Магнитооптические свойства полумагнитных полупроводников и квантоворазмерных структур на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

СТОЛЯРЧУК Ігор Дмитрович

УДК 621.315.592

МАГНІТООПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВМАГНІТНИХ НАПІВПРОВІДНИКІВ ТА КВАНТОВОРОЗМІРНИХ СТРУКТУР НА ЇХ

ОСНОВІ -

01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук

Чернівці - 1998

Дисертацією є рукопис.

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

Наукові керівники:

- доктор фізико-математичних наук,ст.н.співробітник Савчук Андрій Йосипович

кафедра фізичної електроніки Чернівецького державного університету ім.Ю.Федьковича, професор

- доктор фізико-математичних наук, професор ' Гавалешко Микола Петрович

кафедра фізичної електроніки Чернівецького державного університету ім.Ю.Федьковича, професор

- доктор фізико-математичних наук, професор Ковалюк Захар Дмитрович Чернівецьке від ділення інституту проблем матеріалознавства, керівник

- доктор фізико-математичних наук, професор

Бойчук Василь Іванович .

Дрогобицький державний педагогічний університет ім.І.Франка, завідуючий кафедрою теоретичної фізики та МВФ, декан фізико- математичного факультету'

Провідна установа: Інститут Фізики НАН України, м.Київ

Захист відбудеться "29" жовтня 1998 р. о 1500 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому державному університеті , ім.Ю.Федьковича за адресою: 274012, м.Чернівці,

вул.Коцюбинського 2.

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

Офіційні опоненти:

Автореферат розіслано " вересня 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

КУ РГ АНЕЦЬКИИ М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження магнітних іонів (Зсі - чи 4ґ -елементів) у кристалічну гратку звичайних напівпровідників приводить до утворення якісно нової субстанції, специфічні властивості якої докорінно відрізняють її від відомих “немагнітних напівпровідників”. Такий клас матеріалів, що отримали назву напівмагнітних напівпровідників (НМН), є об’єктом інтенсивного дослідження протягом двох десятиліть в багатьох лабораторіях світу. Початок цих досліджень було закладено в роботах на кристалах СсІТе, легованих іонами марганцю [1] та твердих розчинах СсІ^МПхТе [2]. У них вперше було виявлено гігантське спінове розщеплення зонних станів електронів, дірок, екситонів та значне підсилення магнітооптичного ефекту Фарадея. Для трактування цих явищ в НМН була успішно використана концепція обмінної взаємодії делокалізованих спінів зонних носіїв з локалізованими магнітними моментами іонів Мп2+. Виявилось, що такого роду взаємодія між зонними електронами (дірками) та магнітними іонами ефективно проявляється тільки при наявності зовнішнього магнітного поля (Н Ф 0) в той самий час (як при Н = 0) характер протікання електронних процесів і перебудова енергетичної зонної структури із зміною х для НМН і для звичайних твердих розчинів нічим не відрізняється. Змінюючи вміст магнітної компоненти х в кристалах і зовнішні умови (температуру, магнітне поле) можна здійснити перехід від одного крайнього типу напівпровідника до другого, тобто від звичайного напівпровідника до магнетика.

Додаткову перебудову енергетичного спектра напівпровідників можна здійснювати також шляхом пониження розмірності об’єктів дослідження. Проведені дослідження квазідвохвимірних (20) структур на базі НМН (квантових ям та надграток) свідчать не тільки про можливість перебудови зонної структури, але і про значну модифікацію обмінних магнітних взаємодій. Безперечно, подальше пониження розмірності, яке можна здійснити в квазінульвимірних ((Ю ) структурах НМН, відкриває нові можливості як і з погляду виявлення принципово нових явищ в електронних процесах за участю магнітних взаємодій, так і завдяки перспективі практичного використання цих систем. Тому, дослідження перебудови енергетичного спектра НМН та модифікації обмінних взаємодій, зумовлених квантово-розмірним ефектом, визначають актуальність та мету даної роботи.

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

Дослідження, результати яких представлені в дисертації, виконані у відповідності до програми наукової тематики кафедри фізичної електроніки Чернівецького державного університету ім.Ю.Федьковича: “Дослідження процесів росту кристалів, структури дефектів і електронних явищ в складних напівпровідниках на основі А2В6 і А4В6 ” (№ держреєстрації 01860060721), “Напівмагнітні напівпровідники і прилади на їх основі” (№ держреєстрації 0193Ш27500).

Мста і задачі дослідження. Метою роботи було виявлення змін в енергетичному спектрі та магнітних взаємодіях при переході від об’ємних кристалів НМН до квазідвохвимірних та квазінульвимірних структур на їх основі.

