ВВЕДЕНИЕ
Изучение ферромагнетизма электронных систем примесных атомов переходных элементов в кристаллах полупроводников является весьма актуальной задачей. В данной области исследований можно видеть разделение по объектам изучения, характеризуемое различным содержанием и типом примесных атомов. Представляемая работа относится к широко известному направлению исследований кристаллических полупроводниковых соединений с 3d-примесями низкой концентрации (1–10 ат. %), которые образуют системы разбавленных магнитных полупроводников (РМП). Достижения в этой области при изучении спинового магнитного упорядочения примесных систем развиваются по нескольким направлениям: 1) активно исследуются полупроводники АIIIВV – GaAs(Mn) с концентрацией примесей Mn 5–10 ат. %, 2) магнитные диэлектрики (оксиды цинка) – ZnO(Mn,Co) с концентрацией d-примесей 1–10 ат. %, 3) синтезируются и исследуются новые РМП-структуры, 4) полупроводники IV группы с 3d-примесями – SiGe(Mn) с концентрацией Mn порядка 5 ат. %. Многочисленные исследования спинового магнетизма указанных систем основаны на том, что основным механизмом, обеспечивающим спиновое упорядочение, является межпримесное взаимодействие. При этом механизм магнитного упорядочения – косвенное обменное взаимодействие через поляризацию носителей заряда, а упорядочение спинов связано, в основном, с наличием вторых фаз (кластеров) либо антиструктурных дефектов [1–5].
В работах [6–9], посвященных комплексному исследованию физических свойств электронной системы, образованной донорными примесными атомами переходных элементов низкой концентрации (<1 ат. %), было обосновано существование такого механизма спонтанной спиновой поляризации, который не связан с межпримесным взаимодействием. На примере бесщелевого полупроводника HgSe:Fe было показано, что при гибридизации электронных состояний оболочки примесного атома переходного элемента с состояниями полосы проводимости становится возможным формирование единой системы электронов донорных состояний, которая, под действием сильного межэлектронного взаимодействия, зависящего от спина, обладает спонтанной спиновой поляризацией. При исследовании гальваномагнитных явлений в монокристаллах HgSe:Fe с предельно низкой концентрацией примесей железа (≤0.2 ат. %) был обнаружен аномальный вклад в холловское сопротивление, который имеет вид с насыщением (в зависимости от напряженности магнитного поля), подтверждающий наличие спонтанной намагниченности примесной системы. В последующих экспериментах изучение температурных зависимостей примесной магнитной восприимчивости монокристаллов HgSe:Fe(Co,Ni) с низкой концентрацией d-примесей (<1 ат. %) показало, что в парамагнитной восприимчивости содержится температурно-независящий вклад, связанный с наличием спонтанной поляризации. При исследованиях температурных зависимостей примесных вкладов в модули упругости и теплоемкость HgSe:Fe(Co) были выявлены закономерности, в которых проявляется обменное меж-электронное взаимодействие. Показано, что экспериментальные зависимости указанных термодинамических величин отвечают такому значению константы взаимодействия, которое свидетельствует о наличии спонтанной спиновой поляризации исследуемой электронной системы. При дальнейшем исследовании спонтанной спиновой поляризации нового типа обнаружен и детально изучен низкотемпературный ферромагнетизм (T = 5 К) системы HgSe:Fe(Co) с предельно низкой концентрацией d-примесей (x ≤ 0.2 ат. %) [10–13]. Определены магнитополевые зависимости намагниченности примесных электронных систем, характерные для типичных ферромагнетиков. На основе разработанных теоретических представлений в рамках модели спонтанной спиновой поляризации получено хорошее согласие теоретических зависимостей с экспериментальными. При описании экспериментальных зависимостей низкотемпературной намагниченности в рамках разработанной теории определены параметры, характеризующие спонтанный спиновый магнетизм изучаемых примесных систем, значения которых согласуются с параметрами, полученными ранее при описании аномалий эффекта Холла и температурных зависимостей магнитной восприимчивости [8, 10].
В рамках продолжения исследований спонтанного магнетизма нового типа была поставлена цель – рассмотреть и определить в системах HgSe:Fe с предельно низкой концентрацией примесей железа (≤0.06 ат. %) возможность существования и природу высокотемпературного ферромагнетизма при комнатной температуре (Т = = 300 К). Интерес к такой задаче очевиден, поскольку ее решение позволит получить новую информацию об условиях возникновения спонтанной упорядоченности спиновых электронных систем, которая будет способствовать созданию нового способа получения спин-поляризованных электронов в полупроводниках, что актуально для полупроводниковой спинтроники.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В данной работе исследовался магнетизм разбавленных магнитных полупроводников особого типа, в которых спонтанное спиновое упорядочение достигается в совокупности донорных электронов примесных атомов железа предельно низкой концентрации в полосе проводимости кристалла-матрицы HgSe. Исследовались два образца: нелегированный HgSe – образец (1) и HgSe:Fe с предельно низкой концентрацией примесных атомов железа NFe =7 · 1018 см–3 – образец (2). В образце с такой концентрацией железа, согласно оценкам, энергия Ферми εF близка к резонансной энергии εd донорного уровня (см. рис. 1) и поэтому хорошо выполняется условие для гибридизации электронных состояний и спонтанной спиновой поляризации [6, 8, 10, 12, 13]. Монокристаллические слитки были выращены методом Бриджмена. Образцы вырезались в форме прямоугольных параллелепипедов с размерами 1 × 2 × 8 мм.
Рис. 1.
Схематическое изображение плотности состояний электронов g(ε) и стабилизация уровня Ферми εF на донорном уровне εd монокристалла Hg1 –xFexSe (x = 0.06 ат. %) – образец (2).
