Влияние спиновых флуктуаций на электронную структуру и электросопротивление магнитных полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ШУМИХИНА Кямаля Арифовна

ВЛИЯНИЕ СПИНОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ НА ЭЛЕКТРОННУЮ СТРУКТУРУ И ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена на кафедре физики ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ".

Научный руководитель: проф., д-р физ.-мат. наук

А.А. Повзнер

Научный консультант: доц., канд. физ.-мат. наук,

А.Г. Волков

Официальные оппоненты: проф., д-р физ.-мат. наук

В. Г. Мазуренко канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.

В.В. Щенников

Ведущая организация - Институт электрофизики УрО РАН

Защита состоится 21 июня 2004 г. в на заседании диссертационного

совета К 212.285.01 при ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" в ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ".

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, Мира, 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан " И " М&Х 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. физ.-мат. наук

Е.В. Кононенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Магнитные полупроводники образуют широкий класс соединений, обладающих уникальными электрическими и магнитными свойствами. Практический интерес к магнитным полупроводникам обусловлен возможностью управления их электрическими и оптическими свойствами путем изменения температуры или магнитного поля, а магнитными характеристиками -при помощи освещения или внешнего электрического поля. Понимание природы этих уникальных свойств невозможно без информации о механизме проводимости материалов, электронной структуре, а также трансформации ее с температурой, что до сих пор не было подробно изучено. Кроме того, в ферромагнитных полупроводниках на основе редкоземельных металлов (ЕиО, Ьа1.*ОхМпОз, где Е)=8г, Са, Ва, РЬ) обнаруживается корреляция между электрическими и магнитными свойствами, которая выражается в том, что с изменением температуры и/или концентрации происходит электронный фазовый переход с одновременным возникновением ферромагнитного состояния, несомненно, вызывающая интерес к этим соединениям со стороны как экспериментаторов, так и теоретиков. Электронные превращения металл -полупроводник наблюдаются также в почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе силицидов переходных металлов (Рев! и Ре^Со,^), однако имеют иной характер, который проявляется в плавном температурном увеличении электропроводности и магнитной восприимчивости, завершаемом формированием металлического состояния с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Несмотря на то, что изучение магнитных полупроводников началось еще в 50-е годы, природа электронных превращений металл - полупроводник до сих пор остается невыясненной. Одна из предложенных моделей основывается на пространственном разделении фаз и предполагает, что с увеличением температуры соединение становится пространственно магнитно-неоднородным, поскольку ферромагнитное упорядочение вблизи примесных центров разрушается более медленно, чем в остальной части кристалла. В то же время было показано, что и в однородных по своему составу ферромагнитных полупроводниках сильное рассеяние носителей тока может быть вызвано термодинамическими флуктуациями намагни ~ оженные

подходы являются феноменологическими, не имеющие микроскопического обоснования, и применимы лишь к ферромагнитным полупроводникам.

Вместе с тем во всех рассматриваемых соединениях экспериментально наблюдается изменение энергетической щели с температурой. Область этого изменения не ограничивается только областью магнитного упорядочения, а охватывает и парамагнитную, что указывает на флуктуационную природу наблюдаемых явлений, но до сих пор не находило объяснений.

Таким образом, представляется актуальным построение спин-флуктуационного подхода к описанию электронных фазовых превращений металл -полупроводник, наблюдаемых как в ферромагнитной, так и в парамагнитной фазах в широкой группе веществ - магнитных полупроводников на основе переходных и редкоземельных металлов, а также изучение на его основе влияния спиновых флуктуаций на электронную структуру рассматриваемых соединений.

Цель работы. Развитие обобщенной спин-флуктуационной теории, в рамках которой учитывается сильное спин-флуктуационное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности, позволяющее описать последовательность электронных превращений, наблюдаемых в ферро- и почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе соединений переходных и редкоземельных металлов.

Научная новизна

1. Сформулировано обобщение спин-флуктуационной теории в рамках как однозонной (1-модели, так и двузонной зс1-модели, которое учитывает сильное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности. На основе преобразования Стратоновича-Хаббарда и в приближении однородных локальных полей развита методика расчета мацубаровских функций Грина ер- и (1-электронов в рамках модели Хаббарда. Показано, что магнитный беспорядок, вызванный термодинамическими флуктуациями, ведет к возникновению локализованных (сильно затухающих в пространстве) электронных состояний (как с1-, так и ер- типа). Получено выражение для края подвижности и проведен анализ полученного выражения в зависимости от амплитуды спиновых флуктуаций. При этом показано, что ширина области локализованных состояний оказывается сильно зависящей от температуры, заполнения исходных зон и внешнего магнитного поля. Количественный анализ возможности возникновения локализованных электронных состояний проведен

на примере почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (Ре81 и Ре^Со^, х<0.05).

2. Развита спин-флуктуационная теория к описанию электронных фазовых превращений металл - полупроводник в системе двух взаимодействующих между собой групп сильнокоррелированных электронов в рамках £с!-модели. На основе преобразования Стратоновича-Хаббарда и в приближении однородных локальных полей развита методика расчета мацубаровских функций Грина £ и <1- электронов в рамках модели Хаббарда.

3.В рамках развиваемого спин-флуктуационного подхода исследованы концентрационные и температурные электронные превращения металл -полупроводник, наблюдаемые в почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах (РеБ! и Ре1.хСох81, х<0.05), а также в ферромагнитных полупроводниках на основе редкоземельных металлов (на примере ЕиО). Исследованы влияния спиновых флуктуаций на электронную структуру рассматриваемых соединений.

4. На основе развитого подхода и экспериментальных данных проведен анализ влияния спиновых флуктуаций на температурные зависимости оптической и статической проводимости ферро- и почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (ЕиО, РеБ1 и Ре^Со^, х<0.05).

Научное и практическое значение. Установленные в ходе диссертационной работы механизмы формирования особенностей электронных фазовых превращений металл - полупроводник, наблюдаемых в соединениях на основе переходных и редкоземельных металлов, могут быть использованы для разработки новых материалов, имеющих применение в электронной промышленности, в частности в сверхбольших интегральных схемах, оптоэлектронных устройствах (модулятор инфракрасного излучения, оптический затвор, ослабитель излучения, дистанционный индикатор-датчик температуры), оптоэлектрических устройствах длительного хранения информации, в микроэлектронике (магнитных записывающих и воспроизводящих головок). Наряду с прикладным значением настоящие исследования носят и фундаментальный характер, поскольку направлены на решение основного вопроса о взаимосвязи структуры электронной подсистемы с ее магнитными, электрическими и оптическими характеристиками. Кроме того, в работе был установлен единый механизм электронных фазовых переходов, справедливый для

широкой группы веществ - магнитных полупроводников на основе переходных и редкоземельных металлов.

Автор выносит на защиту

1. Представление о возможности возникновения локализованных электронных состояний в условиях сильного рассеяния электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности, позволяющее описать последовательность электронных превращений металл - полупроводник, наблюдаемых в ферро- и почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах.

2. Метод расчета (в приближении однородных локальных полей) мацубаровских функций Грина в рамках d-, sd- и fd - моделей.

3. Результаты исследования влияния спиновых флуктуаций на плотность состояний sp-, d-, f- электронов ферро- и почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов на основе переходных и редкоземельных металлов.

4. Результаты исследования влияния спиновых флуктуаций на статическую и оптическую проводимость ферро- и почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов на основе переходных и редкоземельных металлов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на III Уральской региональной школе-семинаре молодых ученных и студентов по физике конденсированного состояния, Екатеринбург, ноябрь 1999 г.; Седьмой всероссийской научной конференции студентов - физиков и молодых ученых, Санкт-Петербург, апрель 2001 г.; International Scientific Seminar "High Tech -2001" Krasnoyarsk, June 2001; Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, октябрь, 2001г.; XVIII Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (НМММ-18), Москва, МГУ, июнь 2002 г.; Международном семинаре /Выездная секция по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах / Астрахань, сентябрь, 2003 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2003г.; Третьем семинаре СО РАН - УРО РАН "Термодинамика и материаловедение", Новосибирск, ноябрь 2003г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи, в их числе 3 статьи в реферируемых научных журналах, ссылки на которые приведены в тексте диссертации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы и научная новизна полученных результатов, формулируются цели и задачи диссертационного исследования.

