В Г Абрамишвили - Дисперсия естественной оптической активности - страница 1

Страницы:
1 

УДК 538.61:537.311.322

В. Г. Абрамишвили, Г. И. Бондарь, А. В. Комаров, С. М. Рябченко

ДИСПЕРСИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И ФАРАДЕЕВСКОЕ ВРАЩЕНИЕ В ЧИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ Мп КРИСТАЛЛАХ С(1Р2

 

Введение

Легирование полупроводников магнитными примесями в ряде слу­чаев оказывает существенное влияние на их магнитооптические свойства. Эффект оказывается особенно сильным, если между системой примесных ионов и носителями электрического заряда в полупроводниках существует обменное взаимодействие. В частности, эффекты носитель-примесного обменного взаимодействия проявляются в магнитолегиро-ванных полупроводниковых соединениях АПВУ1 с примесью ионов Мп2+ [1, 2].

Взаимодействие носителей с локализованными спиновыми момен­тами магнитной примеси проявляется в экспериментах по фарадеевско-му вращению (ФВ) вектора поляризации света, магнитному циркулярному дихроизму, расщеплению зонных состояний носителей. Например, это взаимодействие приводит к гигантскому усилению (на несколько порядков) межзонного эффекта Фарадея [1, 3].

Поскольку гиротропные кристаллы CdP2 легируются ионами Мп2+, то представляет интерес выяснение вопроса о существовании в них аналогичных эффектов. С этой целью были проведены исследования поглощения, естественной оптической активности (ЕОА) и ФВ в чистых и легированных Мп кристаллах CdP2.

Эксперимент и обсуждение

Тетрагональные кристаллы CdP2, относящиеся к кристаллическому классу D4 (в котором возможна ЕОА), выращивались из паровой фазы и методом Бриджмена из материала, предварительно полученного методом пересублимации. Введение примеси осуществлялось путем добавления ее в шихту. Однородность и структурное совершенство образцов контролировались методом рентгеновской топографии и поляризацион-но-оптическими методами. Плотность дислокаций составляла 103— 104см-2. Получить кристаллы CdP2: Мп из паровой фазы не удалось, их выращивали только методом Бриджмена. Массовое содержание Мп в слитке составляло 0,5 %.

Измерения ЕОА, ФВ и поглощения проводились при температуре 2К, поляризации Е _1_ С (С оптическая ось кристалла) в магнитных полях до 30 кЭ на естественных сколах кристаллов с толщинами 100— 3 50 мкм в области длин волн 560—680 нм. Образцы помещались в сверхпроводящий соленоид так, что волновой вектор световой волны К направлялся      вдоль    поля   и   совпадал   с   осью   С кристалла

I С || Н). В качестве спектрального прибора использовался ре­шеточный монохроматор ДФС-12 с линейной дисперсией 5 А/мм. Ис­точником света служила лампа накаливания. Измерения ЕОА и ФВ проводились компенсационным методом, аналогичным описанному в [4].


На рис. 1 приведены спектры поглощения в области края для чис-того(обр. 1) и легированного Мп (обр. 2) кристаллов CdP2. Как видно

из рисунка, введение примеси Мп приводит к смещению края поглощения в длинноволновую область, особенно существенному при небольших коэффициентах поглощения.

Дисперсия ЕОА обр. 1 и 2 приведена на рис. 2. Как видно, кристаллы CdP2 обладают значительной вращательной способностью, которая существенно возрастает вблизи края оптического поглощения. Общий характер дисперсионной зависимости ЕОА обр. 1 хорошо согласуется с полученной в работе [5]. При легировании CdP2 Мп вращательная способность несколько возрастает (рис. 2, кривая 2): на длинноволновом крае на 160—180, а на коротковолновом —на 80°/мм.

Спектральная зависимость ФВ в обр. 1 и 2 приведена на рис. 3. Направление ФВ во всем исследованном интервале длин волн положи­тельно, как и в [6]. ФВ в обр. 1 в области 580—680 нм согласуется со значением, полученным в [6] при азотной температуре. В области 560— 580 нм, которая не исследовалась в [6], наблюдается особенность в виде уменьшения ФВ. ФВ в обр. 2 по порядку величины совпадает с ФВ в обр.

1  и нелегированных полупроводниковых кристаллах A11^ [7] и на один-два порядка меньше, чем в легированных Мп [1, 3]. Дисперсия ФВ в обр.

2  имеет особенность в области 560—580 нм, как и в случае чистого кристалла. На рис. 3 приведена также дисперсионная зависимость разности нормированных значений ФВ в обр. 2 и 1.

Магнитополевые зависимости ФВ в обр. 1 и 2 при l = 5 73 нм при­ведены на рис.4. Видно, что ФВ в обр. 1 линейно по магнитному полю вплоть до Н = 30 кЭ. ФВ в обр. 2 несколько больше ФВ в обр. 1 и нели­нейно по магнитному полю вблизи его максимальных значений, хотя и незначительно. На рис. 4 приведена также магнитополевая зависимость разности значений ФВ в обр. 2 и 1. Как видно, она в пределах ошибок аппроксимируется бриллюэновской функцией для спина 5/2 B5/2(5g fiH/2kT).

