Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe

Исследованы фазовый и элементный составы и магнитные свойства (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавов Pb₁₋yFeyTe при вариации концентрации примеси вдоль монокристаллического слитка, синтезированного методом Бриджмена. Определены распределение примеси железа по длине слитка в основной фазе и соста...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Скипетров, Е.П., Соловьев, А.А., Кнотько, А.В., Слынько, В.Е.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2017
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129452
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe / Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 4. — С. 581-592. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129452
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1294522025-02-23T18:21:45Z Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe Magnetic properties of diluted magnetic semiconductors Pb₁₋yFeyTe Скипетров, Е.П. Соловьев, А.А. Кнотько, А.В. Слынько, В.Е. XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников Исследованы фазовый и элементный составы и магнитные свойства (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавов Pb₁₋yFeyTe при вариации концентрации примеси вдоль монокристаллического слитка, синтезированного методом Бриджмена. Определены распределение примеси железа по длине слитка в основной фазе и составы микроскопических включений второй фазы. Установлено, что намагниченность образцов содержит несколько вкладов: парамагнитный ионов примеси, диамагнитный кристаллической решетки, вклады свободных носителей заряда, носителей заряда в примесной полосе, кластеров ионов железа и осциллирующий вклад эффекта де Гааза–ван Альфена. Проведено последовательное выделение этих вкладов. Путем аппроксимации полевых и температурных зависимостей вклада ионов примеси суммой двух слагаемых на основе модифицированных функций Бриллюэна определен характер изменения концентраций ионов железа в двух разных зарядовых состояниях вдоль слитка. Показано, что концентрации носителей заряда, определенные по осцилляциям де Гааза–ван Альфена, находятся в удовлетворительном согласии с холловскими концентрациями, указывая на слабое влияние включений второй фазы и магнитных кластеров на однородность и физические свойства основной фазы в сплавах Pb₁₋yFeyTe. Досліджено фазовий та елементний склади і магнітні властивості (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавів Pb₁₋yFeyTe при варіації концентрації домішки вздовж монокристалічного злитка, синтезованого методом Бріджмена. Визначено розподіл домішки заліза по довжині злитка в основній фазі та склад мікроскопічних включень другої фази. Встановлено, що намагніченість зразків містить кілька внесків: парамагнітний іонів домішки, діамагнітний кристалічної гратки, внески вільних носіїв заряду, носіїв заряду в домішковій смузі, кластерів іонів заліза і осцилюючий внесок ефекту де Гааза–ван Альфена. Проведено послідовне видокремлення цих внесків. Шляхом апроксимації польових і температурних залежностей внеску іонів домішки сумою двох доданків на основі модифікованих функцій Бріллюена визначено характер зміни концентрацій іонів заліза в двох різних зарядових станах уздовж злитка. Показано, що концентрації носіїв заряду, визначені по осциляціям де Гааза–ван Альфена, задовільно узгоджуються з холлівськими концентраціями, вказуючи на слабкий вплив включень другої фази і магнітних кластерів на однорідність і фізичні властивості основної фази в сплавах Pb₁₋yFeyTe. The phase and elemental composition and magnetic properties (B ≤ 7.5 T, 2.0 K ≤ T ≤ 70 K) of Pb₁₋yFeyTe alloys were studied under varied impurity concentration along the Bridgman-grown single-crystal ingot. The distribution of iron impurity along the length of the ingot in the main phase and the composition of microscopic inclusions of the second phase were determined. It was established that the magnetization of the samples contains several contributions: the paramagnetic contribution of impurity ions, crystal lattice diamagnetism, as well as the contributions of free charge carriers, charge carriers in the impurity band, clusters of iron ions, and the oscillating contribution of the de Haas–van Alphen effect. These contributions were systematically separated. Using an approximation for the magnetic field and temperature dependences of the impurity-ion contribution by a sum of two terms based on the modified Brillouin functions, we determined the variation of the concentration of iron ions in two different charge states along the ingot. It was shown that the charge carrier concentrations obtained from the de Haas–van Alphen oscillations are in satisfactory agreement with the Hall concentrations, indicating a weak effect of the inclusions of the second phase and magnetic clusters on homogeneity and physical properties of the main phase in Pb₁₋yFeyTe alloys. Авторы благодарны М.М. Маркиной и К.В. Захарову (физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова) за помощь в проведении измерений. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-02-00865). 2017 Article Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe / Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 4. — С. 581-592. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 71.20.Nr, 71.55.–i, 75.50.Pp https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129452 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников
spellingShingle	XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников Скипетров, Е.П. Соловьев, А.А. Кнотько, А.В. Слынько, В.Е. Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe Физика низких температур
description	Исследованы фазовый и элементный составы и магнитные свойства (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавов Pb₁₋yFeyTe при вариации концентрации примеси вдоль монокристаллического слитка, синтезированного методом Бриджмена. Определены распределение примеси железа по длине слитка в основной фазе и составы микроскопических включений второй фазы. Установлено, что намагниченность образцов содержит несколько вкладов: парамагнитный ионов примеси, диамагнитный кристаллической решетки, вклады свободных носителей заряда, носителей заряда в примесной полосе, кластеров ионов железа и осциллирующий вклад эффекта де Гааза–ван Альфена. Проведено последовательное выделение этих вкладов. Путем аппроксимации полевых и температурных зависимостей вклада ионов примеси суммой двух слагаемых на основе модифицированных функций Бриллюэна определен характер изменения концентраций ионов железа в двух разных зарядовых состояниях вдоль слитка. Показано, что концентрации носителей заряда, определенные по осцилляциям де Гааза–ван Альфена, находятся в удовлетворительном согласии с холловскими концентрациями, указывая на слабое влияние включений второй фазы и магнитных кластеров на однородность и физические свойства основной фазы в сплавах Pb₁₋yFeyTe.
format	Article
author	Скипетров, Е.П. Соловьев, А.А. Кнотько, А.В. Слынько, В.Е.
author_facet	Скипетров, Е.П. Соловьев, А.А. Кнотько, А.В. Слынько, В.Е.
author_sort	Скипетров, Е.П.
