Наноразмерные гетеросистемы на основе ферромагнитных металлов и полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

□□316Э135

ГОЛОВНЕВ ЮРИЙ ФИЛИППОВИЧ

НАНОРАЗМЕРНЫЕ ГЕТЕРОСИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

01 04 07 - физика конденсированного состояния 01 04 10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 5 МАЙ 2008

Москва - 2008

003169135

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

Научный консультант

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

Панин Владимир Алексеевич

доктор физико-математических наук, профессор

Кожухарь Анатолий Юрьевич

доктор физико-математических наук, профессор

Вахитов Роберт Миннисламович

доктор физико-математических наук, профессор

Родионов Александр Андреевич

Ведущая организация

Московский государственный университет им М В Ломоносова

Защита состоится «11 » июня 2008 г в 1430 часов на-заседании диссертационного совета Д 212 141.17 при Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана (Калужский филиал) по адресу 248600, г Калуга, ул Баженова, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им Н Э Баумана (Калужский филиал) по адресу 248600, г Калуга, ул Баженова, 2

Автореферат разослан <ЛоЬ> &Л1 ^лЛ^й, 200_^г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 141 17 / ■У' С А Лоскутов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наноразмерные гетеросистемы являются объектом интенсивных исследований Такие структуры на основе ферромагнитных металлов и полупроводников демонстрируют широкий спектр необычных физических свойств Они уже получили применение в качестве сред для записи сверхплотной информации и в различных областях современной микроэлектроники

После синтеза и обнаружения целого ряда особенностей ферромагнитных наноструктур стало ясно, что появился новый класс объектов, требующих специального изучения А исследование коллективных спин-поляризованных состояний электронов в таких системах выделяется в самостоятельный раздел на-номагнетизма И на первый план здесь выходит проблема и »учения магнитного и обменного взаимодействий между нанослоями ферромагнитных гетеросистем типа Бе - 81, Ре - Мо, ЕиО - Со, ЕиБ - РЬБ

исследование физической природы различных связен,

- анализ влияния взаимодействий на свойства как отдельных слоев, так и гетеросистемы в целом,

- классификация связей по характеру действия, физической природе, интенсивности и другим параметрам

Прежде всего, наноразмерные ферромагнитные системы являются уникальными моделями для теоретического анализа взаимодействий и распределения зарядовой и спиновой плотностей на гетеропереходах, что и обуславливает ряд необычных транспортных свойств Поэтому изучение спин-туннельных переходов в магнитных сверхрешетках Бе - Си, Бе - Сг, ЕиБ - РЬ5, БтБ - ЕиБ и т д является одной из актуальных задач современного магнетизма Так процессы квантового туннелирования создают условия для возникновения гигантского магнитного сопротивления, которое может быть особенно большим, когда в состав сверхрешеток входят ферромагнитные полупроводники, в которых спиновая поляризация делокализованных электронов достигает самых высоких значений

Научный и практический интерес к наноразмерным гстеросистемам на основе ферромагнитных полупроводников, например Еи8 - РЬЗ, вызван существованием сильной взаимосвязи между электронной и магнитной подсистемами в ЕиБ Это создает условия для целенаправленного изменения электрических, магнитных и оптических параметров ферромагнитных полупроводников внешними магнитными и электрическими полями В гетеросистемах на их основе можно также обеспечить высокую спиновую поляризацию тока

Однако теоретического анализа энергетических диаграмм, минизонной структуры, экситонного спектра и транспортных свойств гетеросистем ЕиБ - РЬБ, ЕиБ - БтБ и ЕиО - БгО до сих пор практически не проводилось, а немногочисленные исследования экспериментального характера касались только изучения спектров люминесценции Поэтому большой интерес представляет и анализ условий образования экситонов в сверхрешетках ферромагнитный полупроводник -парамагнитный полупроводник (ФП - ПП), в частности ЕиБ - РЬБ Можно предположить, что локализация электронов и дырок в разных квантовых ямах таких систем увеличит плотность и время жизни экситонов

В связи со сказанным можно утверждать, что наноразмерные гетероси-стемы на основе ферромагнитных металлов и полупроводников являются сегодня важным и акгуальным направлением исследований Перспективно и применение этих материалов в современной микроэлектронике, спиновой информатике и экситонной спектроскопии

Объектом исследования данной работы являются наноразмерные гете-росистемы на основе ферромагнитных металлов и полупроводников

Предмет исследования - влияние магнитного и обменного взаимодействий на свойства наноразмерных ферромагнитных гетеросистем

Цели и задачи работы:

1 Исследование спиновой поляризации на поверхности ферромагнитных металлов, в диэлектрических прослойках мультислойных ферромагнитных структур типа Бе - 81, в наноразмерных гетеросистемах ЕиО - Со и ЕиО - БЮ

2 Анализ влияния магнитных взаимодействий на процессы перемагни-чивания и определение энергии связи этих взаимодействий в ферромагнитных мультислойных структурах Бе - БЮ - Со, Со - БЮ - N1, Со - N1 и т д

3 Изучение механизмов влияния магнитных взаимодействий на магнито-стрикционные и ггшьваномагнитные параметры наноразмерных ферромагнитных гетероструктур на примере N1 - БЮ - Бе, N1 - БЮ - Со, Бе - БЮ - Со и т д

4 Исследование влияния косвенного обменного взаимодействия на ми-низонную структуру и энергетические диаграммы гетеросистем ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник ЕиЗ - РЬБ и ЕиБ - БтБ

5 Анализ возможности получения спин-поляризованного транспорта в наноразмерных гетеросистемах на основе ФП и расчет туннельной прозрачности (ТП) и степени спиновой поляризации электронов (ССПЭ) в гетерострукту-рах ЕиБ - РЬБ и ЕиБ - Бп^

6 Исследование условий образования бозе-конденсата из триплетных экситонов высокой плотности и большим временем жизни в ферромагнитных слоях наноразмерных гетероструктур типа ЕиБ -РЬБ с учетом влияния з- / -обменного взаимодействия

7 Изучение возможности формирования реальных наноразмерных ферромагнитных гетеросистем на основе ферромагнитных металлов и полупроводников и применение их в микроэлектронике

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в том, что в ходе выполнения работы впервые

1 Проведен отбор новых гетеропар ЕиО - БЮ, ЕиБ - РЬБ и ЕиБ - БтБ, удовлетворяющих требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование менее 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией

2 Проведены расчеты и анализ энергетических диаграмм гетеропереходов и минизоннои структуры сверхрешеток на основе халькогенидов европия, самария и свинца с учетом влияния 5 - /- обменного взаимодействия

3 Определена туннельная прозрачность и энергетический спектр сверхрешеток типа ФП - ПП для потенциала произвольной формы с учетом влияния

интерфейсных состояний, флуктуаций магнитного порядка и обменного взаимодействия

4 Дан теоретический анализ условий создания устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситоиов, рассчитаны их энер1ия связи, время жизни, сила осциллятора и плотность в наноразмерых гетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников

5 Разработан и строго обоснован метод расчета кривых квазистатического перемагничивания наноразмерных мультислойных ферромагнитных пленок с учетом магнитного взаимодействия (метод вращающихся астроид)

6 Разработан метод измерения энергии связи между ферромагнитными пленками с теоретическими расчетами и экспериментальной проверкой

7 Проанализированы свойства наноразмерных гетероструктур на основе ФП с целью их использования в спинтронике, в устройствах экситонной спектроскопии и различных областях современной микроэлектроники

8 Выделены новые типы квантовых ям магнитные квантовые ямы, закрытые квантовые ямы

Практическая и научная значимость, полученных в диссертации результатов определяется тем, что

- проведен отбор новых гетеропар ФП - ПП с максимальным соответствием кристаллических параметров, которые могут быть нспользованы в спинтронике и экситонной спектроскопии,

- предложен новый метод расчета петель гистерезиса многослойных ферромагнитных пленок с учетом магнитного взаимодействия,

- предложен новый метод измерения энергии связи для многослойных ферромагнитных пленок с магнитным взаимодействием,

- ряд теоретических методов, разработанных для определения ТП (потенциал произвольной формы) или энергии связи экситонов (комбинированный метод на основе теории возмущения и вариационной процедуры), могут быть использованы при решении других задач квантовой теории конденсированного состояния вещества и физики полупроводников,

- определены параметры и условия применения наноразмерных гетеро-систем на основе ферромагнитных металлов и полупроводников в различных областях микроэлектроники (в спиновых и оптических транзисторах, лазерах и в качестве запоминающих сред)

На защиту выносятся:

1 Результаты теоретического анализа энергетических диаграмм и зонной структуры наноразмерных гетеросистем на основе ФП - ПГ1 с учетом влияния а-/ -обменного взаимодействия

2 Теоретические исследования и результаты анализа условий образования устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экси гонов в барьерных слоях из хальконида европия сверхрешоток типа ЕиБ-РЬБ

3 Методы теоретических исследований и результаты расчетов туннельной прозрачности сверхрешеток типа ФП - ПП для потенциала произвольной формы с учетом спиновой поляризации электронов и влияния интерфейсных состояний, флуктуаций магнитного порядка и 5-/-обменного взаимодействия

4 Метод расчета кривых квазистатического перемагничивания мультис-лойных ферромагнитных пленок с учетом влияния магнитного взаимодействия

5 Метод измерения энергии связи между ферромагнитными слоями многослойных наноразмерных гетеросистем

6 Методы исследования и результаты анализа распределения спиновой поляризации в наноразмерных гетеросистемах на основе ферромагнитных металлов и полупроводников

7 Результаты теоретического анализа свойств наноразмерных гетерост-руктур на основе ФП с целью их применения в спинтронике, устройствах экси-тонной спектроскопии и приборах микроэлектроники

Личный вклад автора. При выполнении работы автором сделан определяющий вклад в постановку задач исследования наноразмерных гетеросистем на основе ферромагнитных металлов и полупроводников, анализ и интерпретацию результатов, написание статей На основе результатов, представленных в диссертации, под руководством автора было защищено 6 кандидатских диссертаций

Апробация полученных результатов. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Киев, 1967, Красноярск, 1971, 1976, Тула, 1983, Донецк, 1985, Ташкент, 1991), Всесоюзном симпозиуме «Аппаратура и методы исследования тонких магнитных пленок» (Красноярск, 1968), Международном коллоквиуме по тонким магнитным пленкам (Минск, 1974), Всесоюзных школах-семинарах "Новые магнитные материалы для микроэлектроники", (Орджоникидзе, 1975, Саранск, 1984, Ташкент, 1988, Астрахань, 1992), Всероссийском координационном совещания педвузов по магнитным материалам (Астрахань, 1989), Международном совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям (Тула, 2001), Международной конференции «Физика электронных материалов» (Калуга, 2002), Всероссийских конференциях «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2002, 2003, 2004), Международной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2006), Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002,2004, 2006), Physics of Electronic Ма-tenals(Kaluga, 2005), Всероссийской конференции «Наноструктуры» (С -Пб, 2005), Международных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006, 2007), Международной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2007)

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 41 работе, в числе которых 1 монография и 40 публикаций в центральных журналах, 9 из них, в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, а так же в трудах Всероссийских и Международных конференций

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 139 наименований, и изложена на 261 странице машинописного текста, в том числе 69 рисунков и 5 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, ее научная и практическая значимость, перечисляются те результаты, которые являются новыми, приводятся основные положения, выносимые на защиту, отражена структура, объем и содержание диссертационной работы

Первая глава диссертации посвящена анализу распределения спиновой поляризации на поверхности ферромагнитных слоев и в диэлектрических прослойках наноразмерных гетеросистем и его влияния на процессы перемагничи-вания, магнитострикцию и гальваномагнитные свойства таких структур

Поверхность вводилась с помощью потенциала возмущения U, обладающего двумерной периодичностью и локализованного в направлении, перпендикулярном плоскому дефекту Спектр возмущенного гамильтониана определялся из решения уравнения Шредингера Для этого применялся метод теории потенциального рассеяния, приводящий к уравнению Липпмана-Швингера = +(1)

где |<р) - решение однородного уравнения, a G°U\у/) - частное решение неоднородного уравнения (G0- функция Грина) Для решений, локализованных вблизи плоскости возмущения (связанные состояния), уравнение (1) упрощается

(l-G°C/^) = 0 (2)

В представлении слоевых орбиталей возмущение, действующее в малом пространстве А и связанное с поверхностью Uм, записывается в виде

(amp, q \UM\bm'p, q) = -{атр,^Нй\Ьт'р', qj, (3)

где mum'- два соседних слоя, ар и bp' - перечисляют атомы этих слоев, q - вектор поверхностной зоны Бриллюэна

В случае поверхности (001) для ГЦК - решетки никеля, разрывающей связи между четырьмя атомными орбиталями (из 12 ближайших соседей), соотношение (2) дает систему уравнений для коэффициентов разложения по слоевым орбиталям, из которых получаем

= (4)

где 1 и 5 - атомные орбитали в плоскости 1 = 0, Уг - параметр связи Уравнение (4) определяет условия существования связанных состояний на поверхности Его решение представляет собой энергетические зоны, связанные с этими состояниями

Из-за отрицательной кривизны этих зон соответствующие состояния заполняются не двумя, а одним электроном А так как они сдвигаются вверх, что связано с релаксацией и увеличением расстояния d между атомами, это приводит к уменьшению прочности связи V2 на поверхности, которая пропорциональна отношению V, ~ d'2

Увеличение расстояния между атомами на поверхности приводит к сужению поверхностной зоны и росту локальной плотности состояний Вследствие понижения плотности электронного газа на поверхности, экранировка внутриатомного кулоновского отталкивания для внешних атомов будет меньше, чем для внутренних Тогда отталкивание на поверхности будет выше ипов > ив6 Из этого следует, что, в соответствии с критерием Стонера р\] >1 (р - плотность состояний), существование и даже увеличение ферромагнитного упорядочения на поверхности более вероятно, чем в объеме

Для теоретического анализа распределения спиновой поляризации в диэлектрической прослойке, разделяющей ферромагнитные слои, использовался метод функционала электронной и спиновой плотностей. В соответствие с этим градиентное разложение спинового функционала плотности в атомной

системе единиц {е-т=к=с = \) записывалось

М- 0,з(з^рп/3-0Я 1)У\/3, (5)

уя) 0,079+ П3/3 72

где п3 - плотность электронов с определенным направлением спина Первый член соответствует плотности кинетической энергии, второй - обменному взаимодействию электронов в приближении Хартри-Фока, третий - корреляционной энергии (интерполяционная формула Вигнера), четвертый - поправке к кинетической энергии из-за неоднородности и5

Для решения вариационной задачи подбирались пробные функции электронного распределения с учетом пограничной диэлектрической среды Они находились из линеаризованного уравнения Томаса-Ферми

г < 0-внутри ферромагнетика

(6)

1 + 4е

пЛ2)=~~?=е г>0-вне ферромагнетика

Решения с этими пробными функциями дают возможность получить зависимость параметра /38 от е при различных п3. В формуле (6) а3 - параметры, определяющие поляризацию электронов в объеме, N - плотность положительного заряда Вариационные параметры /?5, вычислялись из условия минимума поверхностной энергии ферромагнитного металла (¡а/(1р5=0 Определение поверхностной энергии а проводилось с учетом дискретности решетки металла через соответствующие поправки в электростатической энергии взаимодействия В этом случае а = сг0 + ас1 + арЛ Здесь вклад

от электронной системы записывается так

Щ * ' Рз Ы Рз Рз (7) 0,084 ./ 2 1 1 з, 1 ^ „

—2-N1 а1 —я+- + д31п- + 1п2,

Р3 \ 2 Ъ а + 1) 72

j{n)jjmn j М^^К a=0>0192y>N-yK ,=o,o79/

* + I 2-X (fc + xA1"xJ /V3

Численные расчеты спиновой поляризации М = + иД прове-

денные для граней (100) и (111), заметно отличаются друг от друга Значение спиновой поляризации для железа в объеме образца бралось равным л-Г = 0,6 на атом В направлении [100] на расстоянии двух постоянных решетки значение спиновой поляризации изменяется незначительно и равно на поверхности 0,7 на атом В направлении [111] ее величина растет бы-

стрее и равна 0,8 на атом В обоих случаях изменение поляризации происходит по экспоненциальному закону

За пределами ионной решетки преобладающая электронная компонента определенной поляризации убывает медленнее Это приводит к тому, что на расстоянии двух постоянных решетки электронное облако заметно поляризовано по спину в направлении, соответствующем поляризации в объеме образца Присутствие пограничной диэлектрической среды приводит к вытягиванию электронного «хвоста» и уменьшению плотности электронов на границе z — 0 Это ведет к увеличению магнитного момента на поверхности ферромагнетика Причиной затягивания электронного облака (поляризованного по спину) в диэлектрик служит снижение электростатического притяжения электронов к приповерхностному участку ферромагнетика, обедненному электронами Таким образом, между двумя ферромагнитными пленками, разделенными диэлектриком толщиной до 10 А, благодаря «затягиванию» поляризованных электронов диэлектрической средой, устанавливается своеобразный обмен электронами с сохранением спиновой поляризации Рассмотрена возможность влияния на обменное взаимодействие тонких пленок окиси европия адсорбированием на ее поверхность атомов различных металлов с целью изменения концентрации носителей тока проводимости в приповерхностной области

Задача заключалась в определении зонной структуры поверхности (111) ЕиО с хемосорбированным на нее монослоем кобальта в рамках модели сильной связи Граница раздела уводилась с помощью потенциала возмущения U

