ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЦИЛЛЯЦИЙ ШУБНИКОВА-ДЕ ГААЗА В α -ФАЗЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (CD1−X−Y ZNXMNY )3 AS2 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.2, 539.19

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЦИЛЛЯЦИЙ ШУБНИКОВА-де ГААЗА В а -ФАЗЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (Cd!-x-yZnxMny)3As2

ВС. Захвалинский*, E. Lahderanta**, A. Lashkul**,

П.А. Петренко***, М.О. Шахов****, М.Н. Захвалинская*, Е.А. Пилюк*

* Белгородский государственный университет, ул. Победы, 85, Белгород, 308007, Россия;

** Department of Mathematics and Physics, Lappeenranta University of Technology,

PO Box20, FIN-53852 Lappeenranta, Finland;

*** Institute of Applied Physics ASM, Academiei St., 5, MD-2028 Kishinev, Moldova;

****Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, ул. Политехническая 26, С.Петербург, 194021, Россия.

Аннотация. Поперечное магнетосопротивление исследовалось на установке импульсного магнитного поля в монокристаллах твёрдых растворов (Cd1-x-yZnxMny)3As2 в магнитных полях до 20 Тл и диапазоне температур 2.4 < T < 300 К. Впервые наблюдались осцилляции Шубникова-де Гааза в а -фазе твёрдых растворов разбавленногомагнитного полупроводника (Cd1-x-yZnxMny)3As2. Наблюдалась аномальная зависимость циклотронной эффективной массы носителей заряда от магнитного поля.

Ключевые слова: осцилляции Шубникова-де Гааза, разбавленные магнитные полупроводники, эффективная масса.

1. Введение. Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) или, как их еще называют полумагнитные полупроводники, представляют собой полупроводниковый материал, часть катионов в котором замещена атомами переходного металла или редкоземельного элемента. Присутствие таких атомов, беспорядочно распределенных в матрице полупроводникового кристалла, приводит к следующим взаимодействиям. Во-первых, sp-d (sp-f) обменному взаимодействию между зонными носителями и локализованными магнитными моментами этих атомов. РМП группы A2 B5 обладают наименьшим катион-катионным расстоянием в кристаллической структуре среди известных РМП (0.29 нм для (Zn1-xMnx)3As2 по сравнению с 0.38 нм среди других РМП). Такие особенности строения приводят к тому, что обменные взаимодействия гораздо сильнее в A2B5, чем в других РМП [1]. В настоящее время интерес исследователей к РМП обусловлен попытками использовать слой РМП в качестве инжектора поляризованных по спину электронов в приборных структурах активно развивающегося нового направления электроники-спинтроники [2].

2. Эксперимент. Монокристаллы твердых растворов РМП (Cd0.6Zn0.36Mn004)3As2 были получены методом Брижмена по технологии описанной в [3]. По результатам

рентгенофазового анализа ранее нами было установлено, что монокристаллы РМП

(Cd1-x-yZnxMny)3As20.4 < x < 0.7, 0 < y < 0.08 кристаллизуются в а фазе. При

низких температурах (T Tph) а-фаза переходит в а фазу за счёт того, что вакансии

в металлической подрешётке пространственной группы упорядочиваются по дальнему порядку, образуя сверхструктуру [4,5]. В результате исследования эффекта Шубникова-де Гааза на установке импульсного магнитного поля были получены экспериментальные массивы данных зависимости удельного сопротивления образцов твёрдого раствора (Cd1-x-yZnxMny)зAs2 х=0.36, у=0.04) от магнитного поля. Измерения проводились при температурах Т=2.4, 4.2, 50, 77.3, 200, 300 К в диапазоне полей от 0 до 20 Тл. Результаты эксперимента приведены на рис. 1 и 2. Осцилляции поперечного магнетосопротивления наблюдались вплоть до 77 К.

Рис. 1. Осцилляции Шубникова-Де Гааза в монокристалле (Сс1о.б 2п0.36Мп0.04)3Аэ2 при температуре 2.4 К

Рис. 2. Осцилляции Шубникова-Де Гааза в монокристалле (СС0.6 2п0.36Мп0.04)3Аэ2 при температуре 4.2 К

З.Результаты и их обсуждение. Общая теория квантовых осцилляционных эффектов была развита И.М. Лифшицем с сотрудниками [6,7,8]. Для расчёта циклотронной массы нами был применён метод «Двух температур». Подробно метод расчёта циклотронной массы изложен в работах [9,10]. В наших исследованиях мы впервые наблюдаем осцилляции Шубникова-де Гааза в а фазе РМП (Cd1-x-yZnxMny);^2). Было установлено сильное возрастание циклотронной эффективной массы тс с ростом внешнего магнитного поля. Результаты расчётов циклотронной эффективной массы тс приведены на рис. 3.