Для досягненім цієї мети вирішувались наступні задачі:

• Дослідження та встановлення технологічних режимів вирощування монокристалів Сс1і.хМпхТе, СсІ^Мп^е, РЬ^Мп^Іг, тонких плівок Сф.хМпхТе та нанокристалів цих НМН;

• Експериментальне дослідження методами магнітооптичної спектроскопії прояву обмінної взаємодії між зонними носіями та магнітними іонами в об’ємних кристалах НМН;

• Виявлення за допомогою магнітооптичних методів особливостей енергетичної зонної структури та магнітних взаємодій в тонких плівках Сс1і.хМпхТе;

• Встановлення змін в магнітооптичних властивостях НМН, викликаних пониженням розмірності на прикладі нанокристалів, диспергованих в діелектричні матриці.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у тому, що вперше:

1. Експериментально встановлено технологічні режими вирощування тонких плівок СсІі.хМпхТе методом лазерного розпилення та нанокристалів СсІ^МііхТе, Сс1і_хМпх8е, РЬ[.хМпхІ2, впроваджених в матриці скла, цеоліту та полімерів.

2. Запропоновано новий метод одержання нанокристалів Ссіі_хМпхТе в скляній матриці з використанням лазерного розпилення та складної композиційної мішені.

з

3. Встановлена лінійна залежність спінового розщеплення та фарадеївського обертання від величини напруженості магнітного поля для нанокристалів С<Іі.хМпхТе та Сс1,_хМпх8е.

4. Виявлено гігантське підсилення ефекту Фарадея в мікрокристалах СсІ^МПхТе та РЬ(.хМпхІ2 та встановлена парамагнітна природа наночасток останніх.

5. Показано, що складна структура екситонних спектрів нанокристалів РЬі.хМпхІ2 зумовлена впливом квантоворозмірного ефекту в малих плапарних частинках, які містять різну кількість моношарів.

6. Встановлено існування та визначено основні параметри магнітного полярону в нанокристалах Сс1і_хМпхТе.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони:

• поглиблюють розуміння природи і характеру еволюції енергетичного спектру і магнітних взаємодій НМН при переході від об’ємних кристалів до квазідвохвимірких та квазінульвимірних структур.

• Виявлене підсилення ефекту Фарадея в нанокристалах С<і1.!СМпхТе робить можливим їх ефективне використання в чутливих магнітооптичних системах датчиків магнітного поля та струмів.

Особистий внесок здобувача. У роботах [2-4, 6-10, 13]

дисертантом проведено розробку технологічних умов та одержано мікрокристали НМН, проведено їх оптичні та магнітооптичні дослідження та зроблено співставленій одержаних результатів з теоретичними розрахунками. В роботах [5, 11, 16] зразки нанокристалів та плівок НМН були одержані в співпраці з лабораторією фізики університету м.Лечче (Італія); дисертантом проведено їх експериментальне дослідження і прийнято участь в обговоренні отриманих результатів. У [1] внесок дисертанта полягав у одержанні зразків нанокристалів та обговоренні отриманих в співпраці з лабораторією фізики Вюрцбургського університету (Німеччина) експериментальних результатів. В роботах [12, 14, 15, 17] одержано зразки кристалів НМН, проведено їх магнітооптичні дослідження і прийнято участь в обговоренні отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на: Іій та 2ій Міжнародних школах-конфе-ренціях “Фізичні проблеми напівпровідникового матеріалознавства” (Чернівці, 1995, 1997), ІОій Міжнародній конференції по потрійних та багатокомпонентних сполуках (Штутгард, 1995), ХХУ-ій Міжнародній школі

по фізиці напівпровідників “Jaszowiec ‘96” (Яшовець, 1996), 23 ій Міжнародній конференції по фізиці напівпровідників (Берлін, 1996), 41 ій щорічній конференції по магнетизму та магнітних матеріалах (Атланта, 1996), Пій Міжнародній конференції по потрійних та багатокомпонентних сполуках (Салфорд, 1997), щорічних міжнародних конференціях EMRS - 97 Spring Meeting та EMRS - 98 Spring Meeting (Страсбург, 1997, 1998), 2ій Європейській конференції по магнітних сенсорах EMSA-98 (Шеффілд, 1998), наукових семінарах кафедри фізичної електроніки.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 17 наукових праць, список яких наведено в кінці автореферату.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури із 130 джерел. Робота викладена на 142 сторінках друкованого тексту, ілюстрована 65 рисунками і містить З таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета та основні задачі роботи, її наукова новизна та практична цінність, подано короткий зміст розділів, а також відомості про апробацію.

Перший розділ містить огляд робіт, присвячених магнітооптичним дослідженням об’ємних кристалів, квазідвохвимірних та квазінульвимірних структур на основі напівмагнітних напівпровідників. Основну увагу приділено аналізу значного спінового розщеплення зонних та екситонних станів та гігантського ефекту Фарадея в цих структурах, зумовлених обмінною взаємодією між делокалізованими спінами зонних носіїв та локалізованими магнітними моментами іонів Мп2+. Відзначається, що магнітооптичні дослідження низькорозмірних квантових систем (тонких шарів, квантових ям, надграток і квантових точок) поки-що знаходяться на початковому етапі. Особливо це стосується квазінульвимірних структур (мікро- чи нанокристалів) НМН, в яких на електронні та екситонні стани мають вплив не тільки обмінні взаємодії, але і квантово-розмірний ефект (конфайнмент-ефект).

