Магнитооптические эффекты в полумагнитных полупроводниках на основе теллурида ртути тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

J: Ú Uri

ЧЕРШВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ ím. ЮР1Я ФЕДЬКОВИЧА

i i

/ J. in' ---'

Фед1в Володимир 1ванович

УДК 621.315.592

M АГН1ТО ОПТИЧН1 ЕФЕКТИ В НАП1ВМАГН1ТНИХ НАП1ВПРОВ1ДНИКАХ НА OCHOBI ТЕЛУРИДУ РТУТ1

01.04.10- ф1зика HaniBnpoBi дниюв i Д1електригав

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацп на здобуття наукового ступеня кандидата с}изико-математичних наук

Чершвщ - 2000

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана на кафедр! ф1зичноТ електрон}ки Чершвецькоп державного ушверситету ¡м.Ю.Федьковича

Науковий KepiBHiiK: доктор ф1зико-математичних наук, старший науковий сшвробкник Савчук Андрш Йосипович, Чершвецький державний ушверситет, професор кафедри ф1зичноТ електрошки

Офщшш опонснти: доктор ф1зико-математичних наук, професор Корбутяк Дмптро Васильович,

1нститут ф1зики нашвпроввдниюв HAH Украши, зав.вццилом

доктор ф1зико-математичних наук, професор Maxuiä BiKTop Петрович,

Чершвецький державний ушверситет, професор кафедри оптоелектрошки

Провщна установа: Льв1вський нацюналышй университет iM. Г.Франка

Захист вщбудеться " 24 " березня 2000 року о 15°° годин! у засщанш спещагизованоУ вченоУ ради Д 76.051.01 при Чершвецьком державному ушверситет! ¡м.Ю Федьковича за адресою: 58012, м.Чершви вул. Коцюбинського,2.

3 дисертащею можна ознайомитися в науковш 6i6nioTeni Чершвецько: державного ушверситету im. Ю.Федьковича (вул.Л.УкраУнки, 23)

Автореферат розюланий " 23 " лютого 2000 року.

М.В .Курганецький

Вчений секретар спец1ал1зованоУ вченоУ ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть теми. Протягом двох останшх десятирш значну увагу га защкавлешсть дослщнишв викликають нашвмапптш иатвпровщники (НМН), яю займають пролнжне положения М1Ж звичайними та магштними нашвпровидниками. Наявнють у склад] НМН магштноТ компонента (3(1 або 4f елементав) призводить до виникнення аномальних явищ, як! и1дсутш у звичайних нашвпровщниках з аналопчною енергетичною зонною структурою. До таких характерних явищ, у першу черту, вщносяться значне шдсилення зеемашвського розщеплення зонних 1 екситонних стаи ¡в та пгантський ефект Фарадея. Встановлено, що мехашзмом, вщповщалышм за Ц1 магштооптичш ефекти, е обмш на взасмо;ия мгж делокал1зованими магштними моментами зонних э, р - електрошв (д1'рок) 1 локагизованими сшнами с!-електрошв магштноТ компоненти. Серед матер!ал!в, в яких ба-зовими е бшарш сполуки А"ВУ1, а в якост! магн!тно1 компоненти виступае марганець, найбшьш винчен! тверд! розчини С(1, хМпхТе. Саме в них вперше були виявлеш пгантськ! ефекти Зесмана та Фарадея, [ щ кристали стали своерщним прототипом всього класу НМН. У той же час для глибшого розумшня властивостей НМН 1 з'ясування загальних законом1рностей у процесах взаемодп зонних носив з магштними юнами та магштних юшв М1ж собою с розширення цього класу речовин шляхом створення нових об'ек™, зокрема за рахунок твердих розчишв на основ! телуриду ртут1, таких, як трьохкомпонентш нагпвпровщники Н£, хМпхТе та чотирьохком-понентш Сс!, х уЩхМпуТе, Ълх х уН^МпуТе. На вщмшу вщ широкозонних грьохкомпонентних твердих розчшпв Сс11хМпх'Гс, 7п1хМпхТс, в НМН на основ! HgTe е можливкть змшювати енергетичну щишну практично вщ иульового значения 1 тим самим шдключати до розгляду безщшинш та вузькощишнш нашвпровгдников! матер!али.

Кр1м дощльност! вивчення нових НМН з точки зору отримання [нформацн фундаментального характеру, незаперечним е прикладний аспект гаких дослщжень. Ушкалып магштооптичш ефекти в НМН (зокрема в Сс1МпТе) уже знаходять практичне застосування в сенсорах магштного толя, оптичних вентилях, мапптооптнчпих модуляторах. Очевидно, що зпровадження НМН на основ! ^Те дозволять значно розширити шектральний д!апазон функц!онування цих пристроТв.

Таким чином, магштооптичш дослщження НМН на основ! телуриду :>туп дощлыи та актуальш з точки зору глибшого розумшня процеав

обмшноУ взаемодп в цьому клаа матер1агпв та розширення можливостей Ух практичного використання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослцркення, результата яких висв'1тлеш в дисертацп, виконаш у вщповщносп з темами науково-дослщю'У роботи кафедрн ф]'зичноУ електрошки Чершвецького державного ушверситету ¡м.Ю.Федьковича: "Дослщження процеЫв росту кристал1в, структур« дефекта 1 електронних явищ у складних нашвпровщниках на основ! А2В6 1 А"Вб " (№ держреестращУ 01860060721), "Нашвмагштш нашвпровщники 1 прилади на IX основ1" (№ держреестрацГ1' 019311027500).

Метою роботи е експериментальне дослщження магштооптичних ефект1в Фарадея 1 Фогта в НМН на сснов1 HgTe в широкому штервал1 температур 1 мапитних пол ¡в та визначення на Ух основ'| парамстр1в зонно'1 структури, характеристик спшовоУ обмшноУ взаемод1У за участю електронно! та магштноУ шдсистем 1 розширення можливостей використання таких матер!ал1в в оптоелектронних пристроях.

