СТИМУЛИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ И СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХ НА ИХ ОСНОВЕ
|
ВВЕДЕНИЕ
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВЫВОДЫ
Список работ автора по теме диссертации
Список литературы
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВЫВОДЫ
Список работ автора по теме диссертации
Список литературы
Актуальность работы
Наблюдаемая в магнитных полупроводниках глубокая взаимосвязь электронной и магнитной подсистем (эффект колоссального магнитосопротивления) и электронный переход полупроводник-металл представляют большой научный и практический интерес. При этом особое внимание уделяется изучению возможности управления свойствами магнитных полупроводников внешними электрическими и магнитными полями, а также их трансформации вследствие изменения температуры.
Несмотря на то, что исследования электронных переходов начато достаточно давно, их природа до сих пор остается невыясненной. В частности, значительный интерес связан с неравновесными электронными переходами во внешних электрических полях, которые имеют место, как в магнитных, так и в немагнитных полупроводниках.
В немагнитных полупроводниках включение электрического поля приводит к саморазогреву за счет уменьшения электросопротивления с увеличением температуры при постоянном напряжении (активационное увеличение концентрации носителей тока). Последнее ведет к лавинообразному увеличению выделяемого тепла, которое не успевает отводиться в окружающую среду. И, как следствие, формируется новая неравновесная фаза («горячая» фаза), что сопровождается возникновением 5-образных аномалий на вольтамперных характеристиках (ВАХ). Возникающая «положительная обратная связь» между электрическим током и выделяемым теплом вследствие увеличения проводимости с ростом температуры, служит причиной возникновения автоколебаний тока при подключении немаг-нитного полупроводника к внешним источникам емкости и (или) индуктивности.
В магнитных полупроводниках, как показали экспериментальные исследования, имеют место неравновесные электронные переходы и неравновесные магнитные фазовые переходы. Саморазогрев здесь сопровождается формированием не только 5-, но и А-образных ВАХ. Автоколебания в температурной окрестности фазовых переходов возникают и без подключения внешних источников емкости и (или) индуктивности. Однако, до сих пор понимание причин и механизмов этих явлений в магнитных полупроводниках, несмотря на большой фундаментальный и практический интерес, отсутствует.
Настоящая работа посвящена изучению электронной и магнитной подсистем ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводников в условиях сильного внешнего электрического воздействия.
Цель работы: создание модели неравновесных электронных переходов во внешних электрических полях и исследование автоколебаний тока и напряжения в магнитных полупроводниках.
Научная новизна
1. Развит способ расчета электронной функции Грина в двухзонных 3р}3- и ^/-моделях во внешнем электрическом поле с учетом хаббардовских внутриатомных электронных корреляций.
2. В рамках ^(р)^-модели (на примере сильно парамагнитного Ге81) показано, что электрическое поле вследствие саморазогрева приводит к увеличению внутренней температуры и амплитуды флуктуаций спиновой плотности сильно парамагнитного полупроводника. При этом усиливается перенормировка электронных спектров флуктуирующими обменными полями и происходит «схлопывание» полупроводниковой энергетической щели, трактуемое как электронный переход полупроводник-металл.
3. В рамках /^-модели для ферромагнитного ЕиО1-д показано, что в электрическом поле вследствие саморазогрева, ведущего к уменьшению намагниченности и среднеквадратического магнитного момента, исчезает перекрытие ¿/-зоны проводимости и заполненного /-мультиплета и возможно формирование парамагнитной диэлектрической фазы (неравновесные электронные переходы и неравновесные магнитные фазовые переходы).
4. Впервые получено, что изменение внутренней температуры и амплитуды спиновых флуктуаций в ферромагнитном и сильно парамагнитном полупроводниках, вызванное саморазогревом, сопровождается возникновением 3- и Ы- образных вольтамперных характеристик. Определена зависимость условий возникновения бистабильности электронной подсистемы от размеров образца.
5. Впервые описано возникновение автоколебаний тока, напряжения, внутренней температуры и амплитуды спиновых флуктуаций в ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводниках вследствие формирования бистабильности электронной подсистемы при переходе между полупроводниковой и металлической, ферромагнитной и парамагнитной фазами, без подключения внешних источников емкости и (или) индуктивности.