У другому розділі міститься опис методики експериментальних досліджень.

Тонкі плівки Ссіі.хМпхТе отримані у співпраці з кафедрою фізики університету м.Лечче (Італія) методом лазерного розпилення. В якості джерела лазерного випромінювання застосовувався ексимерний ХеСІ лазер, довжина хвилі випромінювання якого складала 308 нм. В якості підкладок використовувалися скло та сапфір. Мішенню слугували попередньо вирощені методом Бріджмена монокристали АІІ1_хМпхВУІ. Для характеристики одержаних зразків проводились кристалографічні дослідження шляхом вивчення X - променевої дифракції, з використанням Си-К а випромінювання.

Для одержання мікрокристалів НМН розроблено та застосовано наступні методики:

1) одержання нанокристалів Сс!,.хМпхТе в матриці боросилікатного скла методом лазерного розпилення;

2) сплавлення порошкоподібних напівпровідника та боросилікатного скла з наступного термообробкою;

3) вирощування мікрокристалів у цеолітовій матриці;

4) впровадження дрібних напівпровідникових частинок у полімерні матриці на основі желатину та полівінілалкоголю.

Головним у технології одержання квазінульвимірних структур було запобігання окислення нанокристалів та зменшення їхньої дисперсії за розмірами. Для визначення дисперсії за розмірами отриманих мікрокристалів проводились електроннографічні дослідження при допомозі трансмісійного електронного мікроскопу УЕМВ - 100В з роздільною здатністю 7 А.

Дослідження оптичних та магнітооптичних властивостей проведені на комплексних спектральних установках, базовими елементами яких були: серійні спектрограф ДФС-13, монохроматори МДР-3, МДР-23, електромагніт СП-58 Б, надпровідний соленоїд, імпульсний магніт.

Для проведення низькотемпературних досліджень були використані оптичні гелієві кріостати та система УТРЕКС, які забезпечили стабілізацію та вимірювання температури з точністю до 0.1 К. Спектральна ширина щілин в експериментах не перевищувала 0.1 нм. При дослідженні ефекту Фарадея було досягнуто максимальної чутливісті по визначенню кута обертання 0Р в Ґ.

У третьому розділі приводяться результати оптичних та магнітооптичних властивостей тонких шарів та квантових точок на основі НМН.

Виявлено відмінність у температурній залежності краю поглинання для тонкої плівки Ссіі_хМпхТе (х=0.43) на сапфіровій підкладці від аналогічної залежності для монокристалів того ж складу, яка полягає у “згладжуванні” останньої. Проведені дослідження в зовнішніх магнітних полях до 200 кЕ дозволили виявити та підтвердити лінійну залежність величини спінового розщеплення краю поглинання ЛЕ(Н) та фарадеївського кручення 0р (Н). Отримані результати доводять зменшення величини спінового розщеплення та підсилення фарадеївського обертання у квазідвохвимірних структурах (тонких плівках) НМН. Дані результати свідчать про модифікацію обмінних взаємодій у цих структурах та збільшення впливу антиферомагнітної взаємодії між іонами Мп2+ в них. Для тонких плівок Ссіі.хМпхТе, на яких спостерігалась екситонна структура в спектрі поглинання, виявлено Б - подібну форму дисперсії фарадеївського обертання.

Використовуючи ефект Фарадея як міру намагніченості НМН та аналітичне співвідношення, яке зв’язує кут фарадеївського обертання, зеєманівське розщеплення та різницю констант обмінної взаємодії Ъ}0(а-Р) [3], проведено оцінку останньої:

р0/2<і Е2 в = ------7---------^ЛЕ (!)

ш (е^е2)5'2 0

де Е0- енергія переходу на екситонний рівень, Бо - константа, в яку входить ста осцилятора екситонного переходу, (і - товщина зразка а ЛЕ0 - визначає спінове розщеплення екситонного терму:

ЛЕ0 = Еа-

ҐІ і' 2 2)

-Е _+| =ІЬ_АМ, (2)

§Мп^В

де М- намагніченість одиниці об’єму спінової підгратки Мп, <Бг>-термодинамічно середня проекція спінів іонів Мп2+ на напрямок магнітного поля Н, §м„ =2- фактор спектроскопічного розщеплення сі- електронів Мп, цв

- магнетон Бора, 4,,. - інтеграли обмінної взаємодії іонів Мп2+ з дірками та

електронами. Дані значенім для плівок С(1і.хМпхТе становлять Н0(а-(3)= (1.25+0.2) еВ.