В первой главе приведен обзор литературных источников, посвященных исследованию особенностей электронных фазовых превращений металл -полупроводник в ферро- и почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе переходных и редкоземельных металлов. Отмечено, что, несмотря на многообразие существующих подходов [1-4], до сих пор нет единой концепции, позволяющей описать электронные фазовые превращения металл -полупроводник, наблюдаемые как в ферромагнитной, так и в парамагнитной фазах в широкой группе веществ - магнитных полупроводников на основе переходных и редкоземельных металлов. Кроме того, показано, что во всех рассматриваемых соединениях экспериментально наблюдается изменение энергетической щели с температурой. Область этого изменения не ограничивается только областью магнитного упорядочения, а охватывает и парамагнитную, что указывает на флуктуационную природу, наблюдаемых явлений, но до сих пор не находило объяснений.

Проведен обзор спин-флуктуационных теорий, отмечены их основные недостатки при описании физических свойств магнитных полупроводников на основе соединений переходных металлов.

В заключение первой главы формулируются задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе в рамках однозонной модели Хаббарда и метода функционального интегрирования установлены выражения для функции Грина системы с!-электронов, получены выражения для краев подвижности, сформулирован критерий возникновения локализации, обусловленной сильным рассеянием электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности, вызванных их зонным движением.

Расчет функции Грина системы сильно коррелированных электронов -сложная задача многих тел, один из возможных методов ее решения основан на использовании преобразования Стратоновича-Хаббарда, которое позволяет свести

многочастичную задачу о движении взаимодействующих электронов к одночастичной задаче о движении электрона в поле случайного потенциала, обусловленного флуктуациями внутренних обменного (£) и зарядового (77) полями. Исследуемая задача подобна задаче о движении электрона в поле случайного потенциала, обусловленного химическим ("вертикальным") беспорядком [5]. Однако не может быть сведена к ней, поскольку флуктуации глубины потенциальных ям обусловлены термодинамическими флуктуациями зарядовой и спиновой плотности. Кроме того, величина этого потенциала изменяется случайным образом не только в пространстве (как это имело место в [5]), но и во времени, а также случайный потенциал, в поле которого происходит движение электрона, является спинзависимым.

Вычисление функции Грина проведено в рамках приближения однородных локальных полей, с использованием диаграммной техники. После выполнения квантово-статистического усреднения получим

= ? ЯехР

(1)

где = +'С'1'1'//£у случайный потенциал взаимодействия электрона

с внутренними обменным (£) и зарядовым (77) полями;

Ъ^' + й/?^С,=(итУ2; Н^/г); £(")= са2л = 2пТ -бозевская

Ч «1.

мацубаровская частота; п- целое число; 2 =

1К

'1 (ит)+

«ФО -

статистическая сумма взаимодействующих ё-электронов; £(...)=£7"[(...Уг;

у V о

Р = Ут', И - параметр внутриатомного кулоновского отталкивания d-элeктpoнoв;

Г*«*.«

1,2

.1/2

со - е* - аХ(ж)

- функция Грина, отвечающая движению (1-электронов в одной из конфигурации случайного потенциала; +Г2 - собственно-энергетическая часть с1-

электронов; Г {к,ш) = С^^^^а ' величина, обусловленная рассеянием

электронов на неоднородностях флуктуаций случайного потенциала IVи описывающая величину затухания электронных состояний; Ш)' "к|1+ ТРКЬ+Ъг +<)-функционал свободной

энергии; = О^вЩ -паулиевская восприимчивость; = (со1 - е к )-1 -

*

одноэлектронная функция Грина; Ы0-число узлов кристаллической решетки; а-спиновое квантовое число; П0(^) = Г^1п(1 + ехр(г4 —//)/^-термодинамический С1-

потенциал невзаимодействующих (1-электронов, ц- химический потенциал.

Сильное рассеяние электронов на флуктуациях случайного потенциала а приводит к возникновению локализованных электронных состояний в области энергий шириной Ес (край подвижности, положение которого отсчитывается от ближайшего края зоны). При этом ширина этой области определяется

выражением Ес=\ ^/д , где Д^-эффективная ширина зоны, ((«Я^)2)-

среднеквадратическая флуктуация случайного потенциала на узле. Выражая далее, среднеквадратическую флуктуацию случайного потенциала на узле через амплитуду спиновых флуктуаций получим:

«

где *0,) = 2>о (м + сЛЛп); + т = ^М1+(тг) -

гО)

среднеквадратический магнитный момент на узел; (т2)- среднеквадратическая флуктуация; М0- однородная намагниченность на узел; £0(е)-плотность состояний невзаимодействующих электронов (11=0) на узел.

В частном случае, когда ит~ц, магнитный момент т слабо меняется с температурой, то

о)

дэ ф т

Данное выражение совпадает с установленным в работе [2] для магнетиков с локализованными магнитными моментами.

Из (2) следует, что в случае больших спиновых флуктуаций (например, вблизи температуры магнитного разупорядочения или в сильно парамагнитных

материалах) и слабой зависимости g0(e) (т.е. go(p■ + Um)я¡ g0(ц-Um)) порог протекания будет сильно сдвинут относительно края зоны и может оказаться выше положения химического потенциала, в результате чего все заполненные состояния зоны окажутся локализованными. Однако в случае сильных магнетиков <1 - зоны, которых почти заполнены, а амплитуда спиновых флуктуаций столь велика, что (7т оказывается больше или равной расстоянию от химического потенциала до края зоны (т.е. g0(/í+Um) = 0 и £(ц)=0), Ес=0 и локализованные состояния в зоне отсутствуют.

Конкретный количественный анализ влияния спиновых флуктуаций на плотность состояний, а также возникновение локализованных электронных состояний проведем на примере почти ферромагнитного полупроводника Ре81, зонная структура которого известна [6]. При этом показано, что в моносилициде железа при сверхнизких температурах относительно большие нулевые спиновые флуктуации приводят к "схлопыванию" энергетической щели и смещению химического потенциала в область разрешенных энергий, поэтому основное состояние Ре81 является металлическим (рис.1), что подтверждается экспериментальными данными [7], однако противоречит зонным расчетам [б], согласно которым одноэлектронный спектр этого соединения состоит из двух зон, разделенных энергетической щелью Еъ я 0.02 эВ. Далее с увеличением температуры спин-флуктуационное расщепление электронного спектра уменьшается вследствие убыли амплитуды нулевых спиновых флуктуаций, и при 5 К<Г<50 К химический потенциал оказывается в области локализованных состояний (рис.1,Ь,с). При этом в данном интервале температур спин-флуктуационное расщепление электронного спектра велико настолько, что энергетическая щель оказывается "схлопнута" (рис.1,Ь,с). В этом интервале температур реализуется прыжковая электропроводность и соответственно

электросопротивление должно изменяться по закону 1п что и

наблюдается на эксперименте [7]. Также показано, что в этой области температур восприимчивость изменяется по закону Кюри - Вейсса с постоянной Кюри С = п1ос, где п,„ - число занятых локализованных состояний, которое может быть найдено как

"1ос = ¿;,+£'%(Е)/(е-ц)Л, (4)

где Л0' и ЕР - положения верхнего и нижнего краев зон; еР и Е^- значения краев подвижности для валентной зоны и зоны проводимости, отсчитанные от и Е?) соответственно.

Получающееся при этом значение постоянной Кюри с = 8.81 • кг5 ети'совпадает с найденным из эксперимента [7]. Дальнейшее

увеличение температуры ведет к исчезновению нулевых спиновых и возникновению энергетической щели в электронном спектре (рис.1,с1). Вследствие этого при Г» 50 К Ре81 претерпевает электронное превращение в полупроводниковое состояние, а температурная зависимость его электросопротивления изменится с прыжковой на активационную. Последующее же возрастание амплитуды тепловых спиновых флуктуаций (с ростом 7) приведет вновь к "схлопыванию" энергетической щели, смещению края подвижности в валентной зоне (зоне проводимости) вверх (вниз) относительно химического потенциала и вследствие этого обращению в ноль энергии активации при Тш »81 К. Таким образом, при Тш »81 К Ре81 вновь претерпевает электронный фазовый переход (но теперь из полупроводникового в металлическое состояние), который подтверждается также и расчетами оптической проводимости.

