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

Таким чином, виявлено та описано різноманітні динамічні явища, індуковані внутрішніми та зовнішніми взаємодіями спінових систем вільних носіїв і локальних центрів у напівпровідниках і низькоомних твердих розчинах. Зокрема, носій-домішкові взаємодії в напівпровідниках визначають нові механізми спінової релаксації та орієнтації локальних центрів, з одного боку, і швидкість спін-залежної рекомбінації носіїв, з іншого. У сукупності результати дисертації являють собою завершену систему даних фундаментального характеру щодо природи спін-залежних динамічних явищ та їх впливу на магнітні і електричні властивості широкого спектру технічно важливих твердотільних матеріалів.

Отримані в дисертації нові результати важливі з погляду їхнього наукового і практичного використання. У наукових дослідженнях вони повинні враховуватися при вирішенні фізичних проблем взаємодії мікрохвильового випромінювання з конденсованим середовищем, зокрема, з напівпровідниками і надпровідниками, де результати дисертації є однією з складових формування наукових напрямків - “спін-залежні взаємодії в напівпровідниках” та “мікрохвильова діагностика надпровідників”. На практиці отримані результати варто застосовувати при розробці технічних пристроїв, що використовують явища спін-залежного переносу, в області термічного і радіаційного керування властивостями напівпровідників, для удосконалювання технології осадження тонких напівпровідникових та діелектричних плівок, а також при розробці і конструюванні магніто-механічних перетворювачів.

Достовірність отриманих результатів забезпечується комплексністю проведених досліджень з застосуванням добре апробованих експериментальних методик, послідовним і всебічним характером дослідження, ясною фізичною картиною вивчених явищ і закономірностей, що добре узгоджуються з теоретичними розрахунками і з існуючими уявленнями про характер взаємодій електронних і ядерних спінових систем одна з одною і з граткою у твердих тілах. Основний експериментальний метод - нестаціонарна ЕПР спектроскопія - є прямим методом спостереження динаміки спінових систем. В усіх випадках перевірялася відтворюваність результатів, проводилася оцінка похибок експерименту. Додатковим фактором перевірки служило порівняння результатів з даними інших дослідників. Результати дисертації опубліковані в авторитетних реферованих вітчизняних і міжнародних виданнях (Physica B: Condensed Matter, Solid State Communication, Physica Status Solidi, Journal of Magnetism and Magnetic materials, Journal of Physics: Condensed Matter, ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, Физика твердого тела, Физика и техника полупроводников та ін.), а також були широко апробовані на міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах, симпозіумах (наведені в загальній характеристиці роботи).

РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ:

1. Бугай А.А., Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Лысенко В.С. - Спин-решеточная релаксация в аморфном кремнии. // ФТТ. -1984. -Т.26, №7. -С. 1939-1942.

2. Бугай А.А., Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Лысенко В.С. ЭПР в кремнии, аморфизированном ионной имплантацией. // ФТП. -1985. -Т.19, №2. -С. 257-261.

3. Кончиц А.А., Шанина Б.Д. Оптически индуцированная спиновая ориентация в кремнии, легированном хромом. //ФТТ. -1986. -Т.28, №2. - С. 399-404.

4. Кончиц А.А., Шанина Б.Д. Динамика спиновых систем и носитель-примесное взаимодействие в полупроводниках. // Радиоспектроскопия твердого тела. - Киев: Наукова думка. -1992. - С. 312-355.

5. Кончиц А.А., Шанина Б.Д. Спиновая релаксация заряженных центров в кремнии в присутствии фотоносителей (Si:Cr+, [Cr+-B-]0). // ФТТ. - 2001. - Т.43, №4. - С. 611-615.

6. Власенко Л.С., Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Шанина Б.Д. Исследование методом ЭПР процессов оптического возбуждения Si-S1 центров в облученном кремнии. // ФТТ. - 1984. - Т.26, №1. - С. 114-119.

7. Бабич В.М., Баран Н.П., Бугай А.А., Кончиц А.А., Максименко В.М. - СВЧ-проводимость и инвертированный сигнал ЭПР новых центров в кремнии с кислородом. // Письма в ЖЭТФ. - 1986. - Т.44, №11. - С. 513-515.

8. Babich V.M., Baran N.P., Bugai A.A., Konchits A.A., Kovalchuk V.B., Maksimenko V.M., Shanina B.D. Electrical and paramagnetic properties of thermodonors-II in silicon. // Phys. Stat. Sol. (a). - 1988. - Vol.109. - P. 537-547.