title	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe
title_short	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe
title_full	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe
title_fullStr	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe
title_full_unstemmed	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe
title_sort	магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников pb₁₋yfeyte
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2017
topic_facet	XXI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129452
citation_txt	Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe / Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 4. — С. 581-592. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT skipetrovep magnitnyesvojstvarazbavlennyhmagnitnyhpoluprovodnikovpb1yfeyte AT solovʹevaa magnitnyesvojstvarazbavlennyhmagnitnyhpoluprovodnikovpb1yfeyte AT knotʹkoav magnitnyesvojstvarazbavlennyhmagnitnyhpoluprovodnikovpb1yfeyte AT slynʹkove magnitnyesvojstvarazbavlennyhmagnitnyhpoluprovodnikovpb1yfeyte AT skipetrovep magneticpropertiesofdilutedmagneticsemiconductorspb1yfeyte AT solovʹevaa magneticpropertiesofdilutedmagneticsemiconductorspb1yfeyte AT knotʹkoav magneticpropertiesofdilutedmagneticsemiconductorspb1yfeyte AT slynʹkove magneticpropertiesofdilutedmagneticsemiconductorspb1yfeyte
first_indexed	2025-11-24T09:12:40Z
last_indexed	2025-11-24T09:12:40Z
_version_	1849662436924194816
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4, c. 581–592 Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb1–yFeyTe Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Ленинские горы, 1, г. Москва, 119991, Россия E-mail: skip@mig.phys.msu.ru А.В. Кнотько Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Ленинские горы, 1, г. Москва, 119991, Россия В.Е. Слынько Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины ул. Вильде, 5, г. Черновцы, 58001, Украина Статья поступила в редакцию 6 декабря 2016 г., опубликована онлайн 24 февраля 2017 г. Исследованы фазовый и элементный составы и магнитные свойства (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавов Pb1–yFeyTe при вариации концентрации примеси вдоль монокристаллического слитка, синтези- рованного методом Бриджмена. Определены распределение примеси железа по длине слитка в основной фазе и составы микроскопических включений второй фазы. Установлено, что намагниченность образцов содержит несколько вкладов: парамагнитный ионов примеси, диамагнитный кристаллической решетки, вклады свободных носителей заряда, носителей заряда в примесной полосе, кластеров ионов железа и осциллирующий вклад эффекта де Гааза–ван Альфена. Проведено последовательное выделение этих вкладов. Путем аппроксимации полевых и температурных зависимостей вклада ионов примеси суммой двух слагаемых на основе модифицированных функций Бриллюэна определен характер изменения кон- центраций ионов железа в двух разных зарядовых состояниях вдоль слитка. Показано, что концентрации носителей заряда, определенные по осцилляциям де Гааза–ван Альфена, находятся в удовлетворитель- ном согласии с холловскими концентрациями, указывая на слабое влияние включений второй фазы и магнитных кластеров на однородность и физические свойства основной фазы в сплавах Pb1–yFeyTe. Досліджено фазовий та елементний склади і магнітні властивості (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавів Pb1–yFeyTe при варіації концентрації домішки вздовж монокристалічного злитка, синтезованого методом Бріджмена. Визначено розподіл домішки заліза по довжині злитка в основній фазі та склад мікроскопіч- них включень другої фази. Встановлено, що намагніченість зразків містить кілька внесків: парамагнітний іонів домішки, діамагнітний кристалічної гратки, внески вільних носіїв заряду, носіїв заряду в домішко- вій смузі, кластерів іонів заліза і осцилюючий внесок ефекту де Гааза–ван Альфена. Проведено послідо- вне видокремлення цих внесків. Шляхом апроксимації польових і температурних залежностей внеску іо- нів домішки сумою двох доданків на основі модифікованих функцій Бріллюена визначено характер зміни концентрацій іонів заліза в двох різних зарядових станах уздовж злитка. Показано, що концентрації носі- їв заряду, визначені по осциляціям де Гааза–ван Альфена, задовільно узгоджуються з холлівськими кон- центраціями, вказуючи на слабкий вплив включень другої фази і магнітних кластерів на однорідність і фізичні властивості основної фази в сплавах Pb1–yFeyTe. © Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько, 2017 mailto:skip@mig.phys.msu.ru Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько PACS: 71.20.Nr Полупроводниковые соединения; 71.55.–i Уровни дефектов и примесей; 75.50.Pp Магнитные полупроводники. Ключевые слова: сплавы на основе PbTe, примеси 3d-переходных металлов, электронная структура, маг- нитные ионы примеси, полевые и температурные зависимости намагниченности, модифицированная функция Бриллюэна. Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) на основе теллурида свинца, в диамагнитную решетку которых вводится небольшое (до нескольких процен- тов) количество 3d-магнитных ионов, исследуются уже около 40 лет [1−5]. При этом основное внимание всегда уделялось материалам с примесью марганца, который характеризуется наибольшей растворимостью (до 20%) и обладает большим спиновым моментом (S = 5/2). РМП на основе теллурида свинца с другими примесями 3d-переходных металлов исследованы гораздо хуже. В то же время эти материалы существенно отлича- ются по своим свойствам от традиционных РМП с примесью марганца. Во-первых, в отличие от марганца все остальные 3d-примеси электрически активны и легирование ими вызывает как изменение концентра- ций свободных носителей заряда, так и появление глу- боких (в основном резонансных) примесных уровней в окрестности запрещенной зоны. Во-вторых, ионы при- меси могут находиться в двух зарядовых состояниях Im2+ и Im3+, а их магнитная активность оказывается непосредственно связанной с их зарядовым состояни- ем, которое определяется особенностями электронной структуры полупроводника (положением примесного уровня относительно краев разрешенных зон и уровня Ферми, степенью его заполнения электронами). Дело в том, что ионы примеси, растворяясь в подрешетке свинца и замещая ионы свинца в состоянии Pb2+, долж- ны находиться в двукратно ионизованном состоянии 2+. Однако поскольку нелегированные сплавы на основе PbTe обычно имеют p-тип проводимости, а глубокие уровни этих примесей в основном расположены выше уровня Ферми, энергетически выгодным становится перетекание электронов с примесного уровня в неза- полненные зонные состояния, расположенные под уровнем (самоионизация ионов примеси с появлением ионов в состоянии 3+: Im2+ → Im3+ + eband) [6]. В ко- нечном счете уровень Ферми должен стабилизироваться в частично