"с О. <0 -. Л 1 с а <я > £.0 с) :

& 1 Ь) : /\ Л л. <0 ;

а> ' / ~—

О)

о о

12,8 12,9 13,0 13,1 12,8 12,9 13,0 13,1

е, еУ 6, еУ

Рис.1. Зависимость плотности электронных состояний Ре$1 от энергии при различных температурах: а) Т-ОК; Ь) Т=10К; с) Т=40К; А) Т=60К. Пунктирная вертикальная линия соответствует положению химического потенциала. Заштрихованная область соответствует локализованным состояниям.

Далее проводится анализ спектральной зависимости оптической проводимости, которая в простейшем приближении [8] может быть определена соотношением

При этом эффект затухания электронных состояний учитывался в простейшем приближении путем размытия 5-функции в лоренциан. Показано, что с ростом температуры вследствие сужения запрещенной зоны в ¿-спектре край поглощения смещается к нулю частоты (рис.2). При Т>80 К, после того как энергетическая щель в ¿-спектре "схлопывается", в области низких частот наблюдается постепенный рост оптической проводимости, связанный с заполнением энергетических состояний, ранее отвечавших области запрещенных энергий (см. рис.2). Температурная зависимость оптической проводимости для с1-электронов выше 80 К приобретает металлический характер. Дальнейшее поведение оптической проводимости с температурой требует учета второй группы электронов (Бр-типа).

«о «о

(5)

1,0

3

о 0.4

0,01832

0,04979

0,13534

0,36788

<в,еУ

Рис.2. Спектральная зависимость оптической проводимости о(ю) при различных температурах: 1) Т=7 К, 2) Т=20 К, 3) Т=50 К, 4) Т=100 К

В заключительном разделе этой главы описано температурное электронное превращение металл - полупроводник, экспериментально наблюдаемое в манганитах лантана Ьа1.х(Са,8г,Ва)хМпОз при 0.1<х<0.5. Показано, что основной причиной этого превращения является сильное спин-флуктуационное рассеяние носителей тока (вблизи и выше Тс), обусловленное термодинамическими флуктуациями спиновой и зарядовой плотности, которое приводит к локализации электронных состояний с энергиями лежащими ниже Ес. При этом химический потенциал оказывается в области локализованных состояний, вследствие чего проводимость манганитов лантана при Т>ТС обусловлена активацией на край подвижности и прыжками между локализованными состояниями. Однако для количественного расчета необходимы данные нейтронографических исследований в широком интервале температур, которые нам неизвестны

Третья глава посвящена обобщению спин-флуктуационного подхода на эё-модель. Установлены выражения для функции Грина системы эр- и с1-электронов, получены выражение для краев подвижности и сформулированы критерии возникновения локализации для каждой группы электронов, обусловленной сильным спин-флуктуационным рассеянием электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности (1-подсистемы.

Так же как и в гл. 2, используя преобразования Стратоновича-Хаббарда, сведем многочастичную задачу о движении взаимодействующих электронов к одночастичной задаче о движении электрона в поле случайного потенциала с эффективным гамильтонианом, в котором первое слагаемое описывает движение электронов в одной из конфигураций случайного потенциала определяемого проекцией на ось квантования обменного и зарядовым внутренними полями, а второе слагаемое соответствует взаимодействию электронов с поперечными компонентами внутреннего случайного обменного поля.

Вычисление функции Грина проведено в рамках приближения однородных локальных полей с использованием диаграммной техники. После выполнения квантово-статистического усреднения получим

где ^) = 1еХр(- +

£ Щ1 I ) 1ур ыг,

-функция распределения случайного потенциала, обусловленного флуктуациями спиновой и зарядовой плотности электронов вследствие их движения и рассеяния в поле этого случайного потенциала;

Ч "М '

Ч Ч

-продольные и поперечные компоненты случайного потенциала взаимодействия электрона с внутренними обменным (£) и зарядовым (7) полями;

-V

ш* - Л7 /2

у

г = Л(^)ехр

'2\дмт)

УМА,^

-статистическая сумма системы взаимодействующих зр(/=1)- и ¿(1=2)- электронов;

ту

--—-г-г -функция Грина, отвечающая

движению вр(/= 1)— и ¿(1=2)- электронов в случайном потенциале ; =-собственно-энергетическая часть зр(/=1)- и (¡(1=2)- электронов;

? ч

- величина, обусловленная рассеянием электронов на неоднородностях флуктуаций случайного потенциала ^/>уаи описывающая величину затухания

электронных состояний; ~\%П+ £

V V -1 )

-функционал свободной энергии; ^ / = / -паулиевская

восприимчивость; -е^'-одноэлектронная функция Грина зр(/=1)- и

6(1=2)- электронов, По;(^) = 71^]1п(1 + ехр(5^ термодинамический П-

потенциал невзаимодействующих зр(/=1)- и ¿(1=2)- электронов.

В условиях сильного затухания рассеяние электронов на флуктуациях случайного потенциала обусловливает возникновение локализованных

электронных состояний в области энергий шириной Ес1 (край подвижности, положение которого отсчитывается от ближайшего края зоны). В рамках развитого подхода край подвижности Е^, отвечающий каждой из

где А/,Зф-эффективная ширина зоны /-ой группы электронов, {{Щ^У)-

среднеквадратическая флуктуация случайного потенциала на узле, соответствующего этой группе электронов.

Выразим далее среднеквадратическую флуктуацию случайного потенциала на узле через амплитуду спиновых флуктуаций:

обменного поля на узле, определяемая го системы перевальных уравнений [4], решение которой выполнено в предположении, что характерное время флуктуаций в системе эр-электронов много меньше, чем в системе <1-электронов. Вследствие этого амплитуда флуктуаций обменного поля на узле (£,) определяется через амплитуду флуктуаций спиновой плотности в с1-подсистеме как для эр-, так и с1 - электронов.

Из (7) следует, что в случае больших спиновых флуктуаций (например, вблизи температуры магнитного разупорядочения или в сильно парамагнитных материалах) и малого заполнения зоны, как это имеет место в полуметаллических и полупроводниковых материалах, порог подвижности может оказаться выше положения химического потенциала. В результате чего все заполненные состояния зоны окажутся локализованными. Кроме того, из (7) следует, что увеличение хаоса в магнитной подсистеме первоначально приведет к расширению области локализации. Однако возрастание амплитуды флуктуаций спиновой

рассматриваемой групп электронов, можно определить, как, Е^ -

а

плотности (1- электронов ведет к исчезновению продольных компонент спиновых, а с ними и зарядовых флуктуаций, вследствие чего область локализованных состояний как в ё- так и в зр- подсистеме будет сужаться и при Т>1* (когда я0Л(м + а42) = О для одного из значений а(=±\) [4,9]) локализованные состояния полностью исчезнут.

Развитый подход применяется для описания электронных фазовых переходов с изменением температуры и концентрации х почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов на примере Ре81 и Ре^Со,^ с х£0.05.

В случае FeSí учет второй группы электронов показывает, что полупроводниковое состояние эр-электронов сохраняется вплоть до 200 К, хотя ширина щели в их спектре незначительно изменяется, поэтому за проводимость РеБ! при Г<200К ответственны только ё-электроны. Показано, что с ростом температуры химический потенциал (из-за несимметричности ¿-зон) начинает смещаться влево по шкале энергий и при Т«200 К попадает в валентную зону эр-электронов, и они вовлекаются в процессы переноса. Далее, согласно нашим оценкам, при Т » 350К происходит «схлопывание» энергетической щели в спектре эр-электронов. В температурном интервале от 350-600 К политерма электросопротивления (р(Т)) формируется преимущественно за счет перераспределения электронов между с!- и ер- состояниями. Выше Т«600К резкое изменение числа эр-состояний вблизи положения химического потенциала сменяется на значительно более медленное, что позволяет проявиться температурной зависимости, обусловленной процессами их рассеяния, и электросопротивление начинает увеличиваться с температурой.