Обсудим полученные результаты. Как известно, и ЕОА, и ФВ [5, 8] описывается суммой вкладов различных переходов, каждый из кото-


рых содержит в знаменателе разность частот измерения и края соот­ветствующего электронного перехода в той или иной степени. С этой точки зрения следует заключить согласно [5], что кривая ЕОА (рис. 2) в основном обусловлена переходом, более высокоэнергетическим, чем переход, обусловливающий наблюдаемый край поглощения исследуемых кристаллов. Наши результаты согласуются с выводом [5] о том, что основной вклад в ЕОА дает переход с энергией края вблизи Е=

Рис. 4. Магнитополевая зависимость ФВ в CdP2 для обр. 1,2 (кривые /, 2 соответственно, проведенные по экспериментальным точкам) при l =573 нм. Кривая 3 — разность кривых 2 к 1 (точки), сплошная кривая — бриллюэновская функция B5/2 (5g р H/2kT), построенная при g = 2u нормированная на экспериментальное значение разности кривых

1 и 2 в поле 22 кЭ.

 

= 2,4 эВ. При легировании CdP2 ионами Мп2+ величина эффекта не­сколько изменяется, но этот вывод остается справедливым.

Дисперсия ФВ в области 580—680 нм также свидетельствует о том, что основной вклад в него обусловлен более высокоэнергетическим пе­реходом, а спад вращения в области 560—580 нм может быть обусловлен слабым отрицательным вкладом нижайшего перехода, определяющего пропускание кристалла в исследованной области. Легирование CdP2 ионами Мп24" приводит к сдвигу этого края поглощения, развитию поглощения в более длинноволновой области и практически не изменяет как величину, так и характер дисперсии ФВ. Полученные данные резко отличаются от результатов для кристаллов AnBV : Мп, носитель-при­месное обменное взаимодействие в которых приводит к квазизееманов-скому расщеплению зонных состояний, намного превышающему прямое расщепление зонных состояний по спину во внешнем поле и, как след-твие, к увеличению ФВ на один-два порядка по сравнению с ФВ в елегированных кристаллах.

Магнитополевая зависимость эффекта п2р+и этом определяется на-агниченностью спиновой системы ионов Мп +, т. е. функцией Бриллю-а для спина 5/2. При этом в случае эффектов носитель-примесного обмена [1—3] дисперсия ФВ должна быть по-прежнему обусловлена теми же межзонными переходами, что и в чистом кристалле. В случае же CdP2: Мп видим, что, во-первых, введение Мп не приводит к резкому изменению межзонного ФВ, а во-вторых, вклад в ФВ, обусловленный введением Мп, имеет в достаточно далекой от края поглощения области знак, не соответствующий знаку ФВ в чистых кристаллах. Вместе с тем, как видно из рис. 4, изменение ФВ, обусловленное введением

Дисперсия естественной оптической активности 1659

Мп, имеет магнитополевую зависимость, соответствующую намагничен­ности спиновой системы ионов Мп2+.

На основании этих фактов, а также с учетом малого вклада ионов Мп2+ в ФВ можно предположить, что в данном случае влияние ионов Мп2+ на магнитооптические характеристики CdP2 связано не с носитель-примесным обменным взаимодействием, влияющим на энергетическую структуру и электронные переходы матрицы, а с прямым вкладом электронных переходов внутри оболочек иона Мп2+. Действительно, обсуждаемая область энергий близка к той, в которой для ионов Мп2+ в кристаллах наблюдается внутрицентровый переход 6A1(6S) —4T1(4G). Энергия его в случае Мп2+ в CdP2 не определялась. Для других полупроводников энергия этого перехода соответствует в большинстве случаев 2,23—2,48 эВ (см., например, [9]), что, вообще говоря, выше энергии, при которой изменяется знак разности ФВ в нелегированном и легированном Mn CdP2 (рис. 3, кривая 3). Однако в дополнение к вкладу в ФВ обсуждаемого внутрицентрового перехода в CdP2: Мп должна быть также некоторая модификация межзонного ФВ, связанная с отмечавшимся выше смещением края поглощения в длинноволновую область при легировании, обусловленным, скорее всего, «хвостами» плотности состояний. Вклад этой модификации будет приводить к смещению точки изменения знака вклада ионов Мп2+ в ФВ несколько вниз по энергиям от 6A14Т1 - перехода. Кроме того, на характер дисперсии вклада ионов Мп2+ в ФВ должен влиять и малый по сравнению с другими вклад носитель-ионного обменного взаимодействия.

