магнитные полупроводники

МАГНИТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ - вещества, к-рые сочетают в себе полупроводниковый тип электропроводимости с магн. упорядочением. Среди М. п. имеются материалы с разл. типами магн. упорядочения - ферромагнитным, антиферромагнитным, геликоидальным и т. д. (см. Магнитная атомная структура ).К этому классу веществ относятся также нек-рые спиновые стёкла.

Характеристики магнитных полупроводников

Температура магнитных фазных переходов у М. п. лежит, как правило, в диапазоне гелиевых (4,2К) и азотных (~77,4 К) темп-р, хотя известны материалы с точкой Кюри T_с~300 К (напр., ). Наиб. изученными являются М. п. типа ЕиХ, где'' X - О, S, Se, Те, и соединения со структурой шпинели типа АСr₂Х₄, где А - Сu, Cd, Zn, Hg, Fe, Co; X -S, Se, Те (см. табл.).

Рис. 1. Зонная структура магнитных полупроводников.

Рис. 2. Фазовая диаграмма магнитного полупроводника

Электронный спектр М. п. определяется 2 разнородными подсистемами - подвижными носителями заряда (электронами проводимости и дырками) и более локализованными электронами атомов переходных (или редкоземельных) металлов, содержащих недостроенные d- или f-оболочки. Ввиду этого электронный спектр М. п. не может быть описан (даже в нулевом приближении) простейшей двухзонной моделью (см. Полупроводники)и включает в себя, как правило, третью, т. н. d- или f-зону (рис. 1).

М. п. характеризуется, как правило, наличием т. н. непрямого обменного взаимодействия между d- или f-ионами. В решётке М. п. магн. ионы (для определённости d-ионы) разделены немагнитными и поэтому волновые ф-ции d-электронов не перекрываются. Прямое обменное взаимодействие между ними отсутствует. Однако возникает непрямое взаимодействие, обусловленное тем, что волновые ф-ции магн. ионов перекрываются через волновые ф-ции немагн. ионов. Непрямой обмен приводит к заметному изменению магн. свойств М. п. при легировании. Так, при замещении в ферромагн. М. п. атомов Cd на атомы Zn вначале происходит уменьшение Т_с, а затем ферромагн. упорядочение меняется на геликоидальное антиферромагнитное, причём этот переход происходит через состояние спинового стекла (рис. 2). Легирование примесью In (донор) или Ag (акцептор) уменьшает или увеличивает Т_с.

Кроме обменного взаимодействия между парамагнитными ионами через неподвижные немагнитные ионы в М. п. может иметь место обменное взаимодействие через подвижные носители заряда. Взаимодействие между подвижными носителями заряда и малоподвижными d-электронами приводит к зависимости электрич. свойств от магн. состояния М. п. и, наоборот, магн. свойств от концентрации носителей заряда в М. п. Так, в М. п. наблюдаются резкие (на неск. порядков) скачки проводимости при изменении темп-ры Т, резкое изменение Т_c при изменении концентрации носителей в ходе легирования, резкие скачки магнетосопротивления, аномально большое отрицат. магнетосопротивление вблизи точки Кюри Т_с.

Подвижность носителей в М. п. невелика по сравнению с обычными полупроводниками. Она лимитируется дополнит. механизмом рассеяния на неоднородностях и флуктуациях намагниченности (см. Рассеяние носителей заряда в твердом теле). Определение эффективной массы носителей с помощью эффекта Холла затруднено, т. к. из-за спонтанной намагниченности велик вклад аномальной составляющей (см. Холла эффект, Гальваномагнитные явления). Кроме того, наличие электрон-магнонного взаимодействия в М. п. приводит к изменению величины затухания спиновых волн в М. п. при пропускании тока.

Рис. 3. Температурная зависимость края оптического поглощения в EuS (а) и HgCr₂Se₄ (б); - ширина запрещённой зоны.

Характерной особенностью М.н. является т. н. гигантское красное смещение края оптич. поглощения при изменении темп-ры. Так, у край поглощения сдвигается от 0,8 до 0,3 эВ при понижении Т от 300 до 4 К (рис. 3). Нек-рым М. п. свойственны явления фотомагнетизма (изменение магн. свойств при освещении). Так, в при освещении изменяются магн. проницаемость, коэрцитивная сила, вид скачков Баркгаузена.

Многие особенности М. п., в частности аномалии кинетич. характеристик, иногда объясняют исходя из теоретич. предсказания существования в М. п. феронов - областей, в к-рых концентрация электронов проводимости и магн. момент отличаются от средних по кристаллу. Такие области могут быть, в частности, локализованы на примесях, вакансиях и др. дефектах. Наличие дефектов существенно влияет также на магнитокристаллич. анизотропию М. п. Так, чистый М. п. практически изотропен, но при легировании и отжиге, к-рые меняют число примесей и вакансий, становится анизотропным, причём направление осей анизотропии и её степень можно изменять, меняя кол-во и тип примесей и вакансий.

Необычные свойства М. п. делают их перспективными для создания ячеек памяти, для термомагн. и фото-магн. записи, для вращения плоскости поляризации эл--магн. излучения, в частности в диапазоне СВЧ. На М. п. реализованы р - п-переходы, Шоттки барьеры и др. структуры.

Лит.: Метфессель 3., Маттис Д., Магнитные полупроводники, пер. с англ., М., 1972; Магнитные полупроводники шпинели типа CdCr₂Se₄, под ред. С. И. Радауцана, Киш., 1978; Нагаев Э. Л., Физика магнитных полупроводников, М., 1979; Магнитные полупроводники - халькогенидные шпинели, М., 1981; Магнитные полупроводники, под ред. В. Г. Ве-еелаго, М., 1982. В. Г. Веселого.

   <<      Предметный указатель      >>