В случае Ре/.хСо^И с х<0.05 показано, что спин-флуктуационная перенормировка электронных спектров ведет к существенному изменению плотности электронных состояний этих соединений уже при Т->0К за счет спонтанного гелимагнитного упорядочения и нулевых флуктуаций спиновой плотности. Так, в случае х<0.05 спин-флуктуационная перенормировка электронных спектров приводит к тому, что химический потенциал при Т->0 К оказывается в области локализованных эр- и (¡-состояний верхних зон. Вследствие этого электросопротивление твердых растворов Ре1.хСох81 с х<0.05 убывает с ростом температуры, как и в случае ГеБь Однако увеличение температуры приводит к смещению /л из области локализованных состояний, поэтому активационный характер проводимости Ре1.хСох81 с х<0.05 сохраняется лишь до

Т«30 К. При Т>30 К химический потенциал оказывается в области делокализованных состояний и формирование температурной зависимости электросопротивления происходит за счет перераспределения электронов между Бр- и ¿-состояниями. При х=0.05 р оказывается в области делокализованных состояний вблизи температуры О К, поэтому основное состояние этого соединения является металлическим (рис.3). С ростом температуры спин-флуктуационная перенормировка плотности состояний ведет к перераспределению электронов между <1- и эр- состояниями (уменьшению числа заполненных электронами состояний ё-типа и увеличению числа электронов в яр-состояниях).

Из результатов численных расчетов следует, что электропроводность РС).хСох81 с х=0.05 полностью обусловлена ер-электронами во всем интервале температур, а ее температурное изменение связано с изменением их числа (рис.4). В частности, при температурах Т<50 К концентрация носителей тока как ер- так и ё-типа остается практически неизменной, а наблюдаемое на эксперименте возрастание р(Т) связано с уменьшением времени их свободного пробега. В свою очередь, при Т>50 К температурная зависимость электросопротивления формируется не только за счет возрастания вероятности рассеяния, но и благодаря увеличению числа носителей тока ер-типа вследствие перераспределения электронов между ер- и ¿-состояниями. При этом для составов с малым содержанием Со х~0.05 рост числа носителей тока ер-типа оказывается столь значительным, что преобладает над убылью длины их свободного пробега. В результате, электросопротивление убывает с увеличением температуры.

В заключительном разделе этой главы исследовано влияние спиновых флуктуаций на температурную зависимость оптической проводимости почти ферромагнитного полупроводника РеБ!. В отличие от однозонной модели (см. гл. 2) рассматриваются спин-флуктуационные перенормировки не только (1-, но и ер -электронных состояний, учет которых существенен в области высоких температур Т>200 К. Выполненные расчеты находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными [8].

в, е\/ Е|

Рис.3. Плотность состояний (Цслева) и эр- электронов (справа) Ре1.хСох81 с х=0.05: а) Т~0К; Ь) Т=40К; с) Т=80К; с1) Т=200К. Пунктирная вертикальная линия соответствует положению химического потенциала

Рис.4. Температурная зависимость электросопротивления Ре^Со^ сх=0.05: сплошная линия - численный расчет, х- экспериментальные данные [10]

В четвертой главе в рамках Гс1-модели развивается спин-флуктуационный подход к описанию электронных фазовых превращений металл - полупроводник в системе двух взаимодействующих между собой групп сильнокоррелированных электронов (Т- и с1- типа). Показано, что флуктуации спиновой и зарядовой плотности, обусловленные разрушением дальнего и ближнего магнитного порядков, приводят к температурному изменению электронных спектров как в магнитоупорядоченной, так и в парамагнитной областяхи тем самым могут оказывать сильное влияние на формирование температурных зависимостей электронных свойств ферромагнитных полупроводников.

Вычисляя одноэлектронную функцию Грина, в рамках приближения однородных локальных полей аналогично тому, как это было сделано в гл. 2, 3 после выполнения квантово-статистического усреднения и вычисления возникающих функциональных интегралов методом перевала, в условиях малого затухания получим следующее выражение для плотности электронных состояний:

или Щ=2)- электронами; Я-внешнее магнитное поле в единицах два магнетона

среднеквадратический магнитный момент на узле обусловленная <!(/= 1)- или Щ=2)- электронов; щ -заполнение обусловленная с1(/=1)- или ^/=2)- зоны; g0^-плотность состояний невзаимодействующих обусловленная с!(/=1)- или $7=2)-электронов.

Величина спин-флуктуационного расщепления электронного спектра определяется не только среднеквадратическим магнитным моментом на узле т, как в гл. 3, но и среднеквадратическими флуктуациями энергии межузельного обменного взаимодействия как так и <1-электронов. Оценка спин-флуктуационного расщепления электронного спектра (41) = & ~(Ц2 +£?(2,2>)2Л^о,2 в случае локализованных ^электронов выполнена в статическом приближении:

Бора; -величина ■ спин-флутктуационного расщепления; т,-

где слагаемые, пропорциональные а2, обусловлены неоднородной частью межузельного обменного взаимодействия -б(,/) =а2?2 <7в - модуль вектора Бриллюэна). В случае же ¿/-электронов для вычисления воспользуемся динамическим приближением, описанным в [4]. Тогда

(6?) = В,{ТШ)г /[х>г' (0,0,4, Ха1 (0,0,^,)+йг, )], (10)

где параметры а\ а В\ - определяются (?,«) - зависимостью функции Линдхарда в длинноволновом приближении и могут

быть найдены из результатов нейтронографических исследований; -пауливская восприимчивость невзаимодействующих ¿-электронов; о,"1 -знаменатель магнитной восприимчивости невзаимодействующих между собой <1(/=1)- или Щ-2)- электронов.

Полученная система уравнений (8), (9), (10) в совокупности с условием электронейтральности

я= 1я|= (11)

/=1.2 М,2 о

позволяет полностью описать эффект перенормировки электронного спектра, вызванный термодинамическими флуктуациями зарядовой и спиновой плотности, обусловленными движением электронов по кристаллу и перераспределением их между/- и ¿-состояниями.

Конкретный анализ влияния флуктуаций спиновой и зарядовой плотности £ и <1- электронов на плотность электронных состояний и температурную зависимость электросопротивления проведем на примере ферромагнитного полупроводника ЕиО. Показано, что вследствие спин-флуктуационного расщепления спектры {- и <1- электронов перекрываются, химический потенциал попадает в область их перекрытия, поэтому основное состояние ЕиО металлическое, что демонстрирует рис.5 и данные работ [11].

Дальнейшая температурная трансформация плотности электронных состояний ведет к уменьшению этого перекрытия, приводя к уменьшению числа электронов в с!-зоне (рис.5). При Т«40 К энергетическая щель между {- и с1 -состояниями восстанавливается и растет с увеличением температуры, в результате чего возникает полупроводниковое состояние с изменяющимся значением ширины запрещенной зоны.

В этой области температур электропроводность ЕиО

обусловлена активацией носителей тока через щель в <1- зону, а также прыжками электронов по локализованным ^состояниям.

При этом энергия активации растет с температурой (из-за продолжающегося роста ширины энергетической щели), причем много быстрее, чем сама температура. При Т»80К изменение энергетической щели между состояниями и ё-электронов оказывается слабее, чем рост температуры. В результате на зависимости р(Т) формируется максимум, и с дальнейшим ростом Т электросопротивление ЕиО убывает

Рис.5. Температурная зависимость электросопротивления ферромагнитного полупроводника ЕиО: сплошная линия -численный расчет; х- экспериментальные данные [11]

по активационному закону (см. рис.5).

ВЫВОДЫ

Таким образом, в настоящей работе исследованы влияния спиновых флуктуаций на электронную структуру и электросопротивление магнитных полупроводников на основе переходных и редкоземельных металлов. Среди конкретных результатов работы целесообразно отметить следующие: 1. Сформулировано обобщение спин-флуктуационной теории в рамках как однозонной (1-модели, так и двузонной вё-модели, которое учитывает сильное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности. На основе преобразования Стратоновича-Хаббарда и в рамках приближения однородных локальных полей развита методика расчета мацубаровских функций Грина зр- и (1- электронов в рамках модели Хаббарда.

2. Показано, что машитный беспорядок, вызванный термодинамическими флуктуациями, ведет к возникновению локализованных (сильно затухающих в пространстве) электронных состояний (как <1-, так и зр- типа).

