ИСТИНА

Проект посвящен выявлению механизмов спинового упорядочения и их взаимосвязи с электронной структурой в магнитных материалах нового поколения – разбавленных магнитных полупроводниках (РМП) с фазовой сегрегацией (ФС). Конкретно, речь идет о разбавленных сплавах полупроводников IV группы (Si,Ge) и III-V групп (GaAs, GaSb) Периодической таблицы элементов с магнитными 3d-металлами (Mn,Fe,Co). Как показали недавние исследования, при получении самыми различными методами с ростом концентрации металла в этих сплавах практически всегда происходит их сильное фазовое разделение на различные компоненты, приводящее к существенной пространственной неоднородности материала и своеобразию его свойств. В англоязычной литературе для обозначения указанных сплавов применяется термин «phase-segregated dilute magnetic semiconductors», то есть дословно - «фазово-сегрегированные разбавленные магнитные полупроводники» (ФС РМП). В проекте будут проведены первопринципные исследования электронной структуры, магнитных и оптических свойств, а также построена теоретическая модель спинового упорядочения и спин-поляризованного транспорта в ФС РМП типа (Si,Ge):Mn и (GaAs,GaSb):Mn. Будет проанализировано поведение магнитных и транспортных характеристик этих материалов в широком диапазоне составов, температур и магнитных полей.

1.Предложена модель структурного и магнитного порядка в фазово-сегрегированных разбавленных магнитных полупроводниках типа Ge:Mn. С помощью расчетов из первых принципов выявлена принципиальная роль межфазных границ в процессах фазовой сегрегации в этих материалах. Рассмотрен новый класс сплавов Ge:Mn (альфа-фаза), позволяющий понять природу формирования в них упорядоченных преципитатных структур. Рассчитаны спектры рентгеновского поглощения и магнитного кругового дихроизма в области края поглощения Mn для разных соединений GeMn, хорошо совпадающие с экспериментальными данными. 2.Проведен расчет из первых принципов электронных и магнитооптических свойств узкощелевых разбавленных магнитных полупроводников In(Sb)As:Mn. Вычисления выполнены для сплавов с упорядочением ферромагнитного и коллинеарного антиферромагнитного типа при равномерном распределении атомов Mn и при их попарном сближении. Найдено, что в попарное распределение атомов Mn с ферромагнитным упорядочением их моментов отвечает минимуму энергии. Вычисленные оптические и магнитооптические спектры сплавов InSb(As):Mn согласуются с данными эксперимента. 3.Проведен анализ влияния эффекта магнитной близости в структурах с фазово-сегрегированным ферромагнитным дельта слоем и проводящим каналом типа GaAs/дельтаMn/GaInAs на их транспортные и магнитные характеристики. Исследованы структуры с высоким (около одного монослоя) содержанием Mn в дельта-слое, отделенном от канала спейсером толщиной 2-5нм. Из исследований эффекта Холла обнаружено, что холловская концентрация дырок в канале резко возрастает ниже температуры Кюри. Это возрастание объяснено наличием эффекта магнитной близости между дельта-слоем и каналом, а также компенсацией положительной (нормальной) и отрицательной (аномальной) компонент эффекта Холла в системах с сильной фазовой сегрегацией. Анализ спектра шумов в частотной зависимости электросопротивления позволил выявить механизм формирования ближнего и дальнего магнитного порядка в фазово-сегрегированных структурах GaAs/дельтаMn/GaInAs с дельта-слоем и каналом. 4.Из первых принципов рассчитан спектр магнонов и проведен анализ устойчивости ферромагнитного основного состояния в дискретных сплавах типа AIV/3d-metal (AIV=Si,Ge; 3d-metal=Mn,Fe). Внутрислоевые обменные интегралы рассчитывались в приближении самосогласованного поля, тогда как в межслоевых обменных интегралах учитывались спин-флуктуационные поправки в рамках метода ренорм-группы. Температура Кюри оценивалась методом Монте-Карло. Оказалось, что только сплав Ge/Fe с ионами Fe в междоузельных позициях обладает абсолютно устойчивым ферромагнитным состоянием, тогда как во всех остальных сплавах это состояние метастабильно. 5.Предложена модель высокотемпературного ферромагнетизма в нестехиометрических сплавах Si:Mn с содержанием Mn, близким к 50% ат. Такой ферромагнетизм наблюдается в сплавах Si1 – xMnx с содержание Mn x ? 0.52–0.55 и объясняется формированием сложных магнитных дефектов (комплексов), содержащих вакансию Si и окружающих ее сильно релаксированных в ячейке ионов Mn. Отклонение от стехиометрии приводит к сильному понижению концентрации дырок в матрице и к возрастанию их подвижности более чем на порядок по сравнению с стехиометрическим сплавом MnSi, что объясняется подавлением кондовских и спин-поляронных флуктуаций. Методом функционала плотности выполнены расчеты магнитной и электронной структуры комплексов . Вследствие сильной гибридизации 3d- и 4(s-p) электронных состояний такие комплексы образуют квазилокализованные магнитные моменты, обменное взаимодействие между которыми происходит через спиновые флуктуации матрицы.