Мягкие рентгеновские эмиссионные спектры и ферромагнетизм в широкозонных легированных полупроводниках

Abstract

Проведены исследования резонансных и нерезонансных рентгеновских эмиссионных L-спектров примесей в полупроводниковых соединениях ZnS:Mn, ZnO:Mn, ZnO:Co, Cu₂O:Mn. Из анализа рентгеновских эмиссионных Mn L₂,₃ -спектров Zn₁-xMnxS (x = 0,1-0,3) установлено, что примеси Mn не образуют кластеры в решетке ZnS. Исследования Mn L₂,₃-спектров и электронной структуры эпитаксиальных пленок Zn₀,₈Mn₀,₂O, отожженных при различных температурах, показали, что причиной наблюдаемого подавления ферромагнетизма при T > 600 °C является сегрегация атомов Mn. В этом случае атомы Mn занимают как позиции Zn, так и входят в междоузлия. Для Zn₁-xCoxO (x = 0,02, 0,06 и 0,10) установлено отсутствие свободных носителей, которые могли бы быть ответственными за наличие обменного взаимодействия между ионами Co. Рентгеновские эмиссионные Mn L₂,₃ -измерения показывают, что в легированных Mn оксидах Cu₂O, синтезированных при 650 и 800 °С, атомы Mn находятся как в междоузлиях, так и замещают узлы Cu, однако конфигурации этих дефектов зависят от температуры синтеза. Уменьшение температуры Кюри с температурой синтеза может быть объяснено появлением антиферромагнитного сверхобмена между замещающими атомами Mn через кислород.

Проведено дослідження резонансних та нерезонансних рентгенівських емісійних L-спектрів домішок у напівпровідникових сполуках ZnS:Mn, ZnO:Mn, ZnO:Co, Cu₂O:Mn. З аналізу рентгенівських емісійних Mn L₂,₃ -спектрів Zn₁-xMnxS (x 0,1–0,3) установлено, що домішки Mn не утворюють кластери в гратці ZnS. Дослідження Mn L₂,₃-спектрів та електронної структури епітаксійних плівок Zn₀,₈Mn₀,₂O, які відпалені при різних температурах, показали, що причиною спостережуваного пригнічення феромагнетизму при T > 600 0 C є сегрегація атомів Mn. У цьому випадку атоми Mn займають як позиції Zn, так і входять у міжвузловини. Для Zn₁-xCoxO (x 0,02, 0,06 и 0,10) установлено відсутність вільних носіїв, які могли б бути відповідальними за наявність обмінної взаємодії між іонами Co. Рентгенівські емісійні Mn L₂,₃ -вимірювання показують, що в легованих Mn оксидах Cu₂O, які синтезовані при 650 і 800 °C, атоми Mn перебувають як у міжвузловинах, так і заміщають вузли Cu, однак конфігурації цих дефектів залежать від температури синтезу. Зменшення температури Кюри з температурою синтезу може бути пояснено появою антиферомагнітного надобміну між атомами, що заміщають Mn через кисень.

Resonant and non-resonant x-ray emission impurity L spectra in semiconductor compounds ZnS:Mn, ZnO:Mn, ZnO:Co, and Cu₂O:Mn have been studied. From the analysis of x-ray emission Mn L₂,₃ spectra of Zn₁-xMnxS (x = 0.1–0.3) it was established that Mn impurities do not form clusters in a ZnS lattice. The study of Mn L₂,₃ spectra and the electronic structure of epitaxial Zn₀,₈Mn₀,₂O film annealed at different temperatures showned that the segregation of Mn atoms in ZnO is the reason of disappearing of ferromagnetic ordering at T > 600 °C. In this case Mn atoms both substitute Zn site, and are in interstitial positions. In the case of Zn₁-xCoxO (x = 0.02, 0.06, and 0.10) it was established that the lack of free charge carries is responsible for the absent of exchange interaction between Co ions. X-ray emission Mn L₂,₃ measurements indicate that in Mn doped Cu₂O oxides sintered at 650 °C and 800 °C, Mn atoms are both in interstitial, and aCu substitution positions, but the defect configurations depend on the sintered temperature. A reduction of TC with the increase of the sintered temperature can be explained by the appearance of the antiferromagnetic superexchange between substitutional Mn atoms via oxygen ions