Цель настоящей работы состояла в проведении экспериментальных исследований намагниченности электронной системы примесных атомов 3d-элемента (железа) низкой концентрации (< 0,1 at. %) в полупроводниковом кристалле с целью прямого экспериментального подтверждения существования спонтанного магнитного упорядочения. Актуальность такой цели связана с обоснованием достижения в полупроводниковых объектах сочетания высокой проводимости и спонтанного магнетизма.
Многочисленные исследования в этом направлении, результаты которых изложены в публикациях [1–3], сосредоточены в основном на возможности реализации магнитоупорядоченного состояния лишь при достаточно высокой концентрации примесей переходных элементов (5–10 at. %) и основаны на том, что спонтанная спиновая поляризация примесной электронной системы возникает благодаря межпримесному взаимодействию. Но при этом в работах [4–5], посвященных комплексному исследованию физических свойств электронной системы, образованной донорными примесными атомами переходных элементов низкой концентрации, было обосновано существование такого механизма спонтанной спиновой поляризации, который не связан с межпримесным взаимодействием и обусловлен коллективизацией однопримесных состояний. Нами 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. Подробное изучение свойств такой электронной системы на основе разработанного теоретического описания и экспериментального исследования гальваномагнитных явлений привело к обнаружению аномального вклада в эффект Холла в монокристалле селенида ртути с низкой концентрацией примесей железа (< 0,2 at. %). Было установлено также, что зависимость аномальной части холловского сопротивления от напряженности магнитного поля имеет вид кривых с насыщением. Эти эксперименты представили первые свидетельства существования спонтанной намагниченности низкоконцентрированных примесных систем. В последующих экспериментах изучение температурных зависимостей магнитной восприимчивости электронных систем гибридизированных состояний 3d-примесей (Fe, Co, Ni) в кристалле HgSe показало, что в парамагнитной восприимчивости содержится вклад, независящий от температуры, который связан с наличием спонтанной поляризации. При этом в намагниченности исследуемых примесных систем была определена степень поляризации электронной плотности в локализованной компоненте гибридизированных состояний для каждой примеси. При исследовании температурных зависимостей примесных вкладов в модули упругости и теплоемкость монокристалла селенида ртути с низкой концентрацией примесей Fe и Co были выявлены закономерности, в которых проявляется обменное межэлектронное взаимодействие. Показано, что в температурной зависимости примесного вклада в теплоемкость наблюдается максимум, форма которого зависит от интенсивности обменного взаимодействия. Наблюдаемая в эксперименте зависимость отвечает такому значению константы взаимодействия, которое свидетельствует о наличии спонтанной спиновой поляризации исследуемой электронной системы. В температурных зависимостях упругих модулей также наблюдались аномалии, связанные с эффектами гибридизации, а полученные значения параметров межэлектронного взаимодействия отвечали существованию спонтанной спиновой поляризации электронов. Таким образом, появился внушительный объем экспериментальных данных по физическим свойствам электронных систем донорных примесей переходных элементов низкой концентрации, свидетельствующих о проявлениях спонтанной спиновой поляризации и спонтанной намагниченности.
Однако в области физики спонтанного магнетизма существуют основные фундаментальные представления о характере рассматриваемых объектов, к которым прежде всего принадлежат магнитополевые зависимости намагниченности, имеющие вполне определенные атрибуты. Поэтому, для того чтобы в полной мере отнести изучаемые электронные системы к магнитоупорядоченным в соответствии с принятыми фундаментальными представлениями, необходимо исследовать упомянутые магнитополевые зависимости их намагниченности. Первым шагом в этом направлении можно считать опубликованные в кратком сообщении [6] результаты наблюдения и анализа магнитополевых зависимостей намагниченности кристалла селенида ртути с примесями кобальта. В этих данных содержатся обнаруженные отдельные свидетельства кривой намагничивания, характерные для спонтанного намагничения, однако достаточно полной картины спонтанно поляризованной системы, включающей учет проявлений гибридизации электронных состояний, выявлено не было. В связи с этим нужно отметить, что электронные системы в совокупности рассматриваемого типа имеют различающиеся в разных отношениях параметры в зависимости от рода примесей, их концентрации (значения энергии Ферми) и других обстоятельств. При этом имеется группа систем, являющихся наиболее яркими представителями с точки зрения эффектов гибридизации электронных состояний и спиновой поляризации, то есть сравнительно сильно проявляющие эти эффекты. Естественно, что прежде всего именно для такой выделенной системы следует поставить задачу о наблюдении в ней фундаментальных параметров спонтанной намагниченности. Именно на таком подходе и основана цель настоящей работы. В качестве выделенной выбрана электронная система донорных электронов с концентрацией 7·1018 cм-3, образованная примесными атомами железа в полосе проводимости кристалла селенида ртути, термодинамические и кинетические свойства которой, включая проявления спонтанной намагниченности, достаточно подробно исследовались.
Материалы и методы исследования
Эксперименты проведены на образце селенида ртути с концентрацией примесей железа NFe = 7·1018 см-3. Монокристаллы селенида ртути были выращены вертикальным методом Бриджмена группой технологов под руководством Л.Д. Паранчич в Черновицком национальном университете (г. Черновцы, Украина). Концентрация и распределение примесей по объему слитков контролировались с помощью рентгеновского микроанализа. Образцы имели форму прямоугольного параллелепипеда с геометрическими размерами 1×2×8мм3.