заполненной электронами примесной полосе, концентрация заполненных электронами состояний в которой соответствует концентрации ионов примеси в электрически нейтральном состоянии 2+, а концентрация пустых — концентрации ионов примеси в электрически активном состоянии 3+. В противоположность этому, уровень марганца расположен под уровнем Ферми, где-то глубоко в валентной зоне и целиком заполнен электрона- ми, а все ионы марганца находятся только в электрически нейтральном состоянии Mn2+ [7]. Таким образом, магнитные свойства РМП на основе теллурида свинца с примесями 3d-переходных металлов (кроме марганца) должны быть связаны с характером перестройки электронной структуры при легировании, изменении состава твердых растворов и давления и определяться не только концентрацией магнитной примеси (полной емкостью примесной зоны), но и магнитными моментами и соотношением концентра- ций примесных ионов, находящихся в двух разных зарядовых состояниях, имеющих разную не только электрическую, но и магнитную активность. До сих пор систематически изучались магнитные свойства только сплавов, легированных хромом [6,8–13]. Установлено, что при низких температурах их намаг- ниченность хорошо описывается парамагнитной функ- цией Бриллюэна. Почти во всех работах в качестве парамагнитных центров рассматривались изолирован- ные ионы Cr3+(3d 3) со спином S = 3/2, «заморожен- ным» орбитальным моментом количества движения и g-фактором равным 2. При этом считалось, что ионы Cr2+(3d 4) приводят лишь к появлению ванфлековского парамагнетизма и не дают вклада в температурную за- висимость намагниченности. Кроме того, в ряде работ [8,9,11–13] наблюдался дополнительный ферромаг- нитный вклад в намагниченность с температурами Кюри вплоть до 330 К, связанный, скорее всего, с фер- ромагнетизмом микроскопических включений теллу- ридов хрома (CrTe, Cr2Te3, Cr3Te4, …). Магнитные свойства сплавов с примесями Sc, Ti, V, Co, Ni, Cu ис- следованы недостаточно либо практически не исследо- вались [14−20]. Недавно было установлено, что примесь железа в PbTe индуцирует появление резонансного примесного уровня, расположенного под самым потолком валент- ной зоны (Ev − EFe ≈ 20 мэВ) [21–23]. Показано, что легирование железом PbTe p-типа приводит к умень- шению концентрации дырок, заполнению состояний валентной зоны, находящихся ниже уровня железа, электронами и пиннингу уровня Ферми в примесной полосе железа. Однако затем, после протяженного уча- стка стабилизации уровня Ферми, происходит срыв режима пиннинга, p−n-инверсия типа проводимости и увеличение концентрации свободных электронов, свя- занные, по-видимому, с генерацией при легировании дополнительных собственных точечных дефектов до- норного типа [22,23]. 582 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb1–yFeyTe Магнитные свойства сплавов Pb1–yFeyTe исследова- лись ранее всего в нескольких работах [24,25]. Еще задолго до обнаружения примесного уровня железа было показано, что эти сплавы характеризуются низ- кой (на уровне 0,1 мол.%) растворимостью примеси и в целом являются парамагнетиками. При этом счита- лось, что парамагнетизм связан с ионами примеси, на- ходящимися в электрически нейтральном состоянии Fe2+(3d 6) со спином S = 2, а при увеличении концен- трации железа в монокристаллах Pb1–yFeyTe образуют- ся магнитные примесные кластеры, состоящие из большого числа (до 4000) ионов железа. По мнению авторов, эти кластеры дают дополнительный быстро насыщающийся с ростом магнитного поля вклад в на- магниченность, а ионы в кластерах связаны между со- бой ферромагнитным взаимодействием. В настоящей работе исследованы полевые и темпе- ратурные зависимости намагниченности (B ≤ 7,5 Тл, 2,0 К ≤ T ≤ 70 К) сплавов Pb1–yFeyTe при вариации концентрации примеси вдоль монокристаллического слитка. Основными задачами были выделение основных вкладов в намагниченность, определение кинетики из- менения концентраций магнитных ионов, находящихся в разных зарядовых состояниях, при легировании и ус- тановление связи магнитных свойств сплавов с их элек- тронной структурой в рамках описанной выше модели перестройки электронного спектра при легировании. 2. Синтез, фазовый и элементный составы образцов. Методика измерений В работе исследованы монокристаллические образ- цы сплавов Pb1–yFeyTe, синтезированные из особо чис- тых компонентов (Pb — 99,9999%, Fe — 99,999%, Te — 99,9999%) вертикальным методом Бриджмена [23]. Монокристаллический слиток с номинальным содер- жанием железа y = 0,02 выращивался в вакуумиро- ванной кварцевой ампуле из предварительно приго- товленных соединений PbTe и FeTe2. Теллурид железа выбран из соображений минимизации темпе- ратуры его плавления и повышения растворимости примеси железа в теллуриде свинца в процессе синте- за. Для получения стехиометрического состава избы- ток теллура компенсировался добавлением в расплав соответствующего количества свинца. Кристаллизация из расплава осуществлялась при градиенте температур 35 °С/cм и скорости перемещения температурного фрон- та кристаллизации 1 мм/ч. Полученный таким образом слиток, ось которого примерно соответствовала кристаллографическому направлению <111>, разрезался с помощью струнной резки на 26 шайб толщиной около 1,5 мм (номера шайб использованы далее как номера исследованных образ- цов). Для определения состава твердых растворов с помощью рентгенофлюоресцентного микроанализа и исследования магнитных свойств сплавов из шайб при температуре жидкого азота выкалывались образцы, близкие по форме к прямоугольным параллелепипедам весом от 40 до 80 мг. Фазовый состав и содержание железа в образцах определялись на растровом электронном микроскопе LEO SUPRA 50VP (Germany) с системой рентгено- флюоресцентного микроанализа Oxford Instruments INCA Energy+ (England) и интегральным методом на рентге- нофлюоресцентном спектрометре TRACOR 5000 XRF (USA). На рис. 1 показаны микрофотографии поверхно- стей сколов двух исследованных образцов и рентгено- эмиссионные спектры для указанных на фотографиях областей. Установлено, что практически все исследо- ванные образцы содержат четко очерченные области, обогащенные железом, погруженные в матрицу основ- ной фазы. Химический состав этих областей соответ- ствует сплавам Pb1–yFeyTe с повышенным содержани- ем железа (вплоть до 50%) в подрешетке металла. Таким образом, можно заключить, что предел раство- римости примеси железа существенно превышен прак- тически во всех образцах, что связано с высоким со- держанием примеси железа в слитке. Содержание примеси железа в основной фазе Pb1–yFeyTe, по данным микроанализа, изменяется вдоль слитка (от 20 до 4 образца) не более чем в 1,5 раза, достигая лишь 0,6 мол.% [23]. При этом результаты измерения содержания железа интегральным методом практически совпали с данными микроанализа в сред- ней и конечной частях слитка (от 14 до 4 образца). Но при движении к началу слитка (к образцу 24) интеграль- ная концентрация примеси монотонно увеличивается до 2,5 мол.