Наводяться результати оптичних та магнітооптичних досліджень мікрокристалів Сс1|.хМпх'Ге та Сс1і.хМпх8е. В спектрі поглинання нано-кристалів спостерігається короткохвильовий зсув, зумовлений квантово-розмірним ефектом. Визначений енергетичний зсув ДЕ для мікрокристалів НМН добре узгоджується з аналітичшпо апроксимацією для І б екситонних станів нанокристалів із середнім радіусом II:

„ „ 1.8е2

Е = Е ч---------------—, (3)

ь е л

де ц - зведена маса екситона, є - діелектрична константа. Врахувавши енергетичний зсув ДЕ=6 меВ для мікрокристалів Cdo.9Mno.1Se, середні розміри цих наночасток оцінені Я = 20 нм (при Ея =2.0 еВ, ц = 0.1, є = 7), що відповідає даним, отриманим на базі електроннографічних досліджень.

В зовнішньому магнітному полі спостерігається довгохвильовий зсув краю поглинання, який, як і у випадку об’ємних кристалів, зумовлений обмінною взаємодією між спінами зонних носіїв (електронів, дірок та екситонів) та локалізованими магнітними моментами іонів Мп2+. В той самий час встановлено зменшенім величини спінового розщепленім із зменшенням розмірів мікрокристалів, що пояснюється зменшенням кількості іонів Мп2+, що взаємодіють із зонними носіями. .

Ефект Зеемана, який реєструвався по зміщенню краю поглинання, обумовлений обмінною взаємодією зонних носіїв з магнітними іонами, яку можна описати в рамках моделі ефективного g-фaктopy [4]:

Н0(/?-а)<82>х '

8с‘г=8о+—^5—’ (4)

де go - фактор для напівпровідників типу АИВУІ, КГ0(р - а) інтеграли обмінної взаємодії, <$2> - термодинамічно середня проекція спінів іонів Мп на напрям магнітного поля, х - молярна частка марганцю, |і» - магнетон Бора, Н -напруженість магнітного пол. Значенім величини цЄ(г для нанокристалів Cdo.9Mno.1Se оцінювалось = 120, що добре узгоджується з даними, отриманими при дослідженні фотолюмінесценції [4].

Виявлена лінійна магнітопольова залежність зееманівського зсуву в магнітних полях напруженістю до 120 кЕ свідчить про зростанім ролі пар та

антиферомагнітної взаємодії іонів Мп2+ у порівнянні з об’ємними кристалами. Проведені обчислення показують подвійне зростання ймовірності утворення пар іонів Мп2+ у порівнянні із об’ємними кристалами.

Встановлено гігантське підсилення ефекту Фарадея в мікрокристалах НМН. Проведені обчислення константи Верде:

Угос = У ІР і2, (5)

де V - константа Верде досліджуваної системи мікрокристали плюс матриця, Р - об’ємна частка мікрокристалів в об’ємі матриці (6%), а £= 0.44; для нанокристалів Ссіі.хМпхТе виявились на порядок більшими від відповідного значення в об’ємних кристалах. Так, для наночасток Cdo.75Mno.25Te дане значення складає V =0.3 град/Е см, тоді як для відповідного об’ємного кристалу У=0.027 град/Е см. Виявлене підсилення ефекту Фарадея пояснюється зростанням сили осцилятора екситонних переходів для правота лівополяризованих компонент випромінювання та їх різниці у зовнішньому магнітному полі. В зовнішніх магнітних полях до 200 кЕ магнітопольова залежність фарадеївського обертання носить лінійний характер (рис.1), що є свідченням зростання антиферомагнітної взаємодії між іонами Мп2+.

Н, кЕ

Рис. 1. Магнітопольова залежність фарадеївського обертання мікрокристалів СсіІ.хМпхТе при Т = 5К: 1- х= 0.05; 2- х= 0.25

При дослідженні температурної залежності ефекту Фарадея встановлено ще одну характерну особливість. Вона полягає у зростанні

температури переходу Т{ парамагнетик-спінове скло в мікрокристалах С(І!.хМпхТе у порівнянні із об’ємними кристалами. Наприклад, значення Тг для нанокристалів Cdo.75Mno.25Te становить 11-12 К, тоді як для об’ємних кристалів вона становить 5-6 К.

Четвертий розділ присвячений магнітофотолюмінесцентним дослідженням мікрокристалів Cd1.xMnxTe, диспергованих у діелектричні матриці. Представлені дослідження були проведені спільно з лабораторією фізики Вюрдбургського університету (Німеччина) при температурах 1.6 К та в магнітних полях до 70 кЕ.

Виявлена в спектрах фотолюмінесценції лінія при 2.05 еВ відповідає внутрімарганцевим переходам, що є однозначним підтвердженням одержання мікрокристалів НМН у діелектричних матрицях. “Червоний” зсув спектрів люмінесценції, встановлений в зовнішніх магнітних полях, носить лінійний характер, що свідчить про зростання антиферомагнітної взаємодії іонів Мп2+ та добре узгоджується з результатами, отриманими при дослідженні магнітопольової залежності зеєманівського розщеплення..

