Магнитные колебания и волны в ферромагнитных полупроводниках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, доктор физико-математических наук Солин, Николай Иванович

• Солин, Николай Иванович
• доктор физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Солин, Николай Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

I. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

I Л. ФЕРРОМАГНИТНЫМ РЕЗОНАНС В ЕиО.

IЛ Л. Состояние эксперимента и проблемы по ФМР в ЕиО.

I.I.2. Влияние магнитного упорядочения на СВЧ проводимость ЕиО.

IЛ.3 Влияние СВЧ проводимости на ширину линии ФМР ЕиО. . 30 1.1.4 Кристаллографическая анизотропия ЕиО.

1.2 ФЕРРОМАГНИТНЫМ РЕЗОНАНС В figOr?SeÄ

1.Z.I. Состояние эксперимента и проблемы по ФМР в

HgOipSe1.

1.2.2. Влияние центров кубической симметрии на ферромагнитный резонанс в HgCr9Se4.

1.2.3, Влияние примесных центров тритоналъной симметрии на спектр ферромагнитного резонанса HgCi^Se^.

2. МА1ЖГ0СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 74 2.1. Состояние эксперимента и проблемы по МСВ в магнитных полупроводниках. 74 2.2» Методики для исследования спектра МСВ в магнитных полупроводниках.

2.3 М.АШИТОСТАТЙЧЕСКМЕ ВОЛНЫ В ЕиО 82 2.3Л Спектры объёмных и поверхностных МСВ для пластины

ЕиО в свободном пространстве, Сравнение теории с экспериментом.

2.3.2 Затухание и групповая скорость МСВ в ЕиО.

2.4. МАГНИТОСТАТИЧЕСКМЕ ВОЛНЫ В HgCr2Se

2.4.1 Спектр объёмных и поверхностных МСВ в 8мм диапазоне длин волн для пластины HgCr2Se4 в свободном пространстве. Сравнение эксперимента с теорией.

2.4.2 Спектр объёмных и поверхностных МСВ в слоистой структуре металл- диэлектрик - ферромагнитный полупроводник HgCr2Se4.

2.4.3 Влияние электропроводности на затухание и спектр

МСВ в HgCr2Se4. Сравнение теории с экспериментом. НО

3. СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ ЕиО и HgCr2Se

3.1 Нелинейные явления при ®Р в ЕиО.

3.2 Продольная накачка спиновых волн в ЕиО

3.3 Нелинейные явления при ШР и распространении МСВ в HgCr2Se4 1

3.4 Исследования затухание спиновых волн в HgCr2Se4 методом продольной накачки

4. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТЕЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

4.1 ВЛИЯНИЕ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СВЧ ПОГЛО

НИЕ И ФМР В МАГНИТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ CdCr2Se4.

4.2 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СПЕКТР И ЗАТУХАНИЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В HgCr2Se4. 195 4.2.1. Электропроводность и диэлектрические свойства магнитного полупроводника HgCr2Se4 в сильном сверхвысокочастотном электрическом поле.

4.2.2 Магнитосопротивление и эффект "Холла магнитного полупроводника Б^О^Бе^ в сильных магнитных полях.

4.2.3 Электропроводность и постоянная Холла Н^г^Бе^ в сильных электрических полях 248 4.3 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЗАТУХАНИЕ СПИНОВЫХ ВОЛН В МАГНИТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ Ь^Сг2Зе4. 261 4.3.1. Влияние электрического поля на затухание спиновых волн в НёСГрБе^, возбужденных методом поперечной накачки

4.3.2 Продольная накачка спиновых волн в HgOГoSeл во

С— ^Т" внешнем электрическом поле.

4.3.3 Магнитоэлектрический механизм взаимодействия спиновых волн с дрейфующими носителями заряда в НДО^Бе^. 297 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитные колебания и волны в ферромагнитных полупроводниках»

Актуальность р а б о т ы. В настоящее время физика, техника к ферритов и полупроводников достигли высокого уровня развития. Благодаря освоению технологии приготовления совершенных кристаллов и пленок ферритов в настоящее время сформировано новое научно-техническое направление магнитной микроэлектроники- сверхвысокочастотная (СВЧ) твердотельная спинволновая электроника [1, 21= В последние годы область применения полупроводников расширяется в сторону все более и более высоких частот«, Несомненно, что в ближайшие годы ферриты и полупроводники будут оставаться основными материалами современной техники. Но проблемы качественного улучшения параметров СВЧ устройств и приборов, их миниатюризации, уменьшения электропотребления требуют разработки новых материалов и новых принципов управления распространением СВЧ энергией. Одной из таких возможностей является использование взаимодействие электронной и магнитной систем,