%, приводя к появлению микровключений второй фазы, близких по составу к соединению FeTe (см. рис. 1), а в самом конце слитка (в образце 2) резко возрастает, достигая примерно 4 мол.% и вызывая появление чере- дующихся полос основной фазы Pb1–yFeyTe (y < 0,01) и фазы, близкой по составу к FeTe [23]. Отметим, что, к сожалению, по данным микроана- лиза ошибка в определении концентрации примеси железа сравнима или даже превышает в ряде образцов саму измеряемую концентрацию. Поэтому мы не мо- жем приписать определенные значения концентрации примеси исследованным нами образцам и в дальней- шем будем считать, что концентрация примеси железа в основной фазе медленно увеличивается вдоль слитка (от 24 до 4 образца). Полевые и температурные зависимости намагни- ченности сплавов Pb1–yFeyTe исследовались при тем- пературах 2,0–70 К в магнитных полях B ≤ 7,5 Тл на вибрационном магнитометре установки PPMS-9 (Quan- tum Design, USA). Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 583 Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько Рис. 1. Фотографии поверхностей сколов и рентгеноэмиссионные спектры для образцов 4 и 16 из конца и средней части слитка Pb1–yFeyTe, полученные с помощью растрового электронного микроскопа. 3. Полевые и температурные зависимости намагниченности При проведении исследований и последующей интер- претации полученных экспериментальных данных учи- тывалось, что, согласно имеющимся у нас данным галь- ваномагнитных исследований [21–23], уровень Ферми в исследованных образцах Pb1–yFeyTe может находиться в валентной зоне или в зоне проводимости. В частности, в сплавах p-типа он расположен либо ниже резонансного уровня железа (в образце 24 и, возможно, в образце 20), либо стабилизирован уровнем железа (в образцах 16–10). В то же время в сплавах n-типа (в образцах 8–2) после разрушения режима пиннинга и p−n-инверсии типа про- водимости концентрация электронов увеличивается и уровень Ферми смещается вверх по зоне проводимости. В качестве характерных примеров на рис. 2 приведены семейства полевых зависимостей намагниченности M для образца p-типа со стабилизированным уровнем Ферми и образца n-типа в диапазоне температур 2,0−70 К. Анализ этих зависимостей позволяет говорить о существовании нескольких аддитивных вкладов в намагниченность ис- следованных образцов. Во-первых, нелинейность зави- симостей M(B) в области самых низких температур и ее быстрое исчезновение с ростом температуры указывают на наличие парамагнитного бриллюэновского вклада, связанного, очевидно, с парамагнитными ионами железа в состояниях Fe3+ и/или Fe2+. Во-вторых, отрицательный (или положительный у ряда образцов) линейный ход намагниченности в по- лях B > 5 Тл при низких температурах указывает на присутствие линейного по полю вклада M0(B), который, скорее всего, складывается из диамагнетизма ионного остова (диамагнетизма кристаллической решетки), сум- мы парамагнетизма Паули и диамагнетизма Ландау сво- бодных носителей заряда и парамагнетизма носителей заряда в примесной полосе [26]. Оценка величины диа- магнитной восприимчивости кристаллической решетки PbTe, проведенная по методике, предложенной в [27], дала значение χD ≈ –3,0⋅10–7 эме/(г⋅Э), которое хорошо согласуется с известными экспериментальными дан- ными для нелегированного теллурида свинца [28,29]. В то же время в исследованных нами образцах наклон зависимостей M(B) при T = 2,0 К в полях B > 5 Тл со- ответствует значениям магнитной восприимчивости χ0 от –2,6⋅10–7 до +3,0⋅10–7 эме/(г⋅Э). Это обстоятельство указывает, по-видимому, на существенный вклад па- рамагнетизма свободных носителей заряда и носителей заряда в примесной полосе в линейную по полю ком- поненту намагниченности. В-третьих, во всех образцах (в особенности в образ- цах из конца слитка) наблюдается дополнительный к бриллюэновскому, нелинейный по полю и быстро на- сыщающийся с ростом поля (в полях до 1−2 Тл) вклад, который наиболее ярко проявляется при T = 70 К на фоне линейного хода зависимостей M(B) в полях B > 2 Тл (см. 584 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb1–yFeyTe рис. 2(б)). Опираясь на существующие литературные данные [24,25], можно предположить, что он обуслов- лен кластерами ионов железа, концентрация и суммар- ный момент которых должны увеличиваться с ростом концентрации введенной примеси (т.е. при движении к концу слитка). Практически во всех образцах (в особенности в об- разцах со стабилизированным уровнем Ферми) на по- левых зависимостях намагниченности обнаружен ха- рактерный осциллирующий вклад (см. рис. 2(а)), связанный, очевидно, с квантовыми осцилляциями диа- магнитной составляющей вклада свободных носителей заряда (с эффектом де Гааза–ван Альфена). Для определения парамагнитного вклада магнито- активных ионов примеси железа проведено выделение и последовательное вычитание указанных выше второ- го и третьего дополнительных вкладов из эксперимен- тальных полевых зависимостей намагниченности всех исследованных образцов. При этом мы учитывали, что в исследованном диапазоне магнитных полей (B ≤ 7,5 Тл) парамагнитный бриллюэновский вклад при самых низ- ких температурах (T = 2,0 К) должен выходить на на- сыщение с ростом магнитного поля, а при температу- рах T ≥ 70 К — становиться практически линейным. Кроме того, мы считали, что все указанные выше ли- нейные по полю вклады практически не зависят от температуры при температурах T ≤ 70 К. На первом этапе из полевых зависимостей намагни- ченности при T = 70 К для каждого из исследованных образцов вычиталcя линейный по полю монотонный ход, включающий в себя парамагнетизм ионов приме- си, диамагнетизм кристаллической решетки, вклад свободных носителей заряда и носителей заряда в примесной зоне (рис. 3). Затем, предполагая, что ос- тавшийся быстро выходящий на насыщение с ростом магнитного поля вклад кластеров ионов железа Mc(B) не меняется при понижении температуры, проводилось его вычитание из всех исходных зависимостей M(B) при T ≤ 70 К. На втором этапе по полевым зависимостям намаг- ниченности каждого образца при T = 2,0 К в полях B > 5 Тл определялся линейный по полю вклад M0 (см. прямые линии на рис. 2) и проводилось его вычи- тание из полевых зависимостей M–Mc при температу- рах T ≤ 70 К. После этого мы считали, что полученные нами зависимости (M–Mc–M0)(B) содержат только па- рамагнитный вклад ионов железа и осциллирующий вклад эффекта де Гааза–ван Альфена (рис. 4). В отличие от полевых зависимостей намагниченно- сти, температурные зависимости намагниченности, исследованные в диапазоне температур 2,0−70 К в магнитных полях B = 0,1; 1 Тл, не позволили получить столь подробную информацию о составляющих намаг- ниченности исследованных сплавов. В целом они име- ли вполне традиционный кюри-вейссовский вид: 0 0 ( ) ,CM T M T T = + − (1) где 0M — не зависящий от температуры вклад, свя- занный с диамагнетизмом кристаллической решетки, вкладом кластеров ионов железа, пара- и диамагнетиз- мом свободных носителей заряда и парамагнетизмом носителей заряда в примесной зоне, C — константа Кюри, 0T — температура Кюри. Величина суммарного, не зависящего от температуры и линейного по магнитному полю вклада M0 изменяется вдоль слитка нерегулярно и в достаточно широких пре- делах, отвечающих значениям магнитной восприимчи- Рис. 2. Полевые зависимости намагниченности образцов Pb1–yFeyTe (10 и 4) при вариации температуры. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 585 Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько вости χ0 от –1⋅10–7 до +7,5⋅10–7 эме/(г⋅Э), заметно превышающим величину, характерную для диамаг- нитной восприимчивости кристаллической решетки χD ≈ –3,0⋅10–7 эме/(г⋅Э). Скорее всего, это связано с не- регулярностью изменения вклада кластеров ионов железа вдоль слитка и в целом подтверждает сделанный выше вывод о существенном вкладе кластеров ионов железа, свободных носителей заряда и носителей заряда в при- месной полосе в общую намагниченность исследованных образцов. Для выделения наиболее важного для нас вклада маг- нитоактивных ионов примеси железа проведено вычита- ние не зависящего от температуры вклада M0 из намаг- ниченности M(T) всех исследованных образцов. Полученные таким образом температурные зависимости намагниченности M–M0 представлены на рис. 5 (экспе- риментальные кривые последовательно сдвинуты вверх относительно кривых для образцов 24 и 20 соответствен- но). На рис. 6 часть этих зависимостей представлена в масштабе (M–M0)–1 от температуры Т. Хорошо видно, что в области низких температур эти зависимости можно аппроксимировать прямыми линиями, что находится в хорошем согласии с законом Кюри–Вейсса (1). Рис. 3. Выделение вклада кластеров ионов железа Mc(B) в намагниченность образцов Pb1–yFeyTe (10 и 4) при T = 70 К. Рис. 4. Полевые зависимости намагниченности образцов Pb1–yFeyTe (10 и 4) после вычитания вклада кластеров ионов железа, диамагнитного вклада решетки, вкладов свободных носителей заряда и носителей заряда в примесной полосе. Линии — аппроксимации экспериментальных кривых сум- мой двух слагаемых на основе модифицированных функций Бриллюэна (2) с параметрами, приведенными в табл. 1. 586 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb1–yFeyTe 4. Определение параметров парамагнитных ионов железа Для определения параметров магнитоактивных ио- нов примеси железа проведена аппроксимация поле- вых M–Mc–M0 (см. рис. 4) и температурных M–M0 (см. рис. 5) зависимостей намагниченности суммой двух слагаемых на основе модифицированных функций Бриллюэна [4,30]: Fe 2 ,3 1( , ) i B i M B T N gJ = + + = µ × ρ ∑ 0 0 2 1 2 1 1 1cth cth , 2 2 ( ) 2 2 ( ) B B B B gJ B gJ BJ J J J k T T J J k T T     µ µ+ + × −     − −     (2) где ρ ≈ 8,2 г/см3 — плотность PbTe, J = L + S — пол- ный момент количества движения иона, орбитальный момент считается «замороженным» (т.е. J = S), g-фак- тор равен 2, FeiN — концентрации магнитных ионов железа в состояниях Fe2+(3d 6) и Fe3+(3d 5) со спинами S = 2 и S = 5/2 соответственно, 0T — подгоночный параметр, учитывающий взаимодействие ионов приме- си, Bµ — магнетон Бора, Bk — постоянная Больцмана. При построении теоретических полевых и темпера- турных зависимостей намагниченности в качестве под- гоночных параметров использовались концентрации магнитных ионов 2Fe N + и 3Fe N + и температура 0T . Установлено, что, несмотря на то что все указанные зависимости хорошо описываются суммой модифици- рованных функций Бриллюэна, одновременное опре- деление концентраций двух типов магнитных ионов (ионов Fe2+ и Fe3+) даже по полевым зависимостям на- магниченности при самой низкой температуре Т = 2,0 К практически невозможно. Это обстоятельство связано, по-видимому, с ограниченной точностью процедуры выделения вклада магнитоактивных ионов примеси железа в намагниченность, а также с тем, что функции Бриллюэна, отвечающие близким по величине спинам магнитных ионов S = 2 и S = 5/2, слабо отличаются Рис. 5. Температурные зависимости намагниченности образцов Pb1–yFeyTe после вычитания не зависящего от температуры вклада М0. Линии — аппроксимации экспериментальных кривых суммой двух слагаемых на основе модифицирован- ных функций Бриллюэна (2). Рис. 6. Температурные зависимости обратной намагниченно- сти образцов Pb1–yFeyTe в магнитном поле 1 Тл. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 587 Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько друг от друга [31]. Поэтому при расчетах мы опира- лись на результаты проведенных ранее гальваномаг- нитных исследований и модель перестройки электрон- ной структуры сплавов Pb1–yFeyTe при легировании [22,23]. В частности, мы считали, что вплоть до стаби- лизации уровня Ферми резонансным уровнем железа (т.е. в образцах 24 и 20) легирование приводит к появ- лению ионов железа только в состоянии Fe3+(3d 5). И только после того, как уровень Ферми достигает при- месной полосы (т.е. в образцах с 16 по 2), процессы самоионизации ионов Fe2+ прекращаются, концентра- ция ионов железа в состоянии Fe3+ выходит на насы- щение, а дальнейшее легирование приводит только к появлению и росту концентрации ионов железа в со- стоянии Fe2+(3d6). Результаты аппроксимации экспериментальных по- левых и температурных зависимостей намагниченности суммой модифицированных функций Бриллюэна (2) приведены сплошными линиями на рис. 4 и 5, а опре- деленные таким образом основные параметры иссле- дованных образцов представлены в табл. 1 и на рис. 7. Анализ полученных результатов показывает, что тео- ретические кривые практически совпадают с экспери- ментальными для всех образцов, а данные, полученные по полевым и температурным зависимостям намагни- ченности, удовлетворительно согласуются друг с дру- гом. При движении вдоль слитка концентрация ионов Fe3+ практически не изменяется ( 3Fe N + ≈ 0,85⋅1019 cм–3), а концентрация ионов Fe2+ почти монотонно увели- чивается от образца 16 к образцу 4, достигая вели- чины 2Fe N + ≈ 0,55⋅1019 cм–3. И только в образце 2 происходит нарушение характера этой зависимости и резкое уменьшение до отрицательного значения концентрации ионов Fe2+, связанные, по-видимому, с резким повышением интегральной концентрации железа и появлением областей с периодическим че- редованием полос основной и дополнительной фаз в самом конце слитка [23]. Необходимо отметить, что некоторое (в пределах 20–30%) увеличение концентрации ионов примеси 2Fe N + при увеличении температуры от 2,0 до 15 К (см. табл. 1) вряд ли является реальным и, скорее всего, связано с ограниченной точностью сделанных нами предположений и самой процедуры выделения пара- магнитного вклада ионов примеси железа. Опираясь на данные, полученные при Т = 2,0 К, можно заключить, что суммарная концентрация парамагнитных ионов железа, достигая в конце слитка величины 1,4⋅1019 cм–3, Таблица 1. Параметры образцов Pb1–yFeyTe, определенные по полевым зависимостям намагниченности при T = 2,0−15 К Образец T, К T0, К χ0, 10–7 эме/(г⋅Э) 3FeN + , 1019 cм–3 2FeN + , 1019 cм–3 10 2,0 –0,15 –2,60 0,86 0,284 10 2,6 –0,16 –2,60 0,86 0,296 10 3,8 –0,21 –2,60 0,86 0,320 10 8 –0,41 –2,60 0,86 0,368 10 15 –0,03 –2,60 0,86 0,346 4 2,0 –0,19 –0,94 0,86 0,543 4 2,6 –0,18 –0,94 0,86 0,561 4 3,8 –0,20 –0,94 0,86 0,587 4 8 –0,30 –0,94 0,86 0,649 4 15 –0,32 –0,94 0,86 0,700 Рис. 7. Кинетика изменения концентраций ионов железа в состояниях Fe3+ и Fe2+, определенных по полевым зависимо- стям намагниченности при T = 2,0 К и температурным зави- симостям намагниченности, вдоль слитка Pb1–yFeyTe. 