Для досягнення шсУ мети внрииувались так! задачи

1. Дослщження спектр1в фарадеУвського обертання (ФО) кристалл Сс11хМпхТе, Щ1хМпхТе, 2п1хуНехМпуТе та Сс1, Н^Мп Те в залежноси вц вм1сту магштноУ компоненти, температури та напруженосп магштного поля

2. Вивчення фазового переходу парамагнетик-сшнове скло н кристалах ^1хМпхТе та 7л1, х уНцхМпуТе за даними дослщження низько польовоУ температур!юУ залсжпосп ФО в обласп' гелквих температур.

3. Виявлення особливостей магштопольовоУ залежноеп ФО НМН з надсильних мапитних полях з величиною напруженост1 до 4 МЕ.

4. Дослщження ефекту Фогта в НМН на основ! ^Те з меток виявлення аномалш в спектральнш, температурнш та магштопольовп залежностях фогпвського фазового зеуву.

5. Вивчення можливостей практичного використання дослщжувани; НМН в якост! мапптоактивних елеменпв магштооптичних пристроУв.

Наукова новизна одержаннх результат! роботи иолягае у тому що вперше:

1. Виявлено пгантське шдсилення ефектлв Фарадея i Фогта в чотирьохкомпонентних НМН Zn, х yHgxMnyTe, CdIxyHgxMnyTe та визначено величин» констант s,p-d обмшноТ взаемодп та штегралу d-d обмшноТ взаемодп.

2. На основ! дослщження температурноТ залежное^ ФО встановлено ¡снування фази спшового скла у твердих розчинах Hg, хМпхТе, Zn, xyHgxMnyTe та проведена оцшка температури фазового переходу парамагнетик-спшове скло.

3. Виявлено аномалп температурноТ залежнога величини фог-пвського фазового зсуву в НМН в штервал1 80-300K, яю поясшоються впливом s,p-d обмшноТ взаемодп на заселешсть piBHiB, що вщповщають п-переходам.

4. Показано, що величина кута ФО в надсильних магштних полях до ШЕ визначасться виливом д i а м а г н i т и o'i п i д с и сте м и.

5. Встановлено квадратичний характер магштопольовоТ залежное™ [югпвського фазового зсуву в НМН Zn, х yHgxMnyTe, Cd, х yHgxMnyTe.

Практичне значения одержаннх результатов полягае у тому, що эозроблеш магштооптичш методики можуть бути використаш для зизначення зонних параметр1в та констант обмшноТ взаемодп шших чатер1ал1в з класу НМН. Встановлено перспектнвшсть використання 1етверних НМН на ocuoBi телуриду ртуп в фарадеТвських елемснтах золоконно-оптичних датчиюв магн'ггпого поля, оптичних вентилях та ^агштооптичних модуляторах.

Особистин внесок здобувача. У наукових працях [1,2,4,5,9,12-14] жспериментальш дослщження та сшвставлешш Тх результата з теоре-гичними розрахунками виконаш автором особисто або при його без-тосереднш участи У [3,6-8,10,11] автор брав участь в обробщ результата та х обговоренш. Основш положения та висновки дисертаци належать и 1втору.

Апробашя результат!» роботи. Ochobhi результати дисертаци 10новщались та обговорювались на : The First International Conference on Material Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors Chernivtsi, 1994), International schools conferences "Physical problems in naterial science of semiconductors (Chernivtsi, 1995, 1997), 10th International Conference on Ternary and Multinary Compounds (Stuttgart, 1995), XXV nternational School on Physics of Semiconducting Compounds "Jaszowiec '96" Jaszowiec, 1996), 8th International Conference on II-VI Compounds (Grenoble,

1997), 11th International Conference on Ternary and Multinary Compounds (Salford, 1997), European Materials Research Society Spring Meeting EMRS - 98 (Strasbourg, 1998), 2nd European Conference on Magnetic Sensors and Actuators EMSA-98 (Sheffield, 1998), наукових семшарах кафедри ф{зичноТ електронки.

Публисацн. За темою дисергащУ опублковано 14 наукових праць, список яких наведено в кшц1 автореферату.

Структура i об'см дпссртац». Дисерташя складасться з вступу, чотирьох роздпив, BUCHOBKiB та списку лгтератури ¡з 102 джерел. Робота викладена на 133 стор!нках друкованого тексту, ¡люстрована 52 рисунками i MicTHTb 4 таблиц!.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У BCTyni обгрунтована актуальшсть вибраноУ теми дисертацП", сформульоваш мета та основш завдання робота, ТУ наукова новизна та практична цшшсть, подано короткий змют роздшв, а також вщомосп про апробацпо та особистий внесок здобувача.

Перший роздш мае оглядовий характер. У ньому наведено результата дослщжень з магштооптики, отримаш для НМН на ocHoui HgTe. Вщзначена мапочисельшсть po6iT з магштооптики для даного класу MaTepianie, а також те, що мапитооптичш дослдакення чотиръохком-понентних твердих розчишв знаходяться на початковому eTani. Вщмнено. що магнггооптичний ефект Фогта в НМН, на вщмшу вщ ефекту Фарадея, практично не вивчався. ГПдкреслгосться ключовий вплив сшнових обмпших взаемодш типу s,p-d та d-d на появу нових особливостеи у мапптооптични> характеристиках НМН у пор1внянш ¡з звичайними нагивпровщниками. Вка-зуеться на важливють та шформатившсть дослщження магштооитичш» ефекпв в НМН.

У другому роздип оиисаш методики скспериментальних досгпд

жень.

Синтез кристал1в багатокомпонснтних твердих розчишв (потрШни> - CdlxMnxTe, Hgl xMnxTe та четверних - Zn, х yHgxMnyTe та Cd, х yHgxMnyTe проводився шляхом сплавлення вгоадних компонент ¡з наступним виро щуванням монокристашв модифжованим методом Брщжмена.

