Spektroskopia Ramana i dynamika sieci krystalicznej kryształów GaN:Mn

Gębicki, W.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Spektroskopia Ramana i dynamika sieci krystalicznej kryształów GaN:Mn

Autorzy

Gębicki W.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Raman spectroscopy and lattice dynamics of GaN:Mn crystals

Języki publikacji

Abstrakty

W pracy przedstawiono i porównano widma rozpraszania Ramana z modelami dynamiki sieci krystalicznej kryształów GaN oraz GaN:Mn. Ponieważ kryształy GaN:Mn są materiałami o potencjalnych zastosowaniach w spinotronice, przedstawiono krótki przegląd materiałów spinotronicznych. Zostały przedyskutowane dwa modele dynamiki sieci krystalicznej badanych kryształów. Jako pierwszy został przedyskutowany uproszczony model sztywnych jonów dynamiki sieci krystalicznej kryształów Ga:N. Następnie przedstawiono model oparty na teorii funkcjonału gęstości (DFT) dla kryształów GaN:Mn. Obliczono krzywe dyspersji fononów oraz gęstość stanów fononowych. Wyznaczono ładunki efektywne jonów tworzących kryształ i omówiono otrzymane wyniki. Przedstawiono kilka modeli rozpraszania ramanowskiego, jak model potencjału deformacyjnego oraz indukowany obecnością domieszki model Fröhlicha. Widma rozpraszania Ramana kryształów GaN:Mn otrzymane metodą resublimacji zostały zbadane doświadczalnie. Znaleziono nowe pasma ramanowskie około 300 cm-1 oraz 667 cm-1 podobnie jak szeroką strukturę około 600 cm-1. Pasma te nie są widoczne w kryształach GaN. Zmierzono zależności temperaturowe ważniejszych pasm ramanowskich. Wyniki przedyskutowano i porównano z obliczeniami modelowymi. Korzystając z tych zależności udowodniono, że nowe piki mają naturę fononową. Gęstość stanów fononowych GaN i GaN:Mn została porównana z obserwowanymi eksperymentalnie pasmami ramanowskimi. Zauważono dobrą zgodność położeń maksimów fononowej gęstości stanów oraz nowych pików ramanowskich zarówno dla modelu sztywnych jonów dynamiki sieci krystalicznej kryształów GaN, jak i dla modelu dynamiki sieci krystalicznej kryształu GaN:Mn opartego na teorii funkcjonału gęstości. Pokazano, że za nowe pasma ramanowskie w obszarze widmowym podłużnych fononów optycznych są odpowiedzialne głównie drgania atomów azotu. Drgania atomów Mn są maskowane przez silne pasmo sieciowe GaN. Nowe pasma ramanowskie zostały przypisane pasmom fononowym aktywowanym nieporządkiem. Badania zależności polaryzacyjnej pozwoliły na określenie symetrii pasm z obszaru widmowego podłużnych fononów optycznych GaN:Mn. Pokazano, że zależności polaryzacyjne są identyczne dla wszystkich plików i są typowe dla pasm o symetrii A1. Wyliczonymi symetriami długofalowych fononów z tego obszaru widmowego są A1 i E1. Ta niezgodność obliczeń modelowych i wyników doświadczalnych sugeruje ramanowskie rozpraszanie rezonansowe Fröhlicha indukowane obecnością domieszki. Wynik ten został potwierdzony przez pomiar zależności widma ramanowskiego od długości fali światła pobudzającego. Zasugerowano naturę stanu pośredniego rezonansowego rozpraszania ramanowskiego.

