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.
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.
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).
| ||||
|