9. Бабич В.М., Баран Н.П., Бугай А.А, Кончиц А.А., Шанина Б.Д. Фоточувствительный электродипольный резонанс новых центров в кремнии с кислородом. //Труды Всесоюзного семинара по ОДМР. - Таллинн. - 1987. - Изв. АН СССР. - 1988. - Т.52, №3. - С. 489-492.

10. Бабич В.М., Баран Н.П., Бугай А.А., Кончиц А.А., Шанина Б.Д. -Электродипольный спиновый резонанс локализованных электронных состояний на дислокационных диполях в недеформированном кислородсодержащем кремнии. // ЖЭТФ. - 1988. - Т.94, №8. - С. 319-330.

11. Konchits A.A., Shanina B.D. Microwave conductivity and spin resonance of Si-nK centers at dislocation dipoles in silicon. // Physica B: Cond. Matt. - 1995. -Vol.215. - P. 404-414.

12. Shanina B.D., Kolesnik S.P., Konchytz A.A., Gavriljuk V.G., Smouk S.Yu., Tarasenko A.V. Influence of the interstitial nitrogen on the paramagnetic properties of the multicomponent d-element iron-based alloy. // Solid St. Commun. - 1994. -Vol.90, №2. - P. 109-113.

13. Shanina B.D., Gavriljuk V.G., Konchits A.A., Kolesnik S.P., Tarasenko A.V. Exchange interaction between electron subsystems in iron based fcc alloys doped nitrogen or carbon. // Phys.Stat.Sol.(a). - 1995. - Vol.149. - P. 711-722

14. Shanina B.D., Kolesnik S.P., Konchitz A.A., Gavriljuk V.G., Tarasenko A.V. Study of hydrogen desorption from Fe55 Cr25 Ni20 alloy by means of ferromagnetic resonance. //Journal of Physics: Condens. Matter. - 1996. - Vol.8. - P. 1831-1844.

15. Shanina B.D., Gavriljuk V.G., Konchits A.A., Kolesnik S.P. The influence of substitutional atoms upon the electron structure of the iron-based transition metal alloys // J. Phys.: Condensed Matter. - 1998. - Vol.10. - P. 1825-1838.

16. Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Бугай А.А., Буш А.А., Колесник С.П., Каширина Н.И., Неймарк Е.И. Радиоспектроскопия высокотемпературных сверхпроводников: Препр. / АН Украины. Ин-т полупроводников; 11-89. - К.: 1989. - 27с.

17. Бугай А.А., Буш А.А., Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Каширина Н.И., Колесник С.П. Эффекты макроскопической квантовой интерференции на СВЧ в монокристаллах высокотемпературных сверхпроводников. // Письма ЖЭТФ. - 1988. - Т.48, №4. - С. 209-211.

18. Кончиц А.А., Зарицкий И.М., Бугай А.А., Каширина Н.И., Колесник С.П. О природе периодических по магнитному полю СВЧ-потерь в монокристаллах ВТСП. // СФХТ. - 1989. - Т.2, №6. - С. 25-29.

19. Кончиц А.А., Зарицкий И.М., Колесник С.П., Шанина Б.Д. Релаксация магнитного потока в монокристаллах ВТСП: изучение с помощью внутреннего СВЧ-сквида. // СФХТ. - 1991. - Т.4, №12. - С. 2333-2341.

20. Зарицкий И.М., Стефанович В.А., Колесник С.П., Кончиц А.А. О форме сигнала и природе микроволнового отклика в ВТСП материалах. // Письма в ЖТФ. - 1992. - Т.18, №1. - С. 8-13.

21. Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Колесник С.П., Стефанович В.А., Миронов О.А., Чистяков С.В. Природа гистерезисных сигналов микроволнового отклика в ВТСП и ВТСП-подобных системах: Препр. /АН Украины. Ин-т полупроводников; 4-91. -К.: 1991.- 32 с.

22. Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Колесник С.П., Стефанович В.А., Миронов О.А., Сипатов Л.Ю., Федоренко А.И., Чистяков С.В. Динамика модулированного микроволнового поглощения и природа гистерезисных эффектов в ВТСП и ВТСП-подобных системах. // СФХТ. - 1991. -Т.4, №7. -С. 1400-1412.

23. Konchits A.A., Zaritskii I.M., Kolesnik S.P., Stephanovich V.A., Mironov O.A., Chistyakov S.V., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I. HTSC-like superlattices PbTe-PbS microwave spectroscopy. // Physica C. - 1991. - Vol.185-189. - P. 2737-2738.

