什么叫稀磁半导体的自旋玻璃态？

显示全部楼层 · 2007-9-13 21:59:44

半磁半导体semim眼netie semieonduetor一类新型半导体材料。又称稀磁半导体。通常为A卜二M，B 型合金，由组分为普通半导体化合物AB和组分为磁性半导体MB组成，其中组分为x的磁性离子M无规则地占据A的子格点。由于这类材料中存在顺磁离子，具有彼强的局域自旋磁矩，与局域顺磁离子相联系的 3d“电子和类s(导带)、类P(价带)能带电子之间的自旋与自旋相互作用结果，产生一种新的交换作用，称为 sP一d交换作用，使半磁半导体具有与普通半导体截然不同的性质。自1978年国际上首次报道以来的近15年中，这方面工作已有很大的进展。结构与组分典型的半磁半导体材料体系是A扩一二 Mnx砂型合金，其中M扩离子无规地取代化合物A，理中部分11族的子格点。如宽能隙的Cd卜二Mn二Te(S， Se)、Znl一xMnxTe(S，Se)和窄能隙的Hg;一，Mn二Te (S，Se)等。稳定单相的Cd卜xMnxTe具有闪锌矿结构，组分x值可高达0.77;Cdl一xMnxS为纤锌矿结构，组分x上限为0.45;Znl一xMnxse则在x(0.30为闪锌矿结构，而在0.30四面体结合键，M扩离子贡献45“价电子给结合键而形成半满3d5壳层，具有很强的自旋磁矩 (s=5/2)。过渡金属M扩离子在H一VI族半磁半导体中最易溶混，如Znl_二MnxTe的x值可高达0 .86，超过此上限将出现多相结构。过渡金属铁的溶混性就比锰的约小一个量级，其他过渡金属元素的则更小。A{与 Mnx砂半磁半导体晶体结构和形成单相晶体的组分范围见表。 A二*Mnx砂半磁半导体晶体结构材料组分范围 Zni_xMnxS Zn一_xMnxse Zn一_xMlixTe Cd一_xMn二S Cdl_、Mnxse Cd卜xMnxTe Hgl、MnxS Hgi一xMnxse HglxMnxse 晶体结构闪锌矿纤锌矿闪锌矿纤锌矿闪锌矿纤锌矿纤锌矿闪锌矿闪锌矿闪锌矿闪锌矿 0无序磁性体系。当 M扩离子组分增加时，必须考虑M扩离子之间的相互作用，它们除形成束缚M扩团簇的离子对、三离子等外，还会形成更大的团簇。M扩离子间强的反铁磁作用会使有效磁离子浓度减小而趋于饱和。绝大多数一普通半导体化合物是杭磁性材料，由于M扩的组分可以在很宽范围内变化，在半磁半导体材料中可观察到从顺磁态进入自旋玻璃态到反铁磁态的相变。半磁半导体材料通常具有普通半导体材料的基本物理性质。半磁半导体中晶格常数a服从费伽定律。例如， Cdl一xMnxTe的晶格常数为 a二(1一x)aH一vI十文在Mn_巩式中al卜”、aMn一砚分别为CdTe、MnTe的晶格常数。精确测定晶格常数a，可决定其组分x值。A卜二Mn二理合金是直接带隙材料，其能隙随M扩离子组分而线性变化。有一些材料(如Cdl一xMnxS、Znl一xMnxse)在x 值小时，由于交换作用影响会偏离线性关系。性质半磁半导体中sP一d交换作用，使载流子行为强烈地受温度和磁场的影响，从而产生一系列与普通半导体完全不同的物理现象。主要有: ①磁场下的有效g因子增强。考虑交换作用贡献后，通常引入自旋在磁场方向的热平均正比于宏观体磁化强度M的平均场理论来描述改变了的载流子行为。有效g因子通过磁化强度M反映其与温度、组分和磁场的依赖关系。增强磁场和降低温度均能使交换作用贡献增强。窄能隙Hgl一二MnxTe在低温下甚至发生价带、导带朗道子能级的重叠并使朗道子能级次序发生变化。对Cdl一二Mn二Se:x二O时有效g因子g才= 0.5，而x=0.1时，g*=170。有效g因子增强了两个量级。 ②反常大的磁光效应。磁离子对外磁场有很大的响应，如同外磁场的“放大器”，其振幅比普通半导体中磁光效应强102一103倍。最为突出的是宽能隙Cd卜xMn二 Te(S，Se)在外磁场下的激子带发生巨大的塞曼分裂，从而导致带间范围显示很强的激子巨法拉第效应，较 CdTe的法拉第旋转角大103倍。同时测量法拉第效应、磁反射谱和磁化强度，可精确地确定不同材料中表征交换作用贡献的交换积分常数。在n一Cdoo5Mnoo5Se中发现反常大的自旋反转拉曼散射斯托克斯位移，较 Cdse的大两个数量级。同时还观察到与束缚磁极化子的形成有关的零场下斯托克斯移位。此外在A卜二Mn、砂系列Pbl_xMnxTe中还观察到与自由磁极化子形成有关的零场下自旋分裂。 ③SdH量子振荡的振幅与温度非单调反常依赖关系。n一Hg卜xMn，Te(Se)的振荡的振幅中包含与有效 g因子有关的余弦因子，有效g因子随温度而变化。与标准的量子振荡(保持恒定温度，改变磁场)相反，如保持恒定磁场而改变温度，则可观测到一类新型的量子振荡-一磁热振荡。 ④巨负阻效应。普通半导体的电阻和受主束缚能随磁场的增强而增大，表现为正磁阻。而p一Hgl一xMnxTe 由于sp一d交换作用，使受主束缚能随磁场增强而减小，观测到高达6个数量级的巨大负磁阻，且表现各向异性。此外，低温下霍耳效应也表现反常行为。现状与发展半磁半导体具有很宽谱的能隙，随组分的改变，能隙连续可从零变化至ZeV以上。近年来发展的四元晶体(如Hg卜，一，CdxMnyTe)具有相互独立的能隙和交换作用，从而增加了它在各类光电器件中应用的可能性。Cd，_xMnxTe材料的巨法拉第旋转和低吸收系数，已应用于非倒易光器件。目前国际上在对含M扩离子半磁半导体深入研究的同时，还对含 F扩和含C扩离子的Alll_二Fe、(CO)二Bvl体系、四元化合物Hg卜x一，CdxMn，Te、Pb:一二一，SnxMn，Se等，以及含稀土离子Eu、Gd等的三元化合物体系展开了研究。最重要的发展之一是用分子束外延成功地生长了高质量的A{]x Mnx砂量子阱超晶格和异质结结构，从而开拓了半磁半导体中能隙工程的研究领域。最近用分子束外延还成功地生长了111一V族In，_二Mn二As薄层材料。半磁半导体是研究顺磁一自旋玻璃一反铁磁态的好材料，同时也是研究固体的无序体系及形成团簇玻璃态和混磁态等特有性质的很好对象。实验上对其磁性研究主要通过磁化率、磁化强度、比热、电子顺磁共振、中子衍射等测量方法。磁光的法拉第效应、拉曼光散射及磁反射谱等也是研究其磁性的重要手段。 (陈辰嘉) 一丁石且力氏丘』产尸且区丈区丈