Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях ферромагнитного GaMnAs Текст научной статьи по специальности «Физика»

Л!

ISSN 1606-867Х (Print) ISSN 2687-0711 (Online)

среды и межфазные границы

https://journals.vsu.ru/kcmf/

Оригинальные статьи

Научная статья УДК 537.622.4

https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11814

Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях ферромагнитного GaMnAs

П. Б. Парчинский1и, А. С. Газизулина1, Р. А. Нусретов2

'Национальный университет Узбекистана,

ул. Университетская, 4, Ташкент 100174, Узбекистан

2Узбекско-Японский молодежный центр инноваций, ул. Университетская, 2-В, Ташкент 100095, Узбекистан

Аннотация

В настоящей работе приводятся результаты исследования спонтанного фотомагнитоэлектрическкого (ФМЭ) эффекта в эпитаксиальных слоях GaMnAs, находящихся в состоянии ферромагнитного упорядочения. Целью работы являлось изучение температурной зависимости спонтанного ФМЭ эффекта, определяемого вдоль кристаллических осей [110] и [110].

Объектом исследования служили слои GaMnAs с содержанием Mn 2.9 атомных процента, полученные методом низкотемпературной молекулярно лучевой эпитаксии на полуизолирующей подложке GaAs (001). Показано, что при температурах ниже температуры Кюри, при освещении исследованных эпитаксиальных слоев GaMnAs в них возникает поперечная разность потенциалов (фотоЭДС). Возникновение этой фотоЭДС связано с фотомагнитоэлектрическим эффектом, заключающимся в разделении фотогенерированных носителей заряда собственным магнитным полем полупроводниковой матрицы, находящейся в состоянии ферромагнитного упорядочения. Впервые определена температурная зависимость собственного фотомагнитоэлектрического эффекта, измеренного вдоль кристаллографических осей [110] и [110] эпитаксиального слоя GaMnAs. Обнаружено, что величина фотоЭДС, измеренная вдоль кристаллической оси [110], демонстрирует максимум при температурах 35-40 К, в то время как величина фотоЭДС, определённая вдоль оси [110], монотонно увеличивается с понижением температуры. Немонотонный характер температурной зависимости фотомагнитоэлектрического эффекта, наблюдаемый вдоль оси [110], может быть обусловлен переориентацией оси легчайшего намагничивания исследуемого образца с понижением температуры.

Ключевые слова: GaMnAs, фотомагнитоэлектрический эффект, молекулярно-лучевая эпитаксия, ферромагнитное упорядочение, температура Кюри, фотопроводимость

Источник финансирования: исследование выполнено при финансовой поддержке Агенства Инновационного развития при Министерстве высшего образования, науки и инноваций Республики Узбекистан в рамках научного проекта № FZ-2020092435.

Для цитирования: Парчинский П. Б., Газизулина А. С., Нусретов Р. А. Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях ферромагнитного GaMnAs. Конденсированные среды и межфазные границы. 2024;26(1): 111-116. https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11814

For citation: Parchinskiy P. B., Gazizulina A. S., Nusretov R. A. Spontaneous photomagnetoelectric effect in ferromagnetic GaMnAs epitaxial layers. Condensed Matter and Interphases. 2024;26(1): 111-116. https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11814

И Парчинский Павел Борисович, e-mail: p.parchinskiy@nuu.uz © Парчинский П. Б., Газизулина А. С., Нусретов Р. А., 2024

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

П. Б. Парчинский и др. Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях...

1. Введение

В настоящее время полупроводниковые твердые растворы GaMnAs, полученные при помощи метода низкотемпературной молекуляр-но-лучевой эпитаксии (НТ МЛЭ), привлекают значительный интерес исследователей, работающих в области полупроводникового материаловедения. Интерес к этим материалам обусловлен тем, что в условиях роста эпитаксиальных слоев при низких (250-300 °С) температурах возможно получение твердых растворов GaMnAs с концентрацией Мп, многократно превышающей предел его растворимости в полупроводниковой матрице арсенида галлия [1-2]. Присутствие значительной концентрации магнитных ионов Мп делает возможным возникновение состояния ферромагнитного упорядочения в эпитаксиальных слоях GaMnAs, в результате чего данные материалы обладают комбинацией полупроводниковых и магнитных свойств, недостижимой для материалов, получаемых традиционными методами [3-5].

