ПОЛУМАГНИ́ТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ́
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПОЛУМАГНИ́ТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ́ (разбавленные магнитные полупроводники), полупроводниковые твёрдые растворы, в которых осн. диамагнитная кристаллич. матрица содержит некоторое количество парамагнитных примесных атомов. Концентрация последних не слишком велика, поэтому диполь-дипольное взаимодействие между их магнитными моментами малó. Расстояние между примесными атомами значительно больше постоянной кристаллич. решётки, и они в некотором приближении подобны атомам идеального газа с магнитной восприимчивостью, подчиняющейся Кюри закону. В роли магнитных примесных атомов могут выступать атомы переходных элементов, лантаноидов и актиноидов с нескомпенсированным спином электронов на f- или d-оболочках. Обменные эффекты при взаимодействии электронов проводимости или дырок с магнитными примесными атомами могут приводить к магнитным фазовым превращениям.
Наиболее изучены соединения типа $\rm{A^{II}_{1– x}M_xB^{VI}}$ и $\rm{A^{IV}_{1–x}M_xB^{VI}}$ (где $\rm{A^{II} – Cd, Zn, Hg; A^{IV} – Sn, Pb, Се; B^{VI} – S, Se, Те; М – Мn, Fe, Eu}$), имеющие структуру $\rm{ZnS}$ (вюрцита) и $\rm{NaCl}$. Магнитные ионы в этих П. п. не создают состояний в запрещённой зоне полупроводника (или вблизи точки вырождения зоны проводимости и валентной зоны в бесщелевых полупроводниках), однако отличие их потенциала от потенциала замещённых ими ионов приводит к изменению электронного спектра (ширины запрещённой зоны 𝒜g, эффективной массы носителей заряда). Возможность варьировать в широких пределах состав П. п. (изменять значение х) позволяет плавно перестраивать электронную структуру от бесщелевого инверсного электронного спектра до обычного (𝒜g>0).
Специфич. свойства П. п. обусловлены обменным взаимодействием зонных носителей заряда с электронами магнитных ионов. В отсутствие магнитного поля энергетич. спектр носителей заряда в П. п. аналогичен спектру соответствующего обычного полупроводника. В магнитном поле энергия обменного взаимодействия отлична от нуля, что приводит к перестройке энергетич. спектра носителей заряда. Так, бесщелевой полупроводник Hg1–xMnxTe при включении магнитного поля становится полуметаллом (происходит перекрытие зоны проводимости и валентной зоны), а при дальнейшем увеличении магнитного поля превращается в обычный полупроводник.
Магнитные свойства П. п. существенно зависят от концентрации магнитных ионов х и темп-ры Т. На фазовой диаграмме в переменных х – Т можно выделить 3 области: парамагнитную, область спинового стекла и антиферромагнитную. В парамагнитной области, которая соответствует малым х или высоким Т, намагниченность описывается функцией Бриллюэна. При низких темп-pax и значительных x в П. п. наблюдается переход в фазу спинового стекла (напр., в $\rm{Hg_{1–x}Mn_xTe}$ при х> 0,17; рис.). В бесщелевых П. п. область спинового стекла может, по-видимому, существовать и при малых х, что связано с косвенным обменным взаимодействием магнитных ионов через электроны проводимости. Антиферромагнитная фаза обнаружена лишь в $\rm{Cd_{1–x}Mn_xTe}$ при х>0,6.
П. п. могут быть легированы как донорными, так и акцепторными примесями. Энергии локализованных примесных состояний в П. п. определяются не только кулоновским взаимодействием с потенциалом поля примесного центра, но и обменным взаимодействием с локализованными магнитными моментами. Вклад обменного взаимодействия в энергию локализованного состояния зависит от х, Т и напряжённости Н магнитного поля. Результатом обменного взаимодействия электронов с локализованными магнитными ионами является гигантское отрицательное магнитосопротивление, наблюдаемое в узкощелевых П. п. p-типа (удельное сопротивление уменьшается на 5–7 порядков в магнитных полях с индукцией 4-5 Тл). Уменьшение электрич. сопротивления в магнитном поле в ряде случаев сопровождается фазовым переходом полупроводник-металл. Специфика энергетич. спектра свободных и локализованных носителей заряда в П. п. приводит к особенностям оптич. и магнитооптич. явлений, напр. к гигантскому эффекту Фарадея. П. п. – перспективные материалы спинтроники.