Проводимость ферритов - узкозонных полупроводников с малой подвижностью носителей заряда- не влияет заметным образом на их магнитные свойства [31. В обычных полупроводниках магнитное упорядочение отсутствует. В настоящее время синтезирован широкий класс веществ» так называемых магнитных полупроводников [4, 53, в которых комплекс электрических свойств, характерных для широкозонных полупроводников- в первую очередь большая подвижность носителей заряда- сочетается с магнитным упорядочением в них. Сосуществование в одном веществе взаимодействующих магнитной и электронной систем приводит к новым качественным [5] особенностям их физических свойств» Эти особенности могут быть обусловлены двумя обстоятельствами. h

I. Наличие сильного s-d обменного взаимодействия

Вонсовского to] между магнитной и электронов: подсистемами при. водит к тому, что зонная структура и механизмы электропровода-ости находятся в сильной зависимости от магнитного состояния вещества. Электропроводность ЕиО, например, меняется на 13 порядков в узкой области около температуры Кюри Е4, 5]= 0 величине этого взаимодействия можно судить также по изменению края оптического поглощения при магнитном упорядочении, которое максимально для HgCr9SeA среди известных магнитных полупроводников и составляет величину более 0,5 эВ [II]. Наличие такого сильного взаимодействия позволяло предположить, что на магнитные характеристики могут влиять и изменения параметров носителей заряда [7]. Однако оценки показывают [8], что управлять магнитным состоянием путем изменения косвенного обмена при изменении концентрации носителей заряда при освещении или воздействии электрического поля невозможно: образец раньше сгорит. чем будет достигнут желаемый эффект. Несмотря на это были обнаружены эффекты, внешне похожие на предсказанные: спектрально зависящие резкие изменения магнитной проницаемости и коэрцитивной силы при освещении [91. возникновение ЭДС, связанное с возбуждением магнитных колебаний ПО].

2., В отличие от ферритов» обладающих очень малой подвижностью носителей заряда прыжкового типа, в некоторых магнитных полупроводниках наблюдается зонный характер проводимости со о сравнительно высокой подвижностью носителей заряда до 10° ем"/В с [113. В этом случае возможность управления свойствами магнитного полупроводника основана на том. что дрейфовая скорость носителей заряда в сравнительно невысоких электрических полях ~ I кВ/см может быть порядка скорости звука в среде. тепловой скорости электронов или фазовой скорости спиновых волн. И передача кинетической энергии носителей заряда спино. вым волнам может привести к изменениям их физических свойств в сильном электрическом поле.

Результаты первых экспериментов магнитных полупроводников в сильных электрических полях [30-33] традиционно объяснялись усилением спиновых волн. Однако анализ этих экспериментов показывает, что такая трактовка не безупречна и нужна новая концепция для объяснения свойств магнитных полупроводников в сильном электрическом поле. В [461 было отмечено, что некоторые из этих экспериментов в сильных электрических полях могут быть объяснены в модели разогрева магнонов горячими носителями заряда» Разогрев магнонов обусловлен тем, что в известных магнитных полупроводниках: температура Дебая Тлг300 К больше их температуры Кюри т^ЮО К и магноны слабо связаны с фононами. Вследствие этого в электрическом поле может меняться намагниченность , а возбуждение магнонов и взаимодействие их с носителями заряда может привести к изменениям и электрических свойств магнитного полупроводника. В дальнейшем эта иде>: развитие в нескольких теоретических работах [47-49], целенаправленных исследований влияния разогрева магнонов на физические свойства магнитных полупроводников не было.

В [ОН мы впервые экспериментально показали, что обнаруженное нами изменения СВЧ магнитных свойств магнитного полупро. водника ОсЮГрЗе^ в сильном электрическом поле могут сыть объяснены нагревом магнитной подсистемы, Непосредственными измерениями намагниченности [341 было показано уменьшение намагниченности в магнитных полупроводников ЕиО. 0а0г.:,5е^ и ВДдъБе; в сильных электрических полях. Важной вехой в понимании явлений б сильных электрических шлях явилось доказательство разо. ператур [50; 511= Последующие эксперименты показали сильное изменение целого комплекса физических свойств магнитных полупроводников в электрическом поле: электропроводности [35, 35], параметров ферромагнитного резонанса и фотопроводимости [37] , спектра и затухания магнитостатических волн [38-40], возникновение стохастической неустойчивости тока [41 ] и СВЧ излучений из ферромагнитного полупроводника [35,42 3 и др. Сильная взаимосвязь этих эффектов с магнитным упорядочением показывает, что обменное взаимодействие между локализованными и электронами проводимости приводит к нетривиальным дняшниё день лишь качественно объясненным явлениям,