24. Mironov O.A., Chistyakov S.V., Zaritskii I.M., Konchits A.A., Kolesnik S.P., Stephanovich V.A., Sipatov A.Yu., Fedorenko A.I. The nature of magnetic field hysteretic microwave absorption in the HTSC thin films and HTSC models epitaxial superlattices PbTe-PbS. // Physica C. - 1991. - Vol.180. - P. 196-198.

25. Mironov O.A., Makarovskii O.N., Fedorenko A.I., Sipatov A.Yu., Nashchekina O.N., Zaritskii I.M., Konchits A.A. Dislocation superlattices based on lead chalcogenides as model for High Tc superconductors. Proc. Inter. Conf. on narrow gap semiconductors. -Southampton (UK). -1992. - P. 162-163.

26. Mironov O.A., Fedorenko A.I., Zorchenko V.V., Sipatov A.Yu., Nashchekina O.N., Zaritskii I.M., Konchits A.A. Anisotropic microwave absorption in high-Tc like semiconductor superconducting superlattices (001) PbTe-PbS. // Acta Phys. Pol., A. - 1994. - Vol.85, №3. - P. 603-606.

27. Зарицкий И.М., Ракитина Л.Г., Кончиц А.А., Корради Г., Полгар К. Нерезонансное микроволновое поглощение в низких магнитных полях в LiNbO3:Mg:Cr (Fe). // Письма ЖЭТФ. - 1992. - Т.55, №9. - С. 516-519.

28. Rakitina L.G., Zaritskii I.M., Corradi G., Polgar K., Konchits A.A. Two types of nonresonant microwave absorption near zero magnetic field in double-doped LiNbO3. Proc. International Workshop of the Oxyde Crystals Network. - Balatonfured (Hungary). - 1996. - P. P.3.

29. Зарицкий И.М., Кончиц А.А., Бугай А.А., Буш А.А., Колесник С.П., Каширина Н.И., Неймарк Е.И. Радиоспектроскопия высокотемпературных сверхпроводников // Радиоспектроскопия твердого тела. - Киев: Наукова думка.- 1992. - С. 469-494.

30. Зарицкий И.М., Ищенко С.С., Кончиц А.А., Колесник С.П., Ворона И.П., Окулов С.М., Походня К.И. ЭПР, ДЭЯР и спиновая релаксация в порошкообразном фуллерите. // ФТТ. - 1996. - Т.38, №2. - С. 419-426.

31. Zaritskii I.M., Konchitz A.A., Pokhodnia K.I., Bulach B.M. ESR and spin-lattice relaxation in fullerites. // Proc. of AMPERE Workshop on magnetic resonances and microwave absorption in the High-Tc superconducting materials. - Poznan (Poland). - 1994. - P. 37.

32. Кончиц А.А. ЭПР и спиновая релаксация оборванных связей в фуллеритах. // Сверхтвердые материалы. - 1997. -№4. -С. 72-78.

33. Кончиц А.А. Природа аномальных ЭПР-свойств композита C60: Er, индуцируемых термобарической обработкой. //Сверхтвердые материалы. - 1998. -№3. -С. 56-61.

34. Кончиц А.А., Колесник С.П., Шанина Б.Д. Кацай М.Я. Природа аномальных ЭПР-свойств композита C60: Er, индуцируемых термобарической обработкой. Труды Международного семинара "Радиоспектроскопия конденсированных сред". - Киев. - 1998. - С. 18.

35. Shanina B.D., Konchits A.A., Kolesnik S.P., Katsaj M.Ya. Electron paramagnetic resonance and magnetic properties of composite C60: Er. // Journ. of Magn. and Magn.Materials. - 2000. -Vol.210. -P. 215-224.

36. Shanina B.D., Konchits A.A., Kolesnik S.P., Katsaj M.Ya. Specifications of the magnetic ordering in composite C60: Er. // Proc. 22nd International Conf. on Low Temperature Physics LT-22. - Helsinki (Finland). - 1999. Physica B. - 2000. -Vol.284-288. -P. 1315-1316.

37. Shanina B.D., Gavriljuk V.G., Konchits A.A., Kolesnik S.P. Influence of interstitial and substitutional impurities upon the electron structure of iron-based alloys // Proc. 22nd International Conf. on Low Temperature Physics LT-22. - Helsinki (Finland). - 1999. Physica B. - 2000. -Vol.284-288. -P. 1313-1314.

38. Кончиц А.А., Валах М.Я., Колесник С.П., Шанина Б.Д., Кэри Д., Силва С.Р.П. Электронный парамагнитный резонанс в DLHC пленках, имплантированных W и Ni. // Тезисы докладов II-й Междунар. конф. "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". - Санкт-Петербург: -2000. С. 49.

