Издателям
Вышедшие номера
Ориентационно-зависимый эффект Фарадея в тонких пленках пористого кремния
Компан М.Е.1, Шабанов И.Ю.1, Салонен Я.2
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
2Turku University, Turku, Finland
Email: kompan@solid.pti.spb.su
Поступила в редакцию: 14 июля 1998 г.
Выставление онлайн: 20 декабря 1998 г.

Как было показано в недавнем аналитическом обзоре, поток работ по пористому кремнию сравним с потоком публикаций по столь фундаментальной проблеме, как высокотемпературная сверхпроводимость [1]. Не в последнюю очередь это обусловлено "неисчерпаемостью" этого материала, необычные свойства которого представляют интерес для самых различных дисциплин физики, химии и техники. Данная работа обращается к еще одной группе свойств этого материала, до настоящего времени практически не затронутой исследователями, --- к магнитным свойствам пористого кремния (PSi). Существует лишь несколько работ, посвященных магнитным свойствам этого материала. Как это бывает в случае пористого кремния, авторы различных работ приходят к противоположным выводам. Возможная причина расхождений понятна: под общим названием "пористый кремний" подразумевается целый класс материалов, различающихся между собой не только составом, не только характеристиками квантоворазмерных элементов --- "проволок", но структурой и топологией построения материала на мезоскопическом уровне. Однако наличие расхождений не может служить основанием для отказа от исследований. Существуют две работы, по результатам которых можно предположить наличие особых магнитных свойств у PSi и его близкого аналога, получаемого в электрическом разряде. В первой из них с помощью SQUID магнитометра были зарегистрированы магнитный момент и гистерезис намагниченности PSi во внешнем магнитном поле [2]. Во второй работе зависимость от магнитного поля с характерным гистерезисом проявлялась в интенсивности люминесценции для модификации кремния, обработанного искровым разрядом [3]. Различие образцов и фрагментарность опубликованного материала в [3] не позволяют анализировать результаты [2,3] и сравнивать их с результатами наших опытов. Однако наличие этих работ инициировало данное исследование и вместе с ним является достаточным доказательством нетривиальных магнитных свойств пористого кремния. (Заметим, что в то же время в значительном числе работ, в том числе в специально посвященных этому вопросу, например [4], не было обнаружено особенностей магнитных свойств PSi). Выбор в данной работе эффекта Фарадея для характеризации магнитных свойств PSi обусловлен тем, что этот эффект более непосредственно связан с намагниченностью, чем интенсивность люминесценции, и в то же время в отличие от SQUID исключает регистрацию магнитных моментов посторонних частиц и адсорбатов. Техника эксперимента и исследовавшиеся образцы Образцы для исследования представляли собой свободные пленки пористого кремния с поперечными размерами менее сантиметра, закрепленные в жесткой пластмассовой оправе. Образцы получались травлением пластин кремния n-типа с ориентацией [100] и удельным сопротивлением 0.015-0.025 Omega/cm в смеси 38% плавиковой кислоты с абсолютным этанолом в соотношении 1/1, при анодном смещении образца относительно травящего раствора и одновременном освещении травящихся образцов светом галогенной лампы. Плотность тока травления составляла 75 mA/cm2. После 6-10 минут травления плотность тока повышалась на порядок, что приводило к отделению свободной пленки пористого кремния от материнского кристалла. Толщина образцов составляла порядка 0.05 mm, что обеспечивало на длине волны 6328 Angstrem оптическое пропускание около 1/3, близкое к оптимальному для экспериментов по фарадеевскому вращению. Эта же величина --- 0.05 mm использовалась для оценки величины удельного вращения плоскости и поляризации в исследовавшихся образцах PSi. [!t] [width=]397-1.eps Блок-схема установки по измерению фарадеевского вращения. 1 --- He--Ne-лазер, 2 --- поляризатор, 3 --- электромагнит, 4 --- образец, 5 --- поляризационная призма --- расщепитель пучка, 6, 7 --- фотоприемники, 8 --- дифференциальный усилитель, 9 --- датчик магнитного поля, 10 --- блок регистрации. Блок-схема установки для исследования магнитного вращения плоскости поляризации приведена на рис. 1. Источником света являлся 2 mW He--Ne-лазер ( 1) с дополнительным поляризатором излучения ( 2). Магнитное поле с индукцией до 3.8 kG создавалось лабораторным электромагнитом ( 3), конструкция которого позволяла пропускать свет в зазоре вдоль силовых линий. Регистрация сигнала угла поворота плоскости поляризации осуществлялась по дифференциальной схеме, исключающей появление ложных сигналов из-за изменения интенсивности лазера. Световой пучок после прохождения образца ( 4) проходил специальную поляризационную призму ( 5), на выходе которой пучок расщеплялся на два, поляризованные ортогонально друг к другу и под углом 45o к исходному пучку. Поворот плоскости поляризации в образце приводил к возрастанию интенсивности одного пучка и к уменьшению интенсивности второго. Пропорциональный углу поворота разностный электрический сигнал снимался с диагонали моста, куда были включены два фотоприемника ( 6, 7), регистрирующие интенсивности каждого из пучков на выходе призмы-расщепителя. Чувствительность регистрации к углу поворота для прозрачных образцов составила 10-4 rad. Образцы могли поворачиваться в зазоре между полюсами. Ось поворота совпадала с направлением поляризации проходящего света, что минимизировало возможную деполяризацию при поворотах образца. Эксперименты