Изучение методом эпр кристаллов галенита, легированных гадолинием

ХАМЗИН А.И., КГЭУ, г. Казань

Науч. рук. ассистент СИНИЦИН А.М.

Галенит имеет кристаллическую структуру каменной соли, относится к группе халькогенидов свинца и считается перспективным материалом для создания полупроводниковых оптоэлектронных приборов, работающих в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн. В последнее время он привлек внимание специалистов, занимающихся проблемами создания термоэлектрических преобразователей (термоэлектрических генераторов и тепловых насосов). Причинами такого внимания являются достаточно широкая распространенность этого соединения в природе и высокое значение генерируемой в нем термо-ЭДС. Галенит также интересен тем, что с его участием можно создавать полупроводниковые структуры с квантовыми ямами и точками, которые являются перспективными для применения в наноэлектронных приборах. Известно, что свойства таких структур в значительной степени зависят от присутствия различных примесей (особенно парамагнитных).

В данной работе была поставлена цель – изучение влияния на магнитные и электротранспортные свойства галенита легирования двумя типами примесей (меди и гадолиния). Поскольку парамагнитные центры гадолиния (Gd³⁺) характеризуются нулевым орбитальным моментом и, следовательно, их можно было наблюдать даже при комнатных температурах, в качестве метода исследования центров (Gd³⁺) был выбран метод ЭПР. Первоначально были исследованы кристаллы галенита, легированные только гадолинием. Наблюдавшиеся спектры демонстрировали 7 линий тонкой структуры, что подтвердило предположение о том, что гадолиний вошел в кристаллическую структуру галенита в трехвалентном состоянии с полным спиновым моментом S = 7/2. Спектр ЭПР, зарегистрированный при ориентации оси симметрии 4-го порядка исследуемого кристалла с концентрацией гадолиния х = 0,005, представлен на рисунке. Было установлено, что при низких концентрациях гадолиния линии имели малую ширину, но с повышением концентрации ширина возрастала. Дайсоновская форма линий ЭПР указывала на высокую проводимость исследуемого образца PbS:Gd. Изучение угловых зависимостей положений линий спектра ЭПР привело к выводу о кубической симметрии образовавшихся в кристаллах PbS:Gd парамагнитных центров Gd³⁺. Этот факт говорит о том, что ион Gd³⁺ в процессе легирования заместил катион Pb²⁺ и оказался в центре координационного многогранника в виде октаэдра, построенного шестью ближайшими к примеси ионами серы.

Спектр ЭПР кристаллического образца PbS:Gd (х = 0,005), зарегистрированный

в ориентации H‌‌||<001> при Т = 300 К и f = 9,32 ГГц

Были определены параметры спинового гамильтониана центров Gd³⁺ (g-фактор и параметры тонкой структуры). Анализ формы линий показал, что концентрация свободных носителей в образце высокая. Поскольку известно, что в беспримесных кристаллах галенита проводимость электронного типа, то наблюдаемое повышение их концентрации в легированном кристалле PbS:Gd должно говорить о донорном характере примесей гадолиния.

Неожиданный эффект был обнаружен в спектрах кристаллов PbS:(Gd+Cu). Здесь можно было наблюдать отдельные спектры ЭПР от ионов гадолиния (семикомпонентная группа линий) и от ионов меди, для которых при изовалентном замещении катионов свинца должно было реализоваться состояние Cu²⁺ со спиновым моментом S = 1/2. Однако в действительности наблюдалась широкая линия с эффективным g-фактором, примерно равным 2,2. Однозначного объяснения данному эффекту мы пока не имеем. Планируем изучение образцов PbS:(Gd+Cu) методами Холаа и магнитной восприимчивости.