Spectroscopy of semimagnetic nanostructures: quantum wells, double quantum wells, self-organized quantum dots

Полумагнитные квантовые ямы и квантовые точки представляют интерес, как с точки зрения их фундаментальных физических свойств, так и в качестве возможных приложений в спинтронике.

Hаши исследования охватывали четыре группы полумагнитных наноструктур:

• Одиночная квантовая яма CdMnSe/CdMgSe толщиной 3.8 нм
• Асимметричные двойные квантовые ямы CdSe/CdMgSe/CdMnSe с барьерами CdMgSe разной толщины. Одна из ям была полумагнитной.
• Асимметричные двойные квантовые ямы CdSe/CdMnSe/CdSe с полумагнитными барьерами разной ширины.
• Самоорганизованные квантовые точки Cd(Mn)Se/Zn(Mn)Se.

Исследования квантовых ям проводились на базе сравнительно новой перспективной системы CdSe/CdMgSe, выращенной методом МЛЭ на подложках InAs.

Проводились измерения спектров фотолюминесценции (ФЛ), возбуждения фотолюминесценции и отражения в разных поляризациях в магнитных полях до 7 тесла в конфигурациях Фарадея и Фойгта.

В двойных квантовых ямах CdSe/CdMgSe/CdMnSe, разделенными узкими барьерами CdMgSe разной толщины наблюдались прямые экситоны из обеих ям и пространственно непрямой экситон, образованный электроном в яме CdSe и тяжелой дыркой в яме CdMnSe, Рис.1. Исследовано туннелирование экситонов из полумагнитной квантовой ямы в немагнитную в зависимости от ширины барьера и величины приложенного магнитного поля. В случае узкого барьера наблюдалось туннелирование спина из квантовой ямы CdMnSe в CdSe. Рассматривалась проблема образования локализованных магнитных поляронов для непрямых и прямых экситонов в структурах с разной толщиной барьеров. Вопросы образования магнитного полярона и измерение его энергии связи исследовались также для одиночной квантовой ямы CdMnSe/CdMgSe.

В двойных квантовых ямах с полумагнитным барьером CdSe/CdMnSe/CdSe наблюдались большие сдвиги экситонных пиков квантовых ям CdSe в магнитном поле, которые существенно превышали расчетные значения, полученные в стандартной теории для межъямных барьеров с резкими интерфейсами. Эффект имеет размерный характер, т.е. он сильнее выражен в структурах с межъямным барьером меньшей толщины. Была предложена более сложная, но и более реалистичная модель ступенчатого межъямного барьера, учитывающая интер-диффузию ионов Cd и Mn в пределах 2-3 монослоев, что облегчало проникновение волновой функции экситона в полумагнитный барьер и увеличивало магнетизацию. Учитывалось также увеличение магнетизации за счет уменьшения числа антиферромагнитных пар ионов Mn, вследствие уменьшения в интерфейсах числа ближайших соседей. Расчеты, проведенные в этой модели, удовлетворительно объясняют экспериментальные результаты, Рис.2.

Проведено исследование в сильных магнитных полях резонансного рамановского рассеяния в самоорганизованных полумагнитных квантовых точках в структуре CdSe(Mn)/ZnSe(Mn) на трех типах магнитных возбуждений: спин-флип процессы между спиновыми состояниями +1/2 и -1/,2 донорных электронов, локализованных в квантовых точках; рамановское рассеяние с изменением спина в антиферромагнитных парах Mn2+ и коллективное спин-флип рассеяние в зеемановском мультиплете иона Mn2+. Во всех процессах резонансного рамановского рассеяния промежуточными состояниями являлись нульмерные экситоны, локализованные в квантовых точках.

Статьи

1. I.I. Reshina, S.V. Ivanov, D.N. Mirlin, I.V. Sedova and S.V. Sorokin, Direct and indirect excitons and magnetic polarons in CdSe/CdMgSe/CdMnSe semimagnetic double quantum wells, Phys. Rev. B, 74, 1, 235324-235331 (2006).
2. И.И. Решина С.В. Иванов, Магнитооптика одиночной квантовой ямы СdMnSe/CdMgSe, ФТП 42, 1348, 2008.
3. I.I.Reshina, S.V. Ivanov, I.V. Sedova and S.V. Sorokin, Magneto-opticalspectroscopy of asymmetric double quantum wells CdSe/CdMnSe/CdSe with semimagnetic coupling barriers, Semiconductor Science and Technology 23, 075029, 2008.
4. I.I.Reshina, S.V. Ivanov, I.V. Sedova and S.V. Sorokin, Excitons and magnetic polarons in semimagnetic double quantum wells CdSe/CdMgSe/CdMnSe and CdSe/CdMnSe/CdSe, Physica E, 40,1197, 2008.Reshina, S.V. Ivanov, D.N. Mirlin, A.A. Toropov, A. Waag and G. Landwehr, Raman scattering by magnetic excitations and phonons in diluted magnetic structures formed by self-organized quantum disks of CdZn(Mn)Se in a Zn(Mn)Se matrix, Phys. Rev. B, 64, 0353303-035310, 2001