МАГНИ́ТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ́

МАГНИ́ТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ́, по­лу­про­вод­ни­ки, для ко­то­рых ха­рак­тер­на силь­ная взаи­мо­связь маг­нит­ных, элек­трич. и оп­тич. свойств и в ко­то­рых маг­нит­ное взаи­мо­дей­ст­вие осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с уча­сти­ем элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти. В осн. это три клас­са со­еди­не­ний: мо­ноок­сид и мо­но­халь­ко­ге­ни­ды ев­ро­пия (EuO, EuS, EuSe и EuTe); хром­халь­ко­ге­нидные шпи­не­ли (СdCr₂Se₄, СdCr₂S₄, HgCr₂Se₄, HgCr₂S₄, ZnCr₂Se₄ и ZnCr₂S₄); ман­га­ни­ты – ок­сид­ные со­еди­не­ния мар­ган­ца со струк­ту­рой пе­ров­ски­та (AMnO₃, где A = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Yb, Tb, Dy, Ho, Er, Ce). Для пер­во­го клас­са по срав­не­нию со вто­рым и треть­им ха­рак­тер­на бо­лее вы­ра­жен­ная взаи­мо­связь элек­трич. и оп­тич. свойств с маг­нит­ным упо­ря­до­че­ни­ем, од­на­ко их Кю­ри точ­ки ни­же темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та (77 К), что соз­да­ёт су­щест­вен­ные труд­но­сти для их ис­сле­до­ва­ния и тем бо­лее прак­тич. при­ме­не­ния. В хром­халь­ко­ге­нид­ных шпи­не­лях и ман­га­ни­тах точ­ки Кю­ри вы­ше 77 К, а в не­ко­то­рых со­еди­не­ни­ях да­же вы­ше ком­нат­ной темп-ры.

Ин­те­рес к М. п. вы­зван, пре­ж­де все­го, су­ще­ст­во­ва­ни­ем в них ги­гант­ско­го маг­ни­то­со­про­тив­ле­ния. Напр., в EuSe с де­фи­ци­том Se элек­трич. со­про­тив­ле­ние умень­ша­ет­ся на де­вять по­ряд­ков при на­ло­же­нии маг­нит­но­го по­ля на­пря­жён­но­стью 10⁶ А/м, то­гда как в обыч­ных маг­не­тиках маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние со­став­ля­ет все­го лишь де­ся­тые и со­тые до­ли про­цен­та. В ман­га­ни­тах ги­гант­ское маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние со­про­во­ж­да­ет­ся ги­гант­ской объ­ём­ной маг­ни­то­ст­рик­ци­ей, дос­ти­гаю­щей 10^–3 (в маг­не­ти­ках, ис­поль­зуе­мых в маг­ни­то­ме­ха­нич. уст­рой­ст­вах, маг­ни­то­ст­рик­ция не пре­вы­ша­ет 10^–5, т. е. на два по­ряд­ка мень­ше), при­чём по­ве­де­ние этих па­ра­мет­ров в за­ви­си­мо­сти от темп-ры и маг­нит­но­го по­ля по­доб­но.

В ле­ги­ро­ван­ных М. п. на­блю­да­ют­ся ги­гант­ский маг­ни­то­оп­ти­че­ский Фа­ра­дея эф­фект и фо­то­маг­нит­ный эф­фект, за­клю­чаю­щий­ся в умень­ше­нии на­чаль­ной маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти и рас­ши­ре­нии пет­ли гис­те­ре­зи­са под дей­ст­ви­ем све­та. При сла­бом ле­ги­ро­ва­нии на­блю­да­ют­ся ано­маль­ные фо­то­элек­три­че­ские яв­ле­ния и по­вы­ше­ние с уров­нем ле­ги­ро­ва­ния па­ра­маг­нит­ной темп-ры Кю­ри (см. Кю­ри за­кон) без из­ме­не­ния темп-ры Кю­ри.

Температурная зависимость края оптического поглощения халькохромита HgCr2Se4; TC – температура Кюри.