Если поверхность (111) ЕиО покрыть монослоем хемосорбированных атомов Со, то s - и р - обитали поверхностного атома кислорода образуют связь с s - и d - орбиталями кобальта

Разложение по слоевым орбиталям теперь будет включать в себя слоевые орбитали, хемосорбированных атомов Со Они замещают орбитали европия, и соответствующие уравнения выглядят так*

Условие существования связанных состояний, локализованных у поверхности, сводится к требованию

[(V.-Efsv^-Eyv?}-

2 Ч

1 +

Vt2 > 2£emjF,2 (9)

V i

Из условия (9) следует, что энергии локализованных состояний располагаются за пределами объемной зонной структуры

После хемосорбции на поверхности (111) не остается ни одной ненасыщенной связи Связанные состояния возникают в основном у дна валентной зоны, образованной 2р- состояниями анионов, или внутри зоны проводимости, которая создается 6s- и 5d- состояниями катионов Это приводит к перераспределению электронов проводимости в приповерхностной области и соответственно к изменению обменного взаимодействия

Затем изложена теория нового метода расчета петель гистерезиса двухслойных пленок с учетом влияния магнитостатического взаимодействия не-елевского типа и за счет размагничивающих полей формы пленок Его можно назвать методом двухстороннего смещения астроид Теоретические результаты сравнивались с петлями гистерезиса, полученными экспериментально с помощью эффекта Фарадея Предложен метод измерения энергии взаимодействия между магнитными слоями Даны теоретические расчеты этой связи и экспериментальные результаты ее измерения для двухслойных пленок различного состава

В заключении главы представлены экспериментальные результаты измерения магнитнострикции и гальваномагнитных параметров двухслойных ферромагнитных пленок различного состава Показано, что магнитное взаимодействие и электронный обмен существенно влияют на эти параметры нанораз-мерных структур

Вторая глава посвящена анализу гетеропереходов на основе ферромагнитного полупроводника EuS и оценке влияния обменного взаимодействия на энергетическую диаграмму и минизонную структуру гетеросистем EuS-PbS и EuS-SmS Приведены кристаллографические, магнитные и зонные параметры ферромагнитного полупроводника EuS и изоструктурных к нему парамагнитных полупроводников PbS и SmS На основе диффузионной модели Андерсона построены энергетические диаграммы гетеропереходов EuS-PbS и EuS-SmS Проанализировано влияние обменного взаимодействия на энергетическую диаграмму гетеропереходов SmS-EuS и PbS-EuS Определено влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода PbS-EuS Выполнен расчет изменения электронной плотности в сверхрешетке SmS-EuS вариационным методом Также определен спектр минизонной структуры закрытых квантовых ям в сверхрешетке PbS-EuS

Первым этапом исследования новой гетероструктуры является определение её энергетической диаграммы, анализ которой позволяет принципиально определить область практического применения данной гетеросистемы Искривление зон вблизи гетерограницы связано с перераспределением носителей при выравнивании уровней Ферми Отметим, что в гетероструктруре SmS-EuS до-норные свойства проявляют слои парамагнитного SmS, при этом сам самарий

переходит в магнитоактивное состояние 4/6 -> 4/5 + ё~, что приводит к спиновому расщеплению 4/5 уровней

Известно, что в ферромагнитных полупроводниках происходит притяжение электронов через реальные магноны В конечном итоге это повышает экранирование положительного пространственного заряда на границе гетеропереходов в сверхрешетке EuS - PbS увеличивает степень ферромагнитного порядка и, как следствие этого, понижает дно зоны проводимости магнитоактивного материала Данный фактор необходимо учитывать при анализе энергетической зонной диаграммы, который был проведен выше, без учета ферромагнитного порядка в сульфиде европия Поэтому расчеты, базирующиеся только на модели Андерсона, были пересмотрены

В данной главе впервые в расчеты по модели Андерсона включено влияние косвенного s-f-обмена При этом рассматриваемая задача усложняется и для ее решения целесообразно использовать вариационный метод Здесь возникает и вторая проблема - проблема подбора пробной функции, выбор которой может быть существенно облегчен, если вариационную процедуру решения провести в комбинации с теорией возмущения

Высокая концентрация электронов (до n~ltf'см3) на границе приводит к интенсивному косвенному обмену их с магнитными атомами европия и установлению более высокого ферромагнитного порядка в приповерхностном слое, толщину которого можно определить из вариационной процедуры решения соответствующего уравнения Шредингера Оно описывает состояние электронов в пограничной области халькогенида европия и в приближении сплошной среды имеет вид

[-0,5 А2 (/н*)"1 Д + ¡ТкПа~3г - 0,5AS&(r е F))- 0,5e2nf"V2 J^ = Еу/, (10) где А - интеграл ¿-^обмена, 7* - «поверхностная» температура Кюри, S - спин магнитного атома Ей, £2- площадь ферромагнитной области, m - эффективная масса электрона, е - статическая диэлектрическая проницаемость, а - постоянная решетки, г - расстояние от гетерограницы вглубь слоя EuS, в(г е F) равна единице внутри ферромагнитной микрообласта и нулю вне ее, | е\п - плотность положительного заряда в приповерхностной области сульфида европия Малой величиной в гамильтониане уравнения (10) будем считать U = Тк0.аГъг - 0,5AS Это действительно так, если 0,5/lS s ОД эВ, Тк0.а~*г = 0,ЪэВ, а 0,5е2п£~1г2 =1,2эВ для слоя EuS В этом случае возмущение системы относительно слабо, если потенциальная энергия изменяется на величину U

В квантовом пределе для решения уравнения (10) используется вариационная методика, где волновая функция аппроксимируется пробной функцией

^o(r)=^/(ÜbVexp(-0,56>-), (11)

параметр b в которой определяется из условия минимизации энергии электронов

1 Для значений AS/2, а, с, 7* и tn, соответствующих ферромагнитному полупроводнику EuS, были получены следующие величины г«23А и W„ = -0,9 ЬВ Таким образом, благодаря косвенному обмену через электроны проводимости, первоначально сосредоточенных в приповерхностном слое, устанавливается ферромагнитный порядок на глубине более 20А В этой области дно зоны проводимости может опускаться до 0,25эВ, предоставляя тем самым возможность другим электронам просачиваться в слой EuS С учетом этого энергетическая диаграмма в приповерхностной области существенно изменится

Перераспределение электронной плотности в сверхрешетке SmS-EuS и высокая концентрация носителей тока приводят к интенсивному косвенному обмену их с магнитными атомами европия и установлению ферромагнитного порядка в приповерхностной области Причем, на границе гетероперехода 2р-орбиты серы с одной стороны перекрываются через ¿/-оболочки с 4f-состояниями Ей, а с другой - через ¿-состояния с -¿/-орбитами Sm, что создает условия для реализации механизма двойного обменного взаимодействия, так как в этом случае ионы самария переходят в магнитоактивную конфигурации /s + ё Уровень Ферми в халькогениде самария поднимается выше и переводит его в вырожденное состояние. Плотность электронов в приповерхностной области со стороны SmS возрастает до п ~1Сг' см3 за счет их перетекания из слоя сульфида европия.

В третьей главе проведены исследования транспортных свойств гетеро-структур EuS-PbS и EuS-SmS и выполнен анализ влияния ферромагнитного порядка на основны параметры туннелирования В рамках метода трансферных матриц проведены расчеты ТП гетеросистем на основе моносульфида европия для разного направления спина туннелирующего электрона и определена ССПЭ в подобных структурах Дана оценка влияния флуктуаций ферромагнитного порядка на спин-поляризованный транспорт в сверхрешетках типа ФП-ПП Анализ транспортных свойств данных сверхрешеток был выполнен также в рамках метода вторичного квантования

Для определения ТП амплитуды базисных волновых функций на выходе связывались с их значениями на входе При этом '//■состояния в барьере рассматривались как «донорные примесные уровни» В расчетах было учтено внутреннее обменное поле ферромагнитных слоев (Й = m0 = е = 1) через AS'

Потенциал рассеивающих центров в барьере описывается 5-функцией (у-сила рассеяния), что отвечает требованию локальности ^/-состояний г0к, «1, где г0 -радиус их действия

барьер

яма

где А:,2 = 2m,(£+ (-!)'0,5^5"), к] =2тг{Е + У), s=l, если спины ТТ и s=2, если t4-

Для связи решений уравнений (12) применялась траксферная матрица й, переносящая их из области барьера в область ямы, и матрица Р, реализующая переход через рассеивающие центры в нерезонансной области:

' ([к* +к2М {к21 -к1М \ {{къ-кх.У^* {¡Ь+кг.уь-*^

±_(гк2-1ту -2 туе'1**'" 2к, у 2туеи'г' 1к2 + 2ту

Р. =~

Рис.1. Гетеробарьер РЬБ-ЕиЗ-РЬБ:

а) ТП —без учета влияния рассеяния,

— при их учете;

б) ССПЭ

Рис.2. Гетероструктура ЕиЗ-РЬБ-ЕиБ:

а) ТП — без учета влияния рассеяния,

— при их учете;

б) У1(Е)=соз(КЬ)

ТП сверхрешетки Т(Е) и её энергетический спектр задаются уравнениями:

Т(Е)--

ля:

с08(лх) = ^|| пщ

, где я,. =

Я2, ,--Р2м,п> для четных/, Я-,.-!

,\2И, для нечетных г, г - номер гетероперехода, п - число центров, К - «константа» распространения волновой функции.

На рис. 1 а приведены результаты расчета ТП гетерострукгуры для разного направления спина туннелирующего электрона и на основе этих данных определена ССПЭ (рис. 1 б). Показано, что вплоть до энергий порядка 3 эВ ток в гетеросистеме будет спин-поляризованным. Сравнение туннельного и энергетического спектров позволяет идентифицировать пики прозрачности с вкладом резонансного туннелирования по состояниям размерного квантования ямы. Так на рис.2 видно, что причиной резонансного пика ТП в районе 2 эВ, является

второй уровень размерного квантования ямы Из проведенных вычислений следует, что вклад нерезонансного туннелирования по ^состояниям в барьере увеличивает общую ТП гетеробарьера

Резонансное туннелирование по 4/состояниям характеризуется временем жизни электрона 1„ в квазистационарном резонансном состоянии Вблизи температуры Кюри появляется и другой характерный масштаб времени - время флуктуации обменного поля ¿с Оно зависит от концентрации и природы магнитных ионов и связано с распределением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне Одним из механизмов флуктуаций является смещение обменным полем энергетических уровней при локальном изменении магнитного порядка Таким образом ТП Т(Е) барьера зависит от соотношения характерных времен ¡о и 1С Расчеты выполнены методом функций Грина на основе туннельного гамильтониана

Я=Я,+Ят„ (14)

где я,ч + +еЛ> кТ+!>.», +г,>.)

» II р / г р*

Здесь ,ак,Ь*,Ьр - операторы рождения и уничтожения электрона на состояниях, соответственно, в левом и правом слоях, с*рсг - на «резонансных» состояниях в ЕиЭ я,„, = ' 0ПИСЫвает взаимодействие спина электронов 4/т-

/

подоболочек со спином туннелирующего электрона =<?с*!сг, где сг-вектор, компонентами которого являются матрицы Паули, J - параметр обменного взаимодействия

Для случая совпадения направлений спина туннелирующего электрона со спинами электронов нижней 4/т-подоболочки Ей волновая функция туннелирующего электрона удовлетворяет (14) и имеет вид

к(0> = I хЛОехр (- !ЯЖф„ +17/(0ехр (- <£/<>;Ф0 + I £,(')ехр (- (£„<);Ф 0> * / р

гДе Хк (0.1! (О и - спиноры, соответственно, в левом и правом слоях и на «резонансных» состояниях в ЕиБ

В этом случае ТП барьера определяется выражением

Т{Е,Е')= 2 ж^8{Ек-Е]5[Ер-Е') кР

где - средняя вероятность туннелирования в единицу времени из состояния а1с+Ф0 левого слоя в состояние Ьр+Ф0 правого Получили, что т(е,Е')=Г'(е,Е/)+Т"(е,Е')+Т/"(е,Е/1 где Т'(Е,Е') = 4хд2ркб(Е - Е') -

т«1г Г'\ Е + Е' Л

вклад от нерезонансного туннелирования, 7 \Е,Ь )=—---—2—о\Е-Е )

обусловлен «гибридизацией» нерезонансно: V ; Г \2 ^ & Е

Л У02

обусловлен «гибридизацией» нерезонансной и резонансной частей,

'г А

- вклад от резонансного тун-

нелирования в случае предельно медленных флуктуаций обменного поля

О,-к»)

К(Е)

2Г| Гг 17 Г \2 К05

К(Е)

4ЯмГ,Г2 Е+Е'

5{Е-Е'\

Для узкой 4{ - зоны имеем

Кт-2Г>

£

'¡Л ¡1 4 Таким об-Г У2 к/

разом, добавление резонансного тунне-лирования по 4Д - состояниям в барьере заметно повышает его прозрачность Т|=Т'+Т"+Т"' Наличие обменного слагаемого в (14) приводит к двухпиковой структуре прозрачности барьера (см , рис 3)

При обратном предельном случае Рис 3 Шлная чность б быстрых флуктуаций обменного поля, в случае флук1уаций обменного поля

в/г

когда К(Е) =

< <<Л,

получено

Е + Е' ( А ж (Г+ЗуУ + Е2^

Мр ГЛ | 3 /(Г + 3Г) у 3 г (1+ЗГ)

3[Е~Е )+п г (г^ЬИ). +Ь«г1т+згЫе>+е/-е/,}1

— предельно быстрых,

— предельно медленных

3 У (Г+3Г)

Т'«1Р р!\- 4 Г1 Гг

Тк'(Е £)-(г+згУ

То есть флуктуации обменной энергии в области точки Кюри приводят к тому, что туннелирование становится существенно неупругим и ТП имеет вид лорен-цевского пика

Расчеты туннельных характеристик в рамках многозонной модели проведены на основе туннельного гамильтониана, записанного в матричной форме

" = 1

< О О

О О

(О 0 аГ \ 1)

^а* О О О О

О О а}

О

О

О О Е?

'а, О О4 О О

,0 о

1&1

8ь.

а, 0 0 0 0 0 0 а.

(4.

чЛь

Л

кпи /

(15)

Волновая функции, удовлетворяющая (15), имеет вид

ДII

Д а

(а+ 0 0 ¥<р[(г)

4п1!

+ аналогичные для 2 слоя и границ

«о.

0 0

0 аЦ^(г))

где а*к ,ак - операторы рождения, уничтожения электрона на состояниях с волновым вектором к Слагаемые вида = ч>„л(г)а"^ - объемные волновые функ-

15

ции массивных материалов А и В, являющиеся решением невозмущенных гамильтонианов Н = ^Еп(к)а^,апк, Угрлх = £,„■ у(г)агп.к. - локализованные функ-

л»

ции, определяющие поверхностные состояния в системе РЬБ-ЕиБ, АтЬ - матрицы коэффициентов при соответствующих волновых функциях На границе гетероперехода, вследствие того, что я - состояния металлов перекрываются слабо, / - состояния сильно локализованы, а при низкой температуре влияние с/состояний мапо, из локализованных состояний наибольшее влияние на туннельную прозрачность окажут /»-состояния

В этом случае уравнение Шредингера после разделения по операторам рождения и подстановки (15) сводится к системе уравнений

Ы о

Ы Ы о Ы

Ы е" 0 18,1

М

О

Ы

_

А

Р

В

Я

= 0,

(16)

где векторы А и В описывают соседние материалы, Р и Я - состояния, локализованные на границах между слоями, а элементы gJr¡ определяются по фор-

Ь2 ________ _ п1 =л_ 1п2

2 V 4 '

муле =>/;„

при этом = —

Урра ~

и тд,

пренебрегая зависимостью от волнового вектора Таким образом, расчеты туннельных характеристик сводятся к задаче по определению спектра энергий поверхностных состояний

В четвертой главе в рамках метода ЛКАО проведено моделирование гетероперехода структур ЕиБ - РЬв и ЕиБ - БшБ с использованием слоевых орби-талей Матричные элементы соответствующего модельного гамильтониана определялись путем сравнения экспериментальных и теоретических значений Вначале туннельный и энергетический спектры рассчитывались без учета локализованных состояний Их влияние на транспортные свойства в области гетероперехода анализировались методом функций Грина Этот подход использовался при оценке влияния интерфейсных состояний на энергетический спектр и туннельную прозрачность гетеросистем ЕиБ - РЬ5 и ЕиБ - 8ш8 Обобщение прямоугольной модели Кронига-Пенни на случай потенциала произвольной формы позволило в рамках метода трансферных матриц предусмотреть квантовые размерные эффекты в области приповерхностного заряда В этом случае расчет энергетического спектра и туннельной прозрачности рассматриваемых гетероструктур можно было провести с учетом искривления зон вблизи гетеропереходов

При анализе зонной структуры исходных материалов использовался метод сильной связи в рамках модели Слэтера-Костера Базисная система ограничивалась 5-орбиталями валентных оболочек катионов и анионов и рх-, ру-, рг-орбиталями вгшентной оболочки каждого аниона В итоге семь различных ба-

зисных s-, р- и J-орбиталей задавались выражениями, д (5)=р* (¿Х «*>(*)=«&(*)> фА*)=<Р?Ш ФАХ)=9арАх1 ФЬ(*)=9ару(Х\

Гз~ x,y,z

где

5 =

л* *(>-), в которых йДг) Н* (г) - радиальные части орбиталей Левдина Из данного базиса конструировались волновые функции

Для описания гетероперехода в направлении [111], с границей, проходящей по общему аниону - аниону серы, целесообразно было перейти к новой системе координат и слоевым орбиталям Это позволило определить энергетический спектр в направлении [111] (т е вдоль оси сверхрешетки) только одним квантовым числом п.