6. Обнаружены и определены условия возникновения автоколебаний тока и напряжения нового вида в слоистых системах полупроводник-металл. Показано, что автоколебания в полупроводниковом слое индуцируют автоколебания, как в металлическом слое, так и во всей слоистой системе. Величиной периода автоколебаний можно управлять за счет изменения толщины металлического слоя.
Научное и практическое значение
Найдены новые самоорганизующиеся системы - магнитные полупроводники, в которых под действием внешнего электрического поля могут происходить неравновесные электронные превращения и магнитные фазовые переходы, сопровождающиеся формированием бистабильности электронной подсистемы. При этом в условиях бистабильности возникают изохронные автоколебания тока и напряжения, связанные с переходами между полупроводниковой и металлической фазами. Подобные процессы формирования автоколебаний и условия возникновения хаоса интенсивно исследуются в физике нелинейных явлений (реакция Жаботинского, двухуровневые системы, лазеры и т.д.). Кроме того, они представляют интерес для создания генераторов низкочастотных и высокочастотных колебаний, в которых для формирования «положительной» обратной связи наряду с внешними источниками емкости и (или) индуктивности используются их внутренние свойства. При этом экспериментальное исследование автоколебаний тока и напряжения, создаваемых в автогенераторах на основе подобных магнитных полупроводников, должно дать новую информацию о параметрах магнитных возбуждений.
Автор выносит на защиту следующие положения
1. В магнитных полупроводниках, помещенных во внешнее электрическое поле, возникают неравновесные электронные переходы полупроводник - металл.
2. В сильно парамагнитных и ферромагнитных полупроводниках возникают S-и А-образные особенности ВАХ, отражающие формирование бистабильности их электронной подсистемы.
3. При электронных переходах в ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводниках возникают автоколебания тока и напряжения, сопровождающиеся переходами между полупроводниковой и металлической фазами в температурной окрестности электронных переходов.
4. При неравновесных магнитных переходах в ферромагнитных полупроводниках возникают автоколебания тока, сопровождающиеся переходами между ферромагнитной и парамагнитной фазами.
5. Изменение размеров металлической прослойки слоистой системы металл-полупроводник позволяет «управлять» периодами и амплитудами автоколебаний тока.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации обсуждались на научных семинарах в ИФМ УрО РАН, на кафедре физики УрФУ, на всероссийских и международных конференциях:
1. XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (г. Москва, 2009)
2. IV и V Российская научно-техническая конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2007, 2009)
3. IV Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism»: Nanospintronics. EAST-MAG - 2010 (г. Екатеринбург, 2010)
4. Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелиней-ные явления в конденсированных средах» (г. Махачкала, 2010).
Личный вклад автора
На всех этапах работы (литературный обзор, постановка задачи, получение и обсуждение результатов) автором внесен значимый вклад. Постановка задачи, обсуждение и интерпретация полученных результатов были проведены совместно с научным руководителем.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в реферируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Список работ диссертанта приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена на 124 страницах, включая 41 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 94 наименования.
Наблюдаемая в магнитных полупроводниках глубокая взаимосвязь электронной и магнитной подсистем (эффект колоссального магнитосопротивления) и электронный переход полупроводник-металл представляют большой научный и практический интерес. При этом особое внимание уделяется изучению возможности управления свойствами магнитных полупроводников внешними электрическими и магнитными полями, а также их трансформации вследствие изменения температуры.
Несмотря на то, что исследования электронных переходов начато достаточно давно, их природа до сих пор остается невыясненной. В частности, значительный интерес связан с неравновесными электронными переходами во внешних электрических полях, которые имеют место, как в магнитных, так и в немагнитных полупроводниках.
В немагнитных полупроводниках включение электрического поля приводит к саморазогреву за счет уменьшения электросопротивления с увеличением температуры при постоянном напряжении (активационное увеличение концентрации носителей тока). Последнее ведет к лавинообразному увеличению выделяемого тепла, которое не успевает отводиться в окружающую среду. И, как следствие, формируется новая неравновесная фаза («горячая» фаза), что сопровождается возникновением 5-образных аномалий на вольтамперных характеристиках (ВАХ). Возникающая «положительная обратная связь» между электрическим током и выделяемым теплом вследствие увеличения проводимости с ростом температуры, служит причиной возникновения автоколебаний тока при подключении немаг-нитного полупроводника к внешним источникам емкости и (или) индуктивности.