Другое из интересных явлений, предсказанное в [12], это возможность усиления когерентных спиновых волн в ферромагнитном диэлектрике потоком заряженных частиц в уел ~ ского синхроизма подобно обнаруженному ранее ч хания звука в полупроводниках [13]. Такие эффекты экспериментально наблюдались [14, 153 в слоистых структурах феррит- полупроводник. Эти структуры хороши тем, что позволяют в одной системе сочетать лучшие свойства полупрово,цников и лучшие свойства ферритов. Несмотря на эти преимущества» в экспериментах по усилению магнитостатических волн (МОВ) не достигалось необходимого замедления волн, так как реально достижимые скорости носителей заряда в плазме твердого тела составляют 10ь-10' ом/с, а фазовые скорости магнитных волн* возбуждаемые в этих структурах почти на порядок выше.

Оценки показывают, что в магнитных полупроводниках условия

Черепковского синхроизма и усиления когерентных спиновых, волн могут быть выполнены для спиновых волн с ЫСГг --10° см~х. Возможность усиления спиновых волн дрейфующими носителями заряда в магнитных проводниках, которая определяется энергией взаимодействия их с электронами проводимости Е163, показана во многих теоретических работах £17-293, но прямых экспериментов по измерению затухания когерентных магнитных волн в электрических шлях не было.

Следует отметить, что эффективное взаимодействие спиновых волн с носителями тока возможно только в случае малых магнитных и электрических потерь, т.е. при малом параметре затухания спиновых волн ДН1г и больших подвкжностях носителей заряда. По. этому необходим поиск материалов с необходимыми свойствами, выяснения природы их СВЧ магнитных и электрических потерь.

Зависимость зонной структуры магнитных полупроводников от магнитного состояния с одной стороны» и изменения намагниченности его в электрическом июле с другой стороны, создают предпосылки для сильного изменения физических свойств магнитных полупроводников в сильных электрических полях. Сильное перекрестное влияние магнитных и электрических свойств магнитных полупроводников делает их перспективными для создания приборов с электронным и магнитным управлением, например для создания твердотельных усилителей и генераторов СВЧ.

Цель диссертации - исследования спектра и затухания магнитных колебаний и волн в ферромагнитных полупроводниках, выяснение закономерностей влияния носителей заряда и их дрейфа на спектр и затухание однородной прецессии, магнито-отатических и спиновых волн и колебаний в ферромагнитных полупроводниках .

Объектом исследования выбраны монокристаллы ферромагнитных полупроводников ЕиО, Н§0г93ел , а также ОаСГоЗе,, , обладающих наиболее высокими значениями подвижности носителей заряда, концентрация которых может управляться при легировании примесями или изменении температуры, а зонная структура сильно зависит от магнитного состояния,

Исследованы ферромагнитный резонанс, распространение магни-тостатических, спиновых волн и колебаний в магнитных полупроводниках ЕиО и НеСГрЗех в 3 ом и 8 мм диапазоне длин волн в интервале температур 4,2-300 К, влияние носителей заряда и их дрейфа в электрическом тюле на спектр и затухание спиновых колебаний и волн. Для обоснования и доказательства предлагаемых моделей проведены исследования электрических свойств магнитных полупроводников: подвижности и концентрации носителей заряда, ОВЧ проводимости и диэлектрической проницаемости, электропроводности и постоянной Холла в магнитном (до 12 Тл) и электрическом полях (до 3 кБ/см) в интервале температур 4,2-300 К,

Научная новизна диссертации состоит в том, что впервые установлены " т г~ да и их дрейфа на спект] ческих волн и колебаний, са в ферромагнитных полупроводниках.

На защиту выносятся следующие основные положения: I. Предложен новый механизм затухания спиновых волн за счет носителей заряда в ферромагнитных полупроводниках, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом - возбуждением электрического поля распространяющейся по магнитному полупроводнику спиновой волной. В широкозонном магнитном полупроводнике энергия электрона зависит от намагниченности и электроны собираются в тех областях, где их энергия минимальна , Вследствие этого спиновая волка создает в кристалле пространственно неоднородное распределение электронов и, следовательно, безвихревое эл. ектрическое поле. При конечной электропроводности кристалла спиновая волна будет затухать из-за джоулевых потерь в этом электрическом поле с параметром затухания, пропорциональным о квадрату волнового числа. Ш^Т*?.