Как известно, наличие спонтанной намагниченности при температурах ниже температуры Кюри (Тс) в ферромагнитных материалах делает возможным возникновение в этих материалах собственных (спонтанных) гальваномагнитных эффектов, наблюдаемых в отсутствии внешнего магнитного поля [6-8]. Среди таких эффектов в GaMnAs наиболее изученными являются эффект Холла и Эффект Нернста, получившие названия аномальный (спонтанный) эффект Холла и аномальный эффект Нернста [9-11]. В то же время необходимо отметить, что в эпитаксиальных слоях GaMnAs, полученных методом НТ МЛЭ на подложках GaAs, реализуется возможность возникновения спонтанного фотомагнитоэлектрического (ФМЭ) эффекта, заключающегося в возникновении поперечной разности потенциалов (фотоЭДС) при освещении данных материалов при нулевых значениях внешнего магнитного поля [12]. Действительно, в эпитаксиальных GaMnAs, выращенных на подложках GaAs, ось легчайшего намагничивания, а, следовательно, и вектор спонтанной намагниченности М0, лежат в плоскости пленки [13, 14]. Тогда при освещении поверхности эпитаксиального слоя, поток фотогенерированных носителей заряда, направленный от поверхности в глубину объема эпитаксиального слоя, будет перпендикулярен вектору М0, что обуславливает возможность возникновения поперечной фотоЭДС. Однако к настоящему моменту фотомагнитоэлектрические

эффекты в GaMnAs остаются практически неисследованными. В связи с вышесказанным целью настоящей работы являлось изучение возможности наблюдения спонтанного ФМЭ эффекта в эпитаксиальных слоях GaMnAs, находящихся в состоянии ферромагнитного упорядочения, а также исследование зависимости величины этого эффекта от температуры и кристаллографической ориентации.

2. Экспериментальная часть

Исследованные в данной работе эпитакси-альные слои GaMnAs были получены посредством метода НТ МЛЭ на полуизолирующей GaAs (001) подложке. Перед нанесением слоев GaMnAs для залечивания дефектов подложки при температуре Т& = 580-600 °С выращивался буферный слой GaAs толщиной 200 нм. Затем температура подложки опускалась до 250 °С для выращивания слоев GaMnAs. Толщина получаемых эпитаксиальных слоев GaMnAs составляла 300 нм. В целом технология получения эпитаксиальных слоев, исследуемых в данной работе, аналогична описанной в [15]. Качество получаемых слоев контролировалось при помощи метода рентге-ноструктурного анализа и, в процессе выращивания, при помощи метода отраженных быстрых электронов. Оба метода показали, что полученные эпитаксиальные пленки являются кристаллически однородными и не содержат включений дополнительных кристаллических фаз. Концентрация Мп в GaMnAs определялась при помощи энергодисперсионного рентгеновского (EDX) детектора электронного микроскопа JEOL 18М 1Т 200 и составляла 2.9 атомных процента. Для исследования магнитотранспортных свойств и ФМЭ эффекта на поверхности образцов при помощи фотолитографии был сформирован рисунок, состоящий из двух взаимно перпендикулярных полос с боковыми контактами (так называемый мостик Холла). Данные полоски были ориентированы вдоль кристаллических осей [110] и [110]. Для создания контактов к поверхности GaMnAs использовался индиевый припой, наносимый на поверхность эпитаксиального слоя при температурах 220-230 °С.

3. Результаты и обсуждение

Значение температуры Кюри (Тс) исследуемого эпитаксиального слоя определялось из температурной зависимости его сопротивления (Я). Авторами [16] было показано, что в окрестностях перехода парамагнетик - ферромагнетик

П. Б. Парчинский и др.

Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях...

на температурных зависимостях Я(Т) в GaMnAs наблюдается особенность в виде точки перегиба, связанная с изменением доминирующего механизма рассеяния носителей заряда. Положение данной точки перегиба позволяет с высокой точностью определить значение Тс. На рис. 1 представлены температурные зависимости сопротивления Я(Т) и его первой производной dЯ(T)/ йТ исследуемого эпитаксиального слоя GaMnAs. Измерение зависимости Я(Т) проводилось в темноте, в отсутствии внешнего магнитного поля. Для удобства представления величина Я(Т) нормирована к величине Я(300), где Я(300) - сопротивление образца при комнатной температуре. Значения &Я(Т)/йТ определялись численным дифференцированием зависимости Я(Т).

На представленной на рис. 1б температурной зависимости ёЯ(Т)/ёТ наблюдается ярко выраженный минимум, соответствующий точке перегиба на зависимости Я(Т), Положение этого минимума позволяет определить значение температуры Кюри исследуемого эпитаксиального слоя Тс в интервале 80-85 К. Отметим, что при температурах выше Тс сопротивление образца монотонно увеличивается с понижением температуры, что свидетельствует о полупроводниковом характере электропроводности исследуемых эпитаксиальных слоев GaMnAs.