39. Шанина Б.Д., Кончиц А.А., Колесник С.П., Валах М.Я., Высоцкий В.Г., Друзь Б., Зарицкий И.М., Евтухов Ю. Изучение электронных центров в тонких ta-C и DLHC пленках. // Тезисы докладов II-й Междунар. конф. "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". - Санкт-Петербург: -2000. С. 70.

40. Druz B., Zaritskij I., Evtukhov Yu., Konchits A., Valakh M.Ya., Kolesnik S.P., Shanina B.D., Visotskij V. Filtered cathodic arc deposited diamond like carbon: electron spin resonance (ESR) and Raman spectroscopy. // Proc. International Conf.: MRS Fall Meeting. Symposium U: Amorphous and Nanostructures Carbon. - Boston (USA). - 1999. - Mat. Res. Soc. Symp. Proc. - 2000. - Vol.593. - P.249-254.

АНОТАЦІЯ

Кончиць А.А. Динаміка спінових систем та мікрохвильове поглинання в напівпровідниках та низькоомних твердих розчинах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

У дисертації розглянуто проблему динаміки спінових систем у напівпровідниках та інших твердотільних об'єктах в умовах домінуючої ролі носіїв струму. Досліджено природу та механізми спін-залежних процесів носій-домішкових взаємодій та виявлено новий фізичний ефект - індуковану процесами захоплення носіїв спінову орієнтацію локальних центрів у напівпровідниках. У кремнії з протяжними дефектами виявлено новий тип сигналів резонансного мікрохвильового поглинання в електричній компоненті НВЧ поля - електродипольний спіновий резонанс, пов'язаний з особливостями руху електронів у низьковимірних структурах. Вперше описано природу сигналів мікрохвильового відгуку систем при переході у стан надпровідності, зокрема, діслокаційно-індукованої (надгратки PbTe-PbS). Вивчено вплив взаємодії спін-систем вільних та локалізованих електронів в умовах виродження електронного спектру на магнітні та магніто-механічні властивості 3d твердих розчинів. Досліджено динаміку парамагнітних систем нових вуглецевих матеріалів - фулериту С60, композиту С60:Er, алмазоподібних плівок - та вивчено її взаємозв'язок з умовами синтезу, структурою та фазовим складом цих речовин. Вперше для аморфних парамагнетиків у тонких алмазоподібних плівках виявлено та описано ефект анізотропії g-фактору.

Ключові слова: алмазоподібні напівпровідники, спін-залежні взаємодії, протяжні дефекти, електродипольний спіновий резонанс, мікрохвильовий відгук надпровідників, s-d взаємодія.

ABSTRACT

Konchits A.A. Dynamics of spin system and microwave absorption in semiconductors and low-resistance solid solutions.-Manuscript.

Dissertation for a doctor of sciences degree of physics-mathematical sciences by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and insulators. The institute of Semiconductor Physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2002.

Dissertation dials with the problems of dynamics of spin system in semiconductors and other solid objects in the conditions with the decisive role of current carrier. The nature and mechanism of spin-dependent processes of carrier-impurity interaction was investigated.

The new physical phenomena - spin orientation of local centers induced by the processes of capturing the carriers - was discovered. The new type of signals of resonance microwave absorption in electric component of HF pole - electrodipole spin resonance associated with peculiarities of electron movement in low- dimension structures - was observed in the Si with extended defects.

For the first time was described the nature of the signals of microwave respond when the system changes tostate of superconductivity, particularly dislocation induced (superlattice of PBTe-PbS).

It have been studied the influence of the interaction of spin-system for free and localized electrons on the magnetic and magneto-mechanical behavior 3d solid solution.

It was investigated the dynamics of paramagnetic system for new carbon materials - fullerites C60, composition C60: Er, diamond like carbon and interplay with synthesis conditions, structure and phase composition of these materials.

For the first time was observed and described the effect of g-factor anisotropy in amorphous paramagnetic in thin diamond-like films.

Keywords: diamond-like semiconductors, spin-dependent interaction, extended defects, electrodipole spin resonance, microwave respond of superconductors, s-d interaction.