Магштооитичш установки були сконструйоваш таким чином, щ< при Ух незначнш модиф^кащУ вим!рювання можна проводит як i

конфнурацп Фарадея, так 1 в конфнурацп Фогта. Базсвими елементами цих установок е сершш монохроматори МДР-3, МДР-23, електромагшт СП-58Б, надпровщшй соленощ, ¡мпульсний магшт. В якост1 поляризатор1в 1 ана-л1затор1в монохроматичного вииромнповання використовувалися призми Рошона 1 Волластона.

Умовно д!апазони напруженостей мапптних пол ¡в, ям застосо-вувалнся, можна роздшити на чотири:

1) слабк! стацшнарш поля (50-500)Е, яю створювались невеликими мщними соленощами;

2) середш стацюнарш поля (0,5-60)кЕ, як! створювались електромагштом СГ158-Б \ надпровщним соленоидом;

3) спльш шпульсш мапптш поля з величиною напруженост1 до 250кЕ, яю генерувалися шляхом розряду батареТ конденсатор!в через невеликий соленоТд;

4)надсильн! магштш поля, як! створювались завдяки стисненню цил!ндричиою детонац!йною хвилею магштного поля, згенерованого розрядом конденсаторних батарей.

Необхщнють проведения досл!д!в у слабких магштних полях обумовлен! можлив!стю спостереження в дослщжуваних кристалах такого магштного стану, як сшнове скло. При цьому з методично'1 точки зору значно иолегшувалося досл!дження ФО в залежност! вщ температури, оск!льки можна було скористатися звичайним герморегульованим оптичним гел1евим кр!остатом. ГИд час проведения низькотемпературних дослщжень використовувались оптичш гел!ев! крюстати та система УТРЕКС, як! забезпечували стаб!л!зац!ю та вим!рювання температури з точшстю до 0,1К.

Досл!дження магштооптичних ефектт у НМН при низьких температурах в середн!х магн!тних полях виконувались за допомогою азотного крюстату, який ф!ксувався вертикально в щшнш електромагн!ту СП - 58 Б. Для гарантування необхцшого теплового контакту кршлення зразка було жорстким. Температуру зразка втаирювали термопарою Си-Бе-Аи.

Спектральш ширнни щшин в експериментах не перевищували 0,1 нм. Установка дозволяла вим!рювати в!дносн! зм!ни штенсивност! свггла А1/1~10", що в!дпов!дае куту ФО 0^0,0028 град. Аналог!чна зм!на ¡нтенсивност! св1тла в геометрн Фогта складала А1/Г~10 3, а в!дпов!дний фогпвський фазовий зсув дор!внював 0,01 град.

У треп,ому роздЫ наведен! результата орипнальних експери-ментальних дослщжень ефесту Фарадея в НМН на основ! телуриду ртут!.

Розглядаються р1зш аспекта прояву ефекту Фарадея в широкозонн!1х НМН: хМпхТе з вмютом Мп (х=0,4; 0,5), 2п,хуп^хМпуТс та Сё, Н^Мп Тс, на основ! детального дослщження особливостей спектральноТ, концентра-цшноТ, магштопольовоТ I температурноТ залежностей ФО в пор1внянш Тх з вщповщними результатами, отриманими при вивченш НМН Сс11хМпхТе та бшарних нашвпровщтшв СёТе ! 2пТе.

Для юльюсно'1 характеристики ефекту Фарадея в р1зних матер1алах використовувалась константа Верде [1], яка визначае питомий кут ФО, тобто кут 9Р при одиничному пол! та одиничному шляху проходження випромпновання в матер1алп

v = -i-, (1)

н-а

де V - константа Верде, Н - величина напруженосп прикладеного магнитного поля, ё - товщина зразка, - кут фарадеУвського обертання.

При дослщженш спектральноТ залежност1 НМН вщм1чена змша знаку обертання площини поляризацп у пор!внянш 13 звичайними нашвпро-вщниками, що обумовлено вщповщним переходом вщ ;йамагнпного стану (для Zn^Q) до парамапптного стану (для 7ми ^у^Мп^Те). Одночасно вщбуваеться збшьшення константи Верде за абсолютною величиною, що с проявом пгантського ефекту Фарадея, який виникае внаслщок обмшно'| взаемод1Т м!ж делокал1зованимн магштними моментами В1льних носив (8-електронт зони провщноеп, р-д!рок у валентшй зош) та локатзованими спшовими моментами магштних юнт Мп2'. Вщм1чена узгоджешсть дшянк!-р1зкого зростання величини константи Верде з енергетичним положения,\ краю фундаментального поглинання крнсталт. Встановлено, що на вщмпп вщ дослщжуваних трьохкомпонентних НМН, де при збщьшенн концентраци Мп край зсуваеться в б1к коротших довжин хвиль, I чотнрьохкомпонентних НМН можна досягти зворотного зеуву. Так наприклад, пор1внюючи спектральну залежшеть константи Верде дл5 Сс!0 75Мп0,5Те та Сс10 45Н^ 3Мп0 25Те, можна вщзначити, що в чотирьохкомпо нентному твердому розчиш спостертаеться р!зкс зростання величин! константи Верде на дшянщ бшьших довжин хвиль. Слщ вщмпити, щ< можливють збшьшення концентраци мапптнпх юшв Мп2' у чотирьох компонентних матерштах, не змпиоючи спектральноТ обласп використання досягаеться змпюю вм1сту атом1в ртуть Це с важливим для практичной використання чотнрьохкомпонентних НМН на основ! ^Те.

При пор1вняшп спектральноТ залежност! кута ФО при р1зних температурах зроблено висиовок, що величина ефекту Фарадея зумовлена намагшчешстю шдсистеми парамагштних юшв Мп2'.

Для анагнзу спектрально! залежное^ кута ФО в чотирьохкомпо-нентних НМН з великим вмятом Мп при имнатши температур! використане таке сшввщношення [1]:

V = Р

Nq ■ (Р - «)У

Т + 0 у

о

/¡V

(Е

)- 2„2 чз/2 П 01 )

(2)

де Р - постшна, що складае 35 К-град/Е-см i не залежить вщ матер!алу; N0p, N0a - константи обмшно'Т взаемодй'; 0О - феноменолопчний параметр, який залежить вщ матер1алу i вмюту Мп, 8о=550К; Т - температура; /гсо - енерпя фотошв; Е„ - ширина заборонено'1 зони, у - bmíct магштноТ компонента.