Для исследования ФМЭ эффекта исследуемые образцы освещались светом белого светодиода, интенсивность освещения контролировалась величиной тока I., протекающего через светодиод. Освещение образцов сопровождалось уменьшением их сопротивления, что свидетельствует о наличии в GaMnAs эффектов фотопроводимости. На рис. 2 представлена температурная зависимость фотопроводимости исследуемых образцов, определенная при значении I. = 1-3 мА. Фотопроводимость образцов характеризовалась величиной АЯ, определяемой как ДЯ = (Я1 - Я0)/ Я0, где Я0 - представляет собой темновое сопротивление образца, Я1 - сопротивление образца при включенном светодиоде. Как видно из представленных зависимостей, фотопроводимость в исследованных образцах начинает наблюдаться при температурах около 100 К, при этом величина АЯ монотонно увеличивается с понижением температуры измерений. Такое поведение температурной зависимости фотопроводимости кажется достаточно ожидаемым, если учесть, что при полупроводниковом характере электропроводности концентрация носителей заряда монотонно уменьшается с понижением температуры.

50 200

Г, К

к,

тэ

-0,01 -

-0,02 -

-0,03

150 200 Г, К

б

Рис. 1. а - температурная зависимость сопротивления эпитаксиального слоя GaMnAs, нормированного к величине сопротивления, определенного при 300 К (#(300)); б - температурная зависимость величины dR/dT эпитаксиального слоя GaMnAs

Рис. 2. Температурная зависимость фотопроводимости GaMnAs, измеренная при различных значениях протекающего через светодиод тока: 1 -I. = 1 мА; 2 - I. = 2 мА; 3 - I. = 3 мА

а

П. Б. Парчинский и др.

Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях...

Очевидно, что если число фотогенерированных носителей заряда в полупроводниковой матрице не зависит (или слабо зависит) от температуры, то разность между световым и темновым сопротивлением образца и, следовательно, величина АЯ будут увеличиваться с понижением температуры. В то же время при температурах выше 100 К концентрация фотогенерируемых носителей заряда пренебрежимо мала по сравнению с термодинамически равновесной концентрацией носителей заряда в GaMnAs, вследствие чего эффект фотопроводимости при этих температурах практически отсутствует.

На рис. 3 представлены зависимости величины фотоЭДС - Ц в исследованном эпитакси-альном слое от температуры, измеренные вдоль кристаллических осей [110] и [110] при значениях 1Ь = 2 и 3 мА. Из представленных зависимостей видно, что величина Ц растет с увеличением освещенности поверхности образца. Тот факт, что фотоЭДС в исследуемых образцах начинает наблюдаться только при температурах ниже Тс, на наш взгляд, свидетельствует о том, что данная фотоЭДС обусловлена ФМЭ эффектом, возникающим вследствие разделения потока фото-генерированных носителей заряда собственным магнитным полем полупроводниковой матрицы, находящейся в состоянии ферромагнитного упорядочения. Отметим, что величина Ц, измеренная вдоль кристаллографической оси [110], равномерно увеличивается с понижением температуры, в то время как на температурной зависимости величины Ц, измеренной вдоль оси

Рис. 3. Температурная зависимость величины фотоЭДС, измеренная вдоль кристаллических осей [110] (кривые 1 и 2) и [110] (кривые 3 и 4) при значениях 1Ь = 2 мА; (кривые 1 и 3) и 1Ь = 3 мА (кривые 2 и 4)

[110], наблюдается локальный максимум при температурах 34-36 К.