1—I—I—I—I—1—I—I—I—1—I—<—I—'—I—'—I—<—I

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

В (Т)

Рис. 3. Магнитополевая зависимость циклотронной массы в монокристалле РМП (0^.6Zn0.36Mno.o4)3As2

Ранее сильная зависимость эффективной массы от магнитного поля наблюдалась в а фазе РМП (Cd1-x-yZnxMny);^2) составов (х+у=0.3) со структурой соответствующей пространственной группе 14^е. Кроме структуры этот материал отличался меньшей шириной запрещённой зоны и зависимость циклотронной массы от магнитного поля наблюдалась только при больших концентрациях Мп в монокристаллах [10,11]. Эффект сильной зависимости циклотронной массы от магнитного поля является новым и уникальным для полупроводников. Эта зависимость может быть объяснена беспорядком и спин поляризационными эффектами в хвостах плотности локализованных состояний [12].

4. Заключение. В настоящей работе приведены результаты исследования поперечного магнетосопротивления твёрдых растворов РМП (Cd1-x-yZnxMny )3As2). Впервые наблюдались осцилляции Шубникова-де Гааза в а -фазе твёрдых растворов разбавленного магнитного полупроводника (Cd1-x-yZnxMny)3As2. По результатам эксперимента методом двух температур были рассчитаны циклотронные массы носителей заряда. Наблюдалась аномальная зависимость циклотронной эффективной массы носителей заряда от магнитного поля. Этот эффект является новым и уникальным для полупроводников.

Настоящая работа была поддержана целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК-№П895.

Литература

1. Furdyna J.K. J. Diluted Magnetic Semiconductors // in: Semicond. and Semimet., Vol. 25.-Academic Press. - Boston, 1988. - P.127.

2. Zutic I. et.al. Spintronics: Fundamentals and applications// Rev. of Modern Phys. - 2004. -76. - P.323.

3. Laiho R., Lisunov K.G., Shubnikov M.L., Stamov V.N., Zakhvalinskii V.S. Magnetotransport of (Cd1-x-yZnxMny)3As2 underpressure // Phys. stat. sol.(b). - 1999. - 211. - P.559.

4. Arushanov E.K. // Prog. Cryst. Growth Charact. - 1980. - 3. - P.167.

5. Zdanowicz W., Zdanowicz L. // Ann. Rev. Mater Sci. - 1975. - 5. - P.301.

6. Лифшиц И.М., Косевич А.М. //ЖЭТФ. - 1955. - 29.-C.730; 1957. - 33. - C.88.

7. Лифшиц И.М. //ЖЭТФ. - 1956.- 31.-C.774; 1957. - 32.- C.1500.

8. Косевич А.М., Андреев А.А. //ЖЭТФ. - 1960. - 38. - C.882; 1962. - 43. - C.1061.

9. Laiho R., Lisunov K.G., Lahderanta E., Stamov V.N., Zakhvalinskii V.S. Magnetization and Shubnikov-de Haas effect in diluted magnetic semiconductor (Cd1-x-yZnxMny)3As2 // J.Appl. Phys. - 1997.-81.-P.5151.

10. Laiho R., Lisunov K.G., Lahderanta E., Stamov V.N., Zakhvalinskii V.S. Shubnikov-de Haas effect in thermally annealed (Cd1-x-yZnxMny)3As2 // J. Phys. Chem.Solids. - 1997. - 58.-P. 717.

11. Laiho R., Lisunov K.G., StamovV.N., Zahvalinskii V.S.//J. Phys. Chem.Solids. - 1996. -57; 1. - P.1-5.

12. Laiho R., Lisunov K.G., Lahderanta E., Stamov V.N., Zakhvalinskii V.S.// Inst. Phys. Conf. Ser. №. 152. - IOP Publishing, Bristol and Philadelphia. - 1998. - P.889.

INVESTIGATION OF SHUBNIKOV-de HAAS’

OSCILLATIONS IN a -PHASE IN DILUTE SOLUTIONS (Cdi -x-y Znx M ny )3As2

V.S. Zakhvalisky*, E. Lahderanta**, A.

Lashkul**,

P.A. Petrenko***, M.O. Shakhov****, M.N. Zakhvaliskaya*, E.A.

Pilyuk*

* Belgorod State University,

Pobedy St., 85, Belgorod, 308015,

Russia.

Abstract. Transverse magnetic resistance was investigated by pulse magnetic field in single crystals of solid solutions (Cd1-x_yZnxMny)3As2. It is done for magnetic fields up to 20 T and in the temperature range 2.4 < T < 300 K. For the first time, Shubnikov-de Haas’s oscillations were observed in a -phase of solid solutions of dilute magnetic semiconductor (Cd1-x-yZnxMny )3As2. Abnormal dependence of carriers cyclotron effective mass on magnetic field is observed.

Key words: Shubnikov-de Haas’ oscillations, dilute magnetic semiconductors, effective mass.