Оптические явления магнитоиндуцированной пространственной дисперсии в полупроводниках и диэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗЖО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А. Ф. ИОФФЕ

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОИНДУЦИРОВ АННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ДИЭЛЕКТРИКАХ

Специальность - 01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Ржевский Алексей Александрович

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук Б. Б. Кричевцов

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ...................... 4

ГЛАВА I. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОИНДУЦИРОВАННОЙ

ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ В КРИСТАЛЛАХ 11

§1.1. Наблюдение явлений магнитоиндуцированной

пространственной дисперсии............. 11

§1.2. Тензор магнитоиндуцированной пространственной дисперсии в кубических кристаллах класса Td

и его свойства................... 20

§1.3. Невзаимное линейное двупреломление

в поперечной и продольной геометриях эксперимента ... 23

Выводы........................ 31

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА........... 33

§2.1. Методика поляриметрического измерения

невзаимного двупреломления............. 33

§2.2. Методика проведения полевых, угловых

и температурных измерений ............ 39

§2.3. Методика расчета параметров тензора диэлектрической

проницаемости.................. 43

§2.4. Параметры исследованных кристаллов......... 53

Выводы....................... 58

ГЛАВА III. НЕВЗАИМНОЕ ЛИНЕЙНОЕ ДВУПРЕЛОМЛЕНИЕ В ПОЛУМАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Cd!.xMnxTe, ZnbxMnxTe............... 59

Введение....................... 59

§3.1. Особенности зонной структуры

Cdi_xMnxTe, ZnbxMnxTe .............. 60

§3.2, Магнитные и магнитооптические свойства

Cdi_xMnxTe, Zni_xMnxTe............... 65

§3.3. Исследование невзаимного двупреломления

в Cdi_xMnxTe, ZnbxMnxTe.............. 74

§3.4. Механизмы невзаимного двупреломления

в Cdi.xMnxTe, Zni_xMnxTe.............. 83

§3.5. Теоретическое рассмотрение............. 92

Выводы....................... 99

ГЛАВА IV. НЕВЗАИМНОЕ ЛИНЕЙНОЕ ДВУПРЕЛОМЛЕНИЕ

В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ZnTe, CdTe, GaAs..... 101

Введение....................... 101

§4.1. Оптическое поглощение вблизи

фундаментального края в CdTe, ZnTe, GaAs....... 103

§4.2. Эффект Фарадея в CdTe, ZnTe, GaAs......... 105

§4.3. Исследование невзаимного двупреломления

в CdTe, ZnTe, GaAs................ 107

§4.4. Анализ микроскопических механизмов невзаимного

двупреломления в CdTe, ZnTe, GaAs......... 115

Выводы....................... 119

ГЛАВА V. НЕВЗАИМНОЕ ЛИНЕЙНОЕ ДВУПРЕЛОМЛЕНИЕ

В БОРАЦИТЕ C03B7O13I.............. 120

Введение....................... 120

§5.1. Структура C03B7O13I................ 121

§5.2. Диэлектрические, оптические и магнитные

свойства C03B7O13I................. 124

§5,3. Исследование невзаимного двупреломления

в C03B7O13I.................... 128

§5.4. Механизмы невзаимного двупреломления

в C03B7O13I.................... 137

Выводы........................ 141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................... 142

ЛИТЕРАТУРА..................... 144

ВВЕДЕНИЕ

Оптические свойства кристаллов определяются частотной и пространственной дисперсией показателя преломления. Пространственная дисперсия играет важную роль в кристаллооптике, так как при ее учете возможно появление качественно новых оптических явлений. Классическим примером этого служит явление оптической активности [1]. Большой интерес представляет исследование пространственной дисперсии при наличии внешних воздействий [2,3], в частности, магнитного поля. Как показывают немногочисленные пока еще работы, в кристаллах без центра инверсии учет пространственной дисперсии диэлектрической проницаемости при наличии внешнего магнитного поля, приводит к появлению новых невзаимных магнитооптических эффектов. Исследование этих явлений может дать важную информацию об оптических свойствах кристаллов.