Вираз (2) отримано в так званш одноосциляторшй м одел i [1]. Встановлено, що bíh пщходить для описания снектр1в ФО на невеликш спектральнш дшянщ, поблизу краю поглинання (1,3-И,55 еВ), де особливо вщчутний вплив екситонних переход1в. При бшьших енерпях фотошв спостершаеться розб!жшсть експериментальних i теоретичних даних, що, можливо, обумовлено неоднорщшстю кристалу. Про це свщчать проведен! нами сшвставлення експериментальноТ криво!' V(E) для Zno iHgo^Mno^Te з теоретичними розрахунками. Величина заборонено!' зони (Eg = 1,7еВ) була ощнена Í3 дослщжень краю поглинання. Для оцшки констант обмшноТ взаемодй паралельно проводились дослщження магштопоглинання, на ochobí якого визначено, що N0(P-a) = - 1,2±0,2 еВ.

Встановлено, що аномалй' спектрально!' залежност! ФО е загалышми для всього класу дослщжуваних НМН i визначаються такими основними факторами:

- сильною ciliH-cniHOBOlO o6míiihoio взаемод1ею míhc зонними електронами i електронами локал!зованими на ionax Mn2+ (s,p-d обмшна взасмод!я);

- великою намагшчешстю шдсистеми ¡ohíb Мп2+.

Температурна залежн!сть константи Верде визначаеться повед!нкою

HaMarnÍ4eH0CT¡ магштно!' шдсистеми та температурним зеувом краю поглинання. Екстраполюючи дан i для шверсного ФО як функщю вщ температури, отримали значения температури Kiopi-Beiíca 0о =380К. Зпдно виразу

О0=--—(3)

к

в

де кв - стала Больцмана, 5=5/2 у випадку для ¡она Мп2+ [2], знаходимо константу обмшноТ взаемодп м1ж ¡онами Мп2+ .1ы^кв= - 5,4 ± 0,5 К.

Дослщження температур но 1 залежпост1 ФО в НМН с щкавим з точки зору дослщження магштних стан ¡в, у яких може перебувати НМН у широкому штерваш температур. Вщомо, що високотемпературна фаза е парамагштною. Для низьких температур характерний магштний стан, який за багатьма ознаками названий спшовим склом. Поведшка сшнового скла поясшоеться сумкннми ефсктами недонасичення (фрустращ'О антиферо-магштних взаемодш м1ж магштними юнами Мп2+ 1 випадковим розмщенням юшв [3]. При вшшргованш температурно!" залежност! ефекту Фарадея у слабкому магштному пол! вс-тановлено ¡снування переходу пара-магнетик-сшнове скло для чотирьохкомионентних НМН Zn,.x_:),HgxMnyTe. Така поведшка яккно под1бна до поведшки трьохкомпонентних НМН типу

а" хМпхВу'. На рис.1 вщображеш результата дослщження температурно!'

Температура,К

Рис. 1. Темпсратурна залежшсть константи Верде для дослщжуваних кристал!в: 1 - Ыё;)6Мп04Те; 2 - ,НВ05Мп04Те

залежносп константа Верде у НМН Н20/,Мп04Те, гпо,1^о,5Мпо4Те при низьких температурах. Точка перегину криво! дозволяе оцшити температуру спшового замороження Тг. Визначена величина Тг=16±2К для твердого розчину ZnoI]HgoJ5MnoJ4Te узгоджуеться з попередшми даними для гп,.хМпхТе [1] I Н^1_хМпхТе [4].

При пор!внянн1 цих даних з фазовим переходом в стан спшового скла для трьохкомпонентного твердого розчину Ь^!_хМпхТе з щентичним складом Мп, вдайчено, що для чотирьохкомпонентного твердого розчину перехщ (¡¡дбувасться при нижчш температур!. Це можна пов'язати ¡з збшь-шеиням простору для антиферомагштних взасмодш у гранецентровашй гратщ М1Ж ¡онами Мп2+ внаслщок замши атом ¡в ртут! атомами цинку. Очевидно, наявшсть атсжнв Н£ у гратщ призводить до збшьшення температури фазового переходу парамагиетик-спшове скло.

Одшсю з важливих характеристик ММН, на основ! яко\' можна зробити висновок про перспектившсть практичного застосування кристал!в, с залежшсть величини кута ФО вщ величини шдукц!'! магнггного поля. На рис.2 показано магштопольову залежшсть ФО в /П|^_у№чМпуТе при кампаний температур! та температур! р!дкого гел!ю. При низьких

О 50 100 150 200 250 Напружешсть мапитного поля, кЕ

Рис.2. Магштопольова залежн!сть кута фарадеТвського обер-тання для кристалу Zn,_x_yIígxMnyTe при pÍ3nnx температурах:

1 - Т-295К; 2 - Т=5К

температурах та сильних полях чггко виражений ефект насичення ¡люструе в щлому бршлюешвську поведшку намагшченосп. При юмнатшй температур! домшугочою е лшшна залежшсть ФО в1д величини напруженост! магнитного поля, яка е типовою для Д1амагнет1шв.

При надсильних магштних полях у матер1ал1 СсЬ^Мпо^зТе спос-тер!галось зменшення кута ФО. Це пояснюеться тим, що внесок пара-

Щ

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

1 2

-1 сате, а^ЧЬ

\ / \ /1

1 - Сс)П8Мп02Те (748-820им);

2 - Сс10„Н^С7Мп0,4Те (777-845им);

3 - Сс10 7Мп03Те (669-760нм);

4 - С(10 57Мп04зТе (625-7Юнм);

5 - Сс10'45Н^030Мп025Те (950-1 ЮОнм);

6 - Сс10 45Нёо 25Мп030Те (900-9б0нм);

7 - Н«,6Мп04Те (1210-1300нм)

У:- .•'... ^

-у.