Для определения содержания примесей железа в образцах проведен элементный анализ методом оптико-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES) с использованием спектрометра-монохроматора OptimaTM8000 DV (PerkinElmer®, USA). Параметры установки: спектральный диапазон – 160–900 нм, разрешающая способность – лучше 0.007 нм при 200 нм. Установлено, что содержание примесных атомов Fe в нелегированном образце HgSe – образец (1) ∼ 3 · 1017 см–3, что согласуется с известными значениями концентрации неконтролируемых доноров в HgSe [14]. Содержание примесных атомов железа в образце (2) – NFe = 1.2 · 1019 см–3 (0.06 ат. %) (см. табл. 1).
Таблица 1.
Результаты элементного анализа монокристаллов HgSe – образец (1) и Hg1 –xFexSe – образец (2): содержание примесных атомов железа
| № обр. | Содержание Fe (по загрузке), см–3 | Вес. % | Ат. % | NFe, см–3 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0.00025 | 0.0015 | 3 · 1017 |
| 2 | 7 · 1018 | 0.010 | 0.06 | 1.2 · 1019 |
Для исключения влияния кластеров FeSe и антиструктурных дефектов (междоузельных атомов Hg и вакансий Se) на формирование ферромагнетизма в исследуемых системах проведен рентгеноструктурный анализ (РСА) методом рентгеновской дифракции с использованием дифрактометра Empyrean (Panalytical®, Netherlands). В результате РСА установлена кристаллическая структура образцов (1–2) – сфалерит, пространственная группа F43m, постоянная решетки и фазовый состав. Оба образца однофазны и обладают кристаллическим совершенством. Параметр решетки: a = 6.107 Å – образец (1), a = 6.1 Å – образец (2), что согласуется с известными данными для HgSe (a = 6.08 Å) [15].
Исследование полевых зависимостей намагниченности m(H) проведено на СКВИД-магнитометре MPMS-5-XL (Quantum Design Co., USA) при T = 300 K в магнитных полях H = ±50 кЭ (в режиме FC). Точность установки: 10–8 Гс · см3.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты измерений полевых зависимостей удельной намагниченности Mexp(H) монокристаллов HgSe – образец (1) и Hg1 –xFexSe (x = 0.06 ат. %) – образец (2) при T = 300 К и процедура выделения примесного вклада M(H) приведены на рис. 2. Из рисунка видно, что полученные значения примесной намагниченности (∼10–5 Гс · см3/г) на 3 порядка меньше измеряемой величины (∼10‒2 Гс · см3/г), что связано с предельно низкой концентрацией примесей железа. Экспериментальная зависимость Mexp(H) для образца (2) содержит значительный линейный диамагнитный вклад намагниченности матрицы HgSe, настолько заметно проявляющийся в силу малости концентраций легирующей примеси Fe (0.06 ат. %), на 2 порядка меньшей, чем в разбавленных магнитных полупроводниках с концентрацией d‑примесей 1–10 ат. %. Экспериментальная зависимость Mexp(H) для нелегированного HgSe – образец (1) содержит только диамагнитный вклад, отражая отсутствие содержания неконтролируемых примесей. Наклон наблюдаемой зависимости соответствует значению диамагнитной восприимчивости χdia = –2.9 · 10–7 Гс · см3/г · Э, которое согласуется с известными экспериментальными данными для HgSe [15, 16]. Намагниченность примесной электронной системы M(H) образца (2) определялась разностью Mexp(H) – χdiaH. После проведения прецизионной процедуры выделения примесного вклада M(H) (рис. 2) из экспериментальной зависимости получена кривая спонтанного намагничивания для исследованного образца (2) (рис. 3), которая имеет вид с насыщением, типичный для ферромагнетиков. Анализ полученной экспериментальной зависимости намагниченности M(H) сводится к обсуждению значений ее основных параметров: намагниченности насыщения MS и магнитного момента насыщения μS, приходящегося на один электрон. Параметры полученной зависимости MS = 3.4 · 10–5 Гс · см3/г и μS = 4.1 · 10–3 μБ/1ē отвечают слабому ферромагнетизму. Установлено, что поле насыщения HS ∼ ∼ 15.6 кЭ (рис. 3) при комнатной температуре (T = 300 К) намного меньше по величине, чем HS при низких температурах T = 5 К (HS ∼ 40 кЭ [12]), и также характерно для типичных ферромагнетиков. Таким образом, наблюдение кривой намагничивания, характерной для магнитоупорядоченных систем, подтверждает, что обменное взаимодействие между донорными электронами проводимости в системе HgSe:Fe достаточно сильное и сохраняется при высоких температурах, вплоть до комнатной.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Впервые при комнатной температуре (T = 300 K) в разбавленном магнитном полупроводнике Hg1 –xFexSe (x ≤ 0.06 ат. %) обнаружен высокотемпературный ферромагнетизм нового типа, который ранее был предсказан нами теоретически. Установлено, что вид кривых намагничивания и значения магнитных параметров свидетельствуют о наличии спинового упорядочения, обусловленного обменным взаимодействием донорных электронов проводимости в условиях гибридизации. Природа обнаруженного спонтанного магнетизма имеет характер, подобный низкотемпературному ферромагнетизму (T = 5 K), детально исследованному на этих системах ранее.
Авторы выражают благодарность Л.Д. Паранчич (Черновицкий национальный университет, г. Черновцы, Украина) за предоставленные монокристаллические слитки, а также – А.Ф. Губкину за помощь в проведении магнитных измерений. Рентгеноструктурные исследования и магнитные измерения проведены на оборудовании ЦКП “Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов” ИФМ УрО РАН. Работа выполнена в рамках темы государственного задания “Электрон” (гос. рег. № 122021000039-4).