Учитывая, что при соответствующих значениях внутрикристалличе-ских полей 6A1 —4Т1 переход в ионе Мп2+ может иметь место и при 2,05— 2,17 эВ [10, 11], делаем вывод, что дисперсия вклада ионов Мп + в ФВ в CdP2, магнитополевая зависимость и величина ФВ обусловлены внутрицентровый переходом, особенно при условии, что низкая сим­метрия CdP2 приводит к дополнительному росту вероятности данного перехода.

Вместе с тем изменения как интенсивности, так и спектральной зависимости поглощения CdP2 при введении в кристалл ионов Мп2+ не могут быть объяснены дополнительным поглощением, обусловленным внутрицентровым переходом в Мп2+, а, видимо, связаны с появлением хвостов плотности состояний вблизи края поглощения CdP2. Для более достоверного вывода о механизме влияния Мп2+ на появление длинно­волнового поглощения необходимы более полные данные об энергети­ческой зонной структуре CdP2, определяющей край собственного поглощения.

Обнаруженное отсутствие заметных эффектов носитель-примесного обменного взаимодействия в CdP2: Мп может быть следствием двух обстоятельств: существенно меньших значений соответствующих обмен­ных интегралов по сравнению со значениями для AnBVI: Мп или зна­чительным потенциальным рассеянием носителей в CdP2 на примесных ионах Мп2+. Последнее предположение согласуется с сильным влиянием ионов Мп2+ на появление дополнительного поглощения на длинновол­новом крае электронных переходов в CdP2.

SUMMARY. Edge absorption, natural optical activity (NOA) dispersion and Faraday rotation (FR) of the light polarization plane have been investigated in pure and Mn2+-doped tetragonal CdP2 crystals at T-2K within the wavelength range of 560-680 nm and magnetic fields up to 30 kOe. It is stated that the main contribution to the NOA and FR is due to higher energy extrema than those responsible for edge absorption. The contribution to FR from the lowest interband transition has been also found. It is shown that the CdP2 crystal doping with Mn2+ ions produces no visible effects of the exchange interaction between free carriers and magnetic ions observed in other semimagnetic semiconductors. It is suggested that the FR change resulting from the Mn2+-ion doping is related to the 6A1(6S)-4T(4G) intracentre transition in Mn2+.

1660


В. Г. Абрамишвили и др.

1. Магнитооптические исследования и двойной оптико-магнитный резонанс экситонной полосы в CdTe / А. В. Комаров, С. М. Рябченко, О. В. Терлецкий и др.— ЖЭТФ, 1977, 73, вып. 2, с. 607—618.

2. Рябченко С. М. Гигантские спиновые расщепления экситонных состояний и оптически детектируемый магнитный резонанс в кристаллах A nBYI с магнитными примесями.—Изв. АН СССР. Сер. физ., 1982, 46, № 3, с. 440—445.

3 Губарев С И. Магнитооптические исследования кристаллов, легированных Мп.— ЖЭТФ, 1981, 80, вып. 3, с. 1174—1185.

4. Komarov А. V., Ryabchenko S. М., Terletskii О. V. Microwave-optical double resonance and magnetic circular dichroism of photochromic centres in CaF2: Ce.— Phys. status solidi B, 1975, 68, N 2, p. 783—790.

5. Temperature studies of optical properties of CdP2 / V. G. Fedotov, A. G. Bychkov, D. N. Karlikov, L. M. Gorynya.— Ibid A, 1983, 76, N I, p. 121—126.

6. Спектральная зависимость фарадеевского вращения в кристаллах CdP2 / И. С. Горбань, С. В. Ковтуненко, Н. С. Корец и др.— В кн. : Химия и технология фосфидов и фосфоросодержащих сплавов. Киев : ИПМ АН УССР, 1979, с. 88—92.

7. Balkanski М., Amzallag Е., hanger D. Interband Faraday rotation of II—VI compo­unds.— J. Phys. and Chem. Solids, 1966, 27, N 2, p. 299—308.

8. Сизов Ф. В., Уханов Ю. И. Магнитооптические эффекты Фарадея и Фогта в приме­нении к полупроводникам.— Киев : Наук, думка, 1979.—178 с.

9. Study of the 2.4 and 2.6 eV absorption bands in CdMnTe / J. P. Lascaray, J. Diouri, M. El. Amrani, D. Coquillat Solid State Communs, 1983, 47, N 9, p. 709—712.

10.Comparison of excitation spectra of 1.2 and 2.0 eV photoluminescence bands in Cd 1-х Mn хTe for 0.4<x £ 0.7/R. Y. Tao, M. M. Moriutaki, W. M. Becker, R. R. Ga-lazka.—J. Appl. Phys., 1982, 53, N 5, p. 3772—3776.

11.Study of the 2.0 eV photoluminescence band in Cd 1-хMn Де semiconductor a 1 loys/ M. M. Moriwaki, W. M. Becker, W. Gebhardt, R. R. Galazka.— Phys. Rev. B, 1982, 28, N 6, p. 3165—3171.

 

Ин-т физики АН УССР, Киев

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Г Абрамишвили - Дисперсия естественной оптической активности