Спосіб визначення температури кюрі напівпровідникових матеріалів

Спосіб визначення температури Кюрі напівпровідникових матеріалів, що включає її знахо дження шляхом розрахунку, який відрізняється тим, що для матеріала експериментально визначають енергію поздовжнього оптичного фонона, а температуру Кюрі визначають з виразу Tк  5,8  0  130 , Κ, Корисна модель належить до техніки визначення фізичних параметрів напівпровідникових матеріалів, зокрема, температури магнітного фазового переходу, тобто температури Кюрі. В останні роки різко виріс інтерес до напівпровідникових матеріалів, легованих домішками з незаповненими 3d- та 4f-оболонками. Їх особливість - наявність нескомпенсованого магнітного моменту, а матеріал при температурі, меншій від деякої критичної Тк (температура Кюрі) переходить у магнітовпорядкований стан [1]. Зрозуміло, що з практичної точки зору бажано вибирати напівпровідник з якомога більшою величиною Тк, оскільки при Т > Тк він переходить у невпорядкований (парамагнітний) стан і стає непридатним для виготовлення елементів магнето-електроніки, які б могли працювати в області високих температур. У зв'язку з цим важливим є визначення температури Кюрі для кожного конкретного матеріалу. Якщо для магнітних металевих сплавів ця задача давно вирішена, то для напівпровідників з магнітними домішками - залишається досить складною, що викликано низкою причин. Перша з них полягає в тому, що експериментальне визначення Тк з температурних залежностей магнетоопору ρв або магнітної сприйнятливості χв потребують досліджень у широкому температурному діапазоні, включаючи й область кріогенних температур. Друга причина пов'язана з проблемами створення якісних омічних контактів до зразків, призначених для вимірювання магнетоопору. У випадку нелінійності їх вольт-амперних характеристик залежність ρв(Т) спотворюється і може бути далекою від реальної, що у свою чергу викликає невизначеність Τк. Дослідження магнітної сприйнятливості χΒ хоча й не потребує зразків з омічними контактами, однак вимагає використання прецизійних вимірювань слабких сил діючих, на зразки з боку магнітного поля В. Зауважимо також, що розглянуті вище експериментальні методи у більшості випадків потребують температур значно нижчих від 300 К, що робить їх складними і вартісними. Альтернативним може бути теоретичний підхід, вибраний нами як найближчий аналог. Він враховує, що потенціальна енергія двох сусідніх атомів описується виразом [1] (13) 67458 (11) UA також взаємної орієнтації спінів S1 , і S2 . Базуючись на викладених вище принципах автор [2] розрахував величини U0 і А (а з них і температури Кюрі) для низки відомих напівпровідників, які містять домішкові атоми Μn у катіонній підґратці. Для матеріалів з відомими експериментальними значеннями Тк, останні непогано корелюють з розрахунковими. Використання даного теоретичного підходу для інших напівпровідників є складною задачею, оскільки вимагає додаткової інформації про низку макро- і мікропараметрів матеріалу, причому деякі з них також визначають лише розрахунковим шляхом. У зв'язку з цим актуальним є пошук інших методів знаходження температури Кюрі, особливо для нових напівмагнітних напівпровідників, число яких постійно зростає. (19) U  U0  2AS1  S2 (1). Тут U0 визначається кулонівською взаємодією, а А - обмінний інтеграл, який залежить від відстані між атомами r12, їх хвильових функцій ψ1 і ψ2, а U де енергія поздовжнього фонона 0 вимірюється в меВ. 3 Задача корисної моделі - спрощення визначення температури Кюрі, напівпровідників з магнітними домішками. Нами пропонується емпіричний вираз, який зв'язує температуру Кюрі з енергією поздовжнього оптичного фонона ħω0(LO-фонона) залежністю. Tк ≈ 5,8·ħω0-130,K, (2) де ħω0 вимірюється в меВ. На фіг. 1 суцільною лінією зображено залежність (2). Заповнені кружечки належать до експериментальних, а незаповнені - до теоретичних значень Тк, наведені у [2]. Відповідні величини ħω0 для кожного з напівпровідників взято з роботи [3]. На фіг. 2 наведено перша Νω та друга Ν"ω похідні спектрів люмінесценції шарів ZnSe:Mn (а) і CdSe:Mn (б), а також спектри раманівського розсіяння шарів ZnO:Mn (в). Виявлена залежність є основою запропонованого способу визначення температури для будьякого напівпровідникового матеріалу, що містить домішку 3d- або 4f-елементів. Для цього експериментально знаходять енергію LO-фонона, а Тк визначають із залежності (2). Величину ħω0 знаходять зі спектрів люмінесценції раманівського розсіяння або люмінесценції матеріалу при 300 К, у зв'язку з чим відпадає необхідність використання низьких температур. Запропонований метод апробовано на двох широкозонних II-VI сполуках, для яких відсутні експериментальні значення температури Кюрі. Базовим матеріалом слугували пластинки, які були вирізані з об'ємних бездомішкових кристалів ZnSe, вирощених з розплаву під тиском інертного газу. Легування пластинок марганцем здійснювалось шляхом дифузії у закритому об'ємі, у результаті чого утворювались шари ZnSe:Mn [4]. Для виготовлення гетерошарів ZnO:Mn зразки з шаром ZnSe:Mn відпалювались на повітрі. Утворення нової сполуки ZnO на підкладинках ZnSe у результаті проведених відпалів підтверджується результатами досліджень спектрів оптичного відбивання [5]. 67458 4 На фіг. 2 наведено перша Ν'ω похідна звичайного спектра люмінесценції ZnSe:Mn, а також спе ктри раманівського розсіяння I~ шарів ZnO:Mn (де ~  1  - спектроскопічна частота, яка вимірюється -1 в см ). Підстановка у вираз (2), знайдених зі спектрів величина ħω0 дозволила розрахувати для цих матеріалів значення Тк, які на фіг. 1 зображено незаповненими квадратиками. Як видно з приведених даних, знайдені Тк не суперечать виявленій закономірності зменшенню температури Кюрі для матеріалів з меншою величиною LO-фонона. Звернемо увагу на те, що для ZnSe:Mn експериментальне знаходження Тк із залежностей ρв(Т) і χв(Т) потребує досліджень в околі температур ~30 К, в той час як запропонований метод обмежився вимірюванням спектрів люмінесценції при 300 К. Таким чином, визначення температури Кюрі напівпровідника з магнітними домішками фактично зводиться до знаходження енергії LO-фонона у ньому, яку зазвичай, отримують зі спектрів люмінесценції або раманівського розсіяння, виміряних при кімнатних температурах. Джерела інформації: 1. Нагаев Э. Л. Физика магнитных полупроводников. М.: Наука, 1979. - 342 с. 2. Dietl Т. Spintronics and ferromagnetism in wide-band-gap semiconductors. // Physics of semiconductors - American Institute of Physics, 2005, P. 56-61. 3. Физические величины: Справочник. / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 454-542. 4. Махній В. П., Кінзерська О. В., Ульяницький С. К. Спосіб легування селеніду цинку домішками перехідних металів. // Патент на корисну модель UA46928 опубл. 11.01.2010, Бюл. № 1, 2010 р. 5. Махній В. П., Хуснутдінов С. В. Спосіб виготовлення гетерошарів оксиду цинку. // Патент на корисну модель UA31870 опубл. 25.04.2008, Бюл. № 8, 2008 р. 5 67458 6 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601