В магнитных полупроводниках, как показали экспериментальные исследования, имеют место неравновесные электронные переходы и неравновесные магнитные фазовые переходы. Саморазогрев здесь сопровождается формированием не только 5-, но и А-образных ВАХ. Автоколебания в температурной окрестности фазовых переходов возникают и без подключения внешних источников емкости и (или) индуктивности. Однако, до сих пор понимание причин и механизмов этих явлений в магнитных полупроводниках, несмотря на большой фундаментальный и практический интерес, отсутствует.
Настоящая работа посвящена изучению электронной и магнитной подсистем ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводников в условиях сильного внешнего электрического воздействия.
Цель работы: создание модели неравновесных электронных переходов во внешних электрических полях и исследование автоколебаний тока и напряжения в магнитных полупроводниках.
Научная новизна
1. Развит способ расчета электронной функции Грина в двухзонных 3р}3- и ^/-моделях во внешнем электрическом поле с учетом хаббардовских внутриатомных электронных корреляций.
2. В рамках ^(р)^-модели (на примере сильно парамагнитного Ге81) показано, что электрическое поле вследствие саморазогрева приводит к увеличению внутренней температуры и амплитуды флуктуаций спиновой плотности сильно парамагнитного полупроводника. При этом усиливается перенормировка электронных спектров флуктуирующими обменными полями и происходит «схлопывание» полупроводниковой энергетической щели, трактуемое как электронный переход полупроводник-металл.
3. В рамках /^-модели для ферромагнитного ЕиО1-д показано, что в электрическом поле вследствие саморазогрева, ведущего к уменьшению намагниченности и среднеквадратического магнитного момента, исчезает перекрытие ¿/-зоны проводимости и заполненного /-мультиплета и возможно формирование парамагнитной диэлектрической фазы (неравновесные электронные переходы и неравновесные магнитные фазовые переходы).
4. Впервые получено, что изменение внутренней температуры и амплитуды спиновых флуктуаций в ферромагнитном и сильно парамагнитном полупроводниках, вызванное саморазогревом, сопровождается возникновением 3- и Ы- образных вольтамперных характеристик. Определена зависимость условий возникновения бистабильности электронной подсистемы от размеров образца.
5. Впервые описано возникновение автоколебаний тока, напряжения, внутренней температуры и амплитуды спиновых флуктуаций в ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводниках вследствие формирования бистабильности электронной подсистемы при переходе между полупроводниковой и металлической, ферромагнитной и парамагнитной фазами, без подключения внешних источников емкости и (или) индуктивности.
6. Обнаружены и определены условия возникновения автоколебаний тока и напряжения нового вида в слоистых системах полупроводник-металл. Показано, что автоколебания в полупроводниковом слое индуцируют автоколебания, как в металлическом слое, так и во всей слоистой системе. Величиной периода автоколебаний можно управлять за счет изменения толщины металлического слоя.
Научное и практическое значение
Найдены новые самоорганизующиеся системы - магнитные полупроводники, в которых под действием внешнего электрического поля могут происходить неравновесные электронные превращения и магнитные фазовые переходы, сопровождающиеся формированием бистабильности электронной подсистемы. При этом в условиях бистабильности возникают изохронные автоколебания тока и напряжения, связанные с переходами между полупроводниковой и металлической фазами. Подобные процессы формирования автоколебаний и условия возникновения хаоса интенсивно исследуются в физике нелинейных явлений (реакция Жаботинского, двухуровневые системы, лазеры и т.д.). Кроме того, они представляют интерес для создания генераторов низкочастотных и высокочастотных колебаний, в которых для формирования «положительной» обратной связи наряду с внешними источниками емкости и (или) индуктивности используются их внутренние свойства. При этом экспериментальное исследование автоколебаний тока и напряжения, создаваемых в автогенераторах на основе подобных магнитных полупроводников, должно дать новую информацию о параметрах магнитных возбуждений.
Автор выносит на защиту следующие положения
1. В магнитных полупроводниках, помещенных во внешнее электрическое поле, возникают неравновесные электронные переходы полупроводник - металл.