588 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb1–yFeyTe соответствует всего лишь 0,1 мол.% примеси железа. Эта величина по крайней мере на порядок меньше номи- нальной концентрации примеси в слитке и в несколько раз меньше определенной методом рентгенофлюоресцен- тного микроанализа, хотя и с большой ошибкой, концен- трации железа в основной фазе. С другой стороны, ис- следование гальваномагнитных параметров этих же легированных железом сплавов показало, что изменение концентрации свободных носителей заряда вдоль слитка составляет примерно 0,7⋅1019 cм–3 [23], т.е. совсем не- много меньше концентрации электрически активных ио- нов Fe3+ и всего вдвое меньше определенной нами мак- симальной суммарной концентрации магнитоактивных ионов железа (см. рис. 7). Однако этого оказалось доста- точно для того, чтобы экспериментально наблюдать эф- фект пиннинга уровня Ферми и p–n-инверсию типа про- водимости при легировании в исследованном нами слитке. Вполне возможно, что причиной этого является генерация дополнительных собственных точечных де- фектов донорного типа при легировании, которая рас- сматривалась ранее в качестве основной причины разру- шения режима пиннинга уровня Ферми и p–n-инверсии при движении вдоль слитка [22,23]. Таким образом, полученные результаты указывают на низкую растворимость примеси железа в матрице PbTe и фактически подтверждают данные работы [25], согласно которым растворимость железа в PbTe не пре- вышает 0,13 мол.%. По-видимому, большая часть вве- денной в кристалл примеси находится в электрически- и магнитонейтральном состоянии (оттеснена в процессе роста к началу и концу слитка, образует включения до- полнительной фазы — соединений с теллуром и области с повышенным содержанием железа), а также участвует в образовании магнитных кластеров. 5. Осцилляции де Гааза–ван Альфена В сильных магнитных полях (B > 1 Тл) на полевых зависимостях намагниченности практически для всех исследованных образцов на фоне быстро меняющегося с ростом магнитного поля бриллюэновского вклада при низких температурах обнаружены квантовые ос- цилляции магнитной восприимчивости (эффект де Гаа- за–ван Альфена) (см. рис. 2, 4). Для компенсации сильного монотонного хода и выделения осцилляци- онного вклада в намагниченность проведено вычита- ние теоретических зависимостей бриллюэновского парамагнитного вклада MBr(B), рассчитанных с опре- деленными выше параметрами (см. табл. 1) по форму- ле (2), из зависимостей (M–Mc–M0)(B) (см. рис. 4). Ре- зультаты этой процедуры, проведенной для каждого из исследованных образцов, для ряда образцов представ- лены на рис. 8, 9 (осцилляционные кривые последова- тельно сдвинуты вверх относительно кривых для об- разца 24 и для температуры T = 2 К соответственно). На выделенных таким образом осцилляциях де Гаа- за–ван Альфена практически отсутствует монотонный ход. Они наблюдаются в широком диапазоне темпера- тур, и даже при T = 15 К в сильных магнитных полях их амплитуда падает незначительно, существенно пре- вышая фоновый экспериментальный шум. При этом максимальная амплитуда осцилляций характерна для образцов p-типа проводимости со стабилизированным уровнем Ферми (образцы 16–10). В недолегированном образце 24 и после разрушения режима пиннинга уровня Ферми (в образцах n-типа 8–2) амплитуда ос- цилляций в несколько раз меньше. Это обстоятельство может считаться еще одним качественным признаком Рис. 8. Осцилляции де Гааза–ван Альфена в прямом и обрат- ном магнитном поле при гелиевых температурах для ряда образцов Pb1–yFeyTe. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 589 Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько существования пиннинга уровня Ферми в образцах и связано, очевидно, с тем, что в отсутствие пиннинга квантовые осцилляции обусловлены осцилляциями уровня Ферми в условиях постоянства концентрации носителей заряда, а в условиях пиннинга уровня Ферми — осцилляциями концентрации свободных носителей заряда. С этой точки зрения, образец 20 с промежуточ- ной амплитудой осцилляций находится, по-видимому, на самой границе области пиннинга уровня Ферми. Поскольку намагниченность измерялась на неори- ентированных образцах, осцилляции в целом не моно- хроматичны и в ряде образцов представляют собой суперпозицию по крайней мере двух близких осцилля- ционных частот, связанных с наличием четырех близ- ких к эллипсоидам вращения долин поверхности Ферми теллурида свинца с центрами в точках L зоны Бриллю- эна [32]. Для определения периода осцилляций в обрат- ном магнитном поле и оценки концентрации свободных носителей заряда по периоду осцилляций для каждого образца проведено моделирование осцилляционных кривых, перестроенных в масштабе M(1/B), синусоидой с экспоненциально затухающей амплитудой: ( ) 0 2exp ( )sin ,M x M Ax C Dx x fπ = + + + ∆  (3) где x = 1/B, ∆ — период осцилляций в обратном магнит- ном поле, 0M , A, C, D и f — подгоночные параметры. Полученные таким образом аппроксимации осцил- ляционных кривых, удовлетворительно согласующие- ся с экспериментальными, представлены сплошными линиями на рис. 9, а периоды осцилляций в обратном магнитном поле ,(1/ )B∆ соответствующие этим ап- проксимациям, для ряда исследованных образцов при- ведены в табл. 2. К сожалению, неопределенность в ориентации образцов относительно вектора магнитной индукции при измерении полевых зависимостей намаг- ниченности позволяет оценить лишь диапазоны воз- можных концентраций носителей заряда, соответст- вующих определенным нами периодам осцилляций. Поэтому в табл. 2, кроме периодов осцилляций, приве- дены значения концентраций электронов или дырок в предположениях ориентации магнитной индукции вдоль некоторых рациональных кристаллографических осей, а также величины концентраций носителей заряда, определенные по результатам холловских измерений. Хорошо видно, что для образцов из области пиннин- га уровня Ферми уровнем железа (для образцов 20–10), в которых амплитуда осцилляций была максимальной, периоды осцилляций примерно одинаковые, а