При наличии внешнего магнитного поля в кристаллах любых классов группа симметрии которых не содержит операции пространственной инверсии, разрешены явления магнитоиндуцированной пространственной дисперсии (МИПД), связанные с линейным по волновому вектору света к и магнитному полю В вкладом в тензор диэлектрической проницаемости вц [4]. Эти явления могут наблюдаться как в области прозрачности, так и области поглощения. Несмотря на то, что возможность существования таких явлений предсказывалась теоретически довольно давно в [4-6], в настоящее время известно лишь несколько публикаций в которых сообщалось о наблюдении эффектов МИПД. К ним относится, так называемый, эффект «инверсии магнитного поля» [7-9], эффект магнитоиндуцированного вращения оптических осей кристалла [10,11], а также эффект невзаимного линейного двупреломления света [12,13]. Эти явления наблюдались в кристаллах Сс18, СёБе [7-11], ваАз [13], в окрестности экситонных резонансов, при низких температурах, а также в диэлектрике а-ЫЮз [12]. Интерес к исследованию явлений МИПД связан с тем, что в отличие от традиционных магнитооптических явлений, таких как, например, Фарадея, Керра и Фойгта, которые не чувствительны к структуре решетки, эффекты МИПД возможны

только в нецентросимметричных кристаллах и следовательно более чувствительны к кристаллической структуре. Это обстоятельство открывает новые возможности в исследовании механизмов взаимодействия света и особенностей зонной структуры нецентросимметричных полупроводников и диэлектриков. Следует отметить, что микроскопические механизмы явлений МИПД принципиально отличаются от обычных оптических явлений. Это ясно уже из того, что для существования оптической активности нужно нарушить только операцию пространственной инверсии, для линейных магнитооптических эффектов, таких как эффект Фарадея и Керра, только инверсию времени, а для существования явлений МИПД необходимо нарушить одновременно и операцию обращения времени и пространственную инверсию. Это может быть реализовано либо приложением магнитного поля к нецентросимметричному кристаллу, либо проявлением нецентросимметричной магнитной структуры в кристалле с центром инверсии.

Исследование МИПД является важным также и в практическом плане. Исследование МИПД в полупроводниках дает возможность определить ряд фундаментальных зонных параметров, связанных с отсутствием инверсионной симметрии в кристалле. Кроме того, чувствительность явлений МИПД к кристаллической структуре открывает новые возможности для их использования при ориентации кристаллов и оценки их качества. Таким образом, исследование МИДП представляет интерес как с чисто научной, так и практической точек зрения, что делает актуальной задачу поиска и детального исследования этих явлений в широком классе материалов.

Целью данной работы является поиск и исследование явлений магнитоиндуцированной пространственной дисперсии в кубических нецентросимметричных полупроводниках и диэлектриках, и выявление их микроскопических механизмов.

В качестве объектов исследования были выбраны кубические кристаллы класса Тй:

1. кристаллы полумагнитных полупроводников С(1|_хМпхТе (0.25<х<0.52), гпЬхМпхТе (х=0.31)

2. классические полупроводники ZnTe, Сс1Те, ОаД.я.

3. диэлектрик С03В7О131.

Выбор полумагнитных полупроводников определялся тем, что они характеризуются гигантскими значениями линейных и квадратичных магнитооптических явлений, и следовало ожидать усиления явлений МИДП в этих материалах. Кроме этого, полумагнитные полупроводники являются перспективными материалами для создания магнитооптических устройств видимого и инфракрасного диапазона.

Кристаллы СсГГе, ZnTe, СаА$ являются модельными полупроводниками. Исследование явлений МИГТД в этих полупроводниках представляет самостоятельный интерес и дает возможность лучше понять механизмы явлений МИПД. Эти полупроводники и смешанные соединения на их основе широко используются при создании различного рода оптических устройств.

Наряду с полупроводниками исследовался диэлектрик борацит С03В7О131. Интерес к кристаллам борацитов обусловлен их необычными диэлектрическими, магнитными, структурными и оптическими свойствами, а также тем, что до настоящего времени исследования МИПД в парамагнетиках не проводилось.

