Динаміка спінових систем та мікрохвильове поглинання в напівпровідниках та низькоомних твердих розчинах

На цих зразках методом імпульсного насичення виміряно швидкість спін-граткової релаксації (СГР) парамагнітних дефектів в інтервалі Т=1, 8-300 К. Встановлено одноекспонентний характер відновлення намагніченості після імпульсного насичення. Знайдено, що швидкість СГР зростає з ростом концентрації ПЦ. З урахуванням цих фактів показано, що виявлений аномальний хід температурної залежності швидкості СГР не може бути пояснений за рахунок ефекту вузького фононного горла. Розглянуто два альтернативних механізми СГР, пов'язаних з наявністю як дворівневих тунельних станів, так і з термоактивованими “стрибками змінної довжини” локалізованих електронів. Показано, що при високих температурах більш ефективним є механізм спінової релаксації, обумовлений електронними стрибками.

Другий розділ присвячено дослідженню динаміки взаємодії двох спінових підсистем, одна з яких обумовлена локалізованими ПЦ, а інша – делокалізованими (фотозбуджені носії). Встановлено, що міжзонне неполяризоване світло, породжуючи вільні носії струму у напівпровіднику, суттєво впливає на спінові системи локальних центрів за рахунок ефективних механізмів спін-залежних носій-домішкових взаємодій (НДВ). Основними типами НДВ у кремнії є обмінне розсіювання носіїв та їх захоплення домішковими центрами. Виявлено новий фізичний ефект – спінова орієнтація локальних центрів, індукована спін-залежними процесами захоплення носіїв, що приводить, зокрема, до інверсії окремих компонентів спектру ЕПР. Характеристики ефекту детально вивчені на прикладі пар (Cr+ – B-) 0 (S=5/2) у кремнії (рис. 1). Показано, що ступінь орієнтації ПЦ визначається коефіцієнтом спін-залежного захоплення електронів a, який, в залежності від своєї природи, може бути як ізотропним (за рахунок різниці імовірностей захоплення в стани з j± =S±Ѕ), так і анізотропним. Для центрів (Cr+ – B-) виявлено істотну анізотропію ефекту, зумовлену еволюцією стану спінових систем, які знаходяться в динамічному контакті під дією локального поля. У момент зіткнення ЕП із ПЦ відбувається “перебудова” спінового гамільтоніану об'єднаної системи {ПЦ + ЕП}. Стани з j+ і j- змішуються оператором локального поля (сумарний момент j=S ± 1/2 системи не зберігається) і, внаслідок різної імовірності розпаду цих станів, виникає ефект спінової орієнтації. Він, по суті, пов'язаний з “включенням” індукованих переходів між енергетичними рівнями утвореної спільної системи під дією залежного від часу збурення, що виникає при наближенні ЕП до ПЦ. Цим збуренням виступає локальне поле, в якому знаходиться ПЦ. Теоретичний вираз для величин відхилення і-х спінових моментів di від рівноваги пропорційний константі локального кристалічного поля Qr, і ефект орієнтації має таку ж кутову залежність як і розщеплення спектру ЕПР у локальному кристалічному полі, що і спостерігається на експерименті. Наступне захоплення дірки замикає систему і, таким чином, створюється ефективний канал спін-залежної рекомбінації.

Процеси захоплення носіїв створюють також динамічний контакт між спін-системами носіїв струму і локальних ПЦ, що приводить до укорочення часу СГР останніх. Використовуючи даний факт, у дисертації запропоновано і реалізовано спосіб визначення низькотемпературних перерізів захоплення носіїв та знайдено переріз захоплення sr ЕП на ПЦ:? r (Cr+) @ 4, 9Ч10-12 см2 і? r (Сr+-B-) @ 1, 6Ч10-12 см2 при Т=4. 2 К.

 

Рис. 1 Ефект спінової орієнтації пар (Cr+ – B-) у кремнії неполяризованим міжзонним світлом. а) – спектр ЕПР у темряві; b) – при підсвічуванні. Видно інверсію окремих компонент спектра. Праворуч показана схема спін-релаксаційних експериментів, на основі яких визначалися перетини захоплення електронів на центри Cr+ і (Cr+ – B-) : с) – «випалювання дірки» у лінії ЕПР вузьким імпульсом НВЧ; d) – насичення всієї лінії широким імпульсом.

 

Із застосуванням нестаціонарних ЕПР-методик вивчено також механізм спінової орієнтації оптично збуджених метастабільних триплетних (S =1) станів радіаційних дефектів (Si – S1 – центрів) у кремнії. На основі аналізу широкого спектру динамічних характеристик центрів запропоновано модель утворення і розпаду триплетних станів. Показано, що нерівноважність спінових станів триплету зумовлена селективністю процесів їхнього розпаду зі збудженого триплетного в основний синглетний стан. Порівнюючи результати експерименту з теорією, визначено швидкість розпаду триплетних станів R @ 3, 2ґ103 с-1 і показано, що температурно-залежні характеристики системи визначаються власними механізмами СГР триплетних центрів.

У третьому розділі досліджено динаміку взаємодіючих парамагнітних систем, що належать структурам з різною розмірністю. Вперше встановлено природу двох типів електрично активних парамагнітних дефектів, які формуються в результаті кластеризації кисню при відпалі зразків кисеньвміщуючого кремнію (Твідп@650° С). Походження одного з них – термодонорів ТД-II – пов'язано з локалізацією електронів на флуктуаціях кристалічного потенціалу, які виникають у місці розташування кисневих кластерів. Передбачувана моделлю залежність глибини залягання ТД-II від розмірів кластерів узгоджується з усім комплексом отриманих даних. Вперше виявлено новий тип парамагнітних термодефектів (Si-nК центри), зумовлених захопленням електронів на просторово