3. Получено выражение для края подвижности в рамках ё- и Бё-моделей. Проведен анализ полученного выражения в зависимости от амплитуды спиновых флуктуаций. При этом показано, что ширина области локализованных состояний оказывается сильно зависящей от температуры и заполнения исходных зон. Количественный анализ возможности возникновения локализованных электронных состояний проведен на примере почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (Рев! и Ре^Со^, х<0.05).

4. На основе развитых представлений и экспериментальных данных проведен анализ влияния спиновых флуктуаций на плотность электронных состояний, температурные зависимости оптической и статической проводимости почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (Ре81 и Ре^Со^, * ^ 0.5). Показано, что флуктуации спиновой плотности приводят не только к расщеплению электронного спектра и, как следствие, перезаполнению зон, но и возникновению локализованных (сильно затухающих в пространстве) электронных состояний в области энергий, лежащих между краем подвижности (Ес) и ближайшим к нему краем зоны. Показано, что рост числа носителей тока, вызванный флуктуациями спиновой и зарядовой плотности, и его конкуренция с температурной зависимостью эффективного сечения электрон-фонного рассеяния ведут к немонотонной температурной зависимости электросопротивления рассматриваемых соединений.

5. Развита спин-флуктуационная теория к описанию электронных фазовых превращений металл - полупроводник в системе двух взаимодействующих между собой групп сильнокоррелированных электронов в рамках fd-мoдeли. На основе преобразования Стратоновича-Хаббарда и в рамках приближения однородных локальных полей развита методика расчета мацубаровских функций Грина {- и <1- электронов в рамках модели Хаббарда.

6. На основе развитой теории и экспериментальных данных проведен анализ температурных зависимостей электронных свойств, а именно ширины запрещенной зоны и статической проводимости, на примере ферромагнитного полупроводника ЕиО. Показано, что флуктуации спиновой

и зарядовой плотности, приводят к температурному изменению электронных спектров как в магнитоупорядоченной, так и в парамагнитной областях и тем самым могут оказывать сильное влияние на формирование температурных зависимостей электронных свойств ферромагнитных полупроводников.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Гигантское изменение оптического поглощения пленки Lao ззРго.згСао.зМпОз вблизи перехода металл - изолятор и возможности его использования / Ю.П. Сухоруков, H.H. Лошкарева, Е.А. Ганынина, К. А. Фатиева (Шумихина), А.Р. Кауль, О.Ю. Горбенко // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №14. С.6-13.

2. Шумихина К.А.. Волков А.Г., Повзнер A.A. Особенности оптической проводимости при переходе полупроводник - металл в почти ферромагнитных полупроводниках (на примере FeSi) // Физические свойства металлов и сплавов: Сборник статей. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2002, С. 18-24.

3. Шумихина К.А.. Волков А.Г., Повзнер A.A. Особенности электронных переходов в почти ферромагнитных полупроводниках (на примере FeSi) // ФТТ. 2003. Т. 45, вып. 6. С. 996-1001.

4. Шумихина К.А.. Волков А.Г., Повзнер A.A. Особенности спин-флуктуационного рассеяния и электронной структуры полупроводниковых и полуметаллических слабых зонных магнетиков // Изв. вузов. 2003. №12. С.28-39

Список цитируемой литературы

1. Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. М.: Наука, 1979. 432с.

2. Bebenin N.G., Ustinov V.V. Conduction and disorder in LaMn03 - based materials //J.Phys.: Condens. Matter. 1998. Vol.10. P.6301.

3. Низкотемпературные аномалии коэффициента холла FeSi /Н.Е. Случанко, B.B. Глушков, C.B. Демишев, M.B. Кондрин // Письма в ЖЭТФ. 1998. Т. 68, вып. 10. С. 774.

4. Повзнер A.A., Волков А.Г., Баянкин П.В. Спиновые флуктуации и электронные переходы полупроводник - металл в моносилициде железа //ФТТ. 1998. Т.40, № 8. С.1437-1442.

»1012f

5. Anderson P.W Absence of Diffusion in Certain Random Lattices //Phys.Rev., 1958. Vol. 109. P. 1492.

6. Винокурова Л.И., Власов A.B., Кулатов Э.Т. Электронное строение силицидов переходных металлов // Труды ИОФАН. 1991. Т. 32, вып. 4. С.463.

7. Hunt М.В., Chernikov М.А., Felder Е. Low- temperature magnetic, thermal and transport properties of FeSi //Phys. Rev. B, 1994. Vol. 50, №20. P.14933.

8. Optical measurements and band calculations of FeSi / H.Ohta, S.Kimura, E.Kulatov, S.Halilov, T.Nanba, M.Motokawa, M.Sato, K.Nagasaka. // J.Phys.Soc.Jpn, 1994. Vol.63, P.4206.

9. Мория Т. Спиновые флуктуации в магнетиках с коллективизированными электронами. М.: Мир, 1988. 288с.

Ю.Ромашова Л.Ф.: Магнитные и электронные свойства твердых растворов Fe!.xCoxSi. Дис.... канд. физ.-мат. наук.-Свердловск,1982.

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

Подписано в печать 06.05.2004

Бумага типографская Офсетная печать

Уч.-изд. л. 1,19 Тираж 100 Заказ 83

Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,39 Бесплатно

Редакционный издательский отдел ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 19

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 19

Глава 1. Особенности электронных фазовых переходов в магнитных полупроводниках на основе соединений переходных и редкоземельных металлов о

1.1. Особенности электронных фазовых переходов в ферромагнитных полупроводниках на основе редкоземельных металлов о

1.2. Особенности электронных фазовых переходов в почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе силицидов

1.3. Теория спиновых флуктуации

1.4. Постановка задачи

Глава 2. Спиновые флуктуации и плотность электронных состояний магнитных полупроводников (однозонная модель Хаббарда) '

2.1. Гамильтониан однозонной модели Хаббарда

2.2. Методика расчета функции Грина d-электронов

2.2.1. Квантово-статистическое усреднение и его диаграммное представление

2.2.2. Расчет функциональных интегралов метод перевала

2.3.Температурная зависимость амплитуды спиновых флуктуации

2.4. Плотность d- электронных состояний

2.4.1 Слабое затухание

2.4.2. Сильное затухание

2.5. Влияние спин-флуктуационного рассеяния на электронные свойства почти ферромагнитных полупроводников (на примере FeSi)

2.6. Влияние спиновых флуктуации на оптическую проводимость почти ферромагнитных полупроводников (на примере FeSi) в рамках однозонной модели

2.7. Влияние спин-флуктуационного рассеяния на электронные свойства манганитов лантана

2.8. Выводы

Глава 3. Спиновые флуктуации и плотность электронных состояний почти ферромагнитных полупроводников и их сплавов на основе переходных металлов (обобщенная sd-модель)

3.1. Гамильтониан sd- модели

3.2. Методика расчета функция Грина sp- и d- электронов

3.2.1. Квантово-статистическое усреднение и его диаграммное представление

3.2.2. Расчет функциональных интегралов метод перевала и оценка амплитуды спиновых флуктуации

3.3. Плотность sp- и d- электронных состояний

3.3.1. Локализация электронов в поле случайного потенциала

3.4. Влияние эффектов спин-флуктуационного рассеяния на электронные свойства почти ферромагнитных полупроводников и их сплавов на основе переходных металлов

3.5. Влияние спиновых флуктуации на оптическую проводимость почти ферромагнитных полупроводников (на примере FeSi) в рамках обобщенной sd- модели

3.6. Выводы

Глава 4. Спиновые флуктуации и плотность электронных состояний магнитных полупроводников на основе соединений редкоземельных металлов (обобщенная fd-модель)

4.1. Гамильтониан fd- модели

4.2. Методика расчета функции Грина f- и d- электронов

4.3,Расчет функциональных интегралов метод перевала. Оценка амплитуды спиновых флуктуации и среднеквадратической флуктуации энергии межузельного обменного взаимодействия

4.4. Плотность f- и d- электронных состояний

4.5. Влияние флуктуации спиновой и зарядовой плотности f- и dэлектронов на электронные свойства ферромагнитных полупроводников (на примере ЕиО)