Различие в характере температурной зависимости величины Ц, измеренной вдоль различных кристаллических осей, можно объяснить принимая во внимание тот факт, что величина ФМЭ эффекта зависит как от абсолютной величины вектора М0, так и от его ориентации относительно направления, вдоль которого проводятся измерения. Очевидно, что при заданном значении намагниченности образца, значение Ц будет изменяться от максимальных значений -в случае, когда измерения будут проводиться в направлении перпендикулярном направлению вектора М0, до нуля - в случае, когда измерения будут проводиться вдоль направления, совпадающего с направлением вектора М0. В отсутствии внешнего магнитного поля вектор намагниченности будет ориентирован в направлении оси легчайшего намагничивания образца. В GaMnAs степень ферромагнитного упорядочения, а следовательно, и абсолютная величина вектора М0 монотонно увеличиваются с понижением температуры. В то же время согласно существующим экспериментальным данным в эпитаксиальных слоях GaMnAs, находящихся в состоянии ферромагнитного упорядочения, ориентация оси легчайшего намагничивания не является постоянной, а зависит от доминирующего типа магни-токристаллической анизотропии, и изменяется при изменении температуры [17, 18]. При независящей от температуры концентрации фотоге-нерированных носителей заряда температурная зависимость величины Ц будет с одной стороны определяться температурной зависимостью абсолютной величины вектора М0, с другой - температурной зависимостью его ориентации относительно кристаллографических осей [110] и [110]. С учетом вышесказанного, немонотонность температурной зависимости Ц, наблюдаемая вдоль оси [110], может быть обусловлена уменьшением угла между вектором М0 и данной кристаллографической осью при температурах 35-40 К. При этом угол между вектором намагниченности образца и кристаллографической осью [110], напротив, увеличивается, о чем свидетельствует увеличение скорости изменения значений ир наблюдаемое для данной оси при тех же значениях температуры. Данная ситуация может быть, в частности, реализована, если при понижении температуры происходит переориентация оси легчайшего намагничивания в плоскости эпитаксиального слоя от направле-

П. Б. Парчинский и др. Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях...

ния <110> к направлению <100>, наблюдаемая в GaMnAs авторами работ [17-19].

4. Заключение

Таким образом, проведенные исследования показали, что при температурах ниже Тс при освещении исследованных эпитаксиальных слоев GaMnAs, в них возникает поперечная фотоЭДС, которая может быть обусловлена спонтанным ФМЭ эффектом в полупроводниковой матрице, находящейся в состоянии ферромагнитного упорядочения. Данный эффект связан с взаимодействием потока фотогенерированных носителей заряда с собственным магнитным полем полупроводниковой матрицы. Авторами впервые были проведены исследования температурной зависимости спонтанного ФМЭ эффекта для кристаллографических осей [110] и [110]. Показано, что температурная зависимость величины ФМЭ эффекта, измеренного вдоль кристаллических осей [110] и [110] эпитаксиального слоя GaMnAs, имеет существенно различный характер. Наблюдаемые различия связаны, на наш взгляд, с тем, что величина спонтанного ФМЭ эффекта определяется как абсолютной величиной намагниченности образца, так и ориентацией вектора намагниченности М0 относительно кристаллических осей эпитаксиального слоя, вдоль которых проводились измерения величины фотоЭДС. В этом случае немонотонный характер величины фо-тоЭДС, измеренной вдоль кристаллической оси [110], может быть обусловлен изменением ориентации оси легчайшего намагничивания эпи-таксиального слоя от направления <110> к направлению <100>, наблюдаемого при понижении температуры, сопровождаемого уменьшением угла между направлением вектора спонтанной намагниченности и кристаллической осью [110].

Заявленный вклад авторов

Парчинский П. Б. - научное руководство, концепция исследования, итоговые выводы, проведение исследования, написание и редактирование текста. Газизулина А. С. - проведение исследования, обработка результатов исследования, написание и редактирование текста, подготовка статьи к публикации. Нусретов Р. А. - проведение исследования, обработка и интерпретация результатов исследования.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что у них нет известных финансовых конфликтов интересов или личных

отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.

Список литературы

1. Ohno H. Making nonmagnetic semiconductors ferromagnetic. Science. 1998;281(5379): 951-956. https://doi.org/10.1126/science.281.5379.951

2. Pross A., Bending S., Edmonds K., Campion R. P., Foxon C. T., Gallaher B. Magnetic domain imaging of ferromagnetic GaMnAs films. Journal of Applied Physics. 2004;95(11): 7399-7401. https://doi. org/10.1063/1.1669113

3. Иванов В. А., Аминов Т. Г., Новоторцев В. М., Калинников В. Т. Спинтроника и спинтронные материалы. Известия академии наук. Серия химическая. 2004;11: 2255-2303.

4. Men'shov V. K., Tugushev V. V., Caprara S., Chulkov E. V. Proximity-induced spin ordering at the interface between a ferromagnetic metal and a magnetic semiconductor. Physical Review B. 2010;81(23): 235212. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.235212

5. Димитриев Г. С., Крайнов И. В., Сапега В. Ф., Аверкиев Н. С., Debus J., Lahderanta E. Энергетическая структура одиночного акцептора Mn в GaAs :Mn. Физика твердого тела. 2018;60(8): 1556-1565. https:// doi.org/10.21883/FTT.2018.08.46242.22Gr

6. Onoda S., Sugimoto N., Nagaosa N. Quantum transport theory of anomalous electric, thermoelectric, and thermal Hall effects in ferromagnets. Physical Review B. 2008;77(16): 165103. https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.77.165103