значе- ния концентраций дырок, определенные по данным холловских измерений, находятся внутри диапазона возможных концентраций, определенных по периоду осцилляций. После инверсии типа проводимости (в образцах 8–4) согласие намного хуже, поскольку ам- плитуда осцилляций уменьшается в несколько раз и надежное определение периода осцилляций по одно- му-двум осцилляционным экстремумам становится невозможным. И наконец, для образца 24 p-типа из начала слитка не хватает экспериментальных данных для сравнения, а образец 2, как отмечалось выше, ока- зался двухфазным. В целом сопоставление этих данных позволяет заклю- чить, что концентрации носителей заряда, определенные по периоду осцилляций, находятся в удовлетворительном согласии с данными холловских измерений. Это обстоя- тельство вместе с самим фактом экспериментального наблюдения квантовых осцилляций намагниченности Рис. 9. Осцилляции де Гааза–ван Альфена в прямом и обрат- ном магнитном поле при вариации температуры (экспери- ментальные точки) и результаты моделирования осцилляций функцией (3) (линии) для одного из образцов Pb1–yFeyTe. 590 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb1–yFeyTe указывает на слабое влияние микроскопических вклю- чений второй фазы и кластеров ионов примеси на свой- ства основной фазы, ее высокое структурное совершен- ство и пространственную однородность в сильно легированных сплавах Pb1–yFeyTe. 6. Заключение Методами сканирующей электронной микроскопии и рентгенофлюоресцентного анализа определены фазовый и элементный составы образцов из слитка Pb1–yFeyTe, синтезированного методом Бриджмена. Показано, что монокристаллы обладают высокой однородностью основной фазы, но превышение предела растворимо- сти примеси в слитке приводит к появлению микро- скопических включений с повышенным содержанием примеси и областей, близких по составу к FeTe, в осо- бенности в начале и в конце слитка. Установлено, что намагниченность M исследован- ных образцов Pb1–yFeyTe содержит несколько вкладов: бриллюэновский парамагнетизм ионов примеси MBr, линейный по магнитному полю вклад M0, включаю- щий в себя решеточный диамагнетизм матрицы, пара- магнетизм и диамагнетизм свободных носителей заряда и парамагнетизм носителей заряда в примесной полосе, быстро насыщающийся с ростом магнитного поля и, по- видимому, не зависящий от температуры вклад кластеров ионов железа Mс и осциллирующий вклад эффекта де Гааза–Ван Альфена в магнитном поле. При анализе полученных результатов в рамках модели перестройки электронной структуры сплава Pb1–yFeyTe при легировании железом предполагалось, что вдоль исследованного слитка концентрация ионов Fe3+ в основной фазе увеличивается только до стаби- лизации уровня Ферми уровнем железа, затем она вы- ходит на насыщение и начинается рост концентрации ионов Fe2+. Проведены последовательное выделение указанных выше вкладов и аппроксимация зависимо- стей (M–Mc–M0)(B) и (M–M0)(T) суммой двух слагае- мых на основе модифицированных функций Бриллюэна. Определены концентрации магнитных ионов железа в двух зарядовых состояниях 3+Fe (N и 2Fe )N + в исследо- ванных образцах и показано, что при существенном превышении предела растворимости примеси в слитке растворимость примеси железа в основной фазе дости- гает лишь 0,1 мол.%. Показано, что практически во всех образцах наблю- даются осцилляции де Гааза–ван Альфена, а макси- мальная амплитуда осцилляций характерна для образ- цов p-типа со стабилизированным уровнем Ферми. Концентрации носителей заряда, определенные по пе- риоду осцилляций де Гааза–ван Альфена, находятся в удовлетворительном согласии с данными холловских измерений. Это обстоятельство, а также сам факт экс- периментального наблюдения квантовых осцилляций намагниченности указывают на слабое влияние вклю- чений второй фазы и магнитных кластеров на одно- родность и физические свойства основной фазы в сплавах Pb1–yFeyTe. Авторы благодарны М.М. Маркиной и К.В. Захаро- ву (физический факультет МГУ имени М.В. Ломоно- сова) за помощь в проведении измерений. Работа выполнена при финансовой поддержке Рос- сийского фонда фундаментальных исследований (про- ект № 16-02-00865). 1. T. Hamasaki, Solid State Commun. 32, 1069 (1979). 2. T. Story, R.R. Galazka, R.B. Frankel, and P.A. Wolff, Phys. Rev. Lett. 56, 777 (1986). 3. T. Story, G. Karczewski, L. Swierkowski, and R.R. Galazka, Phys. Rev. B 42, 10477 (1990). 4. Diluted Magnetic Semiconductors, M. Jain (ed.), World Scientific, Singapore, New Jersey, London, Hong Kong (1991). 5. Lead Chalcogenides: Physics and Applications, Dmitriy Khokhlov (ed.), ser. Optoelectronic Properties of Semiconduc- Таблица 2. Периоды осцилляций де Гааза–ван Альфена и концентрации носителей заряда, определенные по периоду ос- цилляций в обратном магнитном поле и по коэффициенту Холла при T = 4,2 К Образец Δ(1/B), Tл–1 p, n, 1017 см–3 (B\|\|<111>) p, n, 1017 см–3 (B\|\|<100>) p, n, 1017 см–3 (B\|\|<110>) p, n, 1017 см–3 (RH) 24 – – – – 64,8 20 0,203 8,03 4,01 6,13 – 16 0,213 7,47 3,73 5,70 4,74 14 – – – – 6,48 12 0,209 7,69 3,84 5,87 6,53 10 0,242 6,17 3,08 4,71 6,08 8 0,503 2,06 1,03 1,57 0,18 6 0,405 2,85 1,42 2,18 4,20 4 0,483 2,19 1,09 1,67 5,81 2 0,282 4,90 2,45 3,74 0,74 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 591 Е.П. Скипетров, А.А. Соловьев, А.В. Кнотько, В.Е. Слынько tors and Superlattices, Taylor and Francis, New York, London (2003), Vol. 183. 6. T. Story, E. Grodzicka, B. Witkowska, J. Gorecka, and W. Dobrowolski, Acta Phys. Polon. A 82, 879 (1992). 7. T. Story, Acta Phys. Polon. A 94, 189 (1998). 8. T. Story, Z. Wilamowski, E. Grodzicka, W. Dobrowolski, B. Witkowska, and J. Voiron, Acta Phys. Polon. A 87, 229 (1995). 9. W. Mac, T. Story, and A. Twardowski, Acta Phys. Polon. A 87, 492 (1995). 10. E. Grodzicka, W. Dobrowolski, T. Story, Z. Wilamowski, and B. Witkowska, Cryst. Res. Technol. 31, 651 (1996). 11. E.P. Skipetrov, F.A. Pakpour, M.G. Mikheev, L.A. Skipetrova, N.A. Pichugin, E.I. Slyn’ko, and V.E. Slyn’ko, Semiconductors 43, 297 (2009). 12. E.A. Zvereva, E.P. Skipetrov, O.A. Savelieva, N.A. Pichugin, A.E. Primenko, E.I. Slyn’ko, and V.E. Slyn’ko, J. Phys: Conf. Series 200, 062039 (2010). 13. M.D. Nielsen, E.M. Levin, C.M. Jaworski, K. Schmidt-Rohr, and J.P. Heremans, Phys. Rev. B 85, 045210 (2012). 14. V.V. Asotskii, T.A. Kuznetsova, G.V. Lashkarev, M.V. Radchenko, O.I. Tananaeva, and V.V. Teterkin, Semicon- ductors 30, 88 (1996). 15. N. Romcevic, J. Trajic, M. Romcevic, D. Stojanovic, T.A. Kuznetsova, D.R. Khokhlov, W. Dobrowolski, R. Rudolf, and I. Anzel, Acta Phys. Polon. A 115, 805 (2009). 16. E.P. Skipetrov, E.A. Zvereva, A.N. Golovanov, N.A. Pichugin, A.E. Primenko, O.A. Savelieva, V.P. Zlomanov, and A.A. Vinokurov, Solid State Phenom. 152–153, 291 (2009). 