Сверхрешетка при учете взаимодействия между ближайшими соседями представляет собой комбинированную сверхцепочку, составленную путем чередования цепочек из последовательности звеньев разных материалов

Влияние периодической модуляции зон на образование минизонной структуры сверхрешетки исследовалось на следующей модели

о о о

\мс

т

о

о о

s" i IB Г-/1

О

о к

О О

о о о

\н°А,

\н?3

о о о о

К

Я,

ÜC sil |

Р'п

Р\т

ó'llk-l

-О, (17)

В (17) под элементами матриц подразумеваются, соответствующие им матрицы из модели Слетера-Костера, выраженные в базисе анионов á(s) и катионов р{у), слагаемые вида г" и е" определяют соответственно, спектр состояний аниона и катиона, - матрица взаимодействия, в случае верхнего

индекса А В, описывающая взаимодействие атомного слоя катионов В с вышележащим (sil) или нижележащим (i/2) атомным слоем анионов А (индекс ВА описывает взаимодействие анионного слоя с катионными)

Затем система уравнений (17) переписывалась в виде, позволяющем использовать формализм трансферных матриц

Р\г -1 Р'и -1 Rab

«и аи

к?-Л \н>

о

№ -Е>

к 2

V

к!

ж»

7'

10 эВ

\ н V : V 1 \::

\ й Лу Т'\Г / \ и ■ \ / \

\ \ _V/.

6)

10 эВ

Рис.4 Энергетический спектр сверхрешетки РЬБ-ЕиБ 4,1 нм, (¿Вп&=4,1 нм).

Направление спина туннелирующего электрона: а) параллельно спину 4/чюдзоны;

б) - антипараллеяьно

Основные особенности туннельной прозрачности системы РЬ8-Еи8 исследовались и на одномерной модели. В этом случае элементы соответствующих матриц являлись числами, что существенно упрощало расчеты. Например, энергетический спектр сверхрешетки и ТП определялись уравнениями

'3+2(па-пл)(пь-пв)\

Т(Е) =

со$( ) = со5(" К,пТ )соз( К2тТ)~

( -¡/СпТ ¡КпТ \ I

_ -е )-\пвпАе

г ) („, И"- ))•(„,(■

5т(К,пТ№п(К2тТ),

("в"л -1)

¡М,гЧг

(«Л-1) где п„={е~жт-\Пм\а\ллв|п',

Расчеты весьма примечательны тем, что метод сильной связи приводит к результату по форме весьма близкой к данным метода трансферных матриц. Соответствующие графики показаны на рис. 4, где представлен спектр энергетических состояний для разного направления спина электрона.

Анализ туннельной прозрачности системы РЬБ-ЕиБ показывает высокий уровень спиновой поляризации, что отражают особенности зонной структуры данной системы. В частности, спиновая когерентность имеет резонанс в области нахождения 4/'-состояний.

Важно отметить, что путем несмежных преобразований систему уравнений (17) можно привести к виду (16), где например:

и Ы =

■Е'\ \н£

7/5

РЦ2П*2)

Ы=

, \Еврр-Е\ вфу-

¿а~Е<

Н

¡п

иа-е1

V

Уцгм*г)

О О

2<*„—(дм) „

О е

О О

Тогда для расчета энергетического спектра локализованных состояний вводится возмущение

о | о

-К1 о о

и =

о

о о

которое разделяет кристалл на две части Формальное решение уравнения Шре-дингера, учитывающего это возмущение, приводит к уравнению Липпмана -Швингера(1)

Пользуясь обобщением теоремы Левдина, удалось понизить размерность матрицы на случай большого числа блоков При этом в прямоугольные блоки выделялись матрицы имеющие размерность 7x7 В конечном итоге было получено

№=К4 ={0-0 И"' 0-0 И"' 0 0" 0-0 0" 0 -0 0" 0 И" Н 0" 0-0 0" 0 БГ 0 0"' 0- -0 0"' 0}'

й-

где, р_г" _£1 Iя-" I

0 0

0

й-

0

0 0

о, с,

а,+| =а1-Ь ас, Ьп1 = Ь аЬ,, а Ь(с)11г и Ь(с)ц1 получились из Ь(с) удалением соответственно (-ой строки и у-ого столбца, аи - из а удалением /-ой строки и 7-ого столбца

После этого определелялись функции Грина границы раздела РЬБ-ЕиБ Для этого взаимодействие между двумя полубесконечными кристаллами включалось путем образования химической связи между оборванными л-орбиталями РЬ и гибридизированными орбиталями серы ¿р3-типа Функцию Грина О г границы раздела с взаимодействием определяли также из уравнения Дайсона Если электронная структура границы раздела определялась полюсами функции Грина СГ, то дискретные состояния на границе, где перекрываются энергетические щели и карманы полубесконечных кристаллов РЬБ и ЕиБ, задавались нулями определителя

(Ц - С(д,ЕргЩ = 1 - У^0{д,Е)02ю,т(ч,Е)=0 (18)

Диагональные элементы матрицы Грина С,0,0(д.Е)и С:„2„(д,Е) имели вид

1(22)^1'

где [е-Ее(к= ^¡^'¿У' и - детерминанты соответствую-

щих матриц, а д'п(к,Е) и А?п(к,Е) их миноры. Значение У2 рассчитывалось по

интерполяционной формуле Ко4„ = г)аЬт ■ П , где а - межъядерное расстояние,

т-а

ЛаЬт - безразмерный коэффициент, или теоретико-числовыми методами по вычислительной схеме Коробова.

-2 О 2 4 6 8 10 гВ

6)

Рис.5. Энергетический спектр сверхрешетки РЬБ-ЕиБ 4,1 нм, ^Еиз=4,1 нм), вычисленный с учетом локализованных состояний на границах гетеропереходов: а) направление спина туннелирующего электрона параллельно спину заполненной 4/-подзоны; б) - антипараллельно

Таким образом, решение секулярного уравнения (18) позволяет найти спектр энергетических состояний, локализованных на границе раздела.

Результаты расчетов энергетического спектра сверхрешетки РЬ8-Еи8 отражают наличие спииового расщепления энергетических состояний, что связано с соответствующими изменениями зонной структуры ферромагнитного ЕиБ. Подобное расщепление особенно сильно проявляется в области энергий 4/-состояний. Состояния, локализованные на границах гетеропереходов, оказывают существенное влияние в основном на энергетические состояния валентной зоны. Это связано со строением границы раздела РЬБ-ЕиБ, проходящей по анионам серы в направлении [111], и тем, что валентные зоны исходных соединений также образованы из р-состояний аниона

Эффекты перераспределения зарядов в гетероструктуре вызывают искривление краев зон на границах гетеропереходов, что приводит к образованию вблизи гетеропереходов дополнительных потенциальных барьеров и квантовых ям. Очевидно, что в области подобных квантовый ям, вследствие размерного

квантования, возможно появление инверсионных состояний В связи с этим возникает задача нахождения решения волнового уравнения для периодических структур более общего вида, что позволит не только более точно определить вид волновой функции, учесть влияние перераспределения электронов на зонную структуру и ТП гетероструктур, но и указать пределы применимости «прямоугольного приближения» Данная задача решалась методом трансфертах матриц, обобщенным на случай потенциала произвольной формы барьера и ямы

Исходный потенциал был разбит на большое число участхов Ах и на каждом таком участке потенциал считался постоянным Перенос волновой функции с одного интервала в соседний осуществлялся выражением

К

tf =

Í-И)

14J " IAi/ " ^ Несложно показать, что

-I к,'е е 1 '' i к1 е 1

по* ,

Лу-И •

Тг

■•И) )

I е 1 2> е

я„ = л, я, -

fl'bfrb «í'b" *>-[cos{k; i IAJ \bJ (A J 14>J l4t, Sinfe Лг) соs[k, &l) ,

+ ix^bsh.^.t,) tx) exh^M^-k.) *)]

^ОДиЬ^»!.«*,-*,) 6x)

♦*,) -кл to)

Такой алгоритм перемножения матриц избран по причине того, что он позволяет произвести предельный переход к непрерывному случаю Тогда связь между амплитудами на входе в неоднородный слой и выходе из него примет вид

I, где например

С D

Л= 1+ +

dx¡dx2 dxlN +

-(2тн))1

Тогда получаем со№ ^свд+ЭДГ) [Щ^

Здесь во втором приближении множители имеют вид

/"Ог,> ь1 чь 1-''

С5(£) =

(19)

и 2) '.кК{хК)'чк„{хг) \ ; 'а '„ )

[множитель, где кк (х) -> кь (*)]+

1 ь к' (х ) ( ') ь ^

■ — М—'-со$\2)к11(х)ск-1к11(х)с1х\<1х1 [множитель, гдекк(х) -> кк(х)}

h(x)dx

+

SN(E) получается заменой cos на sin,

UJ kookw

DP{E) =

) I. 4 Ь Ь ) 1.1 У.

х-| ' зш 2|а,(дг)Л-|а,(дс)Ли*| -[симметрич получаемое заменой кь (х) 2 „ кк (хг) ^ „ „ }

ЫЕ» «

04 р эВ

рьг ь • а РЬЭ ^ * РЬЭ 4Г1

51 —р— ез

- -

1—а—*

Рис 6 Энергетический спектр сверхрешетки в области энергии дна зоны проводимости полупроводника, образующего яму

Результаты расчета показывают наличие вблизи дна зоны проводимости минизонного спектра, обусловленного расщеплением сверхрешеточным потенциалом состояний размерного квантования в областях приповерхностного заряда Уширен ие обусловлено тем, что эти состояния расположены в пределах одной ямы, и взаимодействие между ними сильнее, чем межъямное Достоверность разложения (19) проверялась на модели, имеющей точное решение (гармонический осциллятор), где было показано совпадение результатов

В пятой главе проанализированы возможности и условия получения самых нижних по энергии связи прямых и межъ-ямных экситонов в сверхрешетках ЕиЗ-РЬБ, изучено влияние косвенного обмена на основные параметры экситонов в нано-размерных гетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников, дана оценка влияния разности диэлектрических проницаемостей ЕиБ и РЬБ на свойства межъямных и прямых экситонов и проведены расчеты условий конденсации экситонов

в сверхрешетках ЕиБ-РЬБ на базе теоретико-групповых методов

Исследован экситонный спектр двух закрытых квантовых ям, образованных 4/7 -уровнями в запрещенных зонах барьерных слоев халькогенида европия, входящих в сверхрешетку РЬБ-ЕиБ (рис 7)

И'>за низких значений энергии связи (для РЬБ Еа~ 6,8 мэВ, £2»е0 «рыхлые» экситоны в квантовых ямах сульфида свинца в расчетах не учитывались Гамильтониан для прямых экситонов имеет следующий вид

Рис 7 Схема образования прямых (а) и межъямных (б) экситонов в слоях Ей Б Ес[ и Есг -дно зоны проводимости в РЬБ и ЕиБ соответственно, £^=£у2- потолок валентных зон этих слоев Е\ и ег - диэлектрические проницаемости соответственно в слоях ЕиЗ и РЬБ, й - ширина слоя РЬЭ, р - ширина слоя ЕиБ

я,,= 1 (_1Йу^+т1т(_1АуА)2—р^-^ + ^Мгер), (20)

2 те 2тк 2

где т[к- эффективные массы электрона и дырки, г,,- координаты электрона дырки вдоль квантовых ям, Бек — спин электрона и дырки, £[ - низкочастотная диэлектрическая проницаемость слоя ЕиБ, А - интеграл обмена, 0(г ер) = 1 при г<р и 0{г б р)= 0 при г > р В случае межъямных экситонов гамильтониан запишется в следующей форме

Н2~{-ЛУ У „У---- А^БМ г ер), (21)

^ 2

где d - ширина слоя РЬ8, е2 - низкочастотная диэлектрическая проницаемость сульфида свинца

Волновые функции подбирались в виде линейной комбинации одночас-тичных функций с определенной локализацией дырки и электрона

У,, [ге ,гк) = <Р> [А Ц-д ®Ф

2 1 ' '= = "

(23)

где X - вариационный параметр, который можно найти из условия минимизации энергии системы с гамильтонианом (20) или (21) и волновыми функциями (22) Для межъямного экситона, где нужно учесть переход электрона между барьерами, волновая функция системы РЬ8-Еи5 имела вид

* 1

где о,, - амплитуды вероятности обнаружения электрона и дырки в разных квантовых ямах (; и у) Энергии прямых и межъямных экситонов определялись из уравнений

При определении вариационного параметра X для прямого экситона использовался метод теории возмущения в комбинации с вариационной процедурой решения уравнения Шредингера с гамильтонианом (20) Малой величиной считалась энергия обменного взаимодействия

[/ = -0,54?,+^).

Из условия минимума полной энергии электронной системы с?Е/с1г = 0 получено

£ = -1 2

2 «

/те 1

¿V п\

2\те+тк)

где /.I = Т'"1'. - приведенная масса электрона и дырки

тс +тЛ

Величина энергии (23) отсчитана от дна зоны проводимости Е12 и ее абсолют-

ное значение при к=0 равно энергии связи электрона и дырки в покоящемся эк-ситоне Как видно из формулы (23), она возросла на величину энергии обмена На рис. 8 показана схема опускания энергетического уровня п-1 экситона при воздействии обменной связи

Зона проводимости(Ё^) Энергия связи межъ-

Есз:

п=1

п=1

ямных экситонов значи-

Энергяя связи 6м ^«^«гивого ТвЛЬНО НИЖе ИЗ-ЗЭ ТОГО, ЧТО

Энергия связи с учетом обменного взаимодействия статическая ДИЭЛектрИЧе-

7 екая проницаемость слоя

■ - - ■ 4Г-полоса моносульфида свинца на

__порядок больше, чем в ЕиБ.

г . Для дырки и электрона, ло-

Валентная зона

кализованных в разных

„ _ квантовых ямах, перекры-

Рис 8 Схема энергетических уровней прямого тие волновых ф й ма.

экситона в ЕиБ- при отсутствии обменного ло Эт0 уменьшает вероят. взаимодействия {п') и при его влиянии (п) ность взаимной аннигиля-

ции

Магнитное поле (в нашем случае внутреннее молекулярное) существенно влияет на время жизни, спектр и коэффициент диффузии прямых и межьямных экситонов Действительно, используя тот факт, что время жизни экситона обратно пропорционально интегралу перекрытия

/,=1

где V - номер уровня перехода, было установлено значительно большее его значение для прямых экситонов, чем для межьямных Время жизни последних .сильно возрастает при увеличении ширины разделяющего слоя РЬБ

Например, при ¿-50 Л оно увеличивается почти на порядок Для разрешенных электрических дипольных переходов 4/-5с/ характерна большая сила осциллятора Расчеты ее для Еи2+ по формуле

/ = /саЛ' > ЯЕ N '

где N - число ионов, способных возбуждаться, а - коэффициент поглощения, V- частота света, дали действительно большие значения/=0,01-0,03

В модели магнитного экситона возбуждение электрона в зону проводимости происходит с 4/-уровня, что соответствует представлению Г25 Переход разрешен, если

(п\т)^Н-1х"(гМА)хт(Г,)^0, где А - порядок группы, х'(Г, \ хШ хт(г,) ~ характеры соответствующих представлений

Нетрудно показать, что разрешенными будут переходы Гц—* Г1 и Г2$~* Гц Это соответствует экситонному переходу 4/—*6$ и 4/—*5(1, то есть экситон

образуется зонами и 5(1 Однако переход не дает выигрыша в энергии и не является оптически активным

Если учесть электронно-дырочное обменное взаимодействие и обменную связь экситона с ионами редкоземельного металла, то зависящая от спинов часть энергии взаимодействия во внешнем магнитном поле Я может быть представлена в следующем виде

Я - ЛД + лд + ЛД5, + (гД + гАКЯ. (24)

Зе, ^ и - спины 1/2, 3/2, 7/2 соответственно, электрона, дырки и иона европия, J~ обменные коэффициенты для различных взаимодействий, gn~ge-2 и - магнетон Бора

Энергетические уровни Е, экситона, расщепленные обменным взаимодействием, получим, рассматривая действие гамильтониана (24) на базисе экси-тонных волновых функций, соотсветствующих Е/-Е8

У,

1 ■

кЛ .■-1\ V, з = (а2,аг¡к, ± , -1\+ (- а2,а3

5 = {ал,аь Л*. Т . ■- Д + (- а4,я5 к I, Д. 7 = (а6,а7 к Т I) + (- а,,а,)

£1 -1\ ш =

кЛЛ).

