отличие экспериментальных значений (точки на рис.11) от расчетов обусловлены зависимостью ЛЫ^(е^). В этом случае значения нужно определять из минимизации выражения (4).

В разделе 4.3.2 приведены результаты исследований влияния электрического поля при 77 К на затухание спиновых волн в

совершенных кристаллах HgCr2Se4: значения AHk=3+10 Э для k=0+I06 см-1 и были близки к вкладам собственных процессов (рис.5). В совершенных кристаллах влияние электрического поля на ДНК наблюдается только для узкого интервала кэ!9.105+Ю6 см-1, причем весьма значительные (от 2 до более 5 раз) изменения Ь^рШ) резонансного вида (точки рис.12) наблюдаются также в очень узком интервале Е. Результаты объяснены на основе теории затухания спиновых волн носителями заряда, развитой в [CI8] с использованием специфического для магнитных полупроводников магнитоэлектрического механизма: в магнитном полупроводнике энергия электрона зависит от намагниченности и электроны стремятся собраться в тех областях, где их энергия минимальна [3). Вследствие этого спиновая волна создает в кристалле пространственно неоднородное распределение электронов, т.е. электрическое поле неиндукционной природы. Поглощение энергии в этом поле вследствие конечной электропроводности приводит к допонительному затуханию спиновых волн.

Е, в/см.

Рис. 12. Зависимость порогового поля возбуждения спиновых волн ^р от напряженности приложенного электрического поля. Точки- эксперимент, сплошные кривые- расчет. I- к=9.Ю5, 2- к=106см-1

Затухание спиновых волн состоит из двух частей: АН^ДН^ + АН^, где АН^ - "неэлектроннный" вклад, а ¿^-"электронный"

вклад, обусловленный влиянием носителей заряда.

1/2 ^í

дн£ = hjj. sin20k cos2ek [ (1 +—sin4ek)--sin2ekJ 2

- * V p ó k <

hk=2iflí в- (- Г --(6)

=> o o' 2 с 1 + k2^

1 + (« - k V^)2 0 ^

Здесь Шр -частота накачки, и>=Ыр/2- частота спиновых волн, tj^tjj/O+k2]ф, р- параметр магнитоэлектрического механизма, ojy=74icM, ш0- масса носителей заряда. Видно (6), что ДН^ ~ к2 при к Lp« 1.

Из (4) и (6) следует, что носители заряда не влияют на h^ при Е=0, т.к. минимальным порогом обладают спиновые волны с В^к/2 и ДН^=0. Влияние носителей заряда на h^p возможно при 7др>7ф, если 1^(4-6) Ан£, т.к. при этих условиях е^тс/2. Анализ на основе (4) и (6) экспериментальных зависимостей AHj^k) объясняет отмеченные выше основные особенности поведения h^p в совершенных кристаллах в зависимости от к и Е: влияние электрического поля на АН^ в очень узком интервале волновых чисел спиновых волн и нацряженности электрического поля [018].

При значениях магнитных и электрических параметров образца (дн£, к, 4яМ, е', о. HLq*I), определенных из других экспериментов, значения двух параметров- р и ц- были подобраны так, чтобы они наилучшим образом описывали эксперимент ^рСЕ). На рис.12 (сплошные кривые) приведены результаты расчета ^р из минимизации (4) и (6). Оцененные таким образом значения параметра магнитоэлектрического механизма р согласуются с теоретическими оценками СЗ] и с оцененными из оптических измерений С14, 15]. Оценки подвижности носителей заряда согласуются с данными холловских исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена разработке актуальной проблемы спин-волновых явлений в магнитных полупроводниках. Итогом диссертации является установление закономерностей влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание однородной прецессии, магнитостатичесхих и спиновых волн в ферромагнитных полупроводниках. Наиболее существенные результаты, полученные в работе, можно сформулировать следующим образом.

1. Установлены закономерности влияния носителей заряда на магнитные колебания и волны в ферромагнитных полупроводниках.

Влияние носителей заряда на спектр и затухание длинноволновых магнитных колебаний (однородной прецессии, магнитостатиче-ских волн) определяется индукционным механизмом, вклад которого в параметр затухания и резонансное поле магнитных колебаний уменьшается с увеличением волнового числа. Исследованиями влияния электропроводности ферромагнитного полупроводника на ширину линии ферромагнитного резонанса в ЕиО и на затухание маг-нитостатических волн в Н5Сг2Бе4 показано соответствие экспериментальных результатов теоретическим.

Влияние носителей заряда на коротковолновые магнитные колебания (спиновые волны) в ферромагнитном полупроводнике Неф^Бе^ обусловлено неизучавшмся ранее и присущим только ферромагнитным полупроводникам магнитоэлектрическим механизмом, вклад которого в параметр затухание спиновых волн увеличивается с увеличением значения волнового числа.