2. В сильно парамагнитных и ферромагнитных полупроводниках возникают S-и А-образные особенности ВАХ, отражающие формирование бистабильности их электронной подсистемы.
3. При электронных переходах в ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводниках возникают автоколебания тока и напряжения, сопровождающиеся переходами между полупроводниковой и металлической фазами в температурной окрестности электронных переходов.
4. При неравновесных магнитных переходах в ферромагнитных полупроводниках возникают автоколебания тока, сопровождающиеся переходами между ферромагнитной и парамагнитной фазами.
5. Изменение размеров металлической прослойки слоистой системы металл-полупроводник позволяет «управлять» периодами и амплитудами автоколебаний тока.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации обсуждались на научных семинарах в ИФМ УрО РАН, на кафедре физики УрФУ, на всероссийских и международных конференциях:
1. XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (г. Москва, 2009)
2. IV и V Российская научно-техническая конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2007, 2009)
3. IV Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism»: Nanospintronics. EAST-MAG - 2010 (г. Екатеринбург, 2010)
4. Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелиней-ные явления в конденсированных средах» (г. Махачкала, 2010).
Личный вклад автора
На всех этапах работы (литературный обзор, постановка задачи, получение и обсуждение результатов) автором внесен значимый вклад. Постановка задачи, обсуждение и интерпретация полученных результатов были проведены совместно с научным руководителем.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в реферируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Список работ диссертанта приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она изложена на 124 страницах, включая 41 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 94 наименования.
В диссертационной работе проведено исследование стимулированных внешним электрическим полем неравновесных переходов полупроводник - металл и неравновесных магнитных фазовых переходов в магнитных полупроводниках и слоистых системах на их основе. Показано, что в отличие от немагнитных полупроводников, в магнитных полупроводниках неравновесные переходы полупроводник - металл и неравновесные магнитные фазовые переходы, стимулированные электрическим полем, сопровождаются возникновением автоколебаний электрического тока и температуры даже в отсутствии внешних источников емкости и (или) индуктивности. Среди конкретных результатов работы целесообразно выделить следующие:
1. В рамках двухзонной 5(р^-модели показано, что включение внешнего электрического поля приводит к саморазогреву, который обусловливает заметное усиление амплитуды спиновых флуктуаций и связанные с ними перенормировки электронных спектров сильно парамагнитных полупроводников. В результате возникает неравновесный электронный переход, сопровождаемый «схлопыванием» энергетических щелей между d-d-, а затем s-s-состояниями.
2. На основе /d-модели показано, что спин-флуктуационная перенормировка спектров, как f-,так и d-состояний ведет к уменьшению заполнения d-зоны и увеличению числа локализованных f-электронов. При этом d-зона смещается «вверх» по шкале энергий, что ведет к возникновению энергетического зазора между /-состояниями и d-зоной. В результате возникает неравновесный электронный переход металл-полупроводник.
3. Впервые показано, что увеличение амплитуды спиновых флуктуаций в результате процесса саморазогрева, возникающего во внешнем электрическом поле, приводит к подавлению намагниченности, обусловливая неравновесный магнитный фазовый переход ферромагнетик-парамагнетик.
4. Установлено, что ВАХ сильно парамагнитного FeSi вследствие возрастания концентрации носителей тока в условиях саморазогрева имеет 5-образный вид.
Вследствие зависимости от размеров образца скорости джоулева тепловыделения и теплоотвода, величины напряжений, соответствующих неравновесному переходу, оказываются зависящими от соотношения продольных и поперечных размеров образца.
5. Проведен анализ температурных зависимостей ширины запрещенной зоны и статической проводимости ферромагнитного полупроводника ЕиО^д. Установлено, что в области электронного перехода вследствие уменьшения числа носителей тока, обусловленного увеличением энергетического зазора между локализованными /- и зонными ^-состояниями, возникают У-образные особенности ВАХ.
6. В температурной окрестности индуцированного электрическим полем магнитного фазового перехода возникают 5-образные особенности ВАХ ЕиО^д, обусловленные насыщением температурной зависимости энергетического зазора, отделяющего /- и ^-состояния вследствие насыщения амплитуды спиновых флуктуаций. Впервые показано, что увеличение приложенного напряжения ведет к переходу в парамагнитное состояние при значениях внешних температур (температур подложки) заметно меньших температуры Кюри (определяемой в отсутствии внешнего электрического поля).