иЛ

где к - волновой вектор экситона, а, - коэффициенты, определяемые из уравнений, полученных при действии оператора (24) на функции !РУ

Из собственных значений гамильтониана (24) наибольший интерес представляют и Ее, которые при отсутствии внешнего магнитного поля можно определить из соотношения

2.,,8=1{3/2Ле + [ЗЛА+Л]}> (25)

где Ак~А^0,1эВ и Ле= -О.ЗмэВ Тогда по формуле (25) имеем -0,2эВ и 0,2эВ Таким образом, максимальное уширение экситонного спектра из-за косвенного обмена в ферромагнитном слое Ей Б составляет АЕ= Ез-Е;=0,4эВ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Методом функции Грина в приближении сильной связи и методом функционала электронной и спиновой плотности проведены расчеты распределения спиновой поляризации на поверхности ферромагнитного металла, например N1, в диэлектрических прослойках многослойных ферромагнитных пленок типа Бе - и наноразмерных ферромагнитных гетеросистемах ЕиО - Со и ЕиО - БЮ

В приповерхностной области ферромагнитного металла степень спиновой поляризации электронов выше, чем в объеме Это связано с понижением их плотности, сужением с1 - зоны и перетеканием электронов между поверхностными и объемными атомами при выравнивании уровня Ферми Электроны, поляризованные по спину, затягиваются диэлектриком из-за снижения электростатического притяжения электронов к поверхностной области ферромагнети-

25

ка, обедненной электронами Между ферромагнитными слоями, разделенными диэлектриком толщиной порядка 10 А, благодаря «затягиванию» поляризованных электронов диэлектрической средой, устанавливается обмен электронами с сохранением спиновой поляризации

2 Разработан и строго обоснован метод расчета кривых квазистатического перемагничивания двухслойных ферромагнитных пленок с магнитостатиче-ским взаимодействием между слоями Результаты теоретических расчетов подтверждены экспериментальными данными

Разработан и строго обоснован экспериментальный метод измерения энергии магнитного взаимодействия между наноразмерными ферромагнитными слоями С помощью него проведено измерение энергии связи в двухслойных ферромагнитных пленках различного состава - основы наноразмерных ге-теросисгем

3. Проведены экспериментальные исследования влияния магнитного и обменного взаимодействий на магнитострикционные и гальваномагнитные параметры двухслойных ферромагнитных пленок Они дали дополнительные сведения об упругих, электрических и магнитных свойствах наноразмерных ферромагнитных гетеросистем Эти структуры не только суммируют свойства отдельных пленок, но и обладают рядом новых свойств, связанных, например, с появлением подзон в энергетическом спектре 5 - и с! -электронов Знак эдс Холла и величина поля насыщения диктуются свойствами более толстого слоя, так как его проводимость выше и обменная связь в меньшей степени изменяет его магнитную структуру, Одной из причин увеличения эффекта Холла в двойных системах является возрастание эффективной намагниченности, происходящее из-за обменного и магнитного взаимодействий

4 Осуществлен отбор новых гетеропар ЕиБ - РЬБ, ЕиО - БЮ и ЕиБ -вшБ, удовлетворяющих требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование составляет 0,17%, 0,01% и 0,01%, соответственно, при допустимом значении 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией Это обеспечило практически идеальный гетеропереход с низкой плотностью поверхностных состояний и дислокаций несоответствия, что позволило использовать в расчетах энергетических диаграмм гетеропереходов диффузионную модель Андерсона и принимать рассеяние электронов на границах сверхрешеток ФП - ПП зеркальным в расчетах туннельной прозрачности, применять в анализе влияния обменного взаимодействия на энергетический спектр, распределение спиновой и электронной плотностей в области гетеропереходов метод огибающих функций и вариационные процедуры

5 Проведены расчеты энергетических диаграмм гетеропереходов ЕиБ -РЬБ и Е>тЗ - Еи!5 на базе модели Андерсона и вариационным методом дана оценка влияния 5 -/- взаимодействия на распределение электронной и спиновой плотностей в области гетерограницы ФП - ПП Определены размеры ферромагнитных участков и высота барьеров на переходах ЕиБ - РЬ5 и ЕиБ - 8ш8

На основе метода огибающих функций с учетом влияния обменного

взаимодействия рассчитана минизонная структура сверхрешеток Еи5 - РЬБ и ЕиБ - БшЗ

Показано, что благодаря л - / -обменному взаимодействию и наличию 4/6 - и 4/1 -уровней в запрещенных зонах ЗтБ и ЕиБ, соответственно, источником спин-поляризованных электронов может быть и слой халькогенида самария, так как на гетерогранице ионы последнего переходят в магнитно-активное состояние 4/6 -> 4/5 + е

Анализ минизонной структуры сверхрешеток ФП - ПП показал, что благодаря обменному взаимодействию в них, образуется новый тип кванювых ям магнитных и закрытых Они существенно влияют на туннельную прозрачность систем ФП - ПП и спин-поляризованный транспорт электронов

6 Методом трансферных матриц и методом сильной связи проведены расчеты туннельной прозрачности гетеросистем ФП - ПП с учетом влияния обменного взаимодействия Дана оценка условий резонансного и нерезонансного туннелирования при наличии 4/-состояний Показано, что главный резонансный вклад в проводимость через 4/-зону дают только электроны, имеющие соответствующее направление спина

В рамках метода функций Грина рассчитано влияние магнитного порядка на туннельные характеристики гетероструктур ФП - ПП и показано условие вырождения двухпиковой структуры в лоренцевскую

Также учтено влияние инверсионных состояний на туннетькую прозрачность и энергетический спектр эгих гетеросистем Расчеты для этих состояний проведены путем обобщения модели Кронига - Пенни на случай потенциала произвольной формы

Результаты этого анализа корректны и применимы в технике проектирования устройств спиновой информатики и спиновых транзисторов, где используется спин - поляризованный ток

7 Теоретико-групповыми методами изучены условия образования прямых и межъямных экситонов в сверхрешетках ФП - ПП и показано влияние обменного взаимодействия на энергию свзязи и другие параметры подобных коллективных возбуждений Оценено воздействие внутреннего магнитного поля на время жизни и спектр межъямных экситонов, находящихся в триплетном состоянии со временем жизни много большем синглетного Установлено, что плотность таких экситонов возрастает до 1014 см'3 и создаются условия для образования в таких системах устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов до температур 16 К Результаты этих исследований могут быть использованы в экситонной спектроскопии

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Об измерении энергии связи в двухслойных ферромагнитных пленках / Ю Ф Головнев, И Я Ганжа, М К Савченко и др // Известия АН СССР Физика -1967 -Т 31, №5 -С 779 -782.

2 Головнев Ю Ф , Савченко М К Анализ квазистатического перемаг-ничивания двухслойных пленок с учетом влияния поверхностной энергии связи//Известия вузов Физика - 1967 - №6 - С 18-23

3 Влияние толщины прослойки на энергию связи Нееля двухслойных магнитных пленок / Ю Ф Головнев, И Я Ганжа, М К Савченко, В С Черка-шин IIИзвестия вузов Физика -1968 -№4 - С. 29-37

4 Головнев Ю Ф Петли гистерезиса магнитостатически связанных двухслойных пленок // Известия вузов. - Физ -1972 - № 4 - С 24-31.

5 Головнев Ю Ф , Прищева А Г, Савченко М К Критические кривые магнитостатических связанных ферромагнитных пленок // Физика металлов и металловедение - 1973 -Т 35, вып 1 -С. 71-77

6 Получение монокристаллических слоистых ферро-феритовых пленок и некоторые их магнитные свойства / Ю Ф Головнев, В В Левенко, А.И Комалов и др. // Известия вузов Физика - 1974 -№ 5 - С 63- 67

7 Доменная структура тонких (1-80 мкм) эпитаксиальных кристаллов никеля и кубического кобальта / Ю Ф Головнев, В В. Левенко, А И Комалов и др // Труды 6-го Международного коллоквиума по тонким магнитным пленкам - Минск, 1974 - С 123-128

8 Головнев Ю Ф , Кудряшова И Я Эффект Холла в двойных магнитных пленках // Исследования в области физики конденсированного состояния вещества Труды БИЕН БФ СО АН СССР - 1976 - Вып 16 - С 166-171

9. Головнев Ю Ф , Бессмертный А В Магнитострикционное взаимодействие в многослойных ферромагнитных пленках // Исследования в области физики конденсированного состояния вещества Труды БИЕН БФ СОАН СССР - 1976 -Вып 16 -С 161-165

10 Головнев Ю Ф , Панин В А , Прохорова Т А Хемосорбция на поверхности магнитных халькогенидов // Труды XVIII Международного совещания по' температуроустойчивым функциональным покрытиям - Тула, 2001 -С 43-49

11 Головнев Ю Ф , Панин В А , Прохорова Т А Электронная структура границы раздела БЮ-ЕиО // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика - 2001 - Т 7, вып 2-С. 65- 69

12 Головнев Ю Ф , Панин В А , Прохорова Т А Электронные состояния на гетерогранице 5г-ЕиО // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика -2001 -Т 7, вып 2-С 151-153

13 Головнев ЮФ , Парамонов А В Расчет зонной структуры в приближении огибающей функции для сверхрешеток из магнитных полупроводников // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика - 2002 -Т 8, вып 2.-С 77-81

14 Головнев Ю Ф, Парамонов А В Квантовые магнитные ямы в сверхрешетках из магнитных и немагнитных полупроводников // Новые магнитные материалы микроэлектроники Сборник трудов XIX Международной школы - семинара - M , 2002 - С 244 - 246

15. Головнев Ю Ф , Добровольский H M , НадеждинаЕЕ Расчет ку-лоновских и обменных интегралов методом оптимальных коэффициентов // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика - 2002. - Т 8, вып 1 - С 29-40

16 Головнев Ю Ф , Никольская JI В Магнитные сверхрешетки на основе гетероструктуры EuS-PbS // Новые магнитные материалы микроэлектроники Труды XIX Международной школы-семинара - M, 2004 -С 889 - 891.

17 Головнев Ю Ф , Ермолов А В Расчет тунельной прозрачности магнитной гетероструктуры PbS - EuS - PbS // Новые магнитные материалы микроэлектроники Труды XIX Международной школы-семинара - M , 2004 -С 892 - 894

18 Головнев Ю Ф , Парамонов А В Механизм образования сверхрешетки ферромагнетик - парамагнетик в гетероструктуре SmS - EuS // Новые магнитные материалы микроэлектроники Материалы XIX Международной школы-семинара - M , 2004 - С 424 - 426

19 Головнев Ю Ф , Никольская JIB Построение зонных диаграмм гетероперехода методом Андерсона и расчет зонной структуры сверхрешетки PbS-EuS методом эффективной массы // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика -Т 10, вып 3 - С 31-40

20. Головнев Ю Ф , Парамонов А В Моделирование и расчет гетероперехода и сверхрешетки на основе моносульфидов самария и европия // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика - 2004 - Т 10, вып 3 -С 41 -47

21 Головнев ЮФ, Ермолов А В Расчет прозрачности гетеробарьера SmS - EuS - SmS функций Грина на основе туннельного гамильтониана в представлении вторичного квантования // Известия ТулГУ Математика, механика, информатика - 2004 - Т 10, вып 3 - С 43-52

22 Golovnev J F , Nikolskaja L V Heterostructures from magnetic and paramagnetic semiconductors for spintronics // Physics of Electronic Materials 2 -nd International Conference Proceedings - Kaluga, 2005 - V 2 - P 244 - 248

23 Golovnev J F, Ermolov A V The analysis of zoned structure of a superlattice for spinpolanzed transport // Physics of Electronic Materials 2-nd International Conference Proceedings - Kaluga, 2005. - V. 2 -P 309-313

24 Golovnev J F , Paramonov A V Energy distribution of electrons in a superlattice from magnetic semiconductors SmS-EuS // Physics of Electronic Materials. 2-nd International Conference Proceedings - Kaluga, 2005 - V 2 -P 313-317

25 Головнев Ю Ф , Никольская Л В Экситоны в сверхрешетках РЬБ-ЕиЭ // Известия ТулГУ Физика - 2005 -Вып 5 - С 104-110

26 Головнев Ю Ф, Ермолов А В Изменение энергетического спектра сверхрешетки РЬБ - ЕиЭ под влиянием состояний, локализованных на границах гетеропереходов//Известия ТулГУ Физика -2005 -Вып 5 -С 83-103

27 Головнев Ю Ф , Никольская Л В Прямые и межъямные экситоны в магнитных наноструктурах // Новые магнитные материалы микроэлектроники МатериалыXXМеждунар школы-семинара -М,2006 - С 999 - 1000

28 Головнев Ю Ф Ермолов А В Влияние 4/'-состояний ферромагнитного компонента на туннельную прозрачность гетероструктур 8т8 - Еив // Новые магнитные материалы микроэлектроники Материалы XX Междунар школы - семинара - М , 2006 - С 997 - 998

29 Головнев Ю Ф , Ермолов А В Спин-поляризованный транспорт в гетероструктурах РЬБ - ЕиБ и БшБ - ЕиБ // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии Тезисы докладов VI Международной конференции - Кисловодск, 2006 - С 104-105

30 Головнев Ю Ф , Никольская Л В О конденсации экситонного газа в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии Материалы VI Международной конференции - Кисловодск, 2006 - С 102-103

31 Головнев Ю Ф , Нургулеев ДА Резонансное туннелирование в гетероструктурах на основе ферромагнитных полупроводников // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Труды 50-й научной конференции МФТИ -М,2007 -Т 5 - С 141-144

32 Головнев Ю Ф , Лаковцев А Б Экситоны в сверхрешетках на основе редкоземельных полупроводников // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук Труды 50-й научной конференции МФТИ - М, 2007 -Т. 8 - С 68-69

33 Головнев Ю Ф , Ермолов А В Влияние обменного взаимодействия на распределение электронной плотности в области гетероперехода ЗшЗ-ЕиБ // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук Труды 50-й научной конференции МФТИ -М,2007 - Т 8 - С 61-63

34 Полевые транзисторы на основе ферромагнитных гетероструктур / Ю Ф Головнев, Л В Никольская, А В Парамонов, М О Тюрина // Актуальные проблемы физики твердого тела Сборник докладов III Международной научной конференции -Минск,2007 -Т 2 - С 16-17

35 Головнев Ю Ф , Лаковцев А Б Бозе-конденсация межъямных экси-тонов в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников // Актуальные проблемы физики твердого тела Сборник докладов Международной научной конференции - Минск, 2007 - Т 1 - С 242 - 243.

36 Головнев Ю Ф , Нургулеев Д А Туннельная прозрачность многобарьерных структур Еи8 / РЬБ // Актуальные проблемы физики твердого тела Сборник докладов III Международной научной конференции - Минск, 2007 - Т 2 - С 141-142

37 Головнев Ю Ф , Ермолов А В Влияние ферромагнитного порядка на квантоворазмерные эффекты в гетероструктурах на основе ферромагнитного полупроводника EuS // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии Материалы VII Международной научной конференции -Кисловодск, 2007 - С 261-263

38 Golovnev J F , Nikol'skaya L V Direct and Interwell Excitons in Magnetic Nanostructures // Bulletin of the Russian Academy of Scientices Physics -2007 - V71,№ 11 -P 1623 - 1625

39 Головнев Ю Ф , Нургулеев Д А Неупругое резонансное туннелиро-вание в гетероструктурах на основе ферромагнитных полупроводников // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии Материалы VII Международной научной конференции - Кисловодск, 2007 -С 313-315

40 Головнев Ю Ф Наноразмерные ферромагнитные гетеросистемы -Тула Изд-во ТГПУ, 2007 -262 с

41 Головнев Ю Ф , Никольская JIB Прямые и межъямные экситоны в магнитных наноструктурах // Известия РАН Физика -2007 -Т 71, №11 -С 1664- 1666

Издательство Тульского государственного педагогического университета им Л Н Толстого 300026, Тула, просп Ленина, 125 Формат 60x90/16 Бумага офсетная Печать трафаретная Уел печ л 2,0 Подписано в печать 21 03 2008 Тираж 100 экз Заказ 08/038

Отпечатано в Издательском центре 11 и/им Л Н Толстого 300026, Тула, просп Ленина, 125

Введение.

Глава 1. Влияние магнитного и обменного взаимодействий на перемагничивающие, магнитострикционные, гальваномагнитные свойства и распределение спиновой поляризации в наноразмерных ферромагнитных гетеросистемах.

1.1. Распределение спиновой поляризации на поверхности ферромагнетика.

1.2. Распределение спиновой поляризации в диэлектрических прослойках наноразмерных ферромагнитных гетеросистем.

1.3. Изменение обменного взаимодействия на гетеропереходе ферромагнитный полупроводник - ферромагнитный металл.

1.4. Влияние магнитного взаимодействия на перемагничивание наноразмерных ферромагнитных гетеросистем.

1.5. Энергия связи магнитного взаимодействия в двойных наноразмерных ферромагнитных гетеросистемах и ее измерение

1.6. Влияние магнитного и обменного взаимодействий на магнитострикцию наноразмерных ферромагнитных гетеросистем

1.7. Влияние магнитного и обменного взаимодействий на гальваномагнитные параметры нанаоразмерных ферромагнитных гетеросистем.

Глава 2. Влияние обменного взаимодействия на энергетический спектр и распределение электронов в наноразмерных гетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников.

2.1. Влияние обменного взаимодействия на энергетические диаграммы гетеросистем EuS — PbS и EuS - SmS.

2.2. Минизонная структура сверхрешеток PbS-EuS и SmS-EuS.

2.3. Взаимовлияние перераспределения носителей тока и косвенного обмена на гетеропереходе ферромагнитный полупроводник — парамагнитный полупроводник.

Глава 3. Влияние обменного взаимодействие на туннельные процессы в наноразмерных гетеросистемах EuS-PbS и EuS-SmS.

3.1. Спин-туннельные переходы в гетеросистемах EuS-PbS.