щ

1.5

1,0

0,5

0,0

1 - 7л\й 7Мл0 ,Те (620-840нм);

2 - 2п0',Н£^Мп04Те (900-1030нм);

3 - Н§06Мп04Те (1210-1300нм);

4 - Н«05Мп05Те (1100-1450нм)

Рис.3. Спектральш лдапазони використання дослщжуваних кристал!в. Заштрихована дишнка показуе змшу константи Всрде у вщповщному спектральному диапазон!.

1ГШТН01 шдсистеми у величину кута ФО сталий, що зумовлено ¡спуванням 1Вного вишикування сшшв ¡зольованих юшв Мп2+ вздовж напрямку 1Пнтного поля, при постшному зб!льшенш внеску д1амагштно1 дсистеми. При певнш величин! напруженоси мапптного поля спостерь лась тенденщя до зменшення кута ФО, тому що внесок д!амагштноУ пщ-[стеми за абсолютною величиною переважае внесок парамагштноТ дсистеми.

На основ! проведених експеримегглв слщ зазначити:

1) важливють мапнтооптичннх характеристик дослщжуваних :! гер1а:пв для практичного застосування;

2) можливють досягнення зсуву спектрально]' облает, в яки! вико-гстовуються НМН, у довгохвильову область при збшьшент концентрашУ згштних ¡ошв та незначному збгчьшенш концентрацн атом ¡в ртуп;

3) можливють використання дослщжуваних матер!ал!в у спектраль-й облаем (1>800нм), в якш не можна застосовувати потршш тверд! )зчиии Сс11_хМпхТе.

Новий перспективний матер1ал 2п].х.у^хМпуТе запропоновано ¡користовуваги як магштоактивний елемент у датчиках мапптного поля 1 в ттичних ¡золяторах.

Слектральш д1апазони використання дослщжуваних матер)'ал1в у арадеУвських елементах мапнтооптичннх пристро'Ув вщображено на рис.3.

В четвертому роздЫ описаш результата дослщження ефекту Фогта Сё|.хМпхТе, 2и].хМпчТе, Нс1.хМпуТе, 7п1_х.уН1>хМпуТе, С^х.уНцхМпуТе.

Вперше дослщжуючи ефект Фогта в трьохкомпонентних твердих ззчинах Сс)1_хМпхТе, спостершали значне шдсилення ефекту Фогта, :обливо для зразка з найбшьшою серед дослщжуваних кристашв концен-эащею Мп. Встановлено, що р1зке зростання величини фазового зсуву эрелюе з енергетичним положениям краю поглинання вщповщних зразю'в, эму вс! дослщження ефекту Фогта обмежувалися спектрального областю эблизу фундаментального краю.

Для кшыасного анашзу фогпвського фазового зсуву, за аналопею з энстантою Верде для ефекту Фарадея, використовувалась константа [5]

8

¥ = (4)

н -а

з 8 - фазовий зеув.

Виявлене пгаптське значения ефекту Фогта в дослщжуваних НМН оясшоеться ¡снуванням у цих матер1алах сильно!" обмшноТ взаемодГУ м1ж

делокашованими магнггними моментами вшьних носив та локалпованил сшновими моментами магштних юшв. При цьому слщ вщмггити однак вють знаку фогпвського фазового зсуву для НМН ! звичайних нашвпр вщшшв, що поясшоеться прямо пропорцшною залежшстю ефекту Фог вщ квадрату напруженост1 магштного поля. 3 рис.4, видно, що найбшьи величина ефекту Фогта виявлена в кристалах Н§1.хМпхТе. Це поясшоеть залежшстю величини обмшноТ взаемодй' вщ ступеня перекриття хвильов1 функций електрошв.

1з зниженням температури спостер!галось збшьшення абсолютно значения фогпвського зсуву, що вказуе на залежнють його величини в намагшченосп шдсистемп парамагштних юшв Мп2+, тобто ступшь ш силення фогпвського зсуву в НМН визначаеться величиною намаппченос пщсистеми парамагштних юшв.

Для трьохкомпонентного твердого розчину Сёо^Мпо^эТе встанс лено, що при зниженш температури вщ 300К до 80К фогпвський зс збшьшувався на два порядки (рис.5), на вщмшу вщ змш величини кута (1 в тому ж температурному ¡нтерваш. Пояснюеться це тим, що да!и мап тооптичш ефекти залежать вщ вщносноУ заселеност1 ршшв, М1Ж якиг вщбуваються переходи. У робо'п [5] вщм1чаеться, що за дисперс показника заломлення складово'1 Е II Н вщповщають тс-переходи, а супг позищя а±-переход1в визначае диспераю показника заломлення Е1Н, де I

1.6

0.8

О и

1.2

I

2

00

0 7

1.2

1.7

2.2

2.7

Енерпя фогошв, еВ

Рис.4. Спектральна залежшсть фогпвського зсуву при температур! Т=300К для кристашв:

1 - Н§0,бМп0,4Те; 2 - 2п0,7Мп0_3Те; 3 - гпо^НЕо.зМпо/Ге; 4 - гпТе

12,0

3,0

щ

■х а.

Э- 4,0

0,0

- 0,02

0,00

1.45 1.60 1.75 1.90

Енерпя фотошп, сВ

Рис.5. Спектральна залежшсть константи \\> для кристалу Cdo.75Mno.25Te при pi3nnx температурах.

:ктор напруженост! електричиого поля випроминовання, що проходить ;рез систему поляризатор-зразок-анагпзатор. Можна припустити, що при огпвськш KoinfiirypauiV зниження темиератури призводить до суттевого Шиву обм!ниоТ взаемодн на вщносну заселешсть ртшв, яю вщповщають переходам, а це, в свою чергу, збшьшуе дисперсно показника заломлення

II"

Проведен! тесретнчш розрахунки спектрально!' залежност! огпвського зсуву з використанням р1вняння для одноосциляторноУ моде-[5]:

V ;

1 (F0)/2E(E;+3E2)

24/гс

(Е -Е>'

М

_8мп11в _

Р(Р-а),

(3)

i F0 - параметр, який включае сили осцилятор!в переход!в; М - величина шапичености gMn = 2; рв - магнетон Бора; Е = hco

Зпдно з цим р!внянням, Ц1 пропорцшне до

E(Eg + ЗЕ )

• Для

lepri'i фотошв б1ля краю зони на величину \|/ в основному виливас змша

12,0 -,

w

и

ъ

- 4,0

.э-

п

ш

0,0

А300К! И80К I 0)95

3,5

?