2. Установлены закономерности влияния электрического поля на длинноволновые магнитные колебания и волны в ферромагнитных полупроводниках.

Изменения нерезонансных СВЧ магнитных потерь и резонансного поля ферромагнитного резонанса СсЮг2Зе4:А£ в сильном электрическом поле объясняются уменьшением намагниченности магнитного полупроводника вследствие разогрева магнонов горячими носителями заряда.

Изменения спектра и затухания магнитостатических волн в НвСг^вд в электрическом поле обусловлены изменением электропроводности, диэлектрической проницаемости и параметров носи-

телей заряда НбСх^Бе^ и объясняются изменением зонной структуры ферромагнитного полупроводника вследствие разогрева магно-нов горячими носителями заряда. Экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами на основе индукционного механизма.

3. Установлены закономерности изменения спектра и затухания спиновых волн дрейфующими носителями заряда в ферромагнитном полупроводнике Щ5Сг2Бе4 при выполнении условий черенковского синхронизма в зависимости от параметров спиновых волн и параметров носителей заряда. Экспериментально обнаружено уменьшение параметра затухания спиновых волн дрейфующими носителями заряда в электрическом поле при выполнении условий Черенковского синхронизма. Рассчитан вклад носителей заряда в параметр затухания спиновых волн вследствие магнитоэлектрического механизма с учетом дрейфа носителей заряда и объясняющий основные экспериментальные особенности изменения затухания спиновых волн в электрическом поле в зависимости от температуры, волнового числа, электропроводности, подвижности носителей заряда, нацряженностей и направлений магнитного и электрического полей. Оценки параметра магнитоэлектрического механизма и подвижности носителей заряда из экспериментов по спиновым волнам находятся в хорошем согласии с оценками их из других независимых экспериментов.

4. Впервые экспериментально обнаружено и качественно объяснено влияние магнитного упорядочения на СВЧ диэлектрические свойства ЕиО. Показано, что при переходе из парамагнитной области в ферромагнитную СВЧ диэлектрические потери резко увеличиваются. Результаты объяснены в модели магнитных поляронов.

5. Выяснена природа ширины линии ферромагнитного резонанса в ЕиО. Исследованиями зависимостей ширины линии от частоты, размеров образца, СВЧ проводимости, температуры и сравнением экспериментальных результатов с теоретическими показано, что в ЕиО ширина линии определяется, в основном, индукционным механизмом из-за высокой СВЧ проводимости ЕиО, в Ю3 и более раз превышающей проводимость на постоянном токе.

Анизотропия резонансного поля ФМР ЕиО обусловлена влиянием собственной кристаллографической анизотропии. Анизотропия за-

тухания однородной прецессии и спиновых волн ЕиО мала и обусловлена неконтролируемыми редкоземельными примесями.

5. Установлено влияние переноса заряда в примесном кластере с участием ионов Сг+2 на особенности магнитной анизотропии, резонансного поля и ширину линии ферромагнитного резонанса в НйСг2Зе4. Кристаллическое поле тригоналъной симметрии в окта-позиции шпинельной структуры влияет на магнитную анизотропию, если ионы с сильной спин-орбитальной связью типа Сг+2 образуются за счет вакансий или неизовалентного замещения селена.

+9

Если ионы Сг образуются за счет неизовалентного замещения ртути на трехвалентный ион =» Ме ), то поле тригоналъной симметрии усредняется до поля кубической вследствие переноса заряда в кластере из 12 ионов хрома, обладающем кубической симметрией. Расчеты вклада ионов Сг+2в угловые и температурные зависимости ширины линии и резонансного поля ферромагнитного резонанса Н^^Бе^ на основе этой модели хорошо согласуются с экспериментом.

7. Впервые исследованы спектр и особенности распространения поверхностных и объемных магнитостатических волн, распространяющихся под углом к магнитному полю в 8 мм и 3 см диапзонах длин волн в пластинах ферромагнитных полупроводников ЕиО и Щгф^Бвд. Экспериментально показано, что в этом случае область распространения магнитостатических волн расширяется за счет возбуждения добавочных поверхностных волн на границе металл-ферромагнетик и воздух-ферромагнетик при продольном распространении и за счет возбуждения добавочных объемных волн при поперечном распространении магнитостатических волн. Расчетные значения резонансных шлей хорошо согласуются с эксперимент альными при выполнении условий магнитостатического приближения.