3.2. Влияние флуктуаций ферромагнитного порядка на спин-поляризованный транспорт.

3.3. Влияние резонансного туннелирования по состояниям, локализованным в области гетеропереходов, на транспортные свойства сверхрешеток.

Глава 4. Взаимодействие электронов проводимости с состояниями, локализованными на границах гетероперходов.

4.1. Определение матричных элементов в методе ЛКАО при описании зонной структуры полупроводников, составляющих гетеросистему.

4.2. Определение транспортных и минизонных параметров гетероструктур EuS-PbS и EuS-SmS.

4.3. Анализ влияния интерфейсных состояний на туннельный и энергетический спектры сверхрешеток на основе ферромагнитного полупроводника EuS.

4.4. Анализ влияния инверсионных состояний на туннельный и энергетический спектры сверхрешеток на основе ферромагнитного полупроводника EuS.

Глава 5. Влияние косвенного обмена на энергетический спектр экситонов в гетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников.

5.1. Прямые и межъямные экситоны в сверхрешетках PbS-EuS.

5.2. Теоретико-групповой анализ экситонных состояний в сверхрешетках EuS-PbS.

5.3. О конденсации экситонного газа в сверхрешетках на основе халькогенидов европия и свинца.

Наноразмерные гетеросистемы являются объектом интенсивных исследований. Такие структуры на основе ферромагнитных металлов и полупроводников демонстрируют широкий спектр необычных физических свойств. Они уже получили применение в качестве сред для записи сверхплотной информации и в различных областях современной микроэлектроники.

С теоретической точки зрения такие системы являются уникальными моделями для исследования магнитных взаимодействий' и процессов перераспределения зарядовой и спиновой плотностей вблизи внутренних границ раздела' составляющих слоев. Сложные изменения электронных и магнитных свойств на гетеропереходах приводят к ряду эффектов, связанных с поверхностным магнетизмом. В результате возникают пространственно неоднородные спиновые конфигурации, обуславливающие целый ряд необычных транспортных свойств в наномагнетиках. Поэтому теоретическое исследование спин-туннельных переходов в магнитных сверхрешетках является одной из актуальных задач современного магнетизма. Процессы квантового туннелирования создают условия для возникновения гигантского магнитного сопротивления, которое проявляется особенно заметно, если в состав сверхрешетки входят слои из полуметаллических ферромагнетиков, где степень спиновой поляризации делокализованных электронов достигает больших значений [1-3].

Заметный интерес в последнее время проявляют исследователи и к наноструктурам на основе магнитных полупроводников. Это связано с тем, что здесь получило теоретическое обоснование влияние квантоворазмерного эффекта на переходы электронов в недостроенных 3d- и 4/- оболочках, j обусловленное сжатием волновых функций зонных электронов, влияющим на I sp — d— и f — взаимодействия. В таком случае относительная интенсивность экситонов в квантовых ямах оказывается выше, чем в обыкновенных кристаллах. Это связано с увеличением силы осциллятора экситонов и особенностями переноса экситонного возбуждения на 3d - или 4/ - оболочке в квазидвумерной системе. С точки зрения фундаментальных проблем, большое внимание исследователи уделяют изучению причин увеличения намагниченности вблизи гетерограниц по сравнению с массивными материалами, составляющими сверхрешехку, и осцилляциям магнитных параметров при вариации толщины магнитных прослоек, что связывают с изменением косвенного обмена [4 - 7].

После синтеза и обнаружения целого ряда особенностей ферромагнитных наноструктур стало ясно; что появился новый класс объектов, требующих специального изучения. А исследование коллективных спин-поляризованных состояний электронов в таких системах выделяется в самостоятельный раздел наномагнетизма. И на первый план здесь выходит проблема изучения магнитного и обменного взаимодействий между нанослоями ферромагнитных гетеросистем типа Fe - Si, Fe - Mo, EuO - Co, EuS - PbS: исследование физической природы различных связей;

- анализ влияния взаимодействий на свойства как отдельных слоев, так и гетеросистемы в целом;

- классификация связей по характеру действия, физической природе, интенсивности и другим параметрам.

Вначале достаточно подробно изучалось влияние магнитных взаимодействий на процессы перемагничивания многослойных магнитных пленок, разделенных немагнитными прослойками. Эти взаимодействия имеют магнитостатическую природу и возникают из-за полей рассеяния, что является следствием формы и волнистой топографии поверхностей составных магнитных слоев. Параллельно исследовалось влияние обменной связи на импульсное и квазистатическое перемагничивание мультислойных ферромагнитных систем без прослоек [8].

В результате действия этих связей магнитное состояние одного слоя изменяет состояние другого и поведение их в гетеросистеме оказывается взаимосвязанным. Это создает дополнительные степени свободы в многослойных структурах и открывает новые подходы к решению проблем, которые возникают при исследовании отдельных пленок. Важно как идентифицировать эти взаимодействия, так и выяснить различия в механизмах действия связей, а затем предсказать вытекающие из них эффекты и возможное практическое использование, например, в устройствах микроэлектроники. На первом этапе был реализован феноменологический подход, который позволил найти в различных взаимодействиях много общего и при теоретическом описании поведения - магнитно-связанных пленок использовать общий математический аппарат.

При ферромагнитном обмене между слоями их намагниченности располагаются параллельно друг другу. Такой тип связи, возникающий, например, между пленками из пермаллоя различного состава, называют положительным. «Отрицательная» обменная связь (намагниченности слоев ориентированы антипараллельно) может существовать в системах, состоящих из пленок EuS и NiFeCo. При этом в каждом слое упорядочение спинов ферромагнитное, а взаимодействие между металлами группы железа и редкоземельным металлом оказывается антиферромагнитным. Механизмы такой связи объяснили соотношением толщины связанных пленок и низким значением константы обменного взаимодействия в слое EuS, характер которого меняется с толщиной.

Другая структура с прямым обменным взаимодействием представляет собой две ферромагнитные пленки, связанные через промежуточный слабомагнитный слой. Здесь энергия связи растет линейно с уменьшением толщины прослойки и пропорциональна косинусу угла (cos#) между намагниченностями слоев. Такой же закон действует и в случае магнитостатической связи через поля рассеяния, когда намагниченности располагаются антипараллельно (связь отрицательная). Однако в многослойных системах можно наблюдать и «положительное» магнитостатическое взаимодействие. В этом случае поверхности контактирующих слоев имеют вид апельсиновой кожуры» и если топография пленок коррелированна, то замыкание потока приводит к положительной связи между намагниченностями о ферромагнитных слоев. Например, для толщины промежуточного слоя 100 А энергия связи имела величину порядка Ю-2 эрг!см2. Авторы работы [8], изучая двухслойные магнитные пленки с отрицательной обменной связью, отделили прямой обмен и связь через микроотверстия от эффекта апельсиновой кожуры. Найдено, что положительная связь между пленками пермаллоя и ЕиО при о толщине промежуточного слоя 33 А возникает благодаря этому эффекту. Другие случаи положительной связи с немагнитными промежуточными слоями можно объяснить или образованием мостиков через микропоры, или синтезом ферромагнитного материала вследствие диффузии.

Из анализа экспериментальных и теоретических исследований косвенного обмена между ферромагнитными пленками через поляризацию электронов проводимости следует, что для его наблюдения более перспективно использовать промежуточные слои из собственных полупроводников, а не из металлов. При этом косвенная обменная связь через электроны проводимости может быть как положительной, так и отрицательной. И хотя такие гетеросистемы уже вызывали большой интерес, соответствующих теоретических расчетов и экспериментальной проверки их до сих пор практически не проводилось. Во-первых, подобные исследования достаточно сложны, а во-вторых, такие наноразмерные гетеросистемы надо наращивать эпитаксиально, что требует более совершенной технологии, которая стала возможной позднее. Именно благодаря усовершенствованию старого ■ способа приготовления пленок испарением в вакууме и рождению из него современного метода выращивания тонких слоев - методом молекулярно-лучевой эпитаксии, удалось получить совершенные полупроводниковые гетероструктуры: одиночные гетеропереходы, изолированные потенциальные ямы, периодические и многослойные структуры. Они и определяют в настоящее время прогресс в твердотельной электронике, где характерные масштабы за последние полвека уменьшились на четыре порядка: от сотни микрометров до сотни ангстрем. В соответствующих многослойных и периодических наноструктурах (типа квантовых сверхрешеток) представляется возможность управления энергетическим спектром носителей заряда. Если характерные размеры полупроводниковых наноструктур (период сверхрешетки и ширина потенциальной, ямы) будут меньше, чем длина свободного пробега электрона, то вся электронная система перейдет в квантовый режим с пониженной размерностью [9]!.

Из всего разнообразия полупроводниковых сверхрешеток в работах [10] впервые было обращено внимание на спиновые гетеросистемы, образованные периодическим повторением одного и того же полупроводника, где одни слои легируются магнитными примесями, а другие - немагнитными. В таких структурах периодический сверхрешеточный потенциал возникает при наложении магнитного поля. В' дальнейшем еще больший интерес вызвали гетероструктуры, содержащие ферромагнитные полупроводники. О них впервые в достаточно полном объеме был представлен обзор экспериментальных результатов [72]. Научный интерес вызывают, прежде всего, такие ферромагнитные полупроводники, как моносульфид и монооксид европия (EuS и ЕиО), в которых существует сильная взаимозависимость электронной и магнитной подсистем. Это дает возможность целенаправленно изменять электрические, магнитные и оптические параметры ферромагнитных полупроводников внешними магнитным или электрическим полями. Наличие в них зависимости сдвига края оптического поглощения от степени ферромагнитного порядка и величины внешнего магнитного поля позволяет изменять концентрацию и подвижность электронов в зоне проводимости. Они поляризованы по спину почти на 100% из-за рекордного значения магнитного момента ионов европия ~7/лБ и величины намагниченности насыщения 47T<rs = 2,43 Тл в этих ферромагнитных полупроводниках. В гетероструктурах на их основе можно обеспечить высокую спиновую поляризацию тока эмиссии. Наличие в туннельном переходе ЕиО или EuS позволяет управлять пороговым напряжением с помощью внешнего магнитного поля, влияющего на спиновое расщепление зоны проводимости, и регулирующего энергетического высоту туннельного барьера. Уменьшение его эффективной высоты происходит из-за косвенного обменного взаимодействия в самом барьере, туннелирование через который энергетически предпочтительнее, чем сквозь ферромагнитный металл, так как концентрация электронов в ферромагнитном полупроводнике на несколько порядков ниже [11].

Однако специально теоретического анализа физики гетеросистем ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник (ФП — ПП) до сих пор практически не проводилось, и большинство экспериментальных результатов нуждаются в теоретическом моделировании и расчетах. И, прежде всего в установлении различных процессов взаимодействия, возникающих на гетеропереходах ФП — ПП при электронно-дырочном обмене под действием периодического потенциала сверхрешетки. Здесь возникает задача определения концентрации электронов на гетероконтакте ФП — ПП с учетом влияния на нее косвенного обмена, как следствие электрон-магнонного взаимодействия между подвижными носителями спина и намагниченностью ФП. Это необходимо учитывать при теоретическом анализе энергетических диаграмм гетеропереходов ФП - III 1, в расчетах минизонной структуры сверхрешеток типа ФП - ПП, при определении туннельной прозрачности с учетом спиновой поляризации электронов и особенностей зонной структуры EuO, EuS и их парамагнитных партнеров по гетероструктуре, а также при анализе энергетического спектра прямых и межъямных экситонов.

В связи со сказанным можно утверждать, что наноразмерные гетеросистемы на основе ферромагнитных металлов и полупроводников являются сегодня важным и актуальным направлением исследований. Однако классификация основных видов взаимодействия по физической природе, характеру их влияния, энергии связи и другим параметрам в таких системах еще далека от завершения. Гетеропереходы в них и анализ влияния взаимодействий на свойства нанослоев и структуры в целом с теоретических микроскопических позиций практически не учтены, хотя имеется большое число экспериментальных исследований, объясняющих результаты на основе макроскопического моделирования. Перенос в сторону таких исследований связан с большой сложностью теоретического анализа в подобных системах, требующих в расчетах из первых принципов вычисления многоцентровых кулоновских и обменных интегралов (подразумевающих привлечение теоретико-числовых методов), учета релятивистских эффектов и решения секулярных уравнений высокого ранга [12].

В настоящее время к группе ферромагнитных полупроводников относят не любые полупроводниковые материалы с атомным магнитным порядком, а только вещества, характеризующиеся сильной взаимосвязью магнитных и электрических свойств и, более того, ферромагнитное упорядочение в которых осуществляется с участием электронов проводимости (5-/-обменное взаимодействие). В этом случае круг магнитных' полупроводников ограничивается монохалькогенидами европия и халькогенидными шпинелями [13].

Теоретический интерес с широким практическим применением предстают наноразмерные гетеросистемы на основе нелегированных изоструктурных полупроводников с совпадающими постоянными решеток. В таких системах не происходит релаксация гетерограниц, не образуются дислокации несоответствия и отражение на гетеропереходе будет зеркальным [14]. Отсутствие рассеяния электронов с изменением направления спина на подобных дефектах, приводит к высоким значениям длины свободного пробега спина, что важно в свете использования спина электрона как носителя информации.

Важный практический и теоретический интерес представляет изучение условий образования прямых и межъямных экситонов в сверхрешетках на основе ферромагнитных и парамагнитных полупроводников типа халькогенид европия — халькогенид свинца. Вследствие локализации электронов и дырок в разных квантовых ямах таких систем можно существенно увеличить время жизни экситонных возбуждений и повысить их концентрацию. Последнюю можно увеличить и с помощью внешних электрического и магнитного полей, которые создают условия для получения самых нижних по энергии межъямных экситонов [5]. Анализ соответствующих исследований показывает, что в гетероструктурах на основе ферромагнитных полупроводников еще практически не исследовались процессы, происходящие в приповерхностной области гетерограницы и оптические свойства, связанные с образованием в них экситонов.

Между тем, спиновая инжекция ' поляризованных электронов из ферромагнитного полупроводника в парамагнитный способна приводить к радикальному изменению свойств последнего. В частности, возможно наблюдение поляризованной люминесценции. Наноразмерные системы стабилизируют экситонные состояния, делая их устойчивыми в широком диапазоне температур и внешних полей. Экситонная спектроскопия сегодня превращается в источник новых идей и средств для полупроводникового приборостроения, где используются свойства экситонного газа [15]. Время жизни триплетных возбуждений в ферромагнитных полупроводниках на много порядков выше, чем синглетных, что повышает роль триплетных экситонов в переносе энергии электронного возбуждения по кристаллу и увеличении их концентрации, так как ферромагнитный порядок из-за a-f — обменного взаимодействия в полупроводнике препятствует процессу переворота спина [16]. У межъямных экситонов происходит увеличение времени жизни вследствие локализации электронов и дырок в разных квантовых ямах и слабого перекрытия их волновых функций. Это также способствует повышению их концентрации. В гетеросистемах, например,. EuS-PbS, из-за большой разницы между диэлектрическими проницаемостями sPbS » sEuS происходит перераспределение электрической компоненты локального электромагнитного поля, что проявляется в усилении экситонов за счет взаимодействия с зарядами изображений [4].

В сверхрешетках, наряду с размерными эффектами, проявляются и туннельные, что связано с межъямным просачиванием электронов сквозь разделяющие их барьеры. Такие системы называют новым типом полупроводника из-за особенностей их зонной структуры, которая разбивается на минизоны под влиянием сверхрешеточного потенциала [17]. Это приводит к ряду свойств, отсутствующих у обычных полупроводников, например, отрицательному дифференциальному сопротивлению, обусловленному брегтовским отражением электронов от потенциального барьера на гетеропереходе.

К числу наиболее актуальных и перспективных проблем сегодня отнесены исследования, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик [11]. Начало новой электроники, базируется на физических эффектах, обусловленных спином, относят к открытию гигантского магнетосопротивления, которое наблюдали в тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся магнитных и парамагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные моменты в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антинаправлены [1]. Общим для таких устройств является то, что в них используется металл. Недостатки такого подхода - невозможность усиливать сигналы, сложность интегрирования с полупроводниками, сильное межэлектронное взаимодействие и, главное, спиновая поляризация в таких структурах не превышает 10%. Поэтому в настоящее время интерес смещается в сторону использования вместо ферромагнитных металлов ферромагнитных полупроводников, позволяющих получить практически 100 % спиновую поляризацию (теоретически допустимая степень спиновой поляризации электронов в ФП составляет 96 % и ограничена только естественным размытием функции распределения Ферми на «хвосте» плотности состояний электронов). Данное обстоятельство делает перспективным применение именно ФП, а не ферромагнитных металлов в структурах, предназначенных обеспечивать высокую спиновую поляризацию потока эмиссии, в том числе, в туннельных структурах. Кроме того, использование в качестве основы наноразмерной гетеросистемы ферромагнитных полупроводников дает возможность управлять зонной структурой сверхрешетки при помощи внешних полей [18].

С ферромагнитными полупроводниками связывают и один из путей микроминиатюризации полупроводниковых устройств для информационных технологий — переход к спинтронике, где возможна запись магнитной памяти до предельной плотности [11]. Реализация логических операций в таких приборах предполагает использование квантовых точек размерами порядка одного нанометра.