U з -

И 2,5

0,80

CQ

2 1,5 1

BL В

а 97к ЗООК.

б)

2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Е2, еВ2

2,2 2,4 2,6 Е2, еВ2

2.8

Рис.6. Залежшсть параметра (Е3Л|/)2'5 гид Е2 при р1зних температурах для зразшв:

а) - Сс10>75Мпо,25Те; б) Сё0,79Н§о,о7Мпо,14Те

знаменпика даиого виразу. Якщо обмежитись величиною енергп фотон випромшювання поблизу краю фундаментального поглинання, то, показати залежшсть вщ Е, необхщно побудувати залежшсть (Е3/\у)2'5 е Е2 для р1зних температур. На рис.6 зображена така залежшсть для зразь Сёо,79Н§о,о7Мпо,14Те та Сёо75Мпо125Те, вщповщно. 1х лпнйшсть вказуе домшуючу роль екситонних переход1в в ефект1 Фогта для дослщжуваш НМН.

Отримана магшгопольова залежшсть *|/(Н ) для дослщжуваш матер1ашв в ¡нтерваги температур 80-300К вказус на прямо пропорцш залежшсть ефекту Фогта вщ квадрату намагшченост1, що узгоджуеться даними [5] для Сс11_хМпхТе в ¡нтервагп температур 5-70К.

0

OCHOBHI РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Анал13 ефекту Фарадея в кристалах Hg!_xMnxTe, Zni_x_yHgxMnyl Cdi.x.yHgxMnyTe показав, що аномагпям його спектрально!', концентрации температурноТ залежностей вщповщають риси, що е загальними для всьо класу НМН. Для вперше дослщжуваного матер1алу Zni.x.yHgxMny визначено величину обмшннх констант sp-d обмшноТ взаемодп та обмшно штегралу d-d обмшноТ взаемодй', N0(p-a) = -1,25еВ та JNN/ku = - 5,4±0,5 вщповщно.

2. При пор1внянш експериментальних даних для трьохкомпонент-[X та чотирьохкомпонентних НМН з теоретичними розрахунками згщно [ноосциляторноУ модел1 встановлена переважаюча роль екситонних реход1в в ефектах Фарадея та Фогта. Показано, що поведшка ефеетчв Фа-дея та Фогта при змпп температури та величини напруженост1 мапнтного >ля визначаеться поведшкою парамагштноУ шдсистеми ¡ошв Мп2+.

3. На основ! дослщжень низькопольовоТ температурноТ залежнога О в област гел!евих температур виявлено пщвищення температури 130ВОГО переходу парамагнетик-сшнове скло при збшьшенш вмюту Мп в ъохкомпонентних або Щ у чотирьохкомопонентних твердих розчинах, що )яснюеться природою спшового скла. Визначено, що температура иового переходу становить Т1=19±2К; 21±2К - для кристашв Ь^1_хМпхТе =0,4; 0,5) та Тг=16±2К - для кристал1в 2п1_х.уН§хМпуТе (х=0,5; у=0,4).

4. При дослщженш магштопольовоУ залежное^ фогпвського фазо->го зсуву в штервал1 температур 70-300К у твердих розчинах 1]„ч..у^хМпуТе, С^.х_у^хМпуТе, 1^1_хМпхТе, Сс1|_хМпхТе встановлено його )ямо пропорцшну залежшсть вщ квадрату величини намагшченостк У 1ДСИЛЫШХ магштних полях (до 4 МЕ) в НМН Сс11_хМпхТе виявлена тенден-я до зменшення величини куга фарадеУвського обертання внаслщок домь /ючого впливу д1амагнпно1 шдсистеми СёТе.

5. Вперше виявлено р1зке збшьшення величини фогавського гзового зсуву в кристалах Сс11_хМпхТе при зниженш температури в тервал1 (300-80)К, що можна пояснити впливом обмшноУ взаемод1У на дпосну заселешсть р1вн!в, ям вщповщають тт-переходам.

6. НМН на основ! телуриду ртут! 7п1_х_у^лМпуТе, СсЗ].х.у1^хМпуТе, gl.xMnxTe запропоновано використовувати як матер ¡ал и для магшто-:тивних слеме!тв у волоконно-оптичних датчиках магштного поля та 1ТИЧНИХ ¡золяторах.

Основш результат!» дисертацшноУ робот» викладеш п 1ступ1тх публнсащях:

1. Савчук Л.Й., Фрасуияк В.М., Фед!в В.1. Ефект Фарадея в ппвмагштних нашвпровщниках Н§|.хМпхТе // Матер!алознавство алмазо-)д]бних I халькогенщних нашвпровщшшв, I М1жнародна науково-:хн1чна конференщя, тез.доп.,УкраУна.Чершвщ.-1994.-Т.1.-С.127.

2. Савчук А.Й., Фрасуняк В.М., Федив В.И. Эффект Фарадея в плитных полупроводниках Hgl.xMnxTe // Неорганические материалы.-

1995.-T.31, №10,- C. 1351-1353.

3. Gavaleshko M.P., Frasunyak V.M., Orlecky I.G., Fediv V.l. Obtaini and some properties of HgZnMnTe semimagnetic semiconductors // Internatioi School Conference " Physical problems in material science of semiconductors Ukraine, Chernivtsi. 1995,- P.316.

4. Frasunyak V.M., Fediv V.l. Magnetic and magneto-optical proper! of Hgi„x_yZnxMnyTe crystals //XXV International School on Physics Semiconducting Compounds "Jaszowiec 96", Poland.-1996.-P.33.

