Анотація до роботи:

Волобуєв В.В. Термоелектричні та магнітні властивості напівпровідникових надргаток EuS-PbS.- Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10- фізика напівпровідників і діелектриків.- Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2004.

Методами термічного випаровування та вакуумної конденсації досягнуто відтворне виготовлення епітаксійних надграток (НГ) EuS-PbS з товщиною монокристалічних шарів до одного моношару. По зміні інтенсивності рефлексів-сателітів в процесі відпалу були визначені коефіцієнти взаємодифузії шарів, які дозволили визначити, що величина перемішаної зони, яка формується в процесі отримання НГ при Т=523 К не перевищує одного моношару. За допомогою фотолюмінесценції встановлено, що в НГ EuS-PbS спостерігаються ефекти розмірного квантування енергетичного спектру носіїв.

Експериментально продемонстровано істотне збільшення термоелектричної потужності a²s для НГ EuS-PbS (34 мкВт/смК²) з малою товщиною прошарків PbS ~ 1нм у порівнянні з масивними кристалами (16 мкВт/смК²) та плівками PbS (0,69 мкВт/смК²).

Вперше для магнітних напівпровідникових надграток EuS-PbS встановлена наявність міжшарової обмінної взаємодії феромагнітних шарів EuS через немагнітні прошарки PbS, яка приводить до антиферомагнітного впорядкування магнітних шарів (намагніченості сусідніх шарів направлені в протилежному напрямі), що спостерігається в інтервалі товщини прошарків PbS 0,45 – 5,0 нм.

В дисертаційній роботі вирішена задача по виявленню нових ефектів в магнітних та термоелектричних властивостях напівпровідникових надграток EuS-PbS, обумовлених квантуванням спектру носіїв заряду в потенційних ямах PbS. За допомогою методу вакуумної конденсації отримані зразки епітаксійних надграток EuS-PbS з надтонкими (до 0,45 нм) шарами. В результаті комплексного застосування методів рентгенівської дифракції, електронної мікроскопії та фотолюмінесценції проведені систематичні дослідження структури, електронного спектру та термічної стабільності даних надграток. Вперше досліджені термоелектричні характеристики надграток та встановлена їх залежність від товщини квантової ями PbS. За допомогою трьох різних методів (SQUIDа, магнітооптичного ефекту Кера та дифракції нейтронів) досліджена можливість існування міжшарової обмінної взаємодії в багатошарових структурах EuS-PbS, де шари феромагнітного напівпровідника розділені немагнітними напівпровідниковими прошарками.

В роботі зроблені наступні наукові та практичні висновки:

1. Показано, що сульфіди свинцю та європію в орієнтації (001) зростають один на одному пошарово (механізм Франка-ван-дер-Мерве), внаслідок чого формуються монокристалічні шари двох речовин зі ступенем досконалості кристалічної структури не гірше, ніж у підкладок. Методами термічного випаровування та вакуумної конденсації досягнуто відтворне виготовлення надграток EuS-PbS з товщиною шарів до одного моношару. Встановлено, що надгратки EuS-PbS мають строгу періодичність і різкі межі розділу, про що свідчить наявність на їх рентгенограмах рефлексів-сателітів дальніх порядків.

2. По зміні інтенсивності рефлексів-сателітів визначені ефективні коефіцієнти взаємодифузії компонентів шарів надграток EuS-PbS, значення яких рівняються D = 1,110^-20 см²/с (Т = 543 К); 6,410^-20 см²/с (Т = 593 К); 1,710^-18 см²/с (Т = 623 К) та розраховані значення енергії активації (Е = 1,22 еВ) та передекспоненційного множника (D₀ = 2,210^-9 см²/с). На підставі цих даних встановлено, що ширина перемішаної зони, що формується в процесі виготовлення надграток при Т = 523 К, не перевищує товщини одного моношару.

3. Встановлено, що в надгратках EuS-PbS спостерігаються ефекти розмірного квантування їх енергетичного спектру, про що свідчить зміна спектрів їх фотолюмінесценції при зміні товщини шарів та рівнів збудження.

4. Експериментально продемонстровано істотне збільшення термоелектричної потужності a²s для надграток EuS-PbS з малою товщиною прошарків PbS ~ 1нм у порівнянні з масивними кристалами та плівками PbS. Максимальне значення a²s, яке досягається для надграток EuS-PbS при ширині квантової ями PbS 1 нм, рівняється 34 мкВт/смК², що істотно перевищує значення 0,69 мкВт/смК², отриманого для одношарової плівки PbS, а також вище за значення 16 мкВт/смК² для масивних монокристалів PbS.

5. Вважаючи, що основний механізм розсіяння носіїв в ямах надграток з потенціалом Кроніга - Пенні пов'язаний з домішками, для випадку фермієвської статистики отримані вирази для електропровідності, коефіцієнта Зеебека та електронної теплопровідності надграток, які якісно описують експериментально отримані результати. Приведені оцінки показують, що надгратки на основі халькогенідів свинцю та рідкоземельних елементів можуть забезпечити високі значення термоелектричної ефективності ZT > 1, що робить їх перспективними для створення нових термоелектричних охолоджувачів і генераторів.

