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 Cd_1-xMn_xTe, 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 Cd_{1- x}Mn_xTe), 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 - (Zn_{1- x}Mn_x)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).

перейти к началу страницы