Raman scattering spectra of GaN:Mn presented for the first time in our previous papers are presented and compared with the models of lattice dynamics of GaN and GaN:Mn crystals. As the GaN:Mn crystal is potential spintronic material a short review of spintronic materials is given. Two models of lattice dynamics of the crystals are discussed. First, a simplified rigid ion model of GaN based on experimental data is presented. Next the density functional theory (DFT) based model of lattice dynamics is discussed abd the results of the DFT calculations applied to hexagonal GaN:Mn are shown. Phonon dispersion curves and density of photon states are obtained. The effective charges of ions forming the crystal are calculated and discussed. A few models of Raman scattering such as deformation potential model and impurity-induced Fröhlich model are presented and discussed. Raman spectra of GaN:Mn crystals grown by the resublimation method have been investigated experimentally. New Raman bands around 300 and 667 cm-1, as well as a broad structure near 600 cm-1, not observed in undoped GaN are found. The temperature dependence of major Raman bands is measured. The results are discussed and compared with model calculations. On the basis of temperature dependence of the new Raman peaks phonon nature of the peaks is proved. The phonon density of states of GaN and GaN:Mn are compared with the observed experimental Raman bands. Good agreement of the phonon density of states maxima and the new Raman peaks are observed both for the rigid ion model of GaN lattice dynamics and the model based on density functional theory of GaN:Mn lattice dynamics. It is shown that nitrogen vibrations are mainly responsible for the new Raman bands observed at the longitudinal optical phonon spectral region. The Mn vibrations are masked by the strong GaN lattice bands. The new Raman peaks are assigned to disorder-activated phonon models. Investigation of the polarization dependence of Raman intensities enables the determination of symetries of the phonon bands from the spectral region of longitudinal optical phonons characteristic for GaN:Mn system. It is shown that the polarization dependence of the Raman spectra is identical for all these peaks and is characteristic of the bands of A1 asymmetry. The symmetries of the calculated long wavelength phonons are E1 and A1. The inconsistency of the experimental results and the results of model calculations suggest an impurity-induced Fröhlich type resonance Raman scattering. This result is supported by the measured dependence of the Raman spectra on excitation laser line. An intermediate energy level of resonance Raman scattering is suggested.

Słowa kluczowe

spektroskopia ramanowska dynamika sieci krystalicznej rezonansowe rozpraszanie Ramana teoria funkcjonału gęstości GaN:Mn

Raman spectroscopy lattice dynamics resonant Raman scattering density functional theory GaN:Mn

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Czasopismo

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Fizyka

Rocznik

2011

Tom

z. 56

Strony

3--117

Opis fizyczny

Bibliogr. 111 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Gębicki W.

Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

1. Binasch G., Grünberg P., Saurebach R, Zinn W., Phys. Rev., B 39, 4826 (1989).
2. Baibich M.N., Broto J.M., Fert A., Dau F.N.V., Petroff F., Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1988).
3. Dietl T., Ohno H., Matsukura F., Obert J., Ferrand D., Science, 287, 1019 (2000).
4. Żutić I., Fabian J., Das Sarma S., Rev. Modern. Phys., 76, 323 (2004).
5. Dyakonov M.I., Perel V.I., Sov. Phys., JETR, 33, 1053 (1971); Sov. Phys. Solid State, 13, 3023 (1971).
6. Elliot R.J., Phys. Rev., 96, 266 (1954).
7. Yafet Y., Sol. Stat. Phys., 14, 1 (1963).
8. Ohno H., Chiba D., Matsukura F., Omiya T., Abe E., Dietl T., Ohno Y., Nature, 408, 944 (2000).
9. Kikkawa J.M., Smorchovka I.P., Samarth N., Awschalom D.D., Science, 227, 1284 (1997).
10. Munekata H., Ohno H., Ruf R.R., Gambino R.J., Chang L.L., J. Crystal Growth, 111, 1011 (1991).
11. Munekata H., Ohno H., Von Molnar S., Segmüller A., Chang L.L., Esaki L., J. Phys. Rev. Lett., 63, 1343 (1989).
12. Ohno H., Shen A., Matsukura F., Oiwa A., End A., Katsumoto S., Iye Y., Appl. Phys. Lett., 68, 2664 (1996).
13. Saito H., Zaets W., Yamagata S., Suzuki Y., Ando K., J. Appl. Phys., 91, 8085 (2002).
14. Zener C., Phys. Rev., 81, 440 (1951).
15. Pearton S. J., Abernathy C.R., Overberg M.E., Thaler G.T., Norton D.P., Theodoropoulu N., Hebard A.F., Park Y.D., Ren F., Kim J., Boatner L.A., J. Appl. Phys., 93, 1 (2003).
16. Kaminska M., Twardowski A., Wasik D., J. Mater. Sci: Mater Electron, 19, 828 (2008).
17. Stefanowicz W., Sztenkiel D., Raina B., Grois A., Rovezzi M., Devillers T., d’Acapito F., Navarro-Quezada A., Li T., Jakiel R., Sawicki M., Dietl T., Bonanni A., Phys. Rev. B, 81, 235310 (2010).
18. Dietl T., Nature Materials, 9, 965-974 (2010).
19. Dietl T., J. Phys.: Condens. Matter, 19, 1 (2007).
20. Wolos A., Palczewska M., Zajac M., Kaminska M., Twardowski A., Bockowski M., Gregory I., Porowski S., Phys. Rev. B, 69, 115210 (2004).
21. Szyszko T., Kamler G., Strojek B., Weisbrod G., Podsiadlo S., Adamowicz L., Gebicki W., Szyszko J., Twardowski A., Sikorski K., J. Cryst. Growth, 223, 631 (2001).
22. Zajac M., Doradzinski R., Gosk J., Szczytko J., Lefeld-Sosnowska M., Kaminska M., Twardowski A., Palczewska M., Grzanka E., Gebicki W., Appl. Phys. Lett., 78, 1270 (2001).
23. Sonoda S., Shimizu S., Sasaki T., Yamamoto Y., Hori H., J. Cryst. Growth, 237-239, 1358 (2002).
24. Sasaki T., Sonoda S., Yamamoto Y., Suga K., Shimizu S., Kindo K., Hori H., J. Appl. Phys., 91, 7911 (2002).
25. Overberg M.E., Abernathy C.R., Pearton S.J., Theodoropoulu N.A., McCarthy K.T, Hebard A.F., Appl. Phys. Lett., 79, 1312 (2001).
26. Korotkov R.Y., Gregie J.M., Wessels B.W., w: U. Mishra, M. Shur, C. Wetzel, B. Gil, K. Katsumi (Eds.), GaN and Related Alloys 2000, Proc. Mat. Res. Soc. Symp. G3 (2000).
27. Korotkov R.Y., Gregie J.M., Wessels B.W., Phys. B, 30, 308-310 (2001).
28. Theodoropoulou N., Hebard A.F., Overberg M.E., Abernathy C.R., Pearton S.J., Chu S.N.G., Wilson R.G., Appl. Phys. Lett., 78, 3475 (2001).
29. Shon Y., Kwon Y.H., Yuldashev Sh.U., Leem J.H., Park C.S., Fu D.J., Kim H.J., Kang T.W., Appl. Phys. Lett., 81, 1845 (2002).
30. Ando K., Appl. Phys. Lett., 82, 100 (2002).
31. Graf T., Gjukic M., Hermann M., Brandt M.S., Stutzmann M., Gögens L., Phillip J.B., Ambacher O., J. Appl. Phys., 93, 9697 (2003).
32. Meng X.Y., Zhang Y.H., Shen W.Z., Phys. B, 404, 1222 (2009).