проводились при комнатной температуре. [!b] [width=]397-2.eps Зависимости угла поворота(alpha) плоскости поляризации в магнитном поле 3.5 kG от угла разворота образца относительно направления силовых линий (varphi) для свободных пленок пористого кремния ( 1 --- пленка PSi N 1, 2 --- пленка PSi N 2) и пластинки плавленого кварца (кривая 3). Экспериментальные результаты и их обсуждение Эксперименты показали наличие значительного эффекта Фарадея в исследовавшихся образцах пористого кремния. Сигнал поворота плоскости поляризации при нормальном падении света на пленку в диапазоне использовавшихся полей соответствовал постоянной Верде 0.15 arc min/G cm. Сравнимую по величине постоянную Верде имеет, например, насыщенный раствор хлорного железа (0.2 arc min/G cm [6]). Угол поворота линейно зависел от величины приложенного магнитного поля. Необычной оказалась зависимость фарадеевского вращения от угла разворота образца (отклонения нормали к поверхности от направления силовых линий магнитного поля). Как показано из рис. 2, в случае пористого кремния сигнал убывает до уровня шумов установки при углах разворота образца порядка 30o. В то же время та же зависимость для стандартного диамагнитного материала носит совершенно другой характер: сигнал вращения от кварцевой пластинки даже несколько возрастал при ее развороте в поле. Таким образом, два факта --- значительная величина эффекта и аномальная угловая зависимость являются необычными и требуют объяснения. Обсуждение результатов Поскольку опыты с самого начала ставились для получения независимых данных о необычных магнитных свойствах пористого кремния и с учетом работ [2,3], естественно попытаться интерпретировать полученные результаты в терминах магнитооптики ферромагнитного материала. При такой трактовке все основные факты данной работы легко интерпретируются. Линейная зависимость угла поворота от величины приложенного поля является следствием эффекта формы: тонкая магнитная пленка (в предположении анизотропии материала) при действии поля в направлении нормали к поверхности пленки должна иметь эффективную магнитную проницаемость, равную единице. Это означает, что характеристики намагничивания по нормали для такой пленки будут такими же, как у немагнитного материала, что и наблюдалось. Достаточно большая величина фарадеевского вращения, по-видимому, обусловлена концентрацией магнитных центров. Аномальная поляризационная зависимость может быть следствием суперпозиции диамагнитного и ферромагнитного (или парамагнитного) механизмов. Можно показать, что если фарадеевское вращение материала обусловлено суммой диамагнитного и магнитного вкладов и если эти вклады имеют постоянные Верде разного знака, то при некотором угле разворота образца в поле диамагнитный и магнитный вклады должны компенсировать друг друга. Это легко понять на качественном уровне. Как было объяснено выше, при нормальном падении света даже большая магнитная проницаемость не проявляется, а при развороте пленки поле в плоскости пленки начнет расти, так как в плоскости пленки велика магнитная проницаемость. Однако при малых углах разворота это не проявляется в эффекте Фарадея, так как из-за эффекта преломления свет будет распространяться в пленке почти нормально к поверхности и почти не будет иметь составляющей вдоль поля. Однако при некотором угле разворота образца величины парамагнитного и диамагнитного вкладов должны сравняться по величине. Для диамагнитного материала, у которого изотропная и близкая к единице магнитная проницаемость, такой эффект должен отсутствовать --- что и наблюдается в эксперименте (рис. 2). Предположение о разных знаках константы Верде для диа- и парамагнитного (ферромагнитного) вкладов, использовавшееся в объяснении, соответствует типичной ситуации --- см., например, [5,6]. Подчеркнем, что на основании наших экспериментов мы не можем сделать вывод о наблюдении ферромагнетизма в PSi. Наши данные свидетельствуют лишь о значительном эффекте Фарадея с константой Верде порядка 0.15 arc min/G cm и о значительной магнитной проницаемости материала в направлении плоскости пленки. Таким образом, наблюдался магнитооптический эффект Фарадея в пленках пористого кремния. Ряд характеристик наблюдавшегося эффекта легко объясняется в предположении о ферромагнитном поведении этого материала. В совокупности с результатами работ [2,3] это может представляться достаточно вероятным. Однако нельзя упускать из виду и многие работы, в которых не наблюдалось проявлений магнетизма пористого кремния. Возможны более сложные модели для интерпретации экспериментальных данных, не требующие предположения о ферромагнитном упорядочении. Однако из имеющихся результатов ясно следует нетривиальность магнитных свойств пористого кремния и необходимость их дальнейшего изучения.
  • Vera Parkhutic. Int. Conf. on Porous Semiconductors (PSST-98). Extended Abstracts. Majorka (1998). Abstract P2-23. P. 232
  • R. Laiho, E. Lahderanta, L. Vlasenko, M. Afanasiev. J. Lumin. 57, 197 (1993)
  • R.E. Hummell, M.E. Stora, N. Shepherd, S. Yu. Int. Conf. on Porous Semiconductors (PSST-98). Extended Abstracts. Majorka (1998). Abstract O-42. P. 76
  • C.Y. Perry, F. Lu, F. Namavar, N. Kalhoran, R. Soret. Appl. Phys. Lett. 60, 3117 (1992)
  • Д.И. Сивухин. Оптика. Наука, М. (1985). 751 с
  • Д. Кей, Е. Лэби. Справочник физика-экспериментатора. Ин. лит., М. (1949). 299 с. (G.W.C. Kaye, T.H. Laby. Tables of Physical and Chemical Constants. London (1941) ).
  • Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

    Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.