Методом селективного збудження встановлено існування екситонного магнітного полярону (ЕМП) у мікрокристалах Cd1.xMnxTe, диспергованих у желатинову матрицю. Даний метод полягає в тому, що екситони збуджуються селективно в хвості локалізованій станів на енергіях, при яких їх спектральна дифузія засобом тунелювання між локалізованими станами з випромішованням (поглішанням) акустичних фононів подавлена, тобто не відбувається за час життя екситона [5]. У цьому випадку стоксівський зсув ДЕ між максимумом лінії люмінесценції та енергією селективного збудження визначається тільки формуванням магнітного полярона (МП) і може бути співставлений з енергією ЕМП. Визначене значення енергії ЕМП для нанокристалів Cdo.9Mno.1Te (Ероі=11 меВ) є в 2.7 рази більшим від такого ж значення для об’ємного кристалу. Для мікрокристалів із вмістом магнітної компоненти х=0.15 значення величини Ерої виявилось більшим від аналогічного значення для кристалів з такою ж концентрацією Мп, лише в 1.5 раза. Отримані результати пояснюються зростанням величини середнього радіусу мікрокристалітів Cdo.85Mno.15Te у порівнянні з нанокристалами Cdo.9Mno.1Te і закономірно узгоджуються із теоретичними дослідженнями [6]. Переконливим доказом існування ЕМП у мікрокристалах Сгі|.хМпх'Ге є зменшення величини його енергії в

зовнішньому магнітному полі. Починаючи з полів близько 20 кЕ, енергія магнітного полярону зменшується до 85% (рис.2).

12

а>

2

сіГ

4

0

Рис.2. Зменшення енергії екситонного магнітного полярону в мікрокристалах Cdo.g5Mno.15Te у зовнішньому магнітному полі.

В останньому, п’ятому розділі, приводяться результати експериментальних досліджень оптичних та магнітооптичних властивостей тонких монокристалічних зразків шаруватого НМН РЬ(.хМпхІ2 та квантово-розмірних структур даного матеріалу.

Виявлено тонку структуру екситонного спектра поглинання мікрокристалів РЬі_хМпхІ2, одержаних в матриці желатину (рис.З). Ця структура виявилась зміщеною в короткохвильову область у порівнянні з екситонним спектром об’ємного кристалу. Даний зсув можна якісно інтерпретувати в рамках квантово-розмірного ефекту на екситонах. Виявлені піки поглинання вкладаються в обернену водневоподібну серію енергетичних рівнів, яку можна інтерпретувати утворенням екситонів у малих, пластинчато-подібних частинках з різними розмірами Ьг в г-напрямку (вздовж гексагональної вісі с). Енергія екситонів у випадку конфайнмент-ефекту на екситонній хвильовій функції виражається співвідношенням:

Н, кЕ

де Еь - енергія екситонів у об’ємному кристалі, М - трансляційна маса екситона.

Е, еВ

Рігс.З. Спектр поглинання мікрокристалів Pbo.99Mno.dI2 в желатиновій матриці при різних температурах

Добре узгодження експериментальних значень Ес з виразом (6) досягалося при М = 1.0 ш0 (гп0 - маса вільного електрона) та Ьг = 1.4;2.1;2.8;3.5 им. Оцінені значення відповідають товщинам

мікрокристалів, які кратні товщині одного шару І-РЬ,Мп-І (7 А) для шаруватого напівпровідника РЬі.хМпхІ2. Для нанокристалів, диспергованих в матрицю полівінілалкоголю, спостерігається ще більший короткохвильовий зсув спектра екситонного поглинання. Проведені розрахунки свідчать про утворення в даній матриці мікрокристалів, товщина яких дорівнює товщині одного моношару І - РЬ, Мп - І. В зовніш-ніх магнітних полях виявлено зееманівське спінове розщеплення основного екситонного стану, величина

якого виявилась меншою від відповідного значення для об’ємних монокристалів. Експериментальні результати підтверджуються як при практично симетричному зміщенні структури спектра екситонного поглинання при зміні напрямку поляризації від ст + до сгтак і при зміні на протилежний напрямку магнітного поля, коли поляризація о +(ст ') залишалась постійною. Практично ідентичне довгохвильове зміщення всіх смуг спектра екситонного поглинання та слабка магнітопольова залежність зеєманівського зсуву дають ще одне підтвердження того, що виявлені смуги відповідають основним екситонним станам в мікрокристалах з товщинами, дискретними товщині одного шару І-РЬ,Мп-І.

