МАГНИ́ТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ́
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.
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 La0,7Ba0,3MnO3 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.).