8. Впервые методами продольной и поперечной накачек в 3 см и 8 мм диапазонах длин волн в температурном интервале 4,2 - 100 К проведены исследования затухания спиновых волн в ферромагнитных полупроводниках ЕиО и Н^^Бе^. Проанализированы возможные вклады собственных процессов в затухание спиновых волн в этих кристаллах и показано, что вследствие их низкой температуры Кюри и высокой намагниченности велик вклад собственных спин-

спиновых процессов. В непроводящих и совершенных кристаллах ЕиО и HgCr2Se4 зависимость параметра затухания спиновых волн от волнового числа в основном объясняется вкладами собственных трехмагнонных дипольных процессов слияния и расщепления, а также четырехмагнонных обменных цроцессов рассеяния.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: CI. Солин Н.И., Самохвалов A.A., Калинников В.Т. Влияние сильного электрического поля на СВЧ поглощение в ферромагнитном полупроводнике CdAgCr2Se4. //ФГТ.1976. Т.18. Ä 6. C.2I04-2I07. С2. Солин Н.И., Самохвалов А.А.,Гижевский Б.А. Ферромагнитный резонанс и диэлектрические потери в ЕиО. // ФТТ. 1977. Т.19. * 2. С.645-647.

СЗ. Солин Н.И., Самохвалов A.A. Ферромагнитный резонанс и нелинейные явления в ЕиО. //ФТТ. 1978. Т.20. * 6. C.I9I0-I9I2. С4. Солин Н.И., Самохвалов А.А.,Гижевский Б.А., Магат О.Л. Влияние магнитного упорядочения на СВЧ проводимость ЕиО. //ФТТ. 1978. Т.20. * 10. С.2896-2900.

С5. Самохвалов А.А.,Гижевский Б.А.,Солин Н.И., Симонова М.И. Переход типа металл-неметалл в Eu^Gd^O. //ФТТ. 1972. Т.14. Л I. С.279-281.

Сб. Борухович A.C., Маруня М.С., Бамбуров В.Г., Солин Н.И., Игнатьева Н.И. Теплоемкость квазивырожденного магнитного полупроводника EuSmO. /ШТ. 1978. Т.20. » 10. C.3I07-3I09. С7. Давыдов A.B., Солин Н.И., Штрапенин Г.Л. Измерение проводимости полупроводниковых дисков в диапазоне СВЧ. //Дефектоскопия. 1982. *в. С.95-96.

С8. Солин Н.И., Анисимов А.Н., Самохвалов A.A., Гуревич А.Г. Продольная накачка спиновых волн в ЕиО. //ФТТ. 1983. Т.25. Ш. С.3498-3500.

С9. Gurevich A.G., Anlslmov A.N., Samokhvalov A.A., Solln N.I.

Spin Wave damping In ferromagnet EuO.

//Acta Physlca polonlca. 1985. V.68A. * 3. P.467-472.

C10. Samokhvalov A.A., Oslpov V.V., Solln N.I., Gunlchev A.P.,

Korenbllt I.A., Galdlkas A.P. Electron- magnon Interaction in

semiconductors. //JMMM. 1984. V.46. P191-198.

011. Виглин H.A.,Самохвалов A.A., Солин Н.И., Симонова М.И.

Ферромагнитный резонанс в магнитном полупрводаике HgCr2Se4. //ФТТ. 1984. Т.26. * 4. C.I230-I23I.

CI2. Солин Н.И., Самохвалов A.A..Филиппов Б.Н., Захаров В.А. Магнитостатические волны в магнитном полупроводнике ЕиО, рас-пространяпциеся под углом к магнитному полю. //ФТТ. 1986. Т.28. * I. С.306-309.

CI3. Солин Н.И., Самохвалов A.A., Шумилов И.С. Усиление спиновых и магнитостатических волн дрейфующими носителями заряда в магнитном полупроводнике HgCr2Se4. //Письма В ЖЭТФ. 1986. Т.44. Ä 10. С.464-466. CI4. Солин Н.И., Самохвалов A.A., Шумилов И.Ю., Золотовицкий А.Б. Магнитостатические волны в слоистой структуре на основе ферромагнитного полупроводника HgCr2Se4. //ЙТФ. 1987. Т.57. Ш. С.2250-2252.

CI5. Солин Н.И., Самохвалов A.A., Шумилов И.Ю., Чеботаев Н.Ы., Наумов C.B. Магнитная анизотропия и ферромагнитный резонанс в монокристаллах HgCr2Se4. //ФТТ. 1988. Т.ЗО. £ 7. C.2I88-2I93. CI6. Солин Н.И., Самохвалов A.A., Шумилов И.Ю. Затухание спиновых волн в ферромагнитном полупроводнике HgCr2Se4. //ФТТ. 1988. Т.ЗО. № 7. С.2246-2248.,

CI7. Ауслендер М.И., Самохвалов A.A., Солин Н.И., Шумилов И.Ю. Черепковское взаимодействие спиновых волн с носителями заряда в ферромагнитном полупроводнике HgCr2Se4. //КЭТФ. 1988. Т.94. JS 12. С.223-233.