Первые наблюдения спин-поляризованного тока отмечались в работах JL Эсаки и др., при исследовании туннельного тока между двумя нормальными металлами, разделенными магнитным полупроводником EuS [19]. Сегодня перспективными системами для* получения высоких значений спиновой поляризации электронов выступают гетеросистемы ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник типа EuS-PbS, EuS-SmS и EuO-SrO. Данные исследования, преимущественно экспериментального характера, ориентированы на сохранение высоких значений спиновой поляризации. Следует отметить, что теоретический анализ гетеросистем на основе халькогенидных шпинелей весьма затруднен из-за сложной кристаллической структуры таких ФП. Поэтому теоретический интерес представляют наноразмерные гетеросистемы на основе нелегированных монохалькогенидов европия с простой кристаллической структурой (типа NaCl) в паре с парамагнитными сульфидами свинца, имеющими такую же кристаллическую структуры и постоянную решетки. В них отсутствует рассеяние электрона с изменением направления спина, что важно при анализе туннельных процессов в соответствующих сверхрешетках.

Объектом исследования данной работы являются наноразмерные гетеросистемы на основе ферромагнитных металлов и полупроводников.

Предмет исследования — влияние магнитного и обменного взаимодействий на свойства наноразмерных ферромагнитных гетеросистем.

Цели и задачи работы: 1. Исследование спиновой поляризации на поверхности ферромагнитных металлов, в диэлектрических прослойках мультислойных ферромагнитных структур типа Fe - Si, в наноразмерных гетеросистемах ЕиО — Со и EuO — SrO.

2. Анализ влияния магнитных взаимодействий на процессы перемагничивания и определение энергии связи этих взаимодействий в ферромагнитных мультислойных структурах Fe - SiO — Со, Со - SiO - Ni, Со - Ni и т.д.

3. Изучение механизмов влияния магнитных взаимодействий на магнитострикционные и гальваномагнитные параметры наноразмерных ферромагнитных гетероструктур на примере .Ni - SiO - Fe, Ni - SiO — Co, Fe -SiO - Co и т. д.

4. Исследование влияния косвенного обменного взаимодействия на минизонную структуру и энергетические диаграммы гетеросистем ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник EuS - PbS и EuS - SmS.

5. Анализ возможности получения спин-поляризованного транспорта в наноразмерных гетеросистемах на основе ФП и расчет туннельной прозрачности (ТП) и степени спиновой поляризации электронов (ССПЭ) в гетероструктурах EuS - PbS и EuS - SmS.

6. Исследование условий образования бозе-конденсата из триплетных экситонов высокой плотности и большим временем жизни в ферромагнитных слоях наноразмерных гетероструктур типа EuS - PbS с учетом влияния s - f обменного взаимодействия.

7. Изучение возможности формирования реальных наноразмерных ферромагнитных гетеросистем на основе ферромагнитных металлов и полупроводников и применение их в микроэлектронике.

Основные идеи работы.

Вначале, используя методы теории потенциального рассеяния и приближение эмпирического метода сильной связи, рассчитать распределение спиновой поляризации на поверхности ферромагнитных наноразмерных слоев, а затем, применяя метод функционала электронной и спиновой плотностей решить вариационную задачу для определения спиновой поляризации в тонких прослойках, разделяющих ферромагнитные слои. Это позволит оценить и конкретизировать механизмы влияния магнитного и обменного взаимодействий на различные параметры наноразмерных ферромагнитных гетеросистем.

Затем на феноменологическом уровне провести проанализировать влияние магнитных взаимодействий на процессы перемагничивания, стрикционные и гальваномагнитные свойства наноразмерных ферромагнитных гетеросистем, провести экспериментальную проверку этих расчетов, а также измерить величину энергии связи магнитного характера.

Далее, методом огибающей функции в приближении эффективной массы рассчитать минизонную структуру сверхрешеток типа ФП - ПП и определить влияние s - f - обменного взаимодействия, используя вариационный подход, на распределение электронов в области гетероперехода таких наносистем.

Проанализировать транспортные свойства наноразмерных гетероструктур ФП - ПП с учетом обменного взаимодействия и определить время жизни, силу осциллятора и плотность триплетных экситонов в ферромагнитных полупроводниковых прослойках сверхрешеток.

Научная новизна.

В ходе выполнения работы впервые:

1. Проведен отбор новых гетеропар: EuO - SrO, EuS - PbS и EuS - SmS, удовлетворяющих требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование менее 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией.

2. Проведены расчеты и анализ энергетических диаграмм гетеропереходов и минизонной структуры сверхрешеток на основе халькогенидов европия, самария и свинца с учетом влияния s - f - обменного взаимодействия.

3. Определена туннельная прозрачность и энергетический спектр сверхрешеток типа ФП — ПП для потенциала произвольной формы с учетом влияния интерфейсных состояний, флуктуаций магнитного порядка и обменного взаимодействия.

4. Дан теоретический анализ условий создания устойчивого- бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов, рассчитаны их энергия - связи, время жизни, сила осциллятора и плотность в наноразмерых гетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников.

5. Разработан и строго обоснован метод расчета кривых квазистатического ■ перемагничивания наноразмерных мультислойных ферромагнитных пленок с учетом магнитного взаимодействия (метод вращающихся астроид).

6. Разработан метод измерения энергии связи между ферромагнитными пленками с теоретическими расчетами и экспериментальной проверкой.

7. Проанализированы свойства наноразмерных гетероструктур на основе ФП с целью их использования в спинтронике, в устройствах экситонной спектроскопии и различных областях современной микроэлектроники.

8. Выделены- новые типы квантовых ям: магнитные квантовые ямы, закрытые квантовые ямы.

Практическая и научная значимость, полученных в диссертации результатов определяется тем, что:

- проведен отбор новых гетеропар ФП — 1111 с максимальным соответствием кристаллических параметров, которые могут быть использованы в спинтронике и экситонной спектроскопии;

- предложен новый метод расчета петель гистерезиса многослойных ферромагнитных пленок с учетом магнитного взаимодействия;

- предложен новый метод измерения, энергии связи для многослойных ферромагнитных пленок с магнитным взаимодействием;

- ряд теоретических методов, разработанных для определения ТП (потенциал произвольной формы) или энергии связи экситонов (комбинированный метод на основе теории возмущения и, вариационной процедуры), могут быть использованы при решении других задач квантовой теории конденсированного состояния вещества и физики полупроводников;

- определены параметры и условия применения наноразмерных гетеросистем на основе ферромагнитных металлов и полупроводников в различных областях микроэлектроники (в спиновых и оптических транзисторах, лазерах и в качестве запоминающих сред).

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического анализа энергетических диаграмм и зонной структуры наноразмерных гетеросистем на основе ФП — ПП с учетом влияния s-f -обменного взаимодействия.

2. Теоретические исследования и результаты анализа условий образования устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов в барьерных слоях из хальконида европия сверхрешоток.типа EuS-PbS.

3. Методы теоретических исследований и результаты расчетов туннельной прозрачности сверхрешеток типа ФП - ПП для потенциала произвольной формы с учетом спиновой поляризации электронов и влияния интерфейсных состояний, флуктуаций магнитного порядка и s-f -обменного взаимодействия

4. Метод расчета кривых квазистатического перемагничивания мультислойных ферромагнитных пленок с учетом влияния магнитного взаимодействия.

5. Метод измерения энергии связи между ферромагнитными слоями многослойных наноразмерных гетеросистем.

6. Методы исследования и результаты анализа распределения спиновой поляризации в наноразмерных гетеросистемах на основе ферромагнитных металлов и полупроводников.

7. Результаты теоретического анализа свойств наноразмерных гетероструктур на основе ФП с целью их применения в спинтронике, устройствах экситонной спектроскопии и приборах микроэлектроники.

Краткое содержание работы.

Во введении обосновывается- актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, ее научная и практическая значимость, перечисляются те результаты, которые являются новыми, приводятся, основные положения, выносимые на защиту, отражена структура, объем и содержание диссертационной работы.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому анализу спинового распределения в наноразмерных гетеросистемах на основе ферромагнитных металлов и его влиянию на процессы квазистатического перемагничивания двухслойных ферромагнитных пленок, магнитострикцию и гальваномагнитные свойства таких структур. Предложен новый метод расчета петель гистерезиса двухслойных пленок' с учетом магнитостатического взаимодействия неелевского типа и размагничивающих полей формы пленок. Они сравниваются с петлями гистерезиса, полученными экспериментально с помощью эффекта Фарадея.

Распределение спиновой поляризации на поверхности ферромагнитных слоев и в диэлектрических прослойках проведено в приближении сильной связи и методам функционала электронной и спиновой плотностей.

В этой главе предложен метод измерения энергии взаимодействия между магнитными слоями. Даны теоретические расчеты этой связи и экспериментальные результаты ее измерения для двухслойных пленок различного состава, например Ni — SiO — Fe, Fe - SiO - Co и. т.д.

В заключении главы представлены экспериментальные результаты измерения магнитострикции и гальваномагнитных параметров двухслойных ферромагнитных пленок типа Со -Ni, Co-SiO-Ni, Fe -SiO-Co. Показано, что магнитное взаимодействие и электронный обмен существенно влияет на эти параметры наноразмерных структур.

Во второй главе диссертации представлены теоретические расчеты энергетических диаграмм гетеропереходов ФП -1111 в сверхрешетках типа EuS-PbS и EuS - SmS в рамках диффузионной модели Андерсона. Затем в этих расчетах было учтено влияние косвенного s — f — обменного взаимодействия, и соответствующий теоретический анализ энергетических диаграмм был проведен вариационным методом в комбинации с теорией возмущения.

Оказалось, что из-за влияния обменного взаимодействия электронная и спиновая плотности в области гетероперехода ФП — 1111 существенно изменяются. Это приводит к изменению размеров ферромагнитных участков и другому чередованию их с парамагнитными полосами в сверхрешетках.

В этой главе проведен расчет минизонной структуры сверхрешеток PbS — EuS и EuS — SmS в рамках метода огибающей функции в приближении эффективной массы. Применение граничных условий для огибающих F(z) позволило вычислить зонную структуру сверхрешеток после решения уравнения Шредингера с одномерно-периодическим потенциалом V{z) в зоне проводимости. Из-за полного согласования постоянных решеток ФП и ПП границы между слоями являются резкими, что позволило рассматривать потенциал как совокупность прямоугольных ям. Его влияние приводит к расширению энергетических уровней в квантовых ямах (слои PbS) в мини-зоны, ширина которых была получена из численных расчетов для композиционных систем с определенной толщиной слоев сверхрешеток.

При детальном анализе минизонной структуры сверхрешеток EuS - PbS и EuS - SmS возникает необходимость учета в таких системах образования нового типа квантовых ям: магнитных квантовых ям, образующихся под влиянием s — f — обменного взаимодействия и закрытых квантовых ям, которыми следует считать энергетические области из 4/ - полос в ферромагнитных барьерах, так как они находятся между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны. Причем под влиянием сверхрешеточного потенциала / - уровни размываются в минизоны.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния обменного взаимодействия и ферромагнитного порядка на туннельные процессы в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников.

Решались задачи: определение туннельной прозрачности для разного направления спина туннелирующего электрона и нахождение величины спиновой поляризации электронов в гетеросистеме. При этом анализировалось влияние на туннельные свойства сверхрешеток EuS-PbS различных локализованных состояний. В роли периодических рассеивающих центров выступали 4/ - состояния европия. В расчетах учитывалось попадание энергии туннелирующего электрона в область энергий 4/ - состояний или достаточное удаление от неё. Вначале туннельная прозрачность определялась для нерезонансной области в рамках модели Кронига — Пенни, а 4/-состояния рассматривались как донорные примесные уровни. В расчетах учитывалось внутреннее обменное поле, связанное с ферромагнетизмом слоев, образующих барьер (EuS). Система уравнений для определения коэффициентов при функциях в области барьеров, и квантовых ям решалась с помощью метода трансферных матриц, которые переносят эти решения через границу яма -барьер. На основании проведенных вычислений показано, что вклад нерезонансного туннелирования по 4/- состояниям в барьере увеличивает общую туннельную прозрачность.

В этой главе проведен анализ влияния флуктуаций ферромагнитного порядка на спин-поляризованный транспорт- в сверхрешетках типа ФП — ПП и рассмотрено их действие на величину туннельной прозрачности. В случае предельно медленных флуктуаций обменного поля туннелирование является квазиупругим и прозрачность барьера имеет двухпиковую структуру. Когда их частота возрастает, туннелирование становится неупругим и прозрачность имеет вид лоренцевского пика.

Результаты расчетов показали, что в сверхрешетках PbS-EuS, когда слои EuS находятся в ферромагнитном состоянии, электронный транспорт будет всегда поляризован по спину. Вырожденное состояние слоев PbS позволяет получать поток спин-поляризованных электронов высокой плотности.

В зависимости от соотношения времени флуктуации магнитного момента и времени жизни в резонансном состоянии туннельная прозрачность в гетеросистеме на основе ферромагнитного полупроводника может быть как вырожденной по спину (случай предельно быстрых флуктуаций) так и расщепленной по спину (случай предельно медленных флуктуаций).

Далее проводится моделирование транспортных свойств сверхрешеток на основе магнитного полупроводника в рамках формализма вторичного квантования. Было определено влияние состояний локализованных в области гетероперехода на энергетический спектр гетеросистемы. Показано, что для решения данной задачи необходимо знать спектр состояний, локализованных вблизи гетерограницы, детальные расчеты которого были проведены в следующей главе.

Четвертая глава посвящена анализу энергетического спектра состояний локализованных в области гетероперехода. Задача решается в рамках многозонной модели Кейна, базирующейся на использовании метода сильной связи. Вначале проведено моделирование гетероперехода структур EuS - PbS и EuS - SmS с использованием слоевых орбиталей. Матричные элементы соответствующего модельного гамильтониана определялись путем сравнения экспериментальных и теоретических значений. Вначале туннельный и энергетический спектры рассчитывались без учета локализованных состояний. Их влияние на транспортные свойства в области гетероперехода анализировались методом функций Грина. Этот подход использовался при оценке влияния интерфейсных состояний на энергетический спектр и туннельную прозрачность гетеросистем EuS - PbS и EuS - SmS. Обобщение прямоугольной модели Кронига-Пенни на случай потенциала произвольной формы позволило в рамках метода трансферных матриц предусмотреть квантовые размерные эффекты в области приповерхностного заряда. В этом случае расчет энергетического спектра и туннельной прозрачности рассматриваемых гетероструктур можно было провести с учетом искривления зон вблизи гетеропереходов.

В данной главе также определено влияние инверсионных состояний на туннельный и энергетический спектры гетероструктур EuS-PbS и EuS—SmS. Расчет выполнен в рамках метода трансферных матриц путем обобщения модели на произвольную форму сверхрешеточного потенциала. Показано, что для толстослойных гетеросистем энергетический и туннельный спектры в области дна зоны проводимости будут иметь особенности, обусловленные состояниями, локализованными на границе приповерхностнго заряда.

В пятой главе диссертации исследуются условия образования триплетных прямых и межъямных экситонов и анализируется влияние на их энергию связи, время жизни, силу осциллятора и плотность обменного взаимодействия. В расчетах экситонного спектра используются гамильтонианы (для прямых и межъямных экситонов), где учитывается s-f-обменное взаимодействие. Волновые функции подбирались в виде линейной комбинации одночастичных функций с определенной локализацией дырки и электрона. При определении вариационного параметра, входящего в эти функции использовался метод теории возмущения в комбинации с вариационной процедурой решения уравнения Шредингера с соответствующим гамильтонианом, где малой величиной считалась энергия обменного взаимодействия.

Показано, что ограничение в плоскости квантовых ям позволяет получить достаточных критических плотностей экситонов. Это будет проявляться в росте экситонного рассеяния в наиболее низкие энергетические состояния в соответствие с их бозовской природой. А если электрон и дырка, локализуются, в разных слоях, то перекрытие волновых функций будет слабым и вероятность взаимной аннигиляции понизится.

Из анализа наноразмерной гетеросистемы типа ФП - 1111 следует, что они могут иметь широкое практическое приложение в приборах экситонной спектроскопии, оптических модуляторах, оптических транзисторах и лазерах, построенных на свойствах экситонного газа.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Основные выводы и результаты работы

1. Методом функции Грина в приближении сильной связи и методом функционала электронной и спиновой плотности проведены расчеты распределения спиновой поляризации на поверхности ферромагнитного металла, например Ni, в диэлектрических прослойках многослойных ферромагнитных пленок типа Fe — Si и наноразмерных ферромагнитных гетеросистемах ЕиО - Со и EuO - SrO .

В приповерхностной области ферромагнитного металла степень спиновой поляризации электронов выше, чем в объеме. Это связано с понижением их плотности, сужением d — зоны и перетеканием электронов между поверхностными и объемными атомами при выравнивании уровня Ферми. Электроны, поляризованные по спину, затягиваются диэлектриком из-за снижения электростатического притяжения электронов к поверхностной области ферромагнетика, обедненной электронами. Между ферромагнитными о слоями, разделенными диэлектриком толщиной порядка 10 А, благодаря затягиванию» поляризованных электронов диэлектрической средой, устанавливается обмен электронами с сохранением спиновой поляризации.

2. Разработан и строго обоснован метод расчета кривых квазистатического перемагничивания двухслойных ферромагнитных пленок с магнитостатическим взаимодействием между слоями. Результаты теоретических расчетов подтверждены экспериментальными данными.