4.6. Выводы. ВЫВОДЫ

Актуальность работы. Магнитные полупроводники образуют широкий класс соединений, обладающих уникальными электрическими и магнитными свойствами. Практический интерес к магнитным полупроводникам обусловлен возможностью управления их электрическими и оптическими свойствами путем изменения температуры или магнитного поля, а магнитными характеристиками - при помощи освещения или внешнего электрического поля. Понимание природы этих уникальных свойств невозможно без информации о механизме проводимости материалов, электронной структуре, а также трансформации ее с температурой, что до сих пор не было подробно изучено. Кроме того, в ферромагнитных полупроводниках на основе редкоземельных металлов (ЕиО, Lai.xDxMnOs, где D=Sr, Са, Ва, РЬ) обнаруживается корреляция между электрическими и магнитными свойствами, которая выражается в том, что с изменением температуры и/или концентрации происходит электронный фазовый переход с одновременным возникновением ферромагнитного состояния, несомненно, вызывающая интерес к этим соединениям со стороны, как экспериментаторов, так и теоретиков. Электронные превращения металл полупроводник наблюдаются также в почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе силицидов переходных металлов (FeSi и Fei.xCoxSi), однако имеют иной характер, который проявляется в плавном температурном увеличении электропроводности и магнитной восприимчивости, завершаемом формированием металлического состояния с положительным температурным коэффициентом сопротивления.Несмотря на то, что изучение магнитных полупроводников началось еще в 50-е годы, природа электронных превращений металл полупроводник до сих пор остается невыясненной. Одна из предложенных моделей основывается на пространственном разделении фаз №Щ»дполагает, что с увеличением температуры соединение становится пространственно магнитно-неоднородным, поскольку ферромагнитное упорядочение вблизи примесных центров разрушается более медленно, чем в остальной части кристалла. В то же время было показано, что и в однородных по своему составу ферромагнитных полупроводниках сильное рассеяние носителей тока может быть вызвано термодинамическими флуктуациями намагниченности. Однако предложенные подходы являются феноменологическими, не имеющие микроскопического обоснования, и применимы лишь к ферромагнитным полупроводникам.Вместе с тем во всех рассматриваемых соединениях экспериментально наблюдается изменение энергетической щели с температурой. Область этого изменения не ограничивается только областью магнитного упорядочения, а охватывает и парамагнитную, что указывает на флуктуационную природу наблюдаемых явлений, но до сих пор не находило объяснений.Таким образом, представляется актуальным построение спинфлуктуационного подхода к описанию электронных фазовых превращений металл - полупроводник, наблюдаемых как в ферромагнитной, так и в парамагнитной фазах в широкой группе веществ - магнитных полупроводников на основе переходных и редкоземельных металлов, а также изучение на его основе влияния спиновых флуктуации на электронную структуру рассматриваемых соединений.Цель работы: Развитие обобщенной спин-флуктуационной теории, в рамках которой учитывается сильное спин-флуктуационное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности, позволяющее описать последовательность электронных превращений, наблюдаемых в ферро- и почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе соединений переходных и редкоземельных металлов.Научная новизна: 1. Сформулировано обобщение спин-флуктуационной теории в рамках как однозонной d-модели, так, и двузонной sd-модели, которое учитывает сильное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности. На основе преобразования Стратоновича-Хаббарда и в приближении однородных локальных полей развита методика расчета мацубаровских функций Грина sp- и d- электронов в рамках модели Хаббарда. Показано, что магнитный беспорядок, вызванный термодинамическими флуктуациями, ведет к возникновению локализованных (сильно затухающих в пространстве) электронных состояний (как d-, так и sp- типа). Получено выражение для края подвижности и проведен анализ полученного выражения в зависимости от амплитуды спиновых флуктуации. При этом показано, что ширина области локализованных состояний оказывается сильно зависящей от температуры, заполнения исходных зон и внешнего магнитного поля. Количественный анализ возможности возникновения локализованных электронных состояний проведен на примере почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (FeSi и Fei-xCoxSi, х<0.05).2. Развита спин-флуктуационная теория к описанию электронных фазовых превращений металл - полупроводник в системе двух взаимодействующих между собой групп сильнокоррелированных электронов в рамках fdмодели. На основе преобразования Стратоновича-Хаббарда и в приближении однородных локальных полей развита методика расчета мацубаровских функций Грина f- и d- электронов в рамках модели Хаббарда.3. В рамках развиваемого спин-флуктуационного подхода исследованы концентрационные и температурные электронные превращения металл полупроводник, наблюдаемые в почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах (FeSi и Fei.xCoxSi, х<0.05), а также в ферромагнитных полупроводниках на основе редкоземельных металлов (на примере ЕиО).Исследованы влияния спиновых флуктуации на электронную структуру рассматриваемых соединений.4. На основе развитого подхода и экспериментальных данных проведен анализ влияния спиновых флуктуации на температурные зависимости оптической и статической проводимости ферро- и почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (ЕиО, FeSi и Fei.xCoxSi, х<0.05).Научное и практическое значение. Установленные в ходе диссертационной работы механизмы формирования особенностей электронных фазовых превращений металл - полупроводник, наблюдаемых в соединениях на основе переходных и редкоземельных металлов, могут быть использованы для разработки новых материалов, имеющих применение в электронной промышленности, в частности в сверхбольших интегральных схемах, оптоэлектронных устройствах (модулятор инфракрасного излучения, оптический затвор, ослабитель излучения, дистанционный индикатор-датчик температуры), оптоэлектрических устройствах длительного хранения информации, в микроэлектронике (магнитных записывающих и воспроизводящих головок). Наряду с прикладным значением настоящие исследования носят и фундаментальный характер, поскольку направлены на решение основного вопроса о взаимосвязи структуры электронной подсистемы с ее магнитными, электрическими и оптическими характеристиками. Кроме того, в работе был установлен единый механизм электронных фазовых переходов, справедливый для широкой группы веществ - магнитных полупроводников на основе переходных и редкоземельных металлов.Автор выносит на защиту: 1. Представление о возможности возникновения локализованных электронных состояний в условиях сильного рассеяния электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности, позволяющее описать последовательность электронных превращений металл - полупроводник, наблюдаемых в ферро- и почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах.2. Метод расчета (в приближении однородных локальных полей) мацубаровских функций Грина в рамках d-, sd- и fd - моделей, 3. Результаты исследования влияния спиновых флуктуации на плотность состояний sp-, d-, f- электронов ферро- и почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов на основе переходных и редкоземельных металлов.4. Результаты исследования влияния спиновых флуктуации на статическую и оптическую проводимость ферро- и почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов на основе переходных и редкоземельных металлов.Объём работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена 146 страницах, включая 28 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 95 наименование.В первой главе приведен обзор литературных источников, посвященных исследованию особенностей электронных фазовых превращений металл полупроводник, наблюдаемых в ферро- и почти ферромагнитных полупроводниках и полуметаллах на основе соединений переходных и редкоземельных металлов.Во второй главе развито обобщение спин-флуктуационной теории, в рамках однозонной модели, в которой учитывается сильное спинфлуктуационное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности. С помощью диаграммной техники в рамках модели Хаббарда и приближения однородных локальных полей установлены выражения для мацубаровских функций Грина и температурной зависимости амплитуды спиновых флуктуации d-электронов. Исследуются влияния спиновых флуктуации на плотность электронных d-состояний, температурные зависимости оптической и статической проводимости почти ферромагнитного полупроводника FeSi.Третья глава посвящена развитию обобщенной спин-флуктуационной теории, в рамках обобщенной sd-модели, в которой учитывается сильное спин-флуктуационное рассеяние электронов на флуктуациях спиновой и зарядовой плотности. С помощью диаграммной техники в рамках обобщенной модели Хаббарда и приближения однородных локальных полей установлены выражения для мацубаровских функций Грина и температурной зависимости амплитуды спиновых флуктуации sp- и d- электронов.Исследуются влияния спиновых флуктуации на плотность электронных sp- и d- состояний, температурные зависимости оптической и статической проводимости почти ферромагнитных полупроводников и полуметаллов (FeSin Fei.;,CO;,Si x<0.05).В четвертой главе в рамках fd-модели развивается спинфлуктуационный подход к описанию электронных фазовых превращений металл - полупроводник в системе двух взаимодействующих между собой групп сильнокоррелированных электронов. В рамках fd-модели развит метод расчета (в приближении однородных локальных полей) мацубаровских функций Грина f- и d- электронов. На основе развитого подхода и экспериментальных данных проводится анализ температурных зависимостей щирины запрещенной зоны и статической проводимости на примере ферромагнитного полупроводника ЕиО.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Гигантское изменение оптического поглощения пленки Ьао.ззРго.ззСао.зМпОз вблизи перехода металл - изолятор и возможности его использования / Ю.П. Сухорукое, Н.Н. Лошкарева, Е.А. Ганышша. К. А. Фатиева (Шумихина), А.Р. Кауль, О.Ю. Горбенко // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №14. С.6-13.