2= Обнаружено резонансное уменьшение затухания спиновых волн В^Ог^Зе, в электрическом поле при выполнении условий черепковского синхронизма. Рассчитан вклад носителей заряда в затухание спиновых волн, обусловленный магнитоэлектрическим механизмом, с учетом дрейфа носителей заряда. Результаты расчета объ. ясняют основные экспериментальные особенности изменения затухания спиновых волн в электрическом поле от температуры«, волнового числа, электропроводности, подвижности носителей заряда. напряженностей и ориентации магнитного и электрического полей. Оценки параметра магнитоэлектрического 1,1 " з.-ч: " и : вижнооти носителей заряда из экспериментов по их-нэ^ы - инь, находятся в разумном согласии с оценками из других независимых экспериментов.

3. Показано, что влияние носителей заряда на спектр и затухание однородной прецессии и магнитоетатических волн в ферромагнитных полупроводниках определяются индукционным механизмом, вклад которого в параметр затухания ДН1г и резонансные поля МОВ обратно пропорционален квадрату волнового числа, Н,,, АН,, « Исследованиями влияния электропроводности ферромагнитного полупроводника на ширину линии Ферромагнитн и на затухание магнитоетатических волн в соответствие экспериментальных результатов • ? т

4. Показано, что особенности спектра и затухания MOB Hgur9Se^ в электрическом поле обусловлены вкладом индукционного механизма» Изменения электропроводности и диэлектрической проницаемости магнитного полупроводника в электрическом поле объяснены изменением зонной структуры при разогреве магнитной системы горячими носителями заряда и в связи с особенностями механизмов электропроводности HgCr93e4. Зависимости электропроводности, СВЧ диэлектрической проницаемости, подвижности и концентрации носителей заряда HgOr?Se4 от температуры, от напрякен-ностей электрического и магнитного полей согласуются с предлагаемой моделью,

5. Показано, что зависимости параметра затухания спиновых волн от волнового числа в совершенных и непроводящих (диэлектрических) ферромагнетиках ЕиО и HgörPSe4, измеренные по порогу их параметрического возбуждения, объясняются, в основном, вкладами собственных трехмагнонных дипольных процессов расщепления и слияния, четырехмагнонных обменных процессов рассеяния,

6. Экспериментально показано, что в касательно намагниченной ферромагнитной пластине конечных размеров распространяются МСВ

ПОД ПРОИЗВОЛЬНЫМ УГЛОМ (Оь-^'/С/З и 81г#0) к компонентами волнового числа к:х,И0 и кдО, рами пластины, При продольном намагничивании область существования МСВ с куДЗ и ]ц7Д> расширяется за счет возбуждения, кроме обратных объемных МСВ, поверхностных волн магнетик - воздух и магнетик -металл. При поперечном намагничивании возбуждаются, кроме прямых поверхностных МСВ, и объемные МСВ, Расчет спектров МСВ на основе такой модели хорошо согласуется с экспериментальными результатами исследований спектра МСВ в слоистых структурах на основе ЕпО и HgCr^Se^.

7. Выяснена роль ионов иг1"'4, переноса заряда, кристаллического поля тригональной симметрии и случайных полей в анизотропии ширины линии АН и резонансного поля ИГ1 ФМР монокристаллов Н§Сг95е4. Поле тригональной симметрии влияет на спектр ФМР, если ионы Ог'^ образуются за счет вакансий или неизовалентного л. О замещения халькогена. Вели ионы Ог'"" образуются за счет вакансий или неизовалентного замещения катиона на трехвалентный ион л-0 х-5 Ме'~), то поле тригональной симметрии усредняется до поля кубической вследствие переноса заряда в кластере из 12 ионов хрома3 обладающем кубической симметрией. Расчеты вклада ионов Сг,л" на основе этой модели в угловые и температурные зависимости АН и Нр ФМР Н§СГрЗе4 согласуются с экспериментом. Научная и практическая ценность работы. Весь комплекс выполненных исследований резонансных явлений в ферромагнитных полупроводниках значительно расширяет и углубляет существовавшие ранее представления о спин-волновых явлениях в ферромагнетиках и о взаимодействии магнитной и электронной подсистем в ферромагнитных полупроводниках.

Проведенные исследования являются физической основой для создания новой области магнито магнитным и электрическим полями С гвер. дотельных генераторов и усилите ^ х модуляторов, аттенюаторов, линий задержки и других систем обработки информации и управления распространением СЗЧ энергии. Достоверность результатов работы определяется как использованием стандартной измерительной аппаратуры и методик5 так и соответствием основных теоретических положений работы результатам экспериментов.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач и экспериментов, участие в проведении экспериментальных исследований и численных расчетов, в разработке моделей, обсуждении и изложении результатов исследований.,

Отруктураи объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения, Весь материал изложен на страницах машинописного текста и включает 87 рисунков, 2 таблицы и библиографический список из 229 наименований,