CI8. Солин Н.И., Ауслендер М.И., Самохвалов A.A., Шумилов И.Ю. Новый механизм усиления спиновых волн дрейфующими носителями заряда в ферромагнитном полупроводнике. ФГТ. 1990. Т.32. J» 8. С.2240-2246.

CI9. Солин Н.И., Самохвалов A.A., Шумилов И.Ю. Управляемое электрическим полем затухание магнитостатических волн в ферромагнитном полупроводнике HgCr2Se4. //Письма в ЮФ. 1992. Т.18. Л 15. С.22-26. С20. SamokhvaloY A.A., Solln N.I., Vlglln N.A., Koatylev V.A., Osipov V.V., BabusMdn V.S. Electron- magnon Interaction In magnetic semiconductors.

//Fhys. Stat. Sol. (b). 1992. V.169. St. P. K93-K98.

C2I. Солин Н.И., Филиппов Б.Н., Самохвалов A.A., Шумилов И.Ю.

Спектр и затухание магнитостатических волн в ферромагнитном полупроводнике HgCr2Se4 при разогреве магнонов электрическим шлем. //ФГТ. 1993. Т.35. * 6. C.I6I3-I623. С22. Солин Н.И., Самохвалов ¿.А., Фальковская Л.Д. Влияние примесных центров тригональной симметрии на спектр ферромагнитного резонанса ртутной шпинели. //ФГТ. 1994. Т.36. * 10. С.3090-3100.

С23. solin H.I., Samokhvalov А.А., Naumov S.V. Microwave conductivity or magnetic semiconductors In strong electric rields. //Phys. Low-Dim. Struct. 1994. Jt 9. P.43-49. 024. Солин Н.И., Самохвалов А.А., Наумов C.B. Электропроводность и диэлектрические свойства магнитного полупроводника HgOr2Se4 в сильном сверхвысокочастотном электрическом поле. //ФГТ. 1995. Т.37. * 7. С.2100-2107.

С25. Самохвалов А.А., Арбузова Т.И., Лошкарева Н.Н., Солин

H.И. и др. Электрические, оптические и магнитные свойства Eu^jGdjO. //Труды МКМ-73. М., Наука. 1974. Т.5. С.148-153. С26. Солин Н.И., Чвботаев Н.М. Магнитосопротивление и эффект Холла магнитного полупроводника HgCr2Se4 в сильных магнитных полях. //ФГТ. 1997. Т.39. Jt 5. С.848-852.

С27. Солин Н.И., Самохвалов А.А., Наумов С.В. Разогрев магнонов горячими носителями заряда и электрические свойства HgCr2Se4. //ФГТ. 1997. Т.39. * 4. С.664-667. 28. Солин Н.И., Самохвалов А.А., Бабушкин B.C. Влияние сильного сверхвысокочастотного электрического поля на спектр и затухание магнитостатических волн в магнитном полупроводнике p-HgCr2Se4. //ФГТ. 1998. Т.40. А 3. С.505-507.

Цитируемая литература:

I. Коренблит И.Я., Танхилевич Б.Г. Релаксация энергии и разогрев магнонов в ферромагнитных полупроводниках. //ФГТ. 1976. Т.18. No.I. С.62-71.

2. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. О когерентном усилении спиновых волн.

/ЛИТО. 1963. Т.45. N.2. С.337-343.

3. Нагаев Э.Л. Магнитоэлектрические волны. //Письма в ЖЭТФ. 1987. Т.45. No.3. С.127-129.

4. Гуревич А.Г. Ширина кривой ферромагнитного резонанса, обусловленная электрическими потерями.

//ФГТ. 1974. т.К. вып.6. 0.I784-I786.

5. Иванов М.А., Митрофанов В.Я., Фальковская Л.Д., Фишман А.Я. Влияие эффектов переноса на поведение примесных центров в кубических магнетиках с ионами смешанной валентности. //ФГГ. 1993. Т.35, вып.7. С.2025-2036.

6. Калиникос Б.А., Митева С.И. Дисперсионное уравнение для слоистой структуры металл-магнитодиэлектрик.

//Известия вузов. Радиоэлектроника. 1980. Т.23. * 5. С.74-75.

7. Сул Г. Источник и использование нестабильности при ферромагнитном резонансе. В кн.: Ферриты в нелинейных СВЧ устройствах. М., ИЛ, 1961 г., с.109-125

8. Самохвалов А.А., Осипов В.В., Калинников В.Т. Возбуздение спиновых волн носителями тока в магнитных полупроводниках ЕиО и CdCr2Se4. //Письма в ЖЗТФ. 1978. Т.28. No.6. С.413-416.