Выбор кристаллов кубического класса Та не случаен и определялся следующими обстоятельствами. Во-первых, эти кристаллы являются оптически изотропными в отсутствии внешних воздействий. Наличие одноосной анизотропии, как, например, в случае кристаллов С(18, СёБе (С(,у), может осложнить наблюдение малых по величине эффектов МИПД на фоне большого естественного двупреломления. Во-вторых, в отличие от кристаллов других нецентросимметричных классов, в классе Та оптическая активность запрещена. Как показано в работах [11,14] в нецентросимметричных кристаллах комбинация оптической активности и эффекта Фарадея в некоторых случаях может приводить к оптическим явлениям линейным по к и В, не связанных с проявлением магнитоиндуцированной пространственной дисперсии. Это обстоятельство ограничивает экспериментальные возможности выбором только одной определенной геометрии эксперимента. В кристаллах кубического класса Та таких ограничений нет.

Механизмы явлений магнитоиндуцированной пространственной дисперсии зависят от того, какие оптические переходы являются определяющими. В случае если мы имеем дело с межзонными или экситонными переходами, как в полупроводниках, то механизмы МИПД связаны с присутствием линейных по квазиимпульсу () или билинейных по (] и В вкладов в эффективный гамильтониан электронов, дырок, или экситонов [10,15,22]. В отличие от полупроводников в диэлектрике бораците С03В7О131 мы имеем дело с локальными электронными переходами внутри 3(1 оболочки ионов Со и механизмы МИПД могут быть обусловлены проявлением магнитоэлектрического взаимодействия на оптических частотах и квадрупольного взаимодействия [58,61]. Исследование МИПД в С03В7О131 дает возможность определить величину индуцированной внешним магнитным полем магнитоэлектрической восприимчивости, выделить вклад квадрупольных переходов и оценить величину новых комбинаций матричных элементов оптических переходов.

В работах [10,13,22] экспериментальное изучение различных проявлений МИПД было основано либо на измерении интенсивности сигнала просветления образца [10,13], помещенного между скрещенными поляризаторами или по наблюдению сдвига интерференционных полос [22], в магнитном поле. Строго говоря, такие эксперименты не могут однозначно доказать нечетности наблюдаемого явления относительно волнового вектора света к. Кроме этого методика спектринтерференционного анализа, использованная в [22], ограничена возможностью изучения тонких образцов толщиной порядка нескольких мкм. В этой связи важным является выбор метода исследования. В настоящей работе для исследования такого проявления МИПД, как эффект невзаимного линейного двупреломления света, была применена методика лазерной поляриметрии [66]. Данная методика, обладая высокой чувствительностью и точностью, дала возможность исследования дисперсии, полевых зависимостей и вращательной анизотропии невзаимного двупреломления в объемных кристаллах. Изучение полевых зависимостей невзаимного двупреломления при изменении направления распространения света на противоположное позволило строго доказать нечетность явления по волновому вектору света к, а также произвести разделение нечетного и

четного по магнитному полю вкладов в двупреломление. В свою очередь проведение азимутальных измерений дало возможность исследовать характер магнитооптической анизотропии невзаимного двупреломления и определить значения макроскопических параметров, информацию о которых нельзя получить, основываясь лишь на дисперсионных измерениях в одной определенной геометрии эксперимента [13].

Основные положения выносимые на защиту и их новизна:

1. Теоретически исследованы ориентационные зависимости главных направлений и величины невзаимного линейного двупреломления, обусловленного МИПД, в кубических кристаллах класса Та при различных направлениях волнового вектора к и магнитного поля В.

2. Разработан метод измерения невзаимного линейного двупреломления, изучения его анизотропии, определения параметров А и ^ описывающих вклад членов типа к^В-, в диагональные и недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости 8у(ш,к,В), и доказательства нечетности наблюдаемого явления относительно волнового вектора света к.

3. Впервые исследовано явление невзаимного линейного двупреломления в полумагнитных полупроводниках Сс^-Мп-Де, 2п^хМпхТе. Показано, что вблизи края фундаментального поглощения явление характеризуется большой величиной и сильной анизотропией. Определена дисперсия параметров А и В полупроводниках Сф.хМпхТе, 2п1_хМпхТе невзаимное двупреломление обусловлено присутствием ионов Мп2+. Предложена микроскопическая модель, основанная на рассмотрении межзонных переходов при учете зависимости параметров обменного взаимодействия от волнового вектора электронов.