Разработан и строго обоснован экспериментальный метод измерения энергии магнитного взаимодействия между наноразмерными ферромагнитными слоями. С помощью него проведено измерение энергии связи в двухслойных ферромагнитных пленках различного состава — основы наноразмерных гетеросистем.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния магнитного и обменного взаимодействий на магнитострикционные и гальваномагнитные параметры двухслойных ферромагнитных пленок. Они дали дополнительные сведения об упругих, электрических и магнитных свойствах наноразмерных ферромагнитных гетеросистем. Эти структуры не только суммируют свойства отдельных пленок, но и обладают рядом новых свойств, связанных, например, с появлением подзон в энергетическом спектре s — и d -электронов. Знак эдс Холла и величина поля насыщения диктуются свойствами более толстого слоя, так как его проводимость выше и обменная связь в меньшей степени изменяет его магнитную структуру. Одной из причин увеличения эффекта Холла в двойных системах является возрастание эффективной намагниченности, происходящее из-за обменного и магнитного взаимодействий.

4. Осуществлен отбор новых гетеропар: EuS - PbS, EuO - SrO и EuS -SmS, удовлетворяющих требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (рассогласование'составляет 0,17%, 0,41% и 0,01%, соответственно, при допустимом значении 0,5%) и обладающих одинаковой сингонией. Это обеспечило практически идеальный гетеропереход с низкой плотностью поверхностных состояний и дислокаций несоответствия, что позволило использовать в расчетах энергетических диаграмм гетеропереходов диффузионную модель Андерсона и принимать рассеяние электронов на границах сверхрешеток ФП - ПП зеркальным в расчетах туннельной прозрачности; применять в анализе влияния обменного взаимодействия на энергетический спектр, распределение спиновой и электронной плотностей в области гетеропереходов метод огибающих функций и вариационные процедуры.

5. Проведены расчеты энергетических- диаграмм гетеропереходов" EuS — PbS и SmS — EuS на базе модели Андерсона и вариационным методом дана оценка влияния s — f — взаимодействия на распределение электронной и спиновой плотностей в области гетерограницы ФП — 1111. Определены размеры ферромагнитных участков и высота барьеров на переходах EuS — PbS и EuS — SmS.

На основе метода огибающих функций с учетом влияния обменного взаимодействия рассчитана минизонная структура сверхрешеток EuS - PbS и EuS - SmS.

Показано, что благодаря s — f —обменному взаимодействию и наличию

6 7

4/ - и 4/ -уровней в запрещенных зонах SmS и EuS, соответственно, источником спин-поляризованных электронов может быть и слой халькогенида самария, так как на гетерогранице ионы последнего переходят в магнитноактивное состояние 4/6 —» 4/5 + е.

Анализ минизонной структуры сверхрешеток ФП - ПП показал, что благодаря обменному взаимодействию в них, образуется новый тип квантовых ям: магнитных и закрытых. Они существенно влияют на туннельную прозрачность систем ФП - ПП и спин-поляризованный транспорт электронов.

6. Методом трансферных матриц и методом сильной связи проведены расчеты туннельной прозрачности гетеросистем ФП - ПП с учетом влияния обменного взаимодействия. Дана оценка условий резонансного и нерезонансного туннелирования при наличии 4/ - состояний. Показано, что главный резонансный вклад в проводимость через 4/-зону дают только электроны, имеющие соответствующее направление спина.

В рамках метода функций Грина рассчитано влияние магнитного порядка на туннельные характеристики гетероструктур ФП — ПП и показано условие вырождения двухпиковой структуры в лоренцевскую.

Также учтено влияние инверсионных состояний на туннельную прозрачность и энергетический спектр этих гетеросистем. Расчеты для этих состояний проведены путем обобщения модели Кронига - Пенни на случай потенциала произвольной формы.

Результаты этого анализа корректны и применимы в технике проектирования устройств спиновой информатики и спиновых транзисторов, где используется спин — поляризованный ток.

7. Теоретико-групповыми методами изучены условия образования прямых и межъямных экситонов в сверхрешетках ФП —1111 и показано влияние обменного взаимодействия на энергию свзязи и другие параметры подобных коллективных возбуждений. Оценено воздействие внутреннего магнитного поля на время жизни и спектр межъямных экситонов, находящихся в триплетном состоянии со временем жизни много большем синглетного.

Установлено, что плотность таких экситонов возрастает до 10й см-3 и создаются условия для образования в таких системах устойчивого бозе-конденсата из прямых и межъямных экситонов до температур 16 К. Результаты этих исследований могут быть использованы в экситонной спектроскопии.

Заключение

В первой главе проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния магнитного и обменного взаимодействий на свойства наноразмерных гетеросистем на основе ферромагнитных металлов: вначале проанализировано распределение спиновой поляризации на поверхности ферромагнитных пленок, в диэлектрических прослойках многослойных магнитных структур и в области гетеропереходов; затем дана теоретическая оценка влияния этих взаимодействий на перемагничивание, магнитострикционные и гальваномагнитные параметры * двухслойных ферромагнитных пленок с экспериментальной проверкой этих расчетов, а также предложены метод измерения энергии таких взаимодействий и метод расчета петель гистерезиса, получившие строгое обоснование.

Во второй части работы проведен теоретический анализ влияния обменного взаимодействия на энергетические диаграммы и зонную структуру сверхрешеток на основе ферромагнитных полупроводников: прежде всего проведен качественный отбор гетеропар (ферромагнитный полупроводник — парамагнитный полупроводник), удовлетворяющих требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток и обладающих одинаковой сингонией; построены энергетические диаграммы на основе диффузинной модели Андерсона и минизонная структура гетеросистем EuS-PbS и SmS- EuS; даны теоретические расчеты влияния обменного взаимодействия на их энергетические структуры, а также электронную и спиновую плотности в этих системах; показаны причины и условия образования нового типа квантовых ям в подобных сверхрешетках: магнитных квантовых ям и закрытых квантовых ям;

Проведенные в третьей главе теоретические расчеты туннельной прозрачности гетеросистем EuS-PbS и EuS- SmS методами трансферных матриц и методом сильной связи показали: наряду с процессами электронного транспорта по состояниям зоны проводимости, заметную роль играют переходы, связанные с туннелированием по 4/-уровням. При этом главный резонансный вклад в проводимость через 4/-зону дают только электроны, имеющие соответствующее направление спина. В» расчетах I туннельной прозрачности учтено также влияние обменного взаимодействия и определена степень спиновой поляризации электронов в подобных системах. проанализировано действие флуктуаций ферромагнитного порядка на спин-поляризованный транспорт в сверхрешетках типа ФП - ПП с использованием метода вторичного квантования. В четвертой главе гетерострукутры типа ФП — ПП описаны в рамках многозонной модели Кейна, базирующейся на методе сильной связи: определены туннельный и энергетический спектры гетероструктур без учета влияния локализованных состояний; изучено действие интерфейсных состояний на транспортные и минизонные параметры сверхрешеток на основе ферромагнитных полупроводников; дан анализ влияния инверсионных состояний на туннельный и энергетический спектры гетероструктур EuS—PbS и EuS—SmS. Проведены расчеты для барьерного потенциала произвольной формы. Все это позволяет, считать, что гетеросистемы ФП — ПП пердставляют большой практический интерес как материалы для «спиновых сверхрешеток», где возможна фильтрация электронов с разными проекциями спина.

Из теоретического анализа, проведенного в пятой главе, следует, что в наноразмерных гетеросистемах на основе ферромагнитных полупроводников благодаря обменному взаимодействию, разности диэлектрических проницаемостей, составляющих сверхрешетку ФП — ПП слоев, а также пространственных ограничений создаются условия для образования самых нижних энергий прямых и межъямных экситонов, а значит и образование из них бозе-конденсата высокой плотности.

Показанные особенности наноразмерных гетеросистем на основе ферромагнитных металлов и полупроводников, многие свойства которых определяются влиянием магнитного и обменного взаимодействий, свидетельствуют о широких возможностях их использования при создании современных устройств наноэлектроники. Сегодня при конструировании приборов высокочастотной микроэлектроники широко используются полупроводниковые гетероструктуры. В таких устройствах необходимо контролируемым образом создавать высокие концентрации электронов в ограниченных областях. В сверхрешетках на основе ферромагнитных (EuS) и парамагнитных (PbS) полупроводников высокую и, регулируемую концентрацию носителей можно создать в нанослоях халькогенида свинца, которые становятся потенциальными ямами между барьерами из широкозонных сульфидов европия. При этом максимальные скорости электронов в слоях PbS могут достигать 3-Ю7см/с.

Далее, частотный диапазон и быстродействие приборов определяется инерционными свойствами полупроводников. В полевых транзисторах эти характеристики зависят от управления проводимостью канала с помощью эффекта поля. Основные параметры (удельная крутизна и предельная частота) их можно улучшить, в частности, уменьшением длины канала и снижением паразитных сопротивлений. Это связано с подвижностью носителей заряда в канале и диэлектрическими свойствами широкозонного гетерослоя, который создает барьер, препятствующий инжекции электронов из канала.

Если активный канал легировать донорами, то возрастет значение крутизны, но тогда будет недостижима максимально высокая подвижность электронов. Такой недостаток можно устранить при использовании ферромагнитной гетеросистемы EuS-PbS, так как увеличение концентрации носителей в канале PbS происходит за счет перетекания электронов из слоя ферромагнитного полупроводника EuS.

В отличие от однородных каналов, высокая удельная крутизна для гетероструктур EuS-PbS, достигается и благодаря постоянству эффективной толщины общего канала из слоев PbS и постоянству толщины подзатворного диэлектрика EuS. При этом сохраняется высокая подвижность электронов и скорость насыщения в халькогениде свинца.

Особо следует отметить, что в гетероструктурах из ферромагнитных и парамагнитных полупроводников модуляцию величины проводимости канала можно реализовать не путем изменения его толщины, а с помощью внешнего магнитного поля, которое влияет на приповерхностную концентрацию электронов в области гетероперехода типа EuS-PbS. При отсутствии поля ориентация намагниченностей соседних слоев EuS будет антиферромагнитной и плотность электронов в соответствующих слоях PbS будет существенно различаться. При этом ориентация спинов, переходящих из слоя EuS в слой PbS также будет различной. Действие внешнего магнитного поля приведет к ферромагнитному направлению намагниченностей слоев халькогенида европия, что создает одинаковую концентрацию носителей тока в каналах PbS, а спины электронов выстраиваются в одном направлении.

Гетероструктуры EuS-PbS являются средами, удобными для спинового токопереноса и создания на их основе спиновых полевых транзисторов и других устройств спинтроники, так как по симметрии и кристаллическим параметрам халькогениды свинца и европия практически совпадают. В "тоже время обменное поле, созданное ^/-состояниями в запрещенной зоне EuS, поляризует по спину электроны проводимости, переходящие в канал (PbS) с сохранением степени поляризации практически до 100%. Инжекция таких электронов переводит сульфид свинца в вырожденное состояние и приближает его проводящие параметры к металлическим. Этому способствует и большая величина статической диэлектрической проницаемости слоя ePbs=195, повышающая подвижность носителей тока до /л~ 106 см!в-с, так как кулоновское взаимодействие в халькогеииде свинца намного ниже, чем в других полупроводниках. При определенной величине напряженности магнитного поля спины электронов проводимости изменяют ориентацию, в результате чего сопротивление канала и значение тока также изменяются.

При проведении количественных расчетов, позволяющих описать характеристики прибора, исходя из подвижности электронов, учитывалось, что в рассматриваемом полевом транзисторе электрическое поле в канале может быть достаточно сильным, поэтому основным параметром будет не подвижность носителей, а их скорость. На основании этого был проведен расчет крутизны g, где проводящим каналом являлась сверхрешетка на основе полупроводников PbS и EuS. Оказалось, что она может достигать максимального значения -8-102 мСм/мм [137].

Гетеросистемы типа ФП - ПП могут широко использоваться при создании и других устройств современной наноэлектроники: в качестве запоминающей среды при термомагнитной записи информации; в устройствах СВЧ - электроники; при создании транзисторов с отсутствием рекомбинации в эмиттере; в фотоприемниках инфракрасного излучения; в полупроводниковых лазерах ИК- диапазона, в спинтронике и экситонной спектроскопии; в оптических транзисторах и лазерах, где используются свойства экситонного газа.

1. Кравченко В.Я. Поперечный электронный транспорт в слоистых металлических системах: Гигантское магнитосопротивление и инжекция спинов // ЖЭТФ. 2006. - Т. 129, вып. 5. - С. 955-962.

2. Добровицкий В.В., Звездин А.К., Попков А.Ф. Гигантское магнетосопротивление, спин-переориентационные переходы и макроскопические квантовые явления в магнитных наноструктурах // УФН. 1996. - Т. 166, № 4. - С. 439-446.

3. Ведяев А.В. Использование поляризованного по спину тока в спинтронике // УФН. 2002. - Т. 172, № 12. - С. 1458-1465.

4. Гиппиус Н.А. Влияние перераспределения электрического поля на электронные и оптические свойства наноструктур // УФН. 1997. — Т. 167, вып. 5.-С. 558-566.

5. Верцимаха А.В. Межъямные экситоны в полумагнитных полупроводниковых двойных квантовых ямах во внешнем магнитном поле // ФТТ. 2004. - Т. 46, вып. 5. - С. 919-923.

6. Меньшов В.Н., Тугушев В.В. Контактно-индуцированный магнетизм в наноструктурах на основе хрома с монослоями немагнитных металлов //ФТТ. 2006. - Т. 48, вып. 10.-С. 1883-1890.

7. Меньшов В.Н., Тугушев В.В. Индуцированные границы раздела состояния с несоизмеримой волной спиновой плотности в мультислояхтипа Fe/Cr II ФТТ. 2002. - Т. 44, вып 9. - С. 1650-1657. " ~

8. Иелон А. Взаимодействия в многослойных пленочных магнитных структурах // Физика тонких пленок. — М.: Мир, 1973. 228 с.

9. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Под. ред. Л. Чанга, К. Плога. М.: Мир, 1989. - 457 с.

10. Херман М.А. Полупроводниковые сверхрешетки. — М.: Мир, 1989.-513 с.

11. Борухович А.С. Особенности квантового туннелирования в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитные полупроводники // УФН. 1999. - Т. 169, №7. - С. 745-750.

12. Бехштедт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полупроводников. М.: Мир, 1990. - 485 с.S

13. Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. — М.: Наука, 1979.- 431 с.

14. Кремер Г. Квазиэлектрическое поле и разрыв зон. Обучение электронов новым фокусам // УФН. 2002. - Т. 172, вып. 9. -С. 1087-1101.

15. Сейсян Р.П. Спектроскопия диамагнитных экситонов. — М.: Наука, 1984.-256 с.

16. Агранович В.М. Теория экситонов. — М.: Наука, 1968. 382 с.

17. Силин А.П. Полупроводниковые сверхрешетки // УФН. — 1985. — Т. 147, вып. З.-С. 485 -521.

18. Овесюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука, 1984. -253 с.

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

20. Давыдов С.Ю., Марголин В.И. Намагниченность поверхности ферромагнетика // Поверхность. 1989. - № 2. - С. 5-12.

21. Nagaev E.L., Lazarev G.L. On the mechanism of chemiscorption on magnetic semiconductors // Surface Scientice. 1976. — V. 9. -P. 101 - 110.

22. Каутецкий Я., Фингерланд А. Расчет одноэлектронных квантовомеханических систем, включающих большую подсистему // Доклады Академии наук СССР. 1959. - Т. 125, № 4. - С. 841 - 844.

23. Schmeits M., Mazur A., Pollmann J. Scattering-theoretical method for relaxed and reconstructed surfaces with applications to GaAs (110) and Si (100) // Physical Review. 1983. - V. B27. - P. 5012- 5031.

24. Харрисон У. Электронная структура и свойства твердых тел. М.: Мир, 1983.-310 с.

25. Koutecky J. A method for the calculation of localization energies // Phys. Rev. 1960. - V.120. - P. 1212 - 1220.

26. Koutecky J. Surface states of a semi-infinite diamond crystal limited by the (100) plane // Czech J. Phys. 19'62. - V. В12. - P. 184.

27. Koutecky J., Tomasek M. Simple model of surface and chemisorption states on the (111) plane of ZnS type crystals // Surface Science. 1965. -V.3.-P. 333 - 347.

28. B. Djafari-Rouhani, L. Dobrzynski, M. Lannoo. Surface and interface states of (111) faces of semiconductors // Surface Science. 1978. -V. 11.-P. 24 - 36.

29. Меньшов B.H., Тугушев B.B. Межслоевая обменная связь в наноструктурах железо/кремний // ЖЭТФ. 2006. - Т. 130, вып 1 (7). -С. 89-105.

30. Меньшов В.Н., Тугушев В.В. Механизм межслоевой магнитной связи в наноструктурах типа железо-хром // ЖЭТФ. 2004. - Т. 125, вып. 1.-С. 136-149.

31. Электронно-статическая теория металлов и ионных кристаллов / Ухов В.Ф., Кобелева P.M., Г.В. Дедков и др. М.: Наука, 1982. - 160 с.

32. Вонсовский С.В. Магнетизм. -М.: Наука, 1971. 1032 с.

33. Магнитный резонанс в многослойных магнитных пленках системы Gd/Si/Co / Г.С. Патрин, В.О. Васьковский, А.В. Свалов и др. //ЖЭТФ. -2006. -Т. 129, вып. 1.-С. 150 155.

34. Гуденаф Д. Магнетизм и химическая связь. — М.: Металлургия, 1963.-325 с.