9. Виглин Н.А., Осипов В.В., Самохвалов А.А. Увеличение прохождения СВЧ мощности через ферромагнитный полупроводник HgCr2Se4 в сильном электрическом поле.

//ФТТ. 1991. Т.33. N0.9. С.2695-2698.

10. Веселаго В.Г., Голант К.М., Ковалева И.О., Юрин И.М. Энергетический спектр и транспортные свойства монокристаллов HgCr2Se4.//13T®.I984. Т.86. JS5. C.I857-I86I.

11. Блатт Ф. Физика электронной проводимости в твердых телах. М. 1971 г., 470с.

12. Иванов М.А., Коуров Н.И., Медге X., Симонова М.И., Фальковская Л.Д., Фишман А.Я. Теплоемкость ртутной шпинели. //ФТТ. 1986. Т.28. J». C.I585-I588.

13. Selmi A.,Mauger A.,Herltler М. Magnetic semiconductora controller by Intra-atomic coulomb correlations: the example oí HgCr2Se4. //JMM. 1987 . 7 . 66. P. 295-316.

14. Больных И.К., Головин A.B., Север Г.Н. Гигантское влияние магнитного поля на ширину запрещенной зоны соединения BgCr2Se4 в области температуры Кюри. //Вестник МГУ. Сер.З. Физика, астрономия. 1995. Т.36. Яй. С.100-103.

15. Arai Т., Wakak.1 М., Onarl S. Kagnetoabsorbtion ln single cristal HgCr2Se4 //J. Phys. Soc. Jap. 1973. V.34. *1. P.66-73.

Отпечатано на Ризографе ИФМ УрО РАН тир. 80 зак.69

объем 1,5 печ.л.формат 60x84 1/16 УШ-98г. 620219 г.Екатеринбург ГСП-170 уп.С.Ковалевской,18



01 <м

: (л.

о 5

Ц 05 М. .

^РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МУК

^ , уральск пр. пф тгн; 1тяътн:

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ■ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

/99

На правах рукописи

СОЛИН Николай Иванович

МАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

01.04 ЛI - физика магнитных явлений

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-ма тематиче ских наук

Екатеринбург - 1998 г.

СТр =

ВВЕДЕНИЕ..................................................5

I. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ____21

I Л. ФЕРРОМАГНИТНЫМ РЕЗОНАНС В ЕиО.........................21

IЛ Л. Состояние эксперимента и проблемы по ФМР в ЕиО......21

I.I.2. Влияние магнитного упорядочения на СВЧ проводимость ЕиО..................................................24

IЛ.3 Влияние СВЧ проводимости на ширину линии ФМР ЕиО. .. 30 1.1.4 Кристаллографическая анизотропия ЕиО. 39

1.2 ФЕРРОМАГНИТНЫМ РЕЗОНАНС В figOr?SeÄ 44

1.Z.I. Состояние эксперимента и проблемы по ФМР в

HgOipSe1...................................................44

1.2.2. Влияние центров кубической симметрии на ферромагнитный резонанс в HgCr9Se4. 52

1.2.3, Влияние примесных центров тритоналъной симметрии

на спектр ферромагнитного резонанса HgCi^Se^. 63

2. МА1ЖГ0СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 74 2.1. Состояние эксперимента и проблемы по МСВ в магнитных полупроводниках. 74 2.2» Методики для исследования спектра МСВ в магнитных полупроводниках. 78

2.3 М.АШИТОСТАТЙЧЕСКМЕ ВОЛНЫ В ЕиО 82 2.3Л Спектры объёмных и поверхностных МСВ для пластины

ЕиО в свободном пространстве, Сравнение теории с экспериментом. 82

2.3.2 Затухание и групповая скорость МСВ в ЕиО. 94

2.4. МАГНИТОСТАТИЧЕСКМЕ ВОЛНЫ В HgCr2Se4 98

2.4.1 Спектр объёмных и поверхностных МСВ в 8мм диапазоне длин волн для пластины HgCr2Se4 в свободном пространстве. Сравнение эксперимента с теорией. 98

2.4.2 Спектр объёмных и поверхностных МСВ в слоистой структуре металл- диэлектрик - ферромагнитный полупроводник HgCr2Se4. 103

2.4.3 Влияние электропроводности на затухание и спектр

МСВ в HgCr2Se4. Сравнение теории с экспериментом. НО

3. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ ЕиО и HgCr2Se4 126

3.1 Нелинейные явления при ®Р в ЕиО. 132

3.2 Продольная накачка спиновых волн в ЕиО 138

3.3 Нелинейные явления при ШР и распространении МСВ в HgCr2Se4 1-54

3.4 Исследования затухание спиновых волн в HgCr2Se4 методом продольной накачки 165

4. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТЕЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ..............183

4.1 ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СВЧ ПОГЛО-

НИЕ И ФМР В МАГНИТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ CdCr2Se4. 183

4.2 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СПЕКТР И ЗАТУХАНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В HgCr2Se4. 195 4.2.1. Электропроводность и диэлектрические свойства магнитного полупроводника HgCr2Se4 в сильном сверхвысокочастотном электрическом поле. 216

4.2.2 Магнитосопротивление и эффект "Холла магнитного полупроводника Б^О^Бе^ в сильных магнитных полях. 226

4.2.3 Электропроводность и постоянная Холла Н^г^Бе^ в сильных электрических полях 248 4.3 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЗАТУХАНИЕ СПИНОВЫХ ВОЛН В МАГНИТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ Ь^Сг2Зе4. 261 4.3.1. Влияние электрического поля на затухание спиновых волн в НёСГрБе^, возбужденных методом поперечной накачки 264

4.3.2 Продольная накачка спиновых волн в HgOГoSeл во

С— ^Т"

внешнем электрическом поле. 276

4.3.3 Магнитоэлектрический механизм взаимодействия спиновых волн с дрейфующими носителями заряда в НДО^Бе^. 297 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ОТ9

ЛИТЕРАТУРА.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность р а б о т ы. В настоящее время физика, техника к ферритов и полупроводников достигли высокого уровня развития. Благодаря освоению технологии приготовления совершенных кристаллов и пленок ферритов в настоящее время сформировано новое научно-техническое направление магнитной микроэлектроники- сверхвысокочастотная (СВЧ) твердотельная спинволновая электроника [1, 21= В последние годы область применения полупроводников расширяется в сторону все более и более высоких частот«, Несомненно, что в ближайшие годы ферриты и полупроводники будут оставаться основными материалами современной техники. Но проблемы качественного улучшения параметров СВЧ устройств и приборов, их миниатюризации, уменьшения электропотребления требуют разработки новых материалов и новых принципов управления распространением СВЧ энергией. Одной из таких возможностей является использование взаимодействие электронной и магнитной систем,

Проводимость ферритов - узкозонных полупроводников с малой подвижностью носителей заряда- не влияет заметным образом на их магнитные свойства [31. В обычных полупроводниках магнитное упорядочение отсутствует. В настоящее время синтезирован широкий класс веществ» так называемых магнитных полупроводников [4, 53, в которых комплекс электрических свойств, характерных для широкозонных полупроводников- в первую очередь большая подвижность носителей заряда- сочетается с магнитным упорядочением в них. Сосуществование в одном веществе взаимодействующих магнитной и электронной систем приводит к новым качественным [5] особенностям их физических свойств» Эти особенности могут быть обусловлены двумя обстоятельствами.

h

I. Наличие сильного s-d обменного взаимодействия

Вонсовского to] между магнитной и электронов: подсистемами при......

водит к тому, что зонная структура и механизмы электропровода-ости находятся в сильной зависимости от магнитного состояния вещества. Электропроводность ЕиО, например, меняется на 13 порядков в узкой области около температуры Кюри Е4, 5]= 0 величине этого взаимодействия можно судить также по изменению края оптического поглощения при магнитном упорядочении, которое максимально для HgCr9SeA среди известных магнитных полупроводников и составляет величину более 0,5 эВ [II]. Наличие такого сильного взаимодействия позволяло предположить, что на магнитные характеристики могут влиять и изменения параметров носителей заряда [7]. Однако оценки показывают [8], что управлять магнитным состоянием путем изменения косвенного обмена при изменении концентрации носителей заряда при освещении или воздействии электрического поля невозможно: образец раньше сгорит. чем будет достигнут желаемый эффект. Несмотря на это были обнаружены эффекты, внешне похожие на предсказанные: спектрально зависящие резкие изменения магнитной проницаемости и коэрцитивной силы при освещении [91. возникновение ЭДС, связанное с возбуждением магнитных колебаний ПО].

2., В отличие от ферритов» обладающих очень малой подвижностью носителей заряда прыжкового типа, в некоторых магнитных полупроводниках наблюдается зонный характер проводимости со

о

сравнительно высокой подвижностью носителей заряда до 10° ем"/В с [113. В этом случае возможность управления свойствами магнитного полупроводника основана на том. что дрейфовая скорость носителей заряда в сравнительно невысоких электрических полях ~ I кВ/см может быть порядка скорости звука в среде.

тепловой скорости электронов или фазовой скорости спиновых

волн. И передача кинетической энергии носителей заряда спино.....

