Определение доминирующего механизма безызлучательного возбуждения ионов марганца в II-VI полумагнитных полупроводниках / Черненко А.В.

Допирование марганцем полупроводников группы II-VI и низкоразмерных структур на их основеприводит к эффективному тушению электро- и фотолюминесценции при условии, что энергияэлектронного возбуждения кристалла превышает энергию внутрицентрового перехода иона Mn 2+ EMn2.1эВ [1]. Внутрицентровой дипольный переход4T1 6A1 в Mn2+ запрещен правилами отбора, нокристаллическое поле и спин-орбитальное взаимодействие делают эти переходы слаборазрешенными, чтообъясняет длинные времена жизни возбужденных состояний Mn2+ >1 мксек. В этих условияхдоминирующую роль может играть обменный механизм, хотя возможны переходы за счет мультипольныхмоментов электронной оболочки Mn2+высших порядков. В отличие от диполь-дипольной передачивозбуждения, обменный механизм является спин-зависимым. Кроме прямого обменного механизма,возможен косвенный обменный механизм, связанный со специфической для полумагнитныхполупроводников II-VI sp-d гибридизацией [2,3]. Несмотря на обилие экспериментальных данных, ихпротиворечивость и зависимость от характеристик конкретных образцов не позволяет сделатьоднозначных выводов о доминирующем механизме передачи возбуждения ионам Mn2+ или опарциальных вкладах различных механизмов. В докладе предлагается несколько способовэкспериментального выявления доминирующего механизма передачи возбуждения ионам Mn2+. Ониоснованы на характерных отличиях обменного и диполь-дипольного (диполь-мультипольного)механизмов: (i) спиновая зависимость первого и существование для него правил отбора (ii)дальнодействие первого механизма передачи возбуждения и короткодействие второго (iii) различнаязависимость эффективности этих механизмов передачи энергии от размеров квантовых точек(нанокристаллов) (iv) возможность существенного усиления диполь-дипольного механизма передачивозбуждения посредством взаимодействия с поверхностными плазмонамиСпиновая зависимость обменного механизма приводит к существованию правил отбора по спинудля спинов и суммы проекций спинов иона Mn2+и экситонов (трионов). Проверка выполнения правилотбора является самым прямым доказательством доминирования обменного механизма. Кроме измеренийв магнитном поле [1,2,3], таковыми могли бы являться измерения оптически детектируемого магнитногорезонанса в полумагнитных квантовых ямах и точках, поскольку микроволновое излучение позволяетселективно заселять расщепленные магнитным полем уровни ионов марганца и, таким способом,управлять темпом безызлучательной рекомбинации.Ещё одним способом выявления доминирующего механизма явилось бы использование эффектагигантского усиления безызлучательной передачи энергии посредством диполь-дипольного механизмаионам Mn2+за счет взаимодействия квантовых ям или точек с поверхностными плазмонамиметаллических наночастиц, локализованных близ поверхности структур. В то же самое время плазмонноеусиление поля никак не влияет на обменный механизм передачи возбуждения ионам Mn2+. Усилениебезызлучательной передачи энергии такого типа интенсивно изучается в последнее время [4].Магнитооптические измерениями структур как с плазмонным усилением, так и без него позволило быоценить вклад диполь-дипольного механизма в передачу энергии ионам Mn2+ .В дополнение к двум способам, упомянутым выше, рассмотрены и другие предложения повыявлению доминирующего механизма, основанные на перечисленных выше специфическихособенностях.