Моделирование гетероперехода и сверхрешетки на основе ферромагнитного полупроводника EuS и парамагнитного полупроводника SmS

• Автор: Парамонов, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Глава 1. Ферромагнитный полупроводник EuS и парамагнитный полупроводник SmS. Теоретические методы исследования гетероструктур
1.1. Халькогенид европия (EuS)
1.2. Халькогенид самария (SmS)
1.3. Методы расчетов энергетического спектра электронов в гетероструктурах (гетеропереход, квантовые ямы, сверхрешетки)
1.3.1. Построение энергетической диаграммы в приближении диффузионной модели Андерсона
1.3.2. Модель сверхрешетки по Кронигу-Пенни
1.3.3. Метод эффективной массы
1.3.4. Метод огибающей функции в кр-приближении
1.3.5. Расчет электронных состояний на гетеропереходе методом сильной связи
1.3.6. Вариационные методы в комбинации с теорией возмущения
Глава 2. Моделирование гетероперехода SmS-EuS
Глава 3. Расчет энергетического спектра сверхрешетки SmS-EuS
3.1. Определение энергетического спектра сверхрешетки методом огибающей функции в приближении эффективной массы
3.2. Закрытые квантовые ямы
3.3. Расчет энергетических зон поверхности (111) сверхрешетки SmS-EuS полуэмпирическим сильной связи
3.4. Определение изменения электронной плотности сверхрешетки SmS-EuS вариационным методом
Заключение
Основные выводы
Библиографический список использованной литературы
Развитие физики твердого тела сегодня таково, что невозможно представить себе ее изучение без исследования полупроводниковых гетероструктур. Приоритетными направлениями в их изучении становятся не массивные полупроводники, а многослойные тонкопленочные структуры. Сверхрешетки, квантовые нити и квантовые точки являются объектом рассмотрения подавляющего большинства исследовательских групп, работающих в этой области.
Создание в 1967 году близких по своим свойствам к идеальным эффективно инжектирующих гетеропереходов на основе GaAs-AlGaAs позволило изучить особенности электрических и оптических явлений в гетероструктурах. Идея о возможности применения бинарных гетеросистем в полупроводниковых приборах привела к поиску новых материалов, образующих идеальные гетеропереходы, а так же к разработке новых технологий их получения. Реализовалась эта идея в сверхрешетках на основе гетероструктур [1]. Возможность практически произвольным образом изменять в них зонную структуру, а так же вид потенциала, т.е. контролируемо изменять волновую функцию, сделали их уникальными объектами исследования. Наличие уровней размерного квантования [2] привело к созданию лазеров на гетеропереходах и фотоприемников далекого инфракрасного излучения [3].
Далее, в 2000-м году журнал «Physics World» опубликовал наиболее перспективные и актуальные проблемы исследования в физике. К их числу отнесены исследования в физике полупроводников, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик. Это обстоятельство определяет использование сверхрешеток на основе халькогенида самария и

европия, изучаемых в данной работе, в качестве материалов для создания устройств спиновой информатики.
Экспериментальные работы по квантовому туннелированию квазичастиц в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитный полупроводник способствуют развитию спектроскопии ферромагнитно упорядоченных материалов и созданию нового поколения криоэлектронных устройств твердотельной микромагнитоэлектроники [4].
Возможность управлять свойствами ферромагнитных полупроводников с помощью магнитного поля, что дает дополнительную «степень свободы», отличает их от немагнитных полупроводников и определяет их использование как спинового фильтра [5].
Новый импульс для создания устройств сверхплотной памяти на магнитных носителях (ЮГбит/дюйм) [6] дало открытие гигантского магнетосопротивления в магнитных наноструктурах.
В связи с открытием эффекта генерации ЭДС при исследовании диффузии европия в сульфиде самария [7] вновь возрос интерес к халькогениду самария (Бтв) и европия (Ей 8). Более того, эти полупроводники имеют рассогласование параметра решетки менее 0,01 А, что является определяющим для создания гетероструктур на их основе [8]. Далее, существенная разница зонных структур (глубина залегания 4Б уровней), совместимость тепловых, электрических и кристаллохимических свойств определяет интерес к исследованию гетероструктур на основе БтБ и Еи8 [9].
Таким образом, вышеизложенные факты стали определяющими для моделирования гетероперехода и сверхрешетки на основе основе халькогенида самария и европия и исследования их физических свойств в данной работе.
Для широких барьеров (й?в—;> оо) мы получаем изолированные квантовые ямы, где разрешенные значения энергий являются дискретными:
софл <1А) + ]- (т} + 4г) (1А) = 0, (20)

где ^ = /77 при замене кд на /кд.
В промежуточной области й?д, когда связь между ямами мала, получаем:
E=En+sn+2tncos(qd). (21)
Соотношение (21) соответствует приближению сильной связи для взаимодействующих ям. Взаимодействие между ямами через состояния в барьерах проявляется следующим образом: связанные дискретные состояния Еп сдвигаются на величену 5„, а взаимодействие снимает вырождение и создает зону конечной ширины 4(.п.
Общее выражение (19) позволяет вычислить ширину подзон, их положения и т.д.
Конечно, полностью полагаться на методику огибающей функции нельзя, т.к. в ней игнорируется вопрос о точной природе гетерограниц и пренебрегается эффектами, быстро меняющимися с ъ. Процессы, связанные с сильной локализацией остаются за рамками этого формализма. Для их учета нужно включить в расчеты края всех зон обеих слоев, что существенно усложняет задачу. В таком случае целесообразно проводить анализ по методу ЛКАО, где можно учесть детали атомного характера. Тогда огибающие функции будут меняться также быстро, как и и]0, обесценивая использование эффективной массы и кр-приближение.
Отметим, что теоретические расчеты электронных свойств сверхрешеток базируются на ряде параметров, характеризующих массивные полупроводники. Не является исключением и метод огибающей функции, который использует значения эффективных масс, ширины запрещенной зоны,