6. Вперше для магнітних напівпровідникових надграток EuS-PbS встановлена наявність міжшарової обмінної взаємодії феромагнітних шарів EuS через немагнітні прошарки PbS, яка приводить до антиферомагнітного (АФМ) впорядкування магнітних шарів (намагніченості сусідніх шарів направлені в протилежному напрямі). Встановлено, що АФМ взаємодія в надгратках ЕuS-PbS спостерігається при товщинах прошарків PbS аж до 5,0 нм, що суттєво відрізняє дані структури від металевих магнітних багатошарових структур.

7. Наявність у напівпровідникових надгратках АФМ міжшарової взаємодії дає можливість управління спіновим станом носіїв заряду, робить можливим створення нових магніторезистивних приладів, надшвидкісної комп'ютерної пам'яті та джерел поляризованого електромагнітного випромінювання.

Публікації автора:

1. Sipatov A.Yu., Volobuev V.V., Fedorov A.G., Rogacheva E.I., Krivulkin I. IV-VI based superlattices: new functional materials for thermoelectric арplications // Functional Materials.- 1999.- Vol. 6, № 5.- P. 939-942.

   Kepa H., Kutner-Pielaszek J., Blinowski J., Twardowski А., Majkrzak C.F., Story T., Kacman P., Galazka R.R., Ha K., de Jonge H.J.M., Sipatov A.Yu., Volobuev V. and Giebultowicz T.M. Antiferromagnetic interlayer coupling in ferromagnetic semiconductor EuS/PbS(001) superlattices // Europhysics Letters.- 2001.- Vol. 56, № 1.- P. 54 – 60.

   Chernyshova M., Kowalczyk L., Szczerbakow А., Story T., Smits C.J.P., Swagten H.J.M., Swuste C.H.W., Ha J.K., de Jonge W.J.M., Sipatov А. Yu., Volobuev V.V. Magnetization EuS-PbS multilayers with antiferromagnetic interlayer coupling // J. Superconductivity: Incorporating Novell Magnetism.- 2003.- Vol. 16, № 1.- P. 213 – 216.

   Зорченко В.В., Сипатов А.Ю., Волобуев В.В. Взаимодействие магнитных слоев и поляризация спинов электронов в четырехслойных структурах из ферромагнитного и немагнитного полупроволников. // Физика низких температур.- 2003.- Т. 29, № 11.- С. 1209 -1222.

   Kowalczyk L., Sadowski J., Galazka R.R., Stachow-Wojcik А., Sipatov A.Yu., Volobuev V.V., Smirnov V.A., Dugaev V.K. А photoluminescence study in PbS-EuS superlattices // Acta Physica Polonica.- 1998.- Vol. A94, № 3.- P. 397-400.

   Kowalczyk L., Chernyshova M., Story T., Ha J.K., Volobuev V.V., Sipatov A.Yu. Kerr effect investigations magnetic interlayer interactions in EuS-PbS multilayers // Acta Physica Polonica.- 2001.- Vol. A100, № 3.- P. 357 – 363.

   Arciszewska M., Stachow-Wojcik А., Story T., Dobrowolski W., Dynowska E., Gwardiak M., Twardowski А., Galazka R.R., Sipatov A.Yu., Volobuev V.V. Effect stress on magnetic properties EuS-PbS structures // Abst. XXVII Int. School on Phys.of Semicond. Compounds.- Jaszowiec (Poland).- 1998.- P.149.

   Sipatov A.Yu., Volobuev V.V., Fedorov A.G., Rogacheva E.I., Krivulkin I. Thermoelectric characteristics PbS/EuS superlattices // Proc. 18-th Int. Conf. on Thermoelectrics.- Baltimore (USA).- 1999.- P.198 -200.

   Сипатов А.Ю., Волобуев В.В. Магнитные свойства полупроводниковых сверхрешеток EuS-PbS // Материалы 5-й международной конференции Физические явления в твердых телах.- Харьков (Украина).- 2001.- С.91.

   Chernyshova M., Lusakowska E., Domukhovski V., Grasza К., Szczrbakow А., Wrotek S., Kowalczyk L., Story T., Smits C.J.P., Swagten H.J.M., de Jonge W.J.M, Palosz W., Sipatov A.Yu., Volobuev V.V. Magnetic and structural properties EuS-PbS multilayers grown on n-PbS (100) substrates // Acta Physica Polonica.- 2002.- Vol. A102, № 4-5.- P.609 - 615.

   11. Kowalczyk L., Chernyshova M., Story T., Szczerbakow А., Volobuev V., Sipatov А. Yu., Photoluminescence ferromagnetic EuS-PbS semiconductor multilayers // Abst. 2 Int. Conf. on Semiconductor Spintronics and Quantum Information Technology “Spintech”.- Brugge (Belgium).- 2003.- P. 68.