Новости науки 02.07.02. Ферромагнетизм в полупроводниковых структурах:"ситуация
под контролем"
Одним из перспективных в плане практических применений объектов
исследования являются ферромагнитные полупроводниковые структуры.
Интересной особенностью таких структур является возможность управлять
их магнитными свойствами с помощью электрического поля и освещения,
что поможет реализовать на основе подобных структур магнитооптическую
память.
В настоящее время ведутся активные исследования так называемых
разбавленных магнитных полупроводников - твердых растворов, в которых
присутствует несколько процентов магнитных ионов (например, марганца),
и гетероструктур на их основе. В подобных твердых растворах и структурах
на их основе возможна реализация магнитоупорядоченных состояний.
Еще более интересно то, в таких структурах можно управлять магнитными
свойствами с помощью внешних параметров (подсветка, приложенное
напряжение). Возможность управления магнитными свойствами в магнитных
полупроводниковых гетероструктурах основана на том факте, что взаимодействие
между магнитными ионами в разбавленных полупроводниках осуществляется
через электронную (дырочную в описываемых ниже экспериментах) подсистему:
локализованный спин магнитного иона, погруженный в"облако" дырок,
создает спиновую поляризацию этого облака, которую, в свою очередь,
чувствуют другие магнитные ионы. Таким образом, ферромагнетизм возникает
в результате косвенного обменного взаимодействия (так называемое
РККИ обменное взаимодействие). Соответственно, меняя плотность дырочного
газа, можно воздействовать на состояние системы локализованных спинов
магнитных ионов.
Рис.1. Cхематическое изображение сечения образца (сверху) и
зонной структуры (внизу) для p-i-p и p-i-n структур. На зонной диаграмме
вверху - дно зоны проводимости, внизу - потолок валентной зоны;QW
- квантовая яма, слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной
зоны.
Наибольшее внимание исследователей"исторически" уделяется соединениям
элементов третьей и пятой групп таблицы элементов Менделеева (III-V),
а также элементов второй и шестой групп (II-VI). Экспериментально
влияние подсветки и др. на ферромагнетизм уже исследовалось в полупроводниковых
соединениях III-V, однако соединения II-VI представляют в этом плане"большую
свободу действий". Вопросу исследования влияния подсветки и электрического
поля на ферромагнетизм в полупроводниковых структурах (Cd,Mn)Te/(Cd,Zn,Mg)Te
посвящена недавняя работа французских и польских ученых [1].
Исследовали вырастили p-i-p или p-i-n структуры [p - область с
дырочной проводимостью, i - нелегированная область, n - область
с электронной проводимостью] (рис.1), содержащие отдельную квантовую яму - очень тонкий (типичная толщина - несколько
нанометров) слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны
(в данном случае Cd1-xMnxTe, где 0.03 < x
< 0.05), окруженный полупроводником с большей шириной запрещенной
зоны. Регистрируя спектры фотолюминесцении квантовых ям при различных
условиях (приложенное к структуре напряжение, дополнительная подсветка),
ученые показали, что, с помощью подобного воздействия можно переводить
систему из ферромагнитного состояния в парамагнитное и наоборот
(при данной температуре), и провели исследование влияние концентрации
дырок на температуру перехода системы ионов марганца в квантовой
яме ферромагнитное состояние (температуру Кюри).
Механизм оптического воздействия легко понять на примере рис.1
(левая сторона). Дополнительная подсветка - при энергии фотона,
превышающей ширину запрещенной зоны более широкозонного материала
- рождает в структуре электронно-дырочные пары. В силу особенностей
зонной структуры электроны (полые кружки на рисунке) легко"соскальзывают
в яму" (оказываются в слое Cd1- xMnxTe), где
они рекомбинируют (аннигилируют) с"живущими" в яме дырками. В то
же время созданным с помощью дополнительной подсветки дыркам (черные
кружки на рисунке) мешает"попасть в яму" потенциальный барьер. В
результате этого под влиянием дополнительной подсветки концентрация
дырок в квантовой яме (слое более узкозонного материала) падает,
что приводит к исчезновению ферромагнитного упорядочения.
Рис.2. Зависимость намагниченности образца от температуры для
различных концентраций ионов марганца. AFM, FM и PM - антиферромагнитное,
ферромагнитное и парамагнитное состояние, соответственно.
Очевидным возможным практическим применением описанных эффектов
является создание магнитооптической памяти - с помощью света и электрического
поля в подобных магнитных структурах могут формироваться и"убираться"
области с ферромагнитным упорядочением. Однако тут есть одно"но":
в описанных экспериментах температура Кюри для исследуемых структур
- всего несколько Кельвинов, в соединениях III-V она выше, но тоже
относительно низка. В то же время нетрудно понять, что для создания
работающих устройств необходимо иметь ферромагнитные полупроводниковые
структуры, способные работать при комнатной температуре. Поиск таких
полупроводников ведется непрерывно; об обнаружении очередного соединения
- (Zn1- xMnx)GeP2, - демонстрирующего
ферромагнетизм при комнатной температуре, недавно сообщила группа
ученых из Южной Кореи и США [2]. Ширина запрещенной зоны этого полупроводника
при 300 K составляет около 2 эВ, температура перехода в ферромагнитное
состояние (температура Кюри) - 312 K. В диапазоне температур 47
- 312 K материал находится в ферромагнитном состоянии, если концентрация
ионов марганца превышает 5.6 % , то при температуре 47 К происходит
переход материала из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние
(рис.2).
1. H.Boukari, P.Kossacki, M.Bertolini et al. Phys.Rev.Lett., v.88,
207204 (2002).
2. Sunglae Cho, Sungyol Choi, Gi-Beom Cha et al. Phys.Rev.Lett.,
v.88, 257203 (2002).
|