2. Шумихина К.А., Волков А.Г., Повзнер А.А. Особенности оптической проводимости при переходе полупроводник - металл в почти ферромагнитных полупроводниках (на примере FeSi) // Физические свойства металлов и сплавов: Сборник статей. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2002, С. 18-24.

3. Шумихина К.А., Волков А.Г., Повзнер А.А. Особенности электронных переходов в почти ферромагнитных полупроводниках (на примере FeSi) // ФТТ. 2003. Т. 45, вып. 6. С. 996-1001.

4. Шумихина К.А., Волков А.Г., Повзнер А.А. Особенности спин-флуктуационного рассеяния и электронной структуры полупроводниковых и полуметаллических слабых зонных магнетиков / Изв. вузов. 2003. №12. С.28-39.

1. Самохвалов А.А. Магнитные редкоземельные полупроводники.// В сб. Редкоземельные полупроводники. - JL: Наука, 1977.С.5-47.

2. Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. М.: Наука, 1979. 432с.

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

4. Электрические свойства и переходы металл- неметалл в Eu.xGdxO/ А.А. Самохвалов, А.Я. Афанасьев, Б.А. Гижевский, Н.Н. Лошкарева, М.И. Симонова. //ФТТ. 1974. т. 16, №3. С.568-570.

5. Pressure dependence of the electrical resistivity of EuO/ M.R. Oliver, J.A. Kafalas, J.O. Dimmoc, T.B. Reed. // Phys. Rev. Lett. 1970. Vol.24, №17. P. 1064-1067.

6. Torrance J.B., Shafer M.W., Bound T.R. Magnetic polarons and the insulator-metal transition in EuO// Phys. Rev. Lett. 1971. Vol.25, №17. P.l 164-1169.

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

8. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. М.: Высш. шк., 1986. 352 с.

9. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. М.:Наука, 1987. 240 с.

10. Goodenough J.B Electron structure of CMR manganites (invited).//

11. Papaconstantopoulos D.A., Pickett W.E. Tight-binding coherent potential approximation study of ferromagnetic La2/3Bai/3Mn03.// Phys.Rev.B.1998. Vol.57, №20. P.12751-12755.

12. Локтев В.М., Погорелов Ю.Г. Особенности физических свойств и колоссальное магнитосопротивление манганитов (обзор)// Физика низких температур. 2000. т. 26, №3, С. 231-261.

13. Liu J.Z., Chang I.C. et.al. Appl.Phys.Lett. 1995.Vol.66, P.3218.

14. Urushibara A.et.al. Insulator- metal transition and giant magnetoresistance in La,.xSrxMn03. //Phys. Rev.B. 1995. Vol. 51, №20. P. 14103-14109.

15. Tokura Y. Fundamental features of colossal magnetoresistive manganese oxides. Colossal magnetoresistive oxides. Gordon & reach Publishers 1999.

16. Transport mechanism in doped LaMn03: evidence for polaron formation /Т.М. Palstra, A.P. Ramirez. S.-W. Cheong, B.R. Zegarski, P.Schiffer, J. Zaanen. //Phys. Rev. 1997. Vol.56, №9. P.5104-5107.

17. Arima Т., Tokura Y. Optical study of electronic structure in perovskite- type RM03 (R=La, Y; M=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu). //J. Phys. Soc. Jpn. 1995. Vol.64. №7. P.2488.

18. Callen E., Optical absorption edge of magnetic semiconductors// Phys.Rev.Lett. -1968. Vol,20, №19. P. 1045-1048.

19. Leroux-Hugon P. Dielectric constant of an exchange-polarized gas and the metal -semiconductor transition in doped EuO// Phys.Rev.Lett. 1972. Vol.29, №14. P. 939-943.

20. Kubler J., Vigren D.F. Magnetically controlled electron localization in Eu-rich EuO// Phys.Rev.B. 1975.Vol.11, №11. P.4440-4449.

21. Mauger A. Magnetic polaron: theory and experiment// Phys.Rev.B. 1983. Vol.27 , №4. P.2308-2324.

22. Нагаев Э.Л. Магнитопримесная теория материалов с колоссальным магнитосопротивлением //УФН. 1998. т. 168, №8. С.917-920.

23. Э.Л. Нагаев, Манганиты лантана и другие магнитные полупроводники с гигантским магнитосопротивлением //УФН, 1996. т. 166, №8. С.833-858.

24. N.G. Bebenin, V.V. Ustinov Conduction and disorder in LaMn03 based materials//J.Phys.: Condens. Matter. 1998. Vol.10. P.6301-6309.

25. Гельд П.В., Сидоренко Ф.А. Силициды переходных металлов четвертого периода. М.: Металургия, 1971. 582с.

26. Винокурова Л.И., Власов А.В., Кулатов Э.Т. Электронное строение силицидов переходных металлов // Труды ИОФАН. 1991. т. 32, вып. 4, С.463.

27. Hunt М.В., Chernikov М.А., Felder E.Low- temperature magnetic, thermal and transport properties of FeSi //Phys. Rev. В 1994. Vol. 50, №20, P.14933-14941.

28. Takagi Sh., Yasuoka H., Ogawa Sh., 29Si NMR Studies of an "Unusual" Paramagnet FeSi- Anderson Localized State Model //J. Phys. Society of Japan, 1981. Vol.50, №8 P.2539 -2546.

29. Повзнер A.A., Волков А.Г., Баянкин П.В. Спиновые флуктуации и электронные переходы полупроводник металл в моносилициде железа //ФТТ. 1998. т.40, № 8. С. 1437-1442.

30. Низкотемпературные аномалии коэффициента холла FeSi /Н.Е. Случанко, В.В. Глушков, С.В. Демишев, М.В. Кондрин, //Письма в ЖЭТФ. 1998. т. 68, вып. 10. С.774.

31. Куликова Н.И., Тугушев В.В.// УФН. 1984. т.144. С. 643.

32. Optical measurements and band calculations of FeSi/ H.Ohta, S.Kimura, E.Kulatov, S.Halilov, T.Nanba, M.Motokawa, M.Sato, K.Nagasaka //J.Phys.SocJpn, 1994. Vol.63. P.4206.

33. Schlesinger Z., Fisk Z., Zhang H.T. Uncoventional Charge Gap Formation in FeSi//Phys. Rev. Lett., 1993. Vol.71, №11. P.1748.

34. Studies of an "Unusual" Paramagnet FeSi- Anderson Localized State Model /Sh. Takagi, H. Yasuoka, Sh. Ogawa, J.H. Wernick 29Si NMR //Techn. Rep. of ISSP, ser.A, March. 1981. 1126. P. 1-27.

35. Ромашева Л.Ф.: Магнитные и электронные свойства твердых растворов Fei.xCoxSi. Дис. канд. физ.-мат. наук.-Свердловск,1982.

36. Transport properties of FeSi/ B.Buschinger, С. Geibel, F. Steglich, D. Mandrus, D. Young, J.L. Sarrao, Z. Fisk. // Physica B. 1997.Vol.230-232. P.784-786.

37. V.Jaccarino, G.R.Wertheim, J.H.Werneic, L.R.Walker, S.Arays// Phys.Rev. 1967. Vol.160, №3.P.46.

38. Сидоренко Ф.А., Дмитриев E.A., Гельд П.В.// Изв.вузов. Физика/ 1972 т.8. №1. С. 15.