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

36. Головнев Ю.Ф., Панин В.А., Прохорова Т.А. Хемосорбция на поверхности магнитных халькогенидов // Труды XVIII Международного совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям. Тула, 2001. - С. 43 - 49.

37. Получение монокристаллических слоистых ферро-феритовых пленок и некоторые их магнитные свойства / Ю.Ф. Головнев, В.В. Левенко, А.И. Комалов и др. // Известия вузов. Сер. Физика. 1974. -№ 5. - С. 63- 67.

38. Pollmann J., Socrates Т. Pantelides. Scatter-theoretic approach to the electronic structure of semiconductor surfaces: The (100) surface of tetrahedlar semiconductors SiC>2 // Physical Review. 1978. - V. 18, № 10. -P. 5524-5543.

39. Dandekar N.V., Madhukar A., Lowy D.N. Study of the electronic structure of model (110) surfaces and interfaces of semi-infinite III-V compound semiconductors: The GaSb-InAs system // Physical Review. -1980.-V. 21, № 12.-P. 5687 -5691.

40. Kriiger P., Mazur A., Pollmann J. First-principles electronic structure theory for semi-infinite semiconductors with applications to Ge (001) and Si (001) // Physical Review Litters. 1986. - V. 57, № 12. - P. 1468 - 1471.

41. Шик А.Я. Сверхрешетки периодические полупроводниковые структуры // Физика и техника полупроводников. - 1974. - Т. 8, вып. 10.-С. 1841 - 1864.

42. Shik A.Ya., Shmartsev Yu.V. On the theory of non-ideal heterojuctions // Phys. Stat. Sol. 1981. - V. 64, № 2. - P. 723 - 734.

43. Доменная структура тонких (1-80 мкм) эпитаксиальных кристаллов никеля и кубического кобальта / Ю.Ф. Головнев, В.В. Левенко, А.И. Комалов и др. // Труды 6-го Международногоколлоквиума по тонким магнитным пленкам. Минск- 1974. — С.123 - 128.

44. Головнев Ю.Ф., Кудряшова И .Я. Плоский эффект Холла в двойных магнитных пленках // Труды Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений Красноярск, 1971. - С. 47-50.

45. Головнев Ю.Ф. Косвенный обмен в приповерхностной области магнитного полупроводника, контактирующего с металлом // Физика магнитных явлений: Труды XVI Всесоюзной конференции. Тула, 1983.-С. 105 - 107.

46. Головнев Ю.Ф., Савченко М.К. Анализ квазистатического перемагничивания двухслойных пленок с учетом влияния поверхностной энергии связи // Известия вузов. Сер. Физика. 1967. -№6.-С. 18-23.

47. Головнев Ю.Ф. Модель поверхности магнитного полупроводника // Новые магнитные материалы для микроэлектроники: Тезисы доклада IX Всесоюзной школы-семинара. Саранск. - 1984. - С.115.

48. Головнев Ю.Ф. Петли гистерезиса магнитостатически связанных двухслойных пленок // Известия вузов. Сер. Физика.- 1972. №~4. -С.24-31.

49. Головнев Ю.Ф., Прищева А.Г., Савченко М.К. Критические кривые магнитостатических связанных ферромагнитных пленок // Физика металлов и металловедение. — 1973. Т. 35, вып. 1. — С. 71-77.

50. Об измерении энергии связи в двухслойных ферромагнитных пленках / Ю.Ф. Головнев, И.Я. Ганжа, М.К. Савченко и др. // Известия АН СССР. Сер. Физика. 1967 . - Т. 31, № 5. - С. 779 -782.

51. Влияние толщины прослойки на энергию связи Неля двухслойных магнитных пленок /Ю.Ф. Головнев, И.Я. Ганжа, М.К. Савченко и др. // Известия вузов. Сер. Физика. — 1968. № 4-С. 29-37.

52. Головнев Ю.Ф., Канн С.В., Савченко М.К. Наблюдение доменной структуры в двухслойных магнитных пленках при помощи эффекта Фарадея // Аппаратура и методы исследования тонких магнитных пленок: Труды Всесоюзного симпозиума. Красноярск, 1968.-С. 21-27.

53. Головнев Ю.Ф., Савченко М.К. Измерения поля взаимодействия границ в двухслойных магнитных пленках // Аппаратура и методы исследования тонких магнитных пленок: Труды Всесоюзного симпозиума. Красноярск, 1968. - С. 34- 41.

54. Головнев Ю.Ф., Бессмертный А.В. Магнитострикционное взаимодействие в многослойных ферромагнитных пленках // Исследования в области физики конденсированного состояния вещества: Труды БИЕН БФ СОАН СССР. 1976. - Вып. 16. -С. 161- 165.

55. Головнев Ю.Ф., Добровольский Н.М., Надеждина Е.Е. Расчет кулоновских и обменных интегралов методом оптимальных коэффициентов // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. 2002. -Т. 8, вып. 1.- С. 29-40.

56. Головнев Ю.Ф., Кудряшова И.Я. Эффект Холла в двойных магнитных пленках // Исследования в области физики конденсированного состояния вещества: Труды БИЕН БФ СОАН СССР. 1976.- Вып. 16.- С. 166- 171.

57. Головнев Ю.Ф., Кудряшова И.Я. Плоский эффект Холла в двойных магнитных пленках // Исследование в области молекулярной физики: Труды БИЕН БФ СОАН СССР. 1971. - Вып. 3. - С. 36-43.

58. Головнев Ю.Ф. Распределение магнитных моментов на поверхности никеля // Физика магнитных явлений: Труды XVII Всесоюзной конференции. Донецк, 1985. - Т. 2. — С. 97-99.

59. Головнев Ю.Ф. Возрастание магнитного момента атомов никеля на поверхности пленки // Труды докладов XI Всесоюзной школы-семинара новых магнитных материалов микроэлектроники. — Ташкент, 1988.-С. 105 107.

60. Головнев Ю.Ф. Расчет магнитных параметров поверхности никеля методом функции Грина в приближении сильной связи // Физика магнитных явлений: Тезисы докладов XIX Всесоюзной конференции. Ташкент, 1991. - С. 41- 43.

61. Головнев Ю.Ф. Распределение спиновой поляризации в диэлектрической прослойке в двухслойной ферромагнитной пленке // Материалы 5-го Всероссийского координационного совещания педвузов по магнитным материалам. — Астрахань, 1989. С. 123 - 125.

62. Головнев Ю.Ф. Распределение магнитного момента в слоистых пленочных структурах // Труды докладов XII Всесоюзной школы-семинара новых магнитных материалов микроэлектроники. -Астрахань, 1992. С. 45 - 47.

63. Головнев Ю.Ф., Панин В.А., Прохорова Т.А. "Электронная структура границы раздела SrO-EuO // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. 2001. - Т.7, вып. 2. — С. 65- 69.

64. Головнев Ю.Ф., Панин В.А., Прохорова Т.А. Электронные состояния на гетерогранице Sr-EuO // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. — 2001. — Т. 7, вып. 2. — С.151-153.

65. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии // УФН. 2002. -Т. 172, №9.-С. 1068-1086.

66. Масюкова Н.И., Фарберович О.В. Теоретическое исследование электронной структуры и электрофизических свойств моносульфида самария // ФТТ. 1970. - Т. 12, вып. 10. - С. 2138 - 2145.

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

68. Голубков А.В., Гончарова Е.В., Жузе В.П. Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. Л.: Наука, 1973. - 323с.

69. Цидильковский И.М. Зонная структура полупроводников. М.: Наука, 1978.-328 с.

70. Королева Л.И. Магнитные полупроводники. — М.: Физический факультет МГУ, 2003. 312 с.

71. Самохвалов А.А. Магнитные редкоземельные полупроводники // Редкоземельные полупроводники. Л.: Наука, 1977. - 285 с.

72. Anderson R. L. Germanium-gallium arsenide heterojunctions // IBM Journ. Res. Dev. 1960. - V. 4. - P. 2832 - 2845.

73. Квантоворазмерные эффекты в люминесценции тонких пленок сульфида свинца и сверхрешеток PbS-EuS / И.В. Колесников, В.А. Литвинов, А.Ю. Сипатов и др. // ЖЭТФ. 1988. - Т. 94. - С. 239 - 242.

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

75. Милне А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл -полупроводник. М.: Мир, 1975. - 497 с.

76. Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В. Построение зонных диаграмм гетероперехода методом Андерсона и расчет зонной структурысверхрешетки PbS-EuS методом эффективной массы // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. Т. 10, вып. 3. - С. 31- 40.

77. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.B. Магнитные сверхрешетки на основе гетероструктуры EuS-PbS // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Труды XIX Международной школы-семинара. М.,2004.-С. 889- 891.

78. Головнев Ю.Ф., Ермолов А.В. Расчёт тунельной прозрачности магнитной гетероструктуры PbS EuS - PbS // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Труды XIX Международной школы-семинара. - М., 2004. - С. 892 - 894.

79. Kroemer Н. Theory of a wide-gap emitter for transistors // RCA Rev — 1957.-V. 18.-P. 332-338.

80. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.B., Ермолов А.В. Резонансное туннелирование в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: Тезисы докладов 4-ой Международной конференции — Саранск, 2003. — С. 95.

81. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.B., Ермолов А.В. Решение системы волновых уравнений для периодических структур методом трансферных матриц // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. 2003. - Т.9, вып.2. - С. 47 - 52.

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

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

84. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.B. Магнитные сверхрешетки на основе гетероструктуры EuS-PbS // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Материалы XIX Международной школы-семинара -М., 2004.-С. 889- 891.

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

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

87. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Квантовые магнитные ямы в сверхрешетках из магнитных и немагнитных полупроводников // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Сборник трудов XIX Международной школы семинара. - М., 2002. - С. 244 - 246.

88. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Расчёт зонной структуры сверхрешёток // Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Международной научной конференции. Тула, 2004. - С. 69 - 71.

89. Головнев Ю.Ф. Метод трансферных матриц для модели Кронига -Пенни при произвольной форме потенциала в приложении к сверхрешёткам // Современные проблемы математики, механики,информатики: Тезисы Международной научной конференции. Тула,2004.-С. 83 85.

90. Golovnev J.F., Nikolskaja L.V. Heterostructures from magnetic and paramagnetic semiconductors for spintronics // Physics of Electronic Materials: 2-nd International Conference Proceedings. — Kaluga, 2005. -V. 2.-P. 244-248.

91. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Механизм образования сверхрешетки ферромагнетик парамагнетик в гетероструктуре SmS — EuS // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Материалы XIX Международной школы-семинара. — М., 2004. -С. 424 - 426.

92. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Расчет зонной структуры сверхрешеток SmS EuS // Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. - Тула, 2004. - С. 69 - 71.

93. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Моделирование и расчет гетероперехода и сверхрешетки на основе моносульфидов самария и европия // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. 2004. - Т. 10, вып. 3. - С. 41 - 47.

94. Golovnev J.F., Paramonov A.V. Energy distribution of electrons in a superlattice from magnetic semiconductors SmS-EuS // Physics of Electronic Materials: 2-nd International Conference Proceedings. Kaluga,2005.-V. 2.-P. 313 317.

95. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Расчет зонной структуры в приближении огибающей функции для сверхрешеток из магнитных полупроводников // Известия ТулГУ. Сер. Математика, механика, информатика. 2002. - Т. 8, вып. 2. - С. 77 - 81.

96. Головнев Ю.Ф., Ермолов А.В. . Расчет энергетического спектра сверхрешетки PbS EuS // Физика и технология микро- и наноструктур: Материалы 7-ой научной молодежной школы по твердотельной электронике. - СПб., 2004. - С. 30.

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

98. Яковлев Ю.М., Меркулов А.И. Магнитные полупроводники для устройств функциональной электроники // Обзоры по электронной технике. Сер. Материалы. М.: Электроника. - 1983. - Вып. 9. — 310 с.

99. Golovnev J.F., Ermolov A.V. The analysis of zoned structure of a superlattice for spinpolarized transport // Physics of Electronic Materials: 2-nd International Conference Proceedings. Kaluga, 2005.- V. 2.-P. 309-313.

100. Дэвисон С., Левин Дж. Поверхностные (таммовские) состояния. — М.: Мир, 1973.-232 с.

101. Головнев Ю.Ф., Ермолов А.В. Изменение энергетического спектра сверхрешетки PbS EuS под влиянием состояний, локализованных на границах гетеропереходов // Известия ТулГУ. Сер. Физика. - 2005. - Вып. 5. - С. 83 - 103.

102. Головнев Ю.Ф. Ермолов А.В. Влияние 4/7-состояний ферромагнитного компонента на туннельную прозрачность гетероструктур SmS EuS // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Материалы XX Междунар. школы - семинара. -М., 2006.-С. 997-998.

103. Головнев Ю.Ф., Ермолов А.В. Спин-поляризованный транспорт в гетероструктурах PbS EuS и SmS - EuS // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: Тезисы докладов VI Международной конференции. - Кисловодск, 2006. - С. 104 - 105.

104. Ларионов А.В. Коллективное состояние межъямных экситонов в GaAs / AlGaAs двойных квантовых ямах при импульсном резонансном возбуждении // Письма в ЖЭТФ. 2002. - Т. 75. -С. 233 -235.

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

106. Гомбаш П. Проблема многих частиц в квантовой механике. М.: Изд. иностр. лит., 1953. - 276 с.

107. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.В. Экситоны в сверхрешетках PbS-EuS // Известия ТулГУ. Сер. Физика. 2005. - Вып. 5. -С. 104-110.

108. Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В. Прямые и межъямные экситоны в магнитных наноструктурах // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Материалы XX Междунар. школы-семинара. М., 2006.-С. 999- 1000.

109. Комаров А.В., Рябченко С.М. Магнитооптические исследования и двойной оптико-магнитный резонанс экситонной полосы в CdTe: Mn 2+ // ЖЭТФ. 1977. - Т. 73, вып. 2 (8). -С. 608 -618.

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

111. Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В. Расчет энергии связи триплетных экситонов в гетероструктурах PbS EuS // Тезисы докладов 7-ой Всероссийской молодежной конференции по физикеполупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. — СПб.-2005.-С. 15.

112. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.B. Применение сверхрешеток на основе ферромагнитных полупроводников в оптоэлектронных приборах // Опто-, нанотехнологии и микросистемы: Тезисы докладов VIII Международной конференции. Ульяновск, 2006. - С. 57.

113. Головнев Ю.Ф., Никольская JI.B. Прямые и межъямные экситоны в магнитных наноструктурах // Известия РАН. Сер. Физика. 2007. -Т. 71, № 11.-С. i664- 1666.

114. Головнев Ю.Ф., Лаковцев А.Б. Бозе-конденсация межъямных экситонов в сверхрешетках на основе ферромагнитных полупроводников // Актуальные проблемы физики твердого тела: Сборник докладов Международной научной конференции. Минск, 2007.-Т. 1.-С. 242 -243.

115. Головнев Ю.Ф., Нургулеев Д.А. Туннельная прозрачность многобарьерных структур EuS / PbS // Актуальные проблемы физики твердого тела: Сборник докладов III Международной научной конференции. Минск, 2007. - Т. 2. - С. 141-142.

116. Головнев Ю.Ф., Нургулеев Д.А. Одноэлектронный прибор на основе реализации процесса туннелирования в гетеросистемах типа EuS/PbS // Опто -, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды IX Международной конференции. Ульяновск, 2007. - С. 76.

117. Головнев Ю.Ф., Лаковцев А.Б. Оптические свойства квантово-размерных структур на основе ферромагнитных полупроводников // Опто -, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды IX Международной конференции. Ульяновск, 2007. - С. 205.

118. Головнев Ю.Ф., Ермолов А.В. Гетеросистема EuS-SmS и PbS-SmS-EuS как инжектор и детектор спин-поляризованных электронов // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды IX Международной конференции. Ульяновск, 2007.-С. 230. -----

119. Головнев Ю.Ф., Нургулеев Д.А. Резонансное туннелирование в гетероструктурах на основе ферромагнитных полупроводников // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Труды 50-й научной конференции МФТИ. — М., 2007. Т. 5. — С. 141-144.

120. Головнев Ю.Ф., Сидорова И.Г. Влияние ферромагнитного порядка на энергетическую диаграмму гетероперехода EuO-SrO1. Иг) (ш)

121. Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Труды 50-й научной конференции МФТИ. М., 2007. - Т. 5. -С. 149-152.

122. Головнев Ю.Ф., Абанин А.С. Расчет энергетической зонной диаграммы гетероперехода SmS-EuS // Современные проблемы фундаментальных и прикладных ' наук: Труды 50-й научной конференции МФТИ. М., 2007. - Т. 5. - С. 128-129.

123. Головнев Ю.Ф., Лаковцев А.Б. Экситоны в сверхрешетках на основе редкоземельных полупроводников // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Труды 50-й научной конференции МФТИ. М., 2007. - Т. 8. - С. 68-69.

124. Головнев Ю.Ф., Никольская Л.В., Парамонов А.В. Ферромагнитные гетеросистемы для полевых транзисторов // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: Труды 50-й научной конференции МФТИ. М.5 2007. - Т. 2. -С. 126-128.

125. Головнев Ю.Ф. Наноразмерные ферромагнитные гетеросистемы. Тула: Изд-во ТГПУ, 2007. - 262 с. ---

126. Golovnev J.F., Nikol'skaya L.V. Direct and Interwell Excitons in Magnetic Nanostructures // Bulletin of the Russian Academy of Scientices: Physics. 2007. - V.71, № 11.-P. 1623 - 1625.