Отримані експериментальні дані, вперше проведених дослідженнь ефекту Фарадея для нанокристалів РЬі_хМпхІ2 дозволили виявити наступні особливості: 1) при температурі 295 К сукупність мікрокристалів є парамагнітною системою, на відміну від об’ємних кристалів, які при цій температурі володіють діамагнітними властивостями; 2) в області екситонного поглинання спостерігається Б - подібна форма дисперсійної кривої фара-деївського обертання; 3) проведені обчислення константи Верде при Т=80 К для мікрокристалів РЬ]_хМпхІ2 дають приблизно в чотири рази більші величини від адекватних значень для об’ємних монокристалів. Таке підсилення ефекту Фарадея пояснюється зростанням сили осцилятора екситонних переходів для право- та лівополяризованих екситонів та їх різниці у зовнішньому магнітному полі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Вперше при допомозі запропонованого методу лазерного розпилення одержано мікрокристали Сс1і.хМпхТе у матриці боросилікатного скла та визначено оптимальні технологічні способи та термодинамічні умови одержання нанокристалів Ссіі.хМпхТе, Сс^Мп^е та РЬі„хМпхІ2 в діелектричних матрицях.

2. Виявлено відмінності у прояві ефектів обмінної взаємодії для тонких плівок Сйі.хМпхТе, які полягають у зменшенні зееманівського розщеплення та підсиленні ефекту Фарадея.

3. Для мікрокристалів СеІ!.хМпхТе та Сс1і.хМпх8с встановлено лінійну магнітопольову залежність зееманівського зсуву та фарадеївського

обертання, що пояснюється зростанням ролі пар та антиферомагнітної взаємодії між іонами Мп2+ в порівнянні з об’ємними кристалами НМН.

4. Виявлено гігантське підсилення ефекту Фарадея в мікрокристалах Cd1.xMnxl’e. Обчислені значення константи Верде виявились на порядок більшими за відповідні значення для об’ємних кристалів.

5. На основі фотолюмінесцентних досліджень встановлено існування та визначено енергію екситонного магнітного полярону у нанокристалах Cdi.xMn*Te(x=0.10; 0.15)

6. Для мікрокристалів РЬ|.хМпхІ2 виявлено складну структуру спектрів екситонного поглинання, що пояснюється конфайнмент-ефектом на екситонах в нанокристалах, які містять різну кількість окремих шарів шаруватого напівпровідника.

7. Вперше для мікрокристалів РЬ,.хМпхІ2 виявлено гігантське підсилення ефекту Фарадея та встановлена парамагнітна природа цих наночасток. Таке підсилення фарадеївського обертанім пов’язане із зростанням сили осцилятора екситонного переходу для право- та лівополяризованих компонент випромінювання та їх різниці у зовнішньому магнітному полі.

Перелік цитованої літератури:

1. Магнитооптические исследования и двойной оптикомагнитный резонанс экситонной полосы в CdTe:Mn2+ /Комаров Л.В., Рябченко С.М., Терлецкий О.В., Жеру И.И., Иванчук Р.Д. // ЖЭТФ,- 1977- т.73, с.608-612.

2. Gaj J.A., Galazka R.R., Nawrocki М. Giant exciton Faraday rotation in Cd(.xMnxTe mixed crystals // Solid State Commun.- 1978- Vol.25, N3, p. 193-215.

3. Bartolomew P.U., Furdyna J.K., Ramdas A.K. Interband Faraday rotation in diluted magnetic semiconductors // Phys.Rev.B,- 1986- Vol.34, N10, p.6943

4. K.Yanata, K.Suzuki, Y.Oka Magneto-optical properties of CdNxMnxSe microcrystallites in Si02 glass prepared by rf- sputtering // J.Appl.Phys.-1993- Vol.73, N9, p.4595-4598.

5. Yakovlev D.R., Kavokin K.V. Exciton magnetic polarons in semimagnetic quantum wells and superlattices // Comments on Condenset Matter Physics.- 1996- Vol.18, p.51-81.

6. Bhattachatjee A.K., C. Benoit a la Guillaume Exciton magnetic polaron in semimagnetic semiconductor .nanocrystals // Phys.Rev.B.,- 1997-Vol.55, N16, p.10613-10620.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЯХ

1. P.I.Nikitin, A.I.Savchuk, S.V.Medynskiy, I.D.Stolyarchuk. Optical absorption studies on nanocrystals of semimagnetic semiconductor Pbi.xMnxI2 // Crystal Research and Technology,-1996-Vol.31, N2 p.623-626.

2. A.I.Savchuk, S.V.Medynskiy, I.D.Stolyarchuk, P.I.Nikitin. Magnetooptical effects on semimagnetic semiconductor quantum dots // Proceeding of the 23th International Conference on the Physics of Semiconductors, Berlin, Germany / Ed. Matthias Scheffler and Roland Zimmermann, World Scientific.- 1996- Vol.2, p.1473-1476.

3. А.И.Савчук, П.И.Никитин, С.В.Медынский, И. Д.Столярчук. Оптические исследования нанокристаллов полумагнитных полупроводников // Изв. РАН. Неорг.матер,- 1997- т.ЗЗ, №2, с.239-241.