5. Savchuk A.I., Ulyanitskiy K.S., Fediv V.l., Nikitin P.I., Nikitin Magneto-optical Voigt effect in semimagnetic semiconductor ZnMnTe J.Cryst.Res.Technol..-1996.-V.31 .-P.597-600.

6. Savchuk A.I., Fediv V.l., Nikitin P.I., Perrone A., Tatzenko O.F Planonov V.V. High-field Faraday rotation in II-VI-based semimagne semiconductors // 8th International Conference on II-VI Compounds, Grenot France.- Abstracts.- 1997.-Th-P67.-P.304.

7. Homiak V.V., Solonchuk L.S., Savchuk O.A., Stolyarchuk 1.1 Ulianitskiy K.S., Fediv V.l. High-field Faraday rotation in Co-based semimagne semiconductor // Second International School-Conference "Physical problems material science of semiconductors": Abstract. 8-12 of September, Cherniv Ukraine.- 1997, P. 187.

8. Nikitin P.I., Savchuk A.I., Stolyarchuk I.D., Fediv V.l., Ulyai skiy K.S. Peculiarity of exhibition of magnetic interactions in quatern; semimagnetic semiconductor Cdi.x.yHgxMnyTe // 11th International Conferei on Ternary and Multinary Compounds: Abstract. 8-12 September 1997,-Salfo UK.- P. P2.139.

9. Savchuk A.I., Ulyanitskiy K.S., Fediv V.l., Nikitin P.I., Nikitin Magneto-optical Voigt effect in Semimagnetic Semiconductor ZnMnTe // 1' International Conference on Ternary and Multinary Compounds: Abstract. 19-of September 1995,- Stuttgart.- P. 10B.1.

10. Savchuk A.I., Fediv V.l., Nikitin P.I., Perrone A., Tatzenko O.l Platonov V.V. High-field Faraday rotation in II-VI based semimagm semiconductors // J.Crystal Growth.- 1998,- V.184/185.- P.988-991.

11. Nikitin P.I., Savchuk A.I., Stolyarchuk I.D., Fediv V.l., Ulyai skiy K.S. Peculiarity of exhibition of magnetic interactions in quatern semimagnetic semiconductor Cdi_x_yMnxFeyTe // Inst. Phys. Conf. Ser.-195 No. 152,- P.895- 898.

12. Savchuk A.I., Fediv V.l., Frasynuak V.M., Stolyarchuk I.D., Nik; P.I. Enhancement of magnetoopticaleffects in ZnHgMnTe solid solutions

iropean Materials Research Society Spring Meeting E-MRS '98: Abstract. 16-June, Strasbourg, France.- 1998,- P.C-17.

13. Savchuk A.I., Medynskiy S.V., Stolyarchuk I.D., Fediv V.l., Fra-nyak V.M., Nikitin P.I., Nikitin S.I. Growth and investigation of ZnHgMnTe /stal for magnetic field sensor // 2-nd European Conference EMSA-98: Abstract -15 July, Sheffield, UK.- 1998,- P.54.

14. Savchuk А.1., Fediv V.l., Frasunyak V.M., Stolyarchuk I.D., Nikitin 1. Enhancement of magnetooptical effects in ZnHgMnTe solid solutions // Crystal Growth.-1999.-V. 197.-P.698-701.

Список urrronanoï лггературн.

1. Furdyna J.K. Diluted magnetic semiconductors // J.Appl.Phys.- 1988-Dl.64, N 4, P.R29-R64.

2. Bartholomew D.U., Furdyna J.K., Ramdas A.K. Interband Faraday iation in diluted magnetic semiconductors: Zni_xMnxTe and Cdi.xMnxTe // iys.Rev.B.-1986.-V.34,No,10.-P.6943-6950.

3. Samarth N. and Furdyna J.K. Diluted magnetic semiconductors // Proc. EE. - 1990. - Vol.78, №6. - P.990-1003.

4. Полумагиитные полупроводники: Пер с англ. / Под. ред. Я. Фур-[ны, Я. Косута. - М.: Мир, 1992,- 496с.

5. Eunsoon Oh., Bartolomev D.U., and Ramdas A.K. Voigt effect in luted magnetic semiconductors: Cd!_xMnxTe and Cd].xMnxSe // Phys.Rev.B.-'91.-V.44.- P.10551-10558.

Фед1В B.I. Магштооптичш ефектн в нашвмагштиих iianiBiipo-гщиках на ochobî телурнду ртут1.

Дисертагця на здобуття паукового ступеня кандидата ф!зико-1тематичних наук за cneuianbHicTio 01.04.10 - ф1зика нап1впровщник!в i глектрик!в.-Чер1пвецький державний у1пверситет 1м.Ю.Федьковича, ;р!ивщ, 2000. - Рукопис.

В дисертаци' наведен! результата експериментальних досл1джень TiiBManiiTiiiix naniBiipoBi^iHiiKiB (НМН) Hgl xMnxTe, Zn, х yHgxMnvTe та ]|xyi IgxMnyTe з використанням магнкооптичних метод! в. Виявле1Й омалй' спектрально!' та мапптопольово!" залежностей кута фарадеУвського ■ертання no/ü6ni до тих, що спостергаюгься в НМН типу CdMnTe. :таяовлена законом1рн!сть температурно!" залежност1 кута фарадеУвського ¡ертання i визначена температура фазового переходу парамагнетик -

сгпнове скло для матер1алш Нц, хМпхТе, гп, х уН^МпуТе. Оцшено величин обмшних констант 1 обмшного штегралу для нового материи 2п,.х_НёхМпуТе. Вперше в дослщжуваних матер ¡ал ах спостершався гнан ський ефект Фогта. Виявлено, що зниження температури до 80 К призв> дить до р1зкого збшьшення фогпвського фазового зсуву в кристал; С(10 75Мп0 25Те, що пояснюеться впливом обмшноТ взаемодп на в'щноа засслешсть р!вшв, як1 вщповщають п-переходам. Простежена вщповщшс М1ж експериментальними результатами спектрально'! залежност! фога ського фазового зсуву та одноосциляторною моделлю, що вказуе на пер важаючу роль екситонних переход!в в ефек-п Фогта. Встановлено, що в личина фогпвського фазового зсуву для дослщжуваних кристал!в нря\ пропорцшно залежить вщ квадрату намапиченосп в штервал'1 темпераг 80-300К.