33. Bacewicz R., Filipowicz J., Podsiadlo S., Szyszko T., Kaminski M., J. Phys. Chem. Solids, 64, 1469 (2003).
34. Wolos A., Wysmolek A., Kaminska M., Twardowski A., Bockowski M., Grzegory I., Porowski S., Potemski M., Phys. Rev. B, 70, 245202 (2004).
35. Böttger H., Principles of the Theory of Lattice Dynamics, Physics-Verlag, 1983.
36. Kunz K., Ann. Phys., 8, 319 (1973).
37. Born M., Huang K., Dynamical Theory of Crystal Lattices, Oxford, 1954.
38. Nusimovici M.A., Birman J.L., Phys. Rev., 156, 925 (1967).
39. Nusimovici M.A., Ann. Phys., 4, 97 (1969).
40. Nusimovici M.A., Balkanski M., Phys. Rev. B, 1, 595 (1970).
41. Keating P.N., Phys. Rev., 145, 637 (1966).
42. Perlin P., Suski T., Ager III J.W., Conti G., Polian A., Christensen N.E., Gorczyca I., Grzegory I., Weber E.R., Haller E.E., Phys. Rev. B, 60, 1480 (1999).
43. Gebicki W., Strzeszewski J., Kamler G., Szyszko T., Podsiadlo S., Appl. Phys. Lett., 76, 3870 (2000).
44. Davydov V.Yu., Kitajew Yu.E., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Graul J., Semchinova O., Mirgorodsky A.P., Evarestov R.A., Phys. Rev. B, 58, 12899 (1998).
45. Ruf T., Serrano J., Cardona M., Pavone P., Pabst M., Krisch M., D’Astuto M., Suski T., Grzegory I., Leszczyński M., Phys. Rev. Lett., 86, 906 (2001).
46. Klein M.V., Phys. Rev., 131, 1501 (1963).
47. Martin R.M., Electronic Structure. Basic Theory and Practical Method. Cambridge University Press, 2004.
48. Hohenberg P., Kohn W., Phys. Rev. B, 864, 136 (1964); Mermin N.D., Phys. Rev. A, 1441, 137 (1965).
49. Kohn W., Sham L.J., Phys. Rev., 140, A1133 (1965).
50. Heraman F., Van Dyke J.P., Ortenburger I.P., Phys. Rev. Lett., 22, 807 (1969).
51. Svendsen P., von Barth U., Phys. Rev. B, 54, 17402 (1996).
52. Perdew J.D., Burke K., Ernzerhof M., Phys. Rev. Lett., 77, 3865 (1996).
53. Hellman H., Einfuhrung in die Quantenchemie, Franz Duetsche, Leipzig, 1937.
54. Feynman R., Phys. Rev., 56, 340 (1939).
55. Landau L.D., Lifshitz E.M., Quantum Mechanics: nonrelativistic theory, Pergamon Press, Oxford, 1977.
56. Parlinski K., Kawazoe Y., Phys. Rev. B, 60, 15511 (1999).
57. Gonze X., Vigneron J.P., Phys. Rev. B, 39, 13120 (1989).
58. Gonze X., Phys. Rev. A, 52, 1086 (1995).
59. Heine V., w: Solid State Physics, wyd. H. Ehrenreich, F. Seitz, and D. Turnbull, Academic, New York, 1970, p. 1; M.L. Cohen, V. Heine, ibid., p. 37.
60. Abarenkov I.V., Heine V., Phil. Mag., 12, 529 (1965).
61. Phillips J.C., Kleinman L., Phys. Rev., 116, 287 (1959).
62. Vanderbilt D., Phys. Rev. B, 41, 7892 (1990).
63. Hamann D.R., Schlueter M., Chiang C., Phys. Rev. Lett., 43, 1494 (1979).
64. Blöchl P.E., Phys. Rev. B, 50, 17953 (1994); G. Kresse, J. Joubert, Phys. Rev. B, 59, 1758 (1999).
65. Kresse G., Software VASP (2003).
66. Parlinski K., Software Phonon (2005).
67. Monkhorst H.J., Pack J.D., Phys. Rev. B, 13, 5188 (1976).
68. Stroppa A., Kresse G., Phys. Rev. B, 79, 201201 (2009).
69. Yu P.Y, Cardona M., Fundamentals of Semiconductors, Springer, Berlin, 1996.
70. Jackson J.D., Classical Electrodynamics, John Wiley and Sons Inc., 1962.
71. Cardona M., Resonance Effects In Topics, In: Appl. Phys., vol. 50, Springer, Berlin, 1982.
72. Elliot R.J., Phys. Rev., 108, 1384 (1957).
73. Kittel C., Quantum Theory of Solids, John Wiley & Sons; 2nd Revised Edition, 1987.
74. Trallero-Giner C., Cantarero A., Cardona M., Mora M., Phys. Rev. B, 45, 6601 (1992).
75. Fröhlich H., Advances in Physics 3, 325 (1954).
76. Gosk J., Zajac M., Wolos A., Kaminska M., Twardowski A., Grzegory I., Bockowski M., Porowski S., Phys. Rev. B, 71, 094432 (2005).