4. P.I.Nikitin, A.I.Savchuk, I.D.Stolyarchuk, V.I.Fediv, K.S.Ulyanitskiy. Peculiarity of exhibition of magnetic interactions in quaternary semimagnetic semiconductor Cdi.x.yMnxFeyTe // Inst. Phys. Conf. Ser.:-1997- No. 152, p.895- 898.

5. П.И.Никитин, А.И.Савчук, И.Д.Столярчук, А.Перроне, В.И.Конов. Эффект Фарадея в нанокристаллах CdMnTe, выращенных методом лазерного напыления // Квантовая электроника- 1998- т.25, №7, с.579-581.

6. І.Д.Столярчук Магнітофотолюмінесценті дослідження мікрокристалів напівмагнітного напівпровідника CdbxMnxTe // Науковий вісник Чернівецького університету: Фізика - 1998- вип.ЗО, с.41-45.

7. Savchuk A.I., Nikitin Р.І., Medynskiy S.V., Stolyarchuk I.D. Optical studies of semimagnetic semiconductor nanocrystals // International School-Conference “Physical problems in material science of semiconductors”: Abstract. 11-16 September 1995.,-Chemivtsi, Ukraine,

1995, p.166.

8. P.I.Nikitin, A.I.Savchuk, S.V.Medynskiy, I.D.Stolyarchuk. Optical absorption studies on nanocrystals of semimagnetic semiconductor Pb|_xMnxI2 // 10th International Conference on Ternary and Multinary Compounds: Abstract. 19-22 September 1995,- Stuttgart, Germany, 1995, р.РОІбЗ.

9. A.I.Savchuk, S.V.Medynskiy, I.D.Stolyarchuk, P.I.Nikitin. Optical and magneto-optical properties of semimagnetic semiconductor quantum dots // XXV International School on Physics of Semiconducting Compound “Jaszowiec ‘96”: Abstract. 25-31 May 1996.- Ustron-Jaszowiec, Poland,

1996, p. 109.

10. A.I.Savchuk, S.V.Medynskiy, I.D.Stolyarchuk, P.I.Nikitin. Magnetooptical effects on semimagnetic semiconductor quantum dots // 23th International Conference on the Physics of Semiconductors: Abstract. 21-26 July 1996,-Berlin, Germany, 1996, p.ThP152.

11. A.Perrone, A.Luches, A.I.Savchuk, I.D.Stolyarchuk, V.I.Fediv. Semimagnetic semiconductor CdMnTe thin film and nanostructures grown by laser ablaption // European Materials Research Society Spring Meeting E-MRS ’97: Abstract. 16-19 June 1997,- Strasbourg, France, 1997, p. B-7.

12. V.V.Homiak, L.S.Solonchuk, O.A. Savchuk, I.D.Stolyarchuk, K.S.Ulianitskiy, V.I.Fediv. High-field Faraday rotation in Co-based semimagnetic semiconductor // Second International School-Conference “Physical problems in material science of semiconductors”: Abstract. 8-12 September 1997.,-Chemivtsi, Ukraine, 1997, p.187.

13. A.I.Savchuk, I.D.Stolyarchuk, O.A.Savchuk, S.V.Medynskiy, V.M.Baiduja, P.I.Nikitin. Exciton spectra of Pb!.xMnxI2 nanocrystals // Second International School-Conference “Physical problems in material science of semiconductors”: Abstract. 8-12 September 1997.,-Chemivtsi, Ukraine, 1997, p.229.

14. P.I.Nikitin, A.I.Savchuk, I.D.Stolyarchuk, V.l.Fediv, K.S.Ulyanitskiy. Peculiarity of exhibition of magnetic interactions in quaternary semimagnetic semiconductor Cd^.yMnxFeyTe // 11th International Conference on Ternary and Multinary Compounds: Abstract. 8-12 September 1997,-Salford, UK, 1997, p. P2.139.

15. A.I.Savchuk, V.l.Fediv, V.M.Frasynuak, I.D.Stolyarchuk, P.I.Nikitin. Enhancement of magnetoopticaleffects in ZnHgMnTe solid solutions // European Materials Research Society Spring Meeting E-MRS ’98: Abstract. 16-19 June 1998,-Strasbourg, France, 1998, p.C-17.

16. A.I.Savchuk, I.D.Stolyarchuk, S.V.Medynskiy, A.Perrone, P.I.Nikitin. Two-dimensional and zero-dimensional structures of semimagnetic semiconductors prepared by pulsed laser deposition // European Materials Research Society Spring Meeting E-MRS ’98: Abstract. 16-19 June 1998.-Strasbourg, France, 1998, p.D-21.

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

Столярчук І. Д. Магнітооптичні властивості напівмагнітних напівпровідників та квантово розмірних структур на їх основі.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків.- Чернівецький державний університет ім.Ю.Федьковича, Чернівці, 1998.Рукопис.