вым волнам может привести к изменениям их физических свойств в сильном электрическом поле.

Результаты первых экспериментов магнитных полупроводников в сильных электрических полях [30-33] традиционно объяснялись усилением спиновых волн. Однако анализ этих экспериментов показывает, что такая трактовка не безупречна и нужна новая концепция для объяснения свойств магнитных полупроводников в сильном электрическом поле. В [461 было отмечено, что некоторые из этих экспериментов в сильных электрических полях могут быть объяснены в модели разогрева магнонов горячими носителями заряда» Разогрев магнонов обусловлен тем, что в известных магнитных полупроводниках: температура Дебая Тлг300 К больше их температуры Кюри т^ЮО К и магноны слабо связаны с фононами. Вследствие этого в электрическом поле может меняться намагниченность , а возбуждение магнонов и взаимодействие их с носителями заряда может привести к изменениям и электрических свойств магнитного полупроводника. В дальнейшем эта иде>: развитие в нескольких теоретических работах [47-49], целенаправленных исследований влияния разогрева магнонов на физические свойства магнитных полупроводников не было.

В [ОН мы впервые экспериментально показали, что обнаруженное нами изменения СВЧ магнитных свойств магнитного полупро.....

водника ОсЮГрЗе^ в сильном электрическом поле могут сыть объяснены нагревом магнитной подсистемы, Непосредственными измерениями намагниченности [341 было показано уменьшение намагниченности в магнитных полупроводников ЕиО. 0а0г.:,5е^ и ВДдъБе; в сильных электрических полях. Важной вехой в понимании явле-

ний б сильных электрических шлях явилось доказательство разо.....

ператур [50; 511= Последующие эксперименты показали сильное изменение целого комплекса физических свойств магнитных полупроводников в электрическом поле: электропроводности [35, 35], параметров ферромагнитного резонанса и фотопроводимости [37] , спектра и затухания магнитостатических волн [38-40], возникновение стохастической неустойчивости тока [41 ] и СВЧ излучений из ферромагнитного полупроводника [35,42 3 и др. Сильная взаимосвязь этих эффектов с магнитным упорядочением показывает, что обменное взаимодействие между локализованными и электронами проводимости приводит к нетривиальным дняшниё день лишь качественно объясненным явлениям,

Другое из интересных явлений, предсказанное в [12], это возможность усиления когерентных спиновых волн в ферромагнитном диэлектрике потоком заряженных частиц в уел ~ ского синхроизма подобно обнаруженному ранее ч хания звука в полупроводниках [13]. Такие эффекты экспериментально наблюдались [14, 153 в слоистых структурах феррит- полупроводник. Эти структуры хороши тем, что позволяют в одной системе сочетать лучшие свойства полупрово,цников и лучшие свойства ферритов. Несмотря на эти преимущества» в экспериментах по усилению магнитостатических волн (МОВ) не достигалось необходимого замедления волн, так как реально достижимые скорости носителей заряда в плазме твердого тела составляют 10ь-10' ом/с, а фазовые скорости магнитных волн* возбуждаемые в этих структурах почти на порядок выше.

Оценки показывают, что в магнитных полупроводниках условия

Черепковского синхроизма и усиления когерентных спиновых, волн могут быть выполнены для спиновых волн с ЫСГг --10° см~х. Возможность усиления спиновых волн дрейфующими носителями заряда в магнитных проводниках, которая определяется энергией взаимодействия их с электронами проводимости Е163, показана во многих теоретических работах £17-293, но прямых экспериментов по измерению затухания когерентных магнитных волн в электрических шлях не было.

Следует отметить, что эффективное взаимодействие спиновых волн с носителями тока возможно только в случае малых магнитных и электрических потерь, т.е. при малом параметре затухания

спиновых волн ДН1г и больших подвкжностях носителей заряда. По......

этому необходим поиск материалов с необходимыми свойствами, выяснения природы их СВЧ магнитных и электрических потерь.

Зависимость зонной структуры магнитных полупроводников от магнитного состояния с одной стороны» и изменения намагниченности его в электрическом июле с другой стороны, создают предпосылки для сильного изменения физических свойств магнитных полупроводников в сильных электрических полях. Сильное перекрестное влияние магнитных и электрических свойств магнитных полупроводников делает их перспективными для создания приборов с электронным и магнитным управлением, например для создания твердотельных усилителей и генераторов СВЧ.

Цель диссертации - исследования спектра и затухания магнитных колебаний и волн в ферромагнитных полупроводниках, выяснение закономерностей влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание однородной прецессии, магнито-отатических и спиновых волн и колебаний в ферромагнитных полупроводниках .