7. При неравновесных электронных переходах в ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводниках возможно возникновение автоколебаний тока и напряжения, обусловленных переходами между полупроводниковой и металлической фазами вследствие бистабильности электронной подсистемы.
8. При неравновесных магнитных переходах в ферромагнитных полупроводниках возможно возникновение автоколебаний тока, сопровождающиеся переходами между ферромагнитной и парамагнитной фазами вследствие бистабильности магнитной подсистемы.
9. Показано, что в слоистых системах немагнитный полупроводник-металл автоколебания возникают за счет подключения внешних источников емкости и индуктивности. При этом изменение размера прослойки металлической примеси позволяет управлять параметрами автоколебаний (амплитудой и периодом).
10. В слоистой системе сильно парамагнитный полупроводник-нормальный металл колебания тока в полупроводнике индуцируют колебания тока в металле. Показано, что с уменьшением размера металлической прослойки период автоколебаний уменьшается.
1. В рамках двухзонной 5(р^-модели показано, что включение внешнего электрического поля приводит к саморазогреву, который обусловливает заметное усиление амплитуды спиновых флуктуаций и связанные с ними перенормировки электронных спектров сильно парамагнитных полупроводников. В результате возникает неравновесный электронный переход, сопровождаемый «схлопыванием» энергетических щелей между d-d-, а затем s-s-состояниями.
2. На основе /d-модели показано, что спин-флуктуационная перенормировка спектров, как f-,так и d-состояний ведет к уменьшению заполнения d-зоны и увеличению числа локализованных f-электронов. При этом d-зона смещается «вверх» по шкале энергий, что ведет к возникновению энергетического зазора между /-состояниями и d-зоной. В результате возникает неравновесный электронный переход металл-полупроводник.
3. Впервые показано, что увеличение амплитуды спиновых флуктуаций в результате процесса саморазогрева, возникающего во внешнем электрическом поле, приводит к подавлению намагниченности, обусловливая неравновесный магнитный фазовый переход ферромагнетик-парамагнетик.
4. Установлено, что ВАХ сильно парамагнитного FeSi вследствие возрастания концентрации носителей тока в условиях саморазогрева имеет 5-образный вид.
Вследствие зависимости от размеров образца скорости джоулева тепловыделения и теплоотвода, величины напряжений, соответствующих неравновесному переходу, оказываются зависящими от соотношения продольных и поперечных размеров образца.
5. Проведен анализ температурных зависимостей ширины запрещенной зоны и статической проводимости ферромагнитного полупроводника ЕиО^д. Установлено, что в области электронного перехода вследствие уменьшения числа носителей тока, обусловленного увеличением энергетического зазора между локализованными /- и зонными ^-состояниями, возникают У-образные особенности ВАХ.
6. В температурной окрестности индуцированного электрическим полем магнитного фазового перехода возникают 5-образные особенности ВАХ ЕиО^д, обусловленные насыщением температурной зависимости энергетического зазора, отделяющего /- и ^-состояния вследствие насыщения амплитуды спиновых флуктуаций. Впервые показано, что увеличение приложенного напряжения ведет к переходу в парамагнитное состояние при значениях внешних температур (температур подложки) заметно меньших температуры Кюри (определяемой в отсутствии внешнего электрического поля).
7. При неравновесных электронных переходах в ферромагнитных и сильно парамагнитных полупроводниках возможно возникновение автоколебаний тока и напряжения, обусловленных переходами между полупроводниковой и металлической фазами вследствие бистабильности электронной подсистемы.
8. При неравновесных магнитных переходах в ферромагнитных полупроводниках возможно возникновение автоколебаний тока, сопровождающиеся переходами между ферромагнитной и парамагнитной фазами вследствие бистабильности магнитной подсистемы.
9. Показано, что в слоистых системах немагнитный полупроводник-металл автоколебания возникают за счет подключения внешних источников емкости и индуктивности. При этом изменение размера прослойки металлической примеси позволяет управлять параметрами автоколебаний (амплитудой и периодом).
10. В слоистой системе сильно парамагнитный полупроводник-нормальный металл колебания тока в полупроводнике индуцируют колебания тока в металле. Показано, что с уменьшением размера металлической прослойки период автоколебаний уменьшается.