17. A.I. Artamkin, A.A. Dobrovolsky, A.A. Vinokurov, V.P. Zlomanov, S.Y. Gavrilkin, O.M. Ivanenko, K.V. Mitzen, L.I. Ryabova, and D.R. Khokhlov, Semiconductors 44, 1543 (2010). 18. N. Romcevic, J. Trajic, M. Romcevic, D. Stojanovic, T.A. Kuznetsova, D.R. Khokhlov, W.D. Dobrowolski, Optoelec- tronics Adv. Mater.-Rapid Commun. 4, 470 (2010). 19. E.P. Skipetrov, M.M. Markina, K.V. Zakharov, L.A. Skipetrova, A.A. Solovev, A.V. Knotko, E.I. Slynko, and V.E. Slynko, Solid State Phenom. 233–234, 97 (2015). 20. C. Gayner and K.K. Kar, J. Appl. Phys. 117, 103906 (2015). 21. E.P. Skipetrov, O.V. Kruleveckaya, L.A. Skipetrova, E.I. Slynko, and V.E. Slynko, Appl. Phys. Lett. 105, 022101 (2014). 22. Е.П. Скипетров, А.В. Кнотько, Е.И. Слынько, В.Е. Слынько, ФНТ 41, 185 (2015) [Low Temp. Phys. 41, 141 (2015)]. 23. E.P. Skipetrov, O.V. Kruleveckaya, L.A. Skipetrova, A.V. Knotko, E.I. Slynko, and V.E. Slynko, J. Appl. Phys. 118, 195701 (2015). 24. D.G. Andrianov, S.A. Belokon, V.M. Lakeenkov, O.V. Pelevin, A.S. Savelev, V.I. Fistul, and G.P. Tsiskarishvili, Sov. Phys. Semicond. 14, 102 (1980). 25. D.T. Morelli, J.P. Heremans, and C.M. Thrush, Phys. Rev. B 67, 035206 (2003). 26. С.В. Вонсовский, Магнетизм, Наука, Москва (1971) [S.V. Vonsovskii, Magnetism, Wiley & Sons, New York (1974)]. 27. G.A. Brain and J.F. Berry, J. Chem. Educ. 85, 532 (2008). 28. M. Gorska and J.R. Anderson, Phys. Rev. B 38, 9120 (1988). 29. E.P. Skipetrov, N.A. Chernova, and E.I. Slyn’ko, Phys. Rev. B 66, 085204 (2002). 30. M. Gorska, J.R. Anderson, G. Kido, S.M. Green, and Z. Golacki, Phys. Rev. B 45, 11702 (1992). 31. Н. Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела, Мир, Москва (1979) [N.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid State Physics, Harcourt College Publishing, Philadelphia (1976)]. 32. G. Nimtz and B. Schlicht, in: Narrow-Gap Semiconductors, Springer Tracts in Modern Physics, Springer-Verlag, Berlin (1983), Vol. 98. Magnetic properties of diluted magnetic semiconductors Pb1–yFeyTe E.P. Skipetrov, A.A. Solovev, A.V. Knotko, and V.E. Slynko The phase and elemental composition and magnetic properties (B ≤ 7.5 T, 2.0 K ≤ T ≤ 70 K) of Pb1–yFeyTe alloys are studied at a variation of the impurity con- centration along the single-crystal ingot synthesized by the Bridgman technique. The distribution of iron impurity along the length of the ingot in the main phase and the composition of microscopic inclusions of a second phase are determined. It is established that the magnetization of the samples contains several contribu- tions: the paramagnetic one of the impurity ions, crystal lattice diamagnetism, contributions of free charge carri- ers, charge carriers in the impurity band, clusters of iron ions and an oscillating contribution of the de Haas–van Alphen effect. Consistent selection of these contributions is made. By approximation of magnetic field and temper- ature dependences of the contribution of the impurity ions by a sum of two terms based on the modified Brillouin functions, the nature of changes of the concentrations of iron ions in two different charge states along the ingot are determined. It is shown that the charge carrier concentra- tion, defined by the de Haas–van Alphen oscillations, are in satisfactory agreement with the Hall concentration, in- dicating a weak influence of inclusions of a second phase and magnetic clusters on homogeneity and physical prop- erties of the main phase in Pb1–yFeyTe alloys. PACS: 71.20.Nr Semiconductor compounds; 71.55.–i Impurity and defect levels; 75.50.Pp Magnetic semiconductors. Keywords: PbTe-based alloys, 3d-transition metal im- purities, electronic structure, magnetic impurity ions, magnetic field and temperature dependences of mag- netization, modified Brillouin function. 592 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 4 http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Asotskii,%20VV&dais_id=3176048&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Kuznetsova,%20TA&dais_id=14586525&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Lashkarev,%20GV&dais_id=35247840&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Radchenko,%20MV&dais_id=50760540&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Tananaeva,%20OI&dais_id=61405576&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Teterkin,%20VV&dais_id=62055380&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Trajic,%20J&dais_id=63211572&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Romcevic,%20M&dais_id=52908188&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Stojanovic,%20D&dais_id=26039621&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Kuznetsova,%20TA&dais_id=14586005&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Khokhlov,%20DR&dais_id=31665696&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Dobrowolski,%20W&dais_id=16083156&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Rudolf,%20R&dais_id=23379597&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Rudolf,%20R&dais_id=23379597&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Anzel,%20I&dais_id=2497788&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Dobrovolsky,%20AA http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Vinokurov,%20AA http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Zlomanov,%20VP&ut=10055974&pos=%7b2%7d&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Gavrilkin,%20SY http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Ivanenko,%20OM http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Mitzen,%20KV http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Ryabova,%20LI&ut=16248568&pos=%7b2%7d&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/OneClickSearch.do?product=UA&search_mode=OneClickSearch&colName=WOS&SID=Y1o5Uo9KFNSBcSEp1ER&field=AU&value=Khokhlov,%20DR&ut=16086654&pos=%7b2%7d&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Trajic,%20J&dais_id=63211572&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Romcevic,%20M&dais_id=52908188&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Stojanovic,%20D&dais_id=26039561&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Khokhlov,%20DR&dais_id=31665696&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Dobrowolski,%20WD&dais_id=16083156&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage http://apps.webofknowledge.com/DaisyOneClickSearch.do?product=WOS&search_mode=DaisyOneClickSearch&colName=WOS&SID=N1EdIDm9oFATAtGZ7VV&author_name=Dobrowolski,%20WD&dais_id=16083156&excludeEventConfig=ExcludeIfFromFullRecPage 2. Синтез, фазовый и элементный составы образцов. Методика измерений 3. Полевые и температурные зависимости намагниченности 4. Определение параметров парамагнитных ионов железа 5. Осцилляции де Гааза–ван Альфена 6. Заключение

Магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников Pb₁₋yFeyTe

Institution

Ähnliche Einträge