Исследования статического магнитного момента проведены на СКВИД-магнитометре MPMS-5-XL (Quantum Design Co.) при T = 5 K в магнитном поле напряженностью до 50 kOe. Измерения выполнены А.Ф. Губкиным в Центре коллективного пользования «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов» (ЦКП «ИЦ НПМ») Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН.
Результаты исследования и их обсуждение
В полученной зависимости намагниченности Mexp(H) от напряженности магнитного поля H, представленной на рисунке, содержатся линейный диамагнитный вклад кристалла-матрицы χdH и исследуемый примесный вклад M(H), выходящий на насыщение с ростом напряженности поля. Диамагнитный вклад определяется по асимптотике зависимости Mexp(H) в сильном магнитном поле, так что намагниченность примесной электронной системы M(H) оказывается равной разности (Mexp(H) – χdH). Найденное значение χd = –1,2 emu/g·Oe близко к известной величине диамагнитной восприимчивости нелегированного кристалла селенида ртути [7].
Анализ полученной экспериментальной зависимости намагниченности M(H) сводится к обсуждению значений ее основных параметров, сопоставлению их с характеристиками, относящимися к системе невзаимодействующих электронов. Прежде всего это намагниченность насыщения Ms и соответствующий магнитный момент насыщения μs, приходящийся на один электрон. Полученная величина μs = 2,1μB, соответствующая значению Ms = 1,8·10-2 emu/g, значительно превышает магнетон Бора μB, характеризующий насыщение системы свободных электронов. Другим параметром магнитополевой зависимости M(H) является поле насыщения, то есть напряженность поля Hs, при которой намагниченность достигает значений, близких к насыщению. Эта величина оказалась близкой к 40 kOe, тогда как для системы свободных электронов она имеет порядок сотен килоэрстед. Таким образом, кривая намагничивания системы донорных электронов гибридизированных состояний имеет параметры, отвечающие сильному влиянию межэлектронного взаимодействия, зависящего от спина, и характерные для магнитоупорядоченной ферромагнитной системы. Тем самым можно считать, что задача принадлежности основной фундаментальной закономерности спонтанно-поляризованных объектов исследуемым электронным системам решена в полной мере.
Полученный в настоящей работе результат, вместе с результатом работы [6], состоит в подтверждении новыми экспериментами особой разновидности спонтанной спиновой поляризации и магнитного упорядочения, которая возникает в электронной системе примесей в пределе низкой их концентрации (< 0,1 at. %). Это явление имеет принципиальное значение, поскольку возникающее спонтанное упорядочение никак не связано с каким-либо межпримесным влиянием, а создается благодаря эффекту гибридизации примесных электронных состояний в полосе проводимости кристалла.
Другие широко развитые представления в области физики разбавленных магнитных полупроводников изложены в известных публикациях во многих обзорных и оригинальных статьях и книгах, вышедших за два-три десятилетия развития этой области [8–10]. Согласно этим представлениям локализованные спины примесей образованы электронами d-оболочки, энергии которых расположены в запрещенной или валентной полосе, а взаимодействие спинов осуществляется косвенным образом (механизм Рудермана – Киттеля) через взаимодействие с носителями тока. В таких системах, как и в других, которые изучались до сих пор, локализованные электронные состояния и состояния электронов проводимости принадлежат к разным энергиям, что накладывает серьезные ограничения на осуществление спинового упорядочения. Спонтанный примесный магнетизм при этом обусловлен косвенным или прямым взаимодействием спиновых моментов примесных атомов, то есть требует для своего появления значительной их концентрации и в связи с этим трудно совместим с совершенством атомной и электронной структуры кристаллов-матриц, желательным для научных и технических их применений. Представляемый в настоящей работе альтернативный механизм спонтанной спиновой поляризации примесных электронных систем лишен указанного недостатка. По своей сути он относится к системам с совершенной структурой, хотя и естественно обладающим сравнительно малыми значениями намагниченности, но принадлежащим при этом к широкому кругу объектов, включая низкоразмерные.
Зависимость удельной намагниченности M от магнитного поля полупроводника HgSe с низкой концентрацией d-примесей (NFe = 7·1018см-3) при T = 5 K
Заключение
Проведенным экспериментальным исследованием установлено, что в кристалле полупроводника с концентрацией примесей переходного элемента менее 0,1 at. % при низких температурах наблюдаются кривые намагничивания, характерные для магнитоупорядоченных кристаллов. Полученные значения магнитных параметров исследуемой примесной системы свидетельствуют о наличии ферромагнетизма, природа которого связана с прямым обменным взаимодействием электронов в гибридизированных состояниях. Обнаруженный спонтанный магнетизм низкоконцентрированной электронной системы донорных примесей 3d-элементов в полупроводниковом кристалле является прямым экспериментальным подтверждением выявленных ранее закономерностей, связанных с наличием спонтанной спиновой поляризации гибридизированных состояний (аномальный эффект Холла, вклад спинового упорядочения электронных состояний примесей в магнитную восприимчивость, аномальные температурные зависимости примесных вкладов в теплоемкость и модули упругости).
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме «Электрон» № АААА-А18-118020190098-5 и проекту № 18-10-2-6 Программы УрО РАН.