77. Zajac M., Doradzinski R., Gosk J.. Szczytko J., Lefeld-Sosnowska M., Kaminska M., Twardowski A., Palczewska M., Grzanka E., Gebicki W., Appl. Phys. Lett., 78, 1278 (2001).
78. Gebicki W., Adamowicz L., Strzeszewski J., Podsiadlo S., Szyszko T., Kamler G., Mat. Sc. Eng. B, 62, 182 (2001).
79. Ramsteiner M., Brand O., Plog K.H., Phys. Rev. B, 58, 1118 (1998).
80. Hasuike N., Fukumura H., Harima H., Isoda K.K., Hashimoto M., Zhou Y.K., Asahi H., J. Phys. Condens. Matter., 16, S5811 (2004).
81. Harima H., J. Phys. Condens. Matter., 16, S5653 (2004).
82. Kane M.H., Strassburg M., Fenwick W., Asghar A., Senawiratne J., Azamat D., Hu S., Malguth E., Graham S.S., Perera U., Gehlhoff W., Hoffrnann A., Dietz N., Summers C.J., Ferguson L.T., Phys. Stat. Sol. (c), 3, 2237 (2006).
83. Kane M.H., Strassburg M., Fenwick W., Asghar A., Ferguson I.T., Int. J. High Speed Electr. and Systems, 36, 515 (2006).
84. Limmer W., Ritter W., Sauer R., Menshing B., Liu C., Rauschenbach B., Appl. Phys. Lett., 72, 2589 (1998).
85. Ham M-Ho, Yoon S., Park Y., Myong J.-M., Appl. Surf. Sci., 252, 6289 (2006).
86. Asghar M., Hussain I., Bustarret E., Cibert J., Kuroda S., Marcet S., Marriette H., J. Cryst. Growth, 296, 174 (2006).
87. Islam M.R., Chen N.F., Yamada M., Materials Science in semiconductor processing, 9, 184 (2006).
88. Ferguson T., Phys. Stat. Sol. (c), 4, 389 (2007).
89. Dias da Silva J.H., Leite D.M.G., Tabata A., Cavaiheiro A.A., J. Appl. Phys., 102, 063526 (2007).
90. Cui X.G., Tao Z.K., Zhang R., Li X., Xiu X.Q., Xie Z.L., Gu S.L., Han P., Shi Y., Zheng Y.D., Appl. Phys. Lett., 92, 152116 (2008).
91. Gebicki W., Dominik P., Podsiadlo S., Phys. Rev. B, 77, 245213 (2008).
92. Dias da Silva J.H., Leite D.M.G, Zanatta A.R., J. Phys. Condens. Matter., 20, 252201 (2008).
93. Korotkow R.Y., Gregie J.M., Wessels B.W., Appl. Phys. Lett., 80, 1731 (2002).
94. Wolos A., Palczewska M., Zajac M., Gosk J., Kaminska M., Twardowski A., Bockowski M., Grzegory I., Porowski S., Phys. Rev. B, 69, 115210 (2004).
95. Kamler G., Zachara J., Podsiadlo S., Adamowicz L., Gebicki W., J. Crystal Growth, 212, 39 (2000).
96. Podsiadlo S., Szyszko T., Gosk J., Bacewicz R., Dobrzycki L., Wozniak K., Zając M., Twardowski A., Chemistry of Materials, 15, 4533 (2003).
97. Livneh T., Zhang J., Cheng G., Moskovits M., Phys. Rev. B, 74, 035320 (2006).
98. Mizoguchi K., Nakashima S., J. Appl. Phys., 65, 2583 (1989).
99. Li W.S., Shen Z.X., Feng Z.C., Chua S.J., J. Appl. Phys., 87 (2000).
100. Balkanski M., Wallis R.F., Haro E., Phys. Rev. B, 28, 1928 (1983).
101. Krantz M., Cardona M., J. Low Temp. Phys., 99, 205 (1995).
102. Gebicki W., Osuch K., Jastrzebski C., Golacki Z., Godlewski M., Superlattices Microstruct., 38, 428 (2005).
103. Mendez J., Cardona M., Phys. Rev. B, 29, 2051 (1984).
104. Hart T.R., Aggarwal R.L,. Lax B., Phys. Rev. B, 1, 638 (1970).
105. Milot M. Tena-Zaera R., Munoz-Sanjose V., Broto J.M., Gonzalez J., Appl. Phys. Lett., 96, 152103 (2010).
106. Resta R., Rev. Mod. Phys., 66, 899 (1994).
107. Resta R., J. Phys.: Condens. Matter., 12, R107 (2000).
108. Resta R., Eur. Phys. J. B, 79, 121 (2011).
109. King-Smith R.D., Vanderbilt D., Phys. Rev. B, 47, 1651 (1993).
110. Berry M.V., Proc. Roy. Soc. A, 392, 45 (1984).
111. Myers M., Wright A.F., Sanati M., Estreicher S.K., J. Appl. Phys., 99, 113506 (2006).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-PWA9-0056-0020