Ключов! слова: нашвмагштш нашвпровщники, ефект Фараде ефект Фогта, обмшна взаемод1я, магштне поле.

Фсдив В.И. Магнитооптические эффекты в полумапштнь полупроводниках на основе теллурида ртути.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-мат матических наук за специальностью 01.04.10 - физика полупроводников диэлектриков. - Черновицкий государственный университет им. Ю.Федьк вича, Черновцы, 2000. -Рукопись.

В диссертации представлены результаты экспериментального иссл дования полумагнитных полупроводников (Г1МП) Нц, хМпх'1 х уН^МпуТе и Сс1, хуЩхМпуТе с использованием магнитооптических м тодов.

Установлено, что аномалии спектральной зависимости фарадее ского вращения общие для всего класса исследуемых ПМП и определяют такими основными факторами:

- сильным спин-спиновым обменным взаимодействием меж, зонными электронами и электронами, локализоваными на ионах Мп2^ (э,р обменное взаимодействие);

- большой намагниченностью подсистемы ионов Мп2т.

Для нового материала, экстраполируя данные для инверсно фарадеевского вращения как функцию от температуры, получили значен! температуры Кюри-Вейса 0о =380К и по известной формуле констан обменного взаимодействия между ионами Мп2+ .1ш/кв = - 5,4 ± 0,5 К.

При измерении температурной зависимости эффекта Фарадея в :абом магнитном поле установлено существование перехода парамагне-[к-спиновое стекло для четырёхкомпонентных ПМП ZnIxyHgxMnyTe. пределена величина температуры спинового замораживания для данного периала - Tf=16±2K, которая согласовывается с предыдущими данными

гя Zïi].xMnxTe i Hgi_xMnxTe.

При сравнении этих данных с фазовым переходом в состояние [инового стекла для тройного твердого раствора Hg].xMnxTe с идентичным •ставом Мп, отмечено, что для четырёхкомпонентного твердого раствора :реход происходит при более низкой температуре. Это можно объяснить сличением пространства для антиферромагнитных взаимодействий в iaueцентрированной решетке между ионами Мп2+ вследствии замены омов ртути атомами цинка. Очевидно, присутствие атомов ртути в :шетке увеличивает температуру фазового перехода парамагнетик-шновое стекло.

Магнитополевая зависимость фарадеевского вращения в iI xyHgxMnyTe при низких температурах и сильных магнитных полях инострирует в целом бриллюэновское поведение намагниченности. При )мнатной температуре доминирует линейная зависимость фарадеевского >ащения от величины магнитного поля, что типично для диамагнетиков.

При сверхсильных магнитных полях в материале Cdo^Mno^Te юлюдалось уменьшение угла фарадеевского вращения. Это объясняется :м, что вклад в величину угла фарадеевского вращения парамагнитной вдсистемы постоянный, в то время как вклад диамагнитной подсистемы эстоянно увеличивается. При определенной величине напряженности ггнитного поля наблюдалась тенденция к уменьшению угла фарадеевского >ащения.

Отмечено, что возможность увеличения концентрации магнитных энов Мп2+ в четырёхкомпонентных материалах, не изменяя спектральной шасти использования, достигается изменением содержания атомов ртути, редложено новый материал Zn,xyIIgxMnyTe использовать как активный 1емент в датчиках магнитного поля и в оптических изоляторах.

Впервые в исследуемых материалах наблюдался гигантский эффект огта. Нужно отметить, что знак фогтовского фазового сдвига для ПМП и зычных полупроводников такой же, что объясняется прямо пропорцио-1лыюй зависимостью эффекта Фогта от квадрата напряженности магнит-зго поля.

Впервые наблюдалось резкое увеличение фогтовского фазово: сдвига в Cd0 75Мп0 25Те при понижении температуры до 80К, что обусловлю влиянием обменного взаимодействия на относительную заселенность уро ней, которые соответствуют я -переходам.

Прослежено соответствие между экспериментальными результата!* по спектральной зависимости фопговского фазового сдвига и одноосцил торной моделью, что указывает на доминирующую роль экситонных и реходов в эффекте Фогта.

Показано, что величина фогтовского фазового сдвига для исслсд> мых кристаллов прямо пропорционально зависит от квадрата намагниче ности в интервале температур (80-300) К.

Ключевые слова: полумагнитные полупроводники, эффект Фараде эффект Фогта, обменное взаимодействие, магнитное поле.

Fediv V. I. Magnetooptical effects in semimagnetic semiconductors i the base of mercury telluride.

Thesis for candidate's degree in Physics and Mathematics on t speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - Cherniv State University named after Yu.Fedkovych, Chernivtsi, 2000. -Manuscript.

Results of experimental study of semimagnetic semiconductors (SM Hg, xMnxTe, Zn, x yHgxMnyTe and Cd, HgxMnyTe by means magnetooptical n thods have been presented. Anomalies of spectral and magnetic field dependen of the Faraday rotation angle were found similar tothose in SMS type of CdMn'l Regularity of temperature dependence of the Faraday rotation has been found a the temperature of phase transition from paramagnetic state to spin glass has be determined for Hg, xMnxTe, Zn, x yHgxMnyTe. Exchange constants and exchan integrals were estimated for Zn, x yHgxMnyTe. For the first time giant Voigt effi was observed in the studied materials. We have found abrupt increase of Vо phase shift as temperature was decreased to 80 К in Cd075Mn02STe. It is associal with influence exchange interaction on relative occupying of the levels whi correspond to ^-transitions. Agreement between experimental results for spect dependence of Voigt phase shift and single oscillator model suggests of domin; role of exciton transitions in Voigt effect. It was found that Voigt phase shift proportional to square magnetization at temperatures (80-300) K.

Key words: semimagnetic semiconductors, Faraday effect, Voigt effc exchange interaction, magnetic field.