АННОТАЦИЯ

Кончиц А.А. Динамика спиновых систем и микроволновое поглощение в полупроводниках и низкоомных твердых растворах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по спецыальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

В диссертации рассмотрена проблема динамики спиновых систем в твердотельных объектах, важную роль в которых играют носители тока. Особенностью подхода к проблеме является применение нестационарных ЭПР методик, позволяющих реализовать прямое, "разрешенное во времени" наблюдение за состоянием спиновых систем и детально анализировать процессы и механизмы их взаимодействия в твердых телах. Пространственное движение носителей в таких системах приводит, в частности, к проявлению спин-зависимых процессов носитель примесных взаимодействий, существенно влияющих на электрические и магнитные характеристики широкого класса материалов. Изучена природа и механизмы таких взаимодействий в кремнии и обнаружен новый физический эффект - индуцированная процессами захвата носителей спиновая ориентация локальных центров (Si: (Cr+-B-)). Степень ориентации определяется коэффициентом спин-зависящего захвата a, который для Si: (Cr+-B-) оказывается анизотропным вследствие влияния локальных полей в условиях динамического контакта спиновых систем носителей и локальных центров. В условиях взаимодействия ускоряется спиновая релаксация локальных парамагнитных центров (ПЦ), из анализа которой определены низкотемпературные сечения захвата электронов на ПЦ Cr+ и (Cr+-B-). Для оптически возбужденных триплетных состояний Si S1центров в кремнии реализуется другой механизм спиновой ориентации, связанный с селективностью процессов распада триплетных состояний.

Показано, что спиновая динамика в системах с пониженной размерностью отличается рядом особенностей. Впервые установлено, что при отжиге образцов кислород содержащего кремния в результате его кластеризации и формирования протяженных дефектов образуются два новых типа ПЦ, обусловленных а) локализацией электронов на флуктуациях кристаллического потенциала и б) их захватом на дислокационные диполи. Движение электрона в потенциале дислокационного диполя индуцирует за счет спин-орбитального взаимодействия новый тип сигналов резонансного поглощения - электродипольный спиновый резонанс. Обнаружено также сильное нерезонансное микроволновое поглощение, обусловленное СВЧ проводимостью за счет термоактивированного прыжкового движения электронов вдоль дислокационных диполей. Из температурной зависимости проводимости определена энергия активации прыжков e1 @ 0,4 мэВ.

В системах с высокой равновесной концентрацией носителей (твердые 3d растворы) изучено взаимодействие спиновых систем s-электронов проводимости и локализованных d-электронов, динамика которого определяет температурное поведение магнитной восприимчивости материала. Впервые установлена корреляция между процессами десорбции межузельного водорода в 3d сплавах и динамикой индуцированных им сигналов ферромагнитного резонанса, из анализа которой определена энергия активации процессов миграции водорода. В сплавах с магнитной памятью формы Ni2MnGa впервые установлена связь между значениями коэффициентов магнитной анизотропии и величиной эффекта магнитно-индуцированной деформации.

Обнаружен ряд новых типов сигналов микроволнового отклика при переходе систем в состояние сверхпроводимости, обусловленных наличием джозефсоновских контактов. Для сверхрешеток PbTe-PbS с наличием дислокационно-индуцированной сверхпроводимости обнаружены сигналы типа "гистерезисная петля", обусловленные возможностью реверса критического состояния сверхпроводника вблизи поверхности образца. В монокристаллах ВТСП впервые установлена природа сигналов периодического поглощения, обусловленная реализацией эффекта макроскопической квантовой интерференции.

В фуллерите С60 и впервые синтезированном композите С60: Er выяснена природа ЭПР активных центров, связанная с катион-радикалами С60+. В композите обнаружены низкотемпературные аномалии поведения ПЦ С60+, обусловленные их взаимодействием с подсистемой Er3+. Показано, что в спин-системе Er3+ происходит фазовый переход в ферромагнитное состояние, индуцированный суперобменом ионов Er3+ с лигандными молекулами С60.

Для широкого спектра аморфных углеродных пленок (ta-C, DLHC и PLHC) впервые установлена корреляция между условиями осаждения и фазовым составом пленок, и характеристиками парамагнитной системы дефектов в них. Концентрация ПЦ, характер их распределения и величина различных вкладов в ширину линии ЭПР отображают изменение микроструктуры пленок и величины внутренних напряжений в них. Впервые для аморфных парамагнетиков обнаружен и описан эффект анизотропии g-фактора, связанный с особенностями диполь-дипольного взаимодействия в тонких пленках, которые сильнее проявляются при высокой концентрации спинов и низких температурах.

Ключевые слова: алмазоподобные полупроводники, спин-зависимые взаимодействия, протяженные дефекты, электродипольный спиновый резонанс, микроволновый отклик сверхпроводников, s-d взаимодействие.

Размещено на Allbest.ru