Захищається 17 наукових праць, які містять експериментальне дослідження технології одержання та магнітооптичних властивостей (магнітопоглинання, магнітофотолюмінесценції, ефекту Фарадея) квазі-двохвимірних (тонкі плівки) та квазінульвимірних (мікро- чи нанокрис-

талів) структур напівмапгітних напівпровідників Сс1).хМпхТе, Сііі.хМпх8е, РЬі.хМпхІ2. Дослідження проведені в широкому температурному інтервалі (1.6-300 К) та магнітних полях до 250 кЕ. Контроль досліджуваних структур здійснювався при допомозі Х-променевої дифракції та трансмісійної електронної мікроскопії.

Вперше запропоновано методику одержання мікрокристалів НМН у матриці боросилікатного скла методом лазерного розпилення. Встановлено зростання ролі пар та антиферомагнітної взаємодії між іонами Мп2+ у квантово-розмірних структурах НМН, що приводить до лінійної магнітопольової залежності зеєманівського спінового розщеплення та фарадеївського обертання. Встановлено існування та визначено енергію екситонного магнітного полярону в нанокристалах Сс1і_хМп*Те. Вперше досліджено фарадеївське обертання та встановлено парамагнітну природу мікрокристалів РЬі_хМпхІ2 в різних базових матрицях.

Ключові слова: напівмагнітний напівпровідник, обмінна взаємодія, кристал, плівка, мікрокристал, ефект Фарадея, квантово-розмірний ефект, екситони, електрони, іони, магнітне поле, магнітний полярон.

Столярчук И.Д. Магнитооптические свойства полумапштных полупроводников и квантоворазмерных структур на их основе.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика полупровод-шіков и диэлектриков.- Черновицкий государственный университет им.Ю.Федьковича, Черновцы, 1998. Рукопись.

Защищается 17 научных трудов, содержащих експериментальное исследование технологии получения и магнитооптических свойств (магнитопоглощения, магнитофотолюминесценции, ефекта Фарадея) квазидвухмерных (тонкие пленки) и квазинульмерных (микро- или нанокристаллы) структур полумагнитных полупроводников СсІі.хМпхТе, Сс1і.хМпх8е, РЬ,.хМпхІ2. Исследования проведены в широком температурном интервале (1.6-300 К) и магнитных полях до 250 кЕ. Контроль исследуемых структур осуществлялся при помощи Х-лучевой дифракции и трансмиссионной електронной микроскопии.

Впервые предложено методику получения микрокристаллов НМН в боросиликатном стекле методом лазерного напыления. Установлено возростание роли пар и антиферромагнитного взаимодействия между ионами Мп2+ в квантоворазмерных структурах НМН, что приводит к линейной магнитополевой зависимости зеемановского спинового

расщепления и фарадеевского вращения. Обнаружено существование и определено енергию екситонного магнитного полярона в нанокристаллах Cd[.xMnxTe. Впервые исследовано фарадеевское вращение и установлено парамагнитную природу микрокристаллов Pbi_xMnxI2 в различных базовых матрицах.

Ключевые слова: полумагнитный полупроводник, обменное взаимодействие, кристалл, пленка, микрокристалл, еффект Фарадея, квантоворазмерный еффект, экситон, електроны, ионы, магнитное поле, магнитный полярон

Stolyarchuk I.D. Magnetooptical properties of semimagnetic semiconductors and their quantum size structures.

Manuscript. Thesis on search of a scientific degree of the candidate of physical-mathematical sciences on speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. Chemivtsi State University named after Yu.Fed’kovich, Chemivtsi, 1998.

17 scientific papers are defended having experimental investigations of obtaining technology and magnetooptical properties (magnetoabsorption, magnetophotoluminescence, Faraday effect) of quazi-two-dimensional (thin films) and quazi-zero-dimensional (micro- and nanocrystals) structures based on the semimagnetic semiconductors (SMS) Cd[.xMnxTe, Cdi.xMnxSe, Pbi.xMnxI2. The research was carried out in temperature range of (1.6-300) К at magnetic fields up to 250 kOe. The studied structures were controlled by X-ray diffraction and transmission electron microscopy methods.

For the first time technique of laser depositionfor obtaining of SMS microcrystals in glass matrix was proposed. It was revealed increase of influence of pairs and antiferromagnetic interaction between Mn2+ ions in SMS quantum-size structures, which gives linear magnetic field dependence for Zeeman spin splitting and Faraday rotation. It was shown existing of exciton magnetic polaron and its energy, has been determined in Cd!_xMnxTe nanocrystals. For the first time Faraday rotation has been studied and paramagnetic character of Pb).xMnxI2 microcrystals in different basic matrices has been found.

Key words: semimagnetic semiconductors, exchange interaction, crystal, films, microcrystal, Faraday effect, quantum-siza; effect, exciton, electron, ion, magnetic field, magnetic polaron. //] tf