Объектом исследования выбраны монокристаллы ферромагнитных полупроводников ЕиО, Н§0г93ел , а также ОаСГоЗе,, , обладающих наиболее высокими значениями подвижности носителей заряда, концентрация которых может управляться при легировании примесями или изменении температуры, а зонная структура сильно зависит от магнитного состояния,

Исследованы ферромагнитный резонанс, распространение магни-тостатических, спиновых волн и колебаний в магнитных полупроводниках ЕиО и НеСГрЗех в 3 ом и 8 мм диапазоне длин волн в интервале температур 4,2-300 К, влияние носителей заряда и их дрейфа в электрическом тюле на спектр и затухание спиновых колебаний и волн. Для обоснования и доказательства предлагаемых моделей проведены исследования электрических свойств магнитных полупроводников: подвижности и концентрации носителей заряда, ОВЧ проводимости и диэлектрической проницаемости, электропроводности и постоянной Холла в магнитном (до 12 Тл) и электрическом полях (до 3 кБ/см) в интервале температур 4,2-300 К,

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые установлены " т г~ да и их дрейфа на спект] ческих волн и колебаний, са в ферромагнитных полупроводниках.

На защиту выносятся следующие основные положения: I. Предложен новый механизм затухания спиновых волн за счет носителей заряда в ферромагнитных полупроводниках, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом - возбуждением электрического поля распространяющейся по магнитному полупроводнику спиновой волной. В широкозонном магнитном полупроводнике энергия электрона зависит от намагниченности и электроны собираются в

тех областях, где их энергия минимальна , Вследствие этого спиновая волка создает в кристалле пространственно неоднородное распределение электронов и, следовательно, безвихревое эл......

ектрическое поле. При конечной электропроводности кристалла спиновая волна будет затухать из-за джоулевых потерь в этом электрическом поле с параметром затухания, пропорциональным

о

квадрату волнового числа. Ш^Т*?.

2= Обнаружено резонансное уменьшение затухания спиновых волн В^Ог^Зе, в электрическом поле при выполнении условий черепковского синхронизма. Рассчитан вклад носителей заряда в затухание спиновых волн, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом, с учетом дрейфа носителей заряда. Результаты расчета объ.....

ясняют основные экспериментальные особенности изменения затухания спиновых волн в электрическом поле от температуры«, волнового числа, электропроводности, подвижности носителей заряда. напряженностей и ориентации магнитного и электрического полей. Оценки параметра магнитоэлектрического 1,1 " з.-ч: " и : вижнооти носителей заряда из экспериментов по их-нэ^ы - инь, находятся в разумном согласии с оценками из других независимых экспериментов.

3. Показано, что влияние носителей заряда на спектр и затухание однородной прецессии и магнитоетатических волн в ферромагнитных полупроводниках определяются индукционным механизмом, вклад которого в параметр затухания ДН1г и резонансные поля МОВ обратно пропорционален квадрату волнового числа, Н,,, АН,, « Исследованиями влияния электропроводности ферромагнитного полупроводника на ширину линии Ферромагнитн и на затухание магнитоетатических волн в соответствие экспериментальных результатов • ? т

4. Показано, что особенности спектра и затухания MOB Hgur9Se^ в электрическом поле обусловлены вкладом индукционного механизма» Изменения электропроводности и диэлектрической проницаемости магнитного полупроводника в электрическом поле объяснены изменением зонной структуры при разогреве магнитной системы горячими носителями заряда и в связи с особенностями механизмов электропроводности HgCr93e4. Зависимости электропроводности, СВЧ диэлектрической проницаемости, подвижности и концентрации носителей заряда HgOr?Se4 от температуры, от напрякен-ностей электрического и магнитного полей согласуются с предлагаемой моделью,

5. Показано, что зависимости параметра затухания спиновых волн от волнового числа в совершенных и непроводящих (диэлектрических) ферромагнетиках ЕиО и HgörPSe4, измеренные по порогу их параметрического возбуждения, объясняются, в основном, вкладами собственных трехмагнонных дипольных процессов расщепления и слияния, четырехмагнонных обменных процессов рассеяния,

6. Экспериментально показано, что в касательно намагниченной ферромагнитной пластине конечных размеров распространяются МСВ

ПОД ПРОИЗВОЛЬНЫМ УГЛОМ (Оь-^'/С/З и 81г#0) к компонентами волнового числа к:х,И0 и кдО,

рами пластины, При продольном намагничивании область существования МСВ с куДЗ и ]ц7Д> расширяется за счет возбуждения, кроме обратных объемных МСВ, поверхностных волн магнетик - воздух и магнетик -металл. При поперечном намагничивании возбуждаются, кроме прямых поверхностных МСВ, и объемные МСВ, Расчет спектров МСВ на основе такой модели хорошо согла