В боль­шин­ст­ве М. п. край оп­тич. по­гло­ще­ния при по­ни­же­нии темп-ры Т от тем­пе­ра­тур, со­от­вет­ст­вую­щих па­ра­маг­нит­ной об­лас­ти, до Т ≈ 5 К сдви­га­ет­ся в об­ласть бо­лее низ­ких энер­гий на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка 0,2–0,5 эВ (рис.). Это яв­ле­ние по­лу­чи­ло назв. ги­гант­ско­го крас­но­го сдви­га края соб­ст­вен­но­го по­гло­ще­ния. Из фак­та су­ще­ст­во­ва­ния крас­но­го сме­ще­ния края по­гло­ще­ния в М. п. сле­ду­ет, что энер­гия сво­бод­но­го элек­тро­на в зо­не про­во­ди­мо­сти (сво­бод­ной дыр­ки в ва­лент­ной зо­не в ман­га­ни­тах) ми­ни­маль­на при пол­ном фер­ро­маг­нит­ном упо­ря­до­че­нии и уве­ли­чи­ва­ет­ся при его раз­ру­ше­нии, т. е. в М. п. су­ще­ст­ву­ет силь­ный s–d-об­мен (см. Кос­вен­ное об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие). По­это­му в М. п. воз­мож­ны спе­ци­фич. со­стоя­ния но­си­те­лей за­ря­да (фер­рон­ные), ко­гда элек­трон про­во­ди­мо­сти соз­да­ёт в кри­стал­ле фер­ро­маг­нит­ную мик­ро­об­ласть и ло­ка­ли­зу­ет­ся в ней, тем са­мым ста­би­ли­зи­руя её (см. Маг­нит­ный по­ля­рон). Ус­ло­вия для об­ра­зо­ва­ния фер­ро­нов бо­лее бла­го­при­ят­ны в ле­ги­ро­ван­ных М. п. око­ло при­ме­си, т. к. ло­ка­ли­за­ции элек­тро­на, кро­ме s–d-об­ме­на, спо­соб­ст­ву­ет ку­ло­нов­ское при­тя­же­ние элек­тро­на к до­нор­но­му иону (дыр­ки к ак­цеп­то­ру). В вы­ро­ж­ден­ных ан­ти­фер­ро­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках (см. Вы­ро­ж­ден­ные по­лу­про­вод­ни­ки, Ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм) воз­мож­ны кол­лек­тив­ные фер­рон­ные со­стоя­ния, ко­гда кри­сталл раз­би­ва­ет­ся на че­ре­дую­щие­ся фер­ро- и ан­ти­фер­ро­маг­нит­ные об­лас­ти. Элек­тро­ны со­сре­до­то­че­ны в фер­ро­маг­нит­ных об­лас­тях, а в ан­ти­фер­ро­маг­нит­ных об­лас­тях их нет.

На­ли­чие фер­ро­нов объ­яс­ня­ет все пе­ре­чис­лен­ные вы­ше осо­бен­но­сти свойств М. п. Так, ги­гант­ские маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние и объ­ём­ная маг­ни­то­ст­рик­ция в М. п. объ­яс­ня­ют­ся сле­дую­щим об­ра­зом: на­ло­же­ние маг­нит­но­го по­ля ори­ен­ти­ру­ет маг­нит­ные мо­мен­ты фер­ро­нов и уве­ли­чи­ва­ет их раз­ме­ры, что об­лег­ча­ет тун­не­ли­ро­ва­ние элек­тро­нов ме­ж­ду ни­ми. Кро­ме то­го, внеш­нее маг­нит­ное по­ле стре­мит­ся раз­ру­шить фер­ро­ны, уве­ли­чи­вая ки­не­тич. энер­гию элек­тро­нов внут­ри фер­ро­нов и тем са­мым спо­соб­ст­вуя их де­ло­ка­ли­за­ции. В тео­ре­тич. ра­бо­тах япон. фи­зи­ков А. Яна­се и Т. Ка­суя бы­ло по­ка­за­но, что внут­ри фер­ро­нов па­ра­мет­ры ре­шёт­ки умень­ше­ны, по­сколь­ку это при­во­дит к эк­ра­ни­ро­ва­нию но­во­го рас­пре­де­ле­ния за­ря­да и по­ни­же­нию энер­гии фер­ро­на из-за уве­ли­че­ния пе­ре­кры­тия об­ла­ков за­ря­дов при­мес­ных ио­нов и их бли­жай­ших со­се­дей. По­это­му вбли­зи точ­ки Кю­ри и на­блю­да­ет­ся из­лиш­нее по срав­не­нию с ли­ней­ным по темп-ре те­п­ло­вое рас­ши­ре­ние об­раз­ца. Од­на­ко на­ло­же­ние внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля не­мно­го вы­ше точ­ки Кю­ри уве­ли­чи­ва­ет сте­пень фер­ро­маг­нит­но­го по­ряд­ка вбли­зи при­ме­сей силь­нее, чем в сред­нем по кри­стал­лу, т. к. его дей­ст­вие уси­ли­ва­ет­ся s–d-об­ме­ном. Т. е. маг­нит­ное по­ле со­з­да­ёт раз­ру­шен­ные на­гре­ва­ни­ем фер­ро­ны и свой­ст­вен­ное им сжа­тие ре­шёт­ки, что и при­во­дит к ги­гант­ской объ­ём­ной маг­ни­то­ст­рик­ции.

В ман­га­ни­те La_0,7Ba_0,3MnO₃ объ­ём­ная маг­ни­то­ст­рик­ция дос­ти­га­ет 10^–4 при ком­нат­ной темп-ре, что на два по­ряд­ка вы­ше, чем в Ni и спла­вах, при­ме­няе­мых в УЗ-из­лу­ча­те­лях. По­это­му этот ма­те­ри­ал мо­жет быть ис­поль­зо­ван в разл. ульт­ра­зву­ко­вых, а так­же маг­ни­то­ме­ха­нич. уст­рой­ст­вах. Свой­ст­ва М. п. де­ла­ют их пер­спек­тив­ны­ми для ис­поль­зо­ва­ния в элек­тро­ни­ке; М. п., об­ла­даю­щие ги­гант­ским маг­ни­то­со­про­тив­ле­ни­ем, мо­гут приме­нять­ся в разл. сен­сор­ных уст­рой­ст­вах (мик­ро­фо­нах, бес­кон­такт­ных счи­ты­ваю­щих го­лов­ках для за­по­ми­наю­щих уст­ройств и т. п.).