7. Nagaosa N., Sinova J., Onoda S., MacDonald A. H., Ong N. P. Anomalous Hall effect. Reviews of Modern Physics. 2010;82(2): 1539-1592. https://doi. org/10.1103/RevModPhys.82.1539

8. Hirohata A., Yamada K., Nakatani Y., Prej-beanu I.-L., Dieny B., Pirro P., Hillebrands B. Review on spintronics: Principles and device applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020;509: 166711. https ://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166711

9. Pu Y., Chiba D., Matsukura F., Ohno H., Shi J. Mott relation for Anomalous Hall and Nernst effects in Ga1-xMnAs ferromagnetic semiconductors. Physical Review Letters. 2008;101(11): 117208. https://doi. org/10.1103/PhysRevLett.101.117208

10. Chiba D., Nishitani Y., Matsukura F., Ohno H. Properties of GabxMnAs with high Mn composition (x>0.1). Applied Physics Letters. 2007;90(12): 122503. https://doi.org/10.1063/1.2715095

11. Chiba D., Werpachowska A., Endo M., Nishitani Y., Matsukura F., Dietl T., Ohno H. Anomalous Hall Effect in Field-Effect Structures of (Ga,Mn)As. Physical Review Letters. 2010;104(10): 106601. https:// doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.106601

12. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука; 1990. 688.

П. Б. Парчинский и др. Спонтанный фотомагнитоэлектрический эффект в эпитаксиальных слоях...

13. Brunner K., Gould C., Schmidt G., Molenkamp L. W. Structure, ferromagnetism and magnetotransport of epitaxial (Ga,Mn)As/GaAs structures. Physica Status Solidi (a). 2006;203(14): 3565-3573. https://doi.org/10.1002/pssa.200622382

14. Sadowski J., Domagala J. Z., ... Ilver L. Structural properties of MBE grown GaMnAs layers. Thin Solid Films. 2000;367(1-2): 165-167. https://doi. org/10.1016/S0040-6090(00)00681-7

15. Yoon I. T., Kang T. W., Kim D. J. Analysis of magnetic field dependent mobility in ferromagnetic Ga1-xMnxAs layers. Solid State Communications. 2006;137(3): 171-176. https://doi.org/10.10Wj. ssc.2005.10.004

16. Kojima E., Héroux J. B., ... Kuwata-Gonokami M. Experimental investigation of polaron effects in Ga, Mn As by time-resolved and continuous-wave

1-x x J

midinfrared spectroscopy. Physical Review. B. 2007;76(19): 195323. https://doi.org/10.1103/Phys-RevB.76.195323

17. Wang K. Y., Edmonds K. W., Campion R. P., Zhao L. X., Foxon C. T., Gallagher B. L. Anisotropic magnetoresistance and magnetic anisotropy in high-quality (Ga,Mn)As films. Physical Review. B. 2005;72(8): 085201. https://doi.org/10.1103/Phys-RevB.72.085201

18. Hamaya K., Taniyama T., Kitamoto Y., Mo-riya R., Munekata H., Magnetotransport study of

temperature dependent magnetic anisotropy in a (Ga,Mn)As epilayer. Journal of Applied Physics. 2003;94(12): 7657-7661. https://doi. org/10.1063/1.1629134

19. Lee S., Lee S., Bac S.-K., Choi S., Liu X., Dobro-wolska M., Furdyna J. K. Spin-orbit-induced effective magnetic field in GaMnAs ferromagnetic semiconductor. IEEE Transactions on Magnetics. 2019;55(2): 2400206. https://doi.org/10.1109/TMAG.2018.2862867

Информация об авторах

Парчинский Павел Борисович, к. ф.-м. н., доцент кафедры физики полупроводников и полимеров, Национальный университет Узбекистана (Ташкент, Узбекистан).

https://orcid.org/0009-0008-3812-9383 p.parchinskiy@nuu.uz

Газизулина Алиса Сергеевна, м. н. с. кафедры физики полупроводников и полимеров, Национальный университет Узбекистана (Ташкент, Узбекистан).

https://orcid.org/0009-0003-8598-2479 alice.galashina@gmail.com Нусретов Рафаэль Айдинович, к. ф.-м. н., н. с. Узбекско-Японского молодежного центра инноваций (Ташкент, Узбекистан).

https://orcid.org/0000-0002-4007-2039 rnusretov@yandex.ru

Поступила в редакцию 28.04.2023; одобрена после рецензирования 18.05.2023; принята к публикации 15.06.2023; опубликована онлайн 25.03.2023.