39. Гельд П.В., Повзнер А.А., Волков А.Г. К теории магнитных и теплофизических свойств моносилицида железа // ДАН СССР. 1985. т. 283. N2, с. 358-360

40. Спиновые флуктуации и особенности электронных переходов полупроводник-металл в почти ферромагнитных соединениях переходных металлов /А.Г.Волков, А.А.Повзнер, В.В.Крюк, П.В.Баянкин // ФТТ.1999. т. 41, вып. 10. С. 1792.

41. G. Aeppli and Z. Fisk. Comments Condens. Matter Phys. 1992. Vol.16. P. 155.

42. D. Mandrus et.al., Phys.Rev. B. 1995. Vol.51. №11. P.106.

43. Магнитная восприимчивость твердых растворов моносилцидов FeSi-CoSi и FeSi-MnSi /Ф.А. Сидоренко, А.Н. Бортник, Т.С. Шубина, Е.А. Скрипова, Л.П. Зеленин. / ФММ. 1969. т.28, вып.2. с.275-280.

44. Asanabe S., Shinoda D., Sasaki Y. Semimetalic properties of CoixFexSi solid solution// Phys.Rev. A. 1964. Vol.134, №3. P.774-779.

45. J. Beille, D. Bloch, V. Jaccarino, J.H. Wernick, G.K. Wertheim.-J. De Physique. 1977. Vol.38, №3. P. 339-343.

46. J. Beille, D. Bloch, F. Towfig, J. Voiron, -J. Magnet, and Magnet. Matter. 1979. Vol.10. P.265-273.

47. Аношина О.в.: влияние спиновых флуктуаций на электронную структуру и физические свойства полуметаллических слабых зонных магнетиков. Дис. канд. физ.-мат. наук.-Екатеринбург,2003.

48. Мория Т. Последние достижения теории магнетизмаколлективизированных электронов. //УФН. 1981 .т. 135, вып. 1. С.117-170.

49. Anderson P.W. New approach to the theory of superexchange interactions //Phys. Rev. 1959. Vol.115. P. 2.

50. Moriya Т., Kawabata A. Effect of spin fluctuation on intenerant electron ferromagnetism//J. Phys. Soc. Japan. 1973. Vol. 84. P. 639-651.

51. Дзялошинский И.Е., Кондратенко П.С. К теории слабого ферромагнетизма ферми-жидкости // ЖЭТФ. 1976. т.70, № 5. С. 1987-1359.

52. Murata К.К., Donich S. Theory of magnetic fluctuations in itinerant ferromagnets.// Phys. Rew. Lett. 1972, Vol. 29, №5. P.285-288.

53. Hasegawa H., Morya T. Effect of spin fluctuations in nearly and weakly antiferromagnetic metals / J. Phys.Soc. Japan. 1975. Vol.38, №6. P.1542-1553.

54. Повзнер А.А., Тимофеев А.А. Флуктуационный подход к теории слабого зонного магнетизма переходных металлов и их соединений // ФНТ. 1988.т. 14, №9.

55. J.B. Sokoloff, W.H. Li, В. Pagonis et al. Forbidden" magnon scattering in the weak ferromagnet MnSi // Solid State Communs. 1984. Vol.52, №7. P.693-696.

56. Makoshi K., Moriya T. Theory of helical spin structure in itinerant electron systems / J. Phys. Soc.Japan. 1978. Vol. 44, №1. P. 80-88.

57. Moriya Т., Usami K. Magneto-volume effect and invar phenomena in ferromagnetic metals / Sol. State Common. 1980. Vol. 34, №2. P. 95-101.

58. Повзнер A.A., Страшников О.Г., Волков А.Г. К теории гелимагнитного упорядочения слабых зонных магнетиков. / ФНТ. 1984. т. 10, №7, С.738-742.

59. Ахиезер А.И., Барьяхтар В .Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. М.: Наука, 1967. 368с.

60. Силин В.П., Солонцов А.З.Теория температурной зависимости спектра магнонов ферромагнитных металлов // ЖЭТФ. 1985. т. 89, вып.4, С. 14321443.

61. Солонцов А.З. О макроскопической динамике проводящих магнетиков // ФММ. 1984. т. 58, вып. 6. С. 1080-1083.

62. Hertz J.A., Klenin M.A. Fluctuations in itinerant-electron paramagnets. / Phys. Rew.B. 1974. Vol. 10, №3. P.l084-1096.

63. Hertz J.A., Klenin M.A. Sloppy spin waves above Tc / Physica B. 1977. Vol. 91, №1. P.49-55.

64. Shimizu M., Kanihara A. Effect of spin fluctuations on the paramagnetic susceptibility in MnSi and f.c.c. Fe3Ni alloys. // Phys. Lett. A. 1983. Vol.99, № 23. P. 107-110.

65. Гребенников В.И., Прокопьев Ю.И. Температурные флуктуации спиновой электронной плотности и восприимчивость парамагнитных переходных металлов. // ФММ. 1984. т. 57, вып.З, С. 483-492.

66. Koserman V., Prange R.E. Local band theory of itinerant ferromagnetism. <" Phys. Rev. B. 1979. Vol. 19, № 9, P.4698-4702

67. Hasegawa H. Single-site spin fluctuation theory of itinerant electron system with narrow bands. / J. Phys. Soc. Japan. 1980. Vol.49, № 1. P. 178-188.

68. Hubbard J. Magnetism of iron // Phys. Rev. B. 1979. Vol.20, №11. P.4584-4595.

69. Takahashi Y., Moriya T. A theory of nearly ferromagnetic semiconductions. J. Soc. Japan. 1979. Vol.46, №5. P.1451-1459.

70. Moriya T. Spin correlations in itinerant electron magnetic. // J. Phys. Soc. Japan. 1982. Vol. 51, №9. P.2806-2818.

71. Hubbard J. Electron correlations in narrow energi bands. / Proc. Roy. Soc. A, 1963. Vol.276, № 22. P.238-257.

72. Стратонович P.JI. Об одном способе вычисления квантовых функций распределения. // ДАН СССР. 1957. т. 157, вып. 6. С. 1097-1100.

73. Hubbard J. Calculation of partition functions. // Phys. Rev. Lett. 1959. Vol.3, №2. P.77-78.

74. Абрикосов A.A. Горьков Л.И., Дзялошинский И.Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике. М.: ГИФМЛ, 1962, 444с.

75. Повзнер А.А., Волков А.Г., Гельд П.В. К теории слабого магнетизма переходных металлов и их соединений. // ФММ. 1984т. 58, № 1.

76. Повзнер А.А. К теории спиновых волн в зонных магнетиках // ФНТ. 1986. т. 12, №9.

77. Мотт Н.Переходы металл-изолятор. М.: Наука, 1979. 342 с.

78. Мория Т. Спиновые флуктуации в магнетикахс коллективизированными электронами. М.:Мир, 1988. 288с.

79. Anderson P.W Absence of Diffusion in Certain Random Lattices //Phys.Rev. 1958. Vol.109, P. 1492.

80. Мотт H., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.:Мир, 1982. 368с.

81. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. с.831

82. Ма Ш. Современная теория критических явлений. М.: Мир, 1980. с.298

83. Повзнер А. А., Зиличихис А.Л., Абельский Ш.Ш. Плотность электронных состояний парамагнетика в модели узких зон с кулоновским взаимодействием// ФТТ. 1979. т.21, вып.З. С.870-876.

84. E.Kisker, К. Schroder, F.K. King et.al. Phys. Rev. В. 1985. Vol.31,№l. p.329.

85. Переход полупроводник-металл в FeSi в сверх сильном поле/ А.Г. Волков, А.А. Повзнер, В.В. Крюк, П.В. Баянкин, Ю.Б. Кудасов //ЖЭТФ. 1999. т. 116, вып. 5(11). С.1770.

86. J. Beille, J. Voiron, M. Roth//Sol. State Comm. 1983. Vol.47, №5.P. 399-402.

87. C.B. Кортов, А.А. Повзнер, Л.Ф. Ромашева, П.В. Гельд /,' Изв. Вузов. Физика. 1990. № 12. С. 93-94.95.3айман Д. Электроны и фононы. М.:Иностр. Лит. 1962.488 с.