4. Впервые исследовано явление невзаимного двупреломления в полупроводниках ЪсНъ, Сс1Те. Показано, что в отличие от полумагнитных полупроводников невзаимное двупреломление в 2пТе, Сс1Те, ваАз наблюдается только вблизи края фундаментального поглощения и резко возрастает при приближении к краю зоны. В 2пТе, СсГГе определена дисперсия параметров А и §. Соотношение между параметрами и их спектральная зависимость показывают, что

в отличие от полумагнитных полупроводников невзаимное двупреломление в ZnTe, CdTe, GaAs обусловлено экситонными переходами.

5. Обнаружено и исследовано невзаимное линейное двупреломление в диэлектрических кристаллах борацитов C03B7O13I в области локальных d-d переходов внутри Зй-оболочки иона

Coz\ Эффект имеет резонансный характер и непосредственно связан с нецентросимметричностью ближайшего окружения иона Со2+. Явление определяется магнитоэлектрической восприимчивостью второго порядка на оптических частотах.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В главе I содержится обзор работ по наблюдению и исследованию различных проявлений магнитоиндуцированной пространственной дисперсии в немагнитных и магнитоупорядоченных кристаллах. Проводится феноменологическое рассмотрение невзаимного линейного двупреломления, обусловленного МИПД, в кубических кристаллах класса Td и анализируются условия его наблюдения. Теоретически исследуются ориентационные зависимости главных направлений и величины невзаимного двупреломления при различных направлениях волнового вектора к и магнитного поля В.

В главе II описана методика эксперимента. Дано описание лазерной поляриметрической установки и принципа ее работы. Изложена методика проведения угловых, полевых, а также температурных измерений. Описана методика расчета параметров А и g. Приводятся параметры исследуемых образцов.

Глава III посвящена исследованию явления невзаимного линейного двупреломления света в полумагнитных полупроводниках Cdi-xMnxTe, Zni_xMnxTe. В § 3.1-3.2 дан обзор магнитных, оптических и магнитооптических свойств этих соединений. В §3.3-3.4 представлены экспериментальные результаты исследования полевых, угловых, спектральных и температурных зависимостей невзаимного двупреломления. Также представлены результаты исследования эффекта Фарадея и Фойгта. В §3.5 проводится теоретическое рассмотрение эффекта невзаимного двупреломления, эффектов Фарадея и Фойгта в полумагнитных полупроводниках.

Глава IV посвящена исследованию явления невзаимного линейного двупреломления света в полупроводниках ZnTe, СсГГе, ваА^. В §4.1-4.2 рассматриваются оптические свойства этих полупроводников вблизи края фундаментального поглощения. В §4.3-4.4 представлены экспериментальные результаты исследования невзаимного двупреломления. Проводится сравнительный анализ полученных результатов с результатами для полумагнитных полупроводников. Обсуждаются механизмы данного явления.

Глава V посвящена исследованию явления невзаимного линейного двупреломления света в кристаллах борацита С03В7О131. В §5.1-5.2 рассматриваются особенности структуры, диэлектрические и оптические свойства борацита С03В7О131. В §5.3 излагаются экспериментальные результаты по исследованию явления невзаимного двупреломления. В §5.4 анализируются возможные механизмы этого явления.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

Результаты, представленных в настоящей диссертации исследований опубликованы в работах [153-157] и доложены на Международной конференции "Экситоны в полупроводниках" (С.-Петербург, 1997); 3-ей Всероссийской конференции "Полупроводники' 97" (Москва, 1997); на немецкой Национальной конференции по физике (Регензбург, 1998); на Международной конференции "Физика' 21 век" (С.-Петербург, 1998); на Международной зимней школе по физике полупроводников (Зеленогорск, 1998); на 24-ой Международной конференции по физике полупроводников (Иерусалим, 1998).

ГЛАВА I.

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ МАГНИТОИНДУЦИРОВАННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ В КРИСТАЛЛАХ

§1.1. Наблюдение явлений магнитоиндуцированной пространственной дисперсии.

В веществах группа симметрии которых не с