Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. В результате элементного анализа объемного монокристалла Hg1-xFexSe с экстремально низкой концентрацией Fe (x ≤ 0.01 at%) методом оптико-эмиссионной спектроскопии определено точное содержание Fe: NFe = 1.8·10(18) см(-3) (x = 0.009 at%). Это минимальная концентрация Fe из всей серии исследованных в рамках проекта образцов Hg1-xFexSe (x < 1 at%). Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что образец однофазный и обладает структурой сфалерита (F4̄3m, 216). Определен параметр решетки a = 0.6084 нм, значение которого согласуется с данными для HgSe. При исследовании намагниченности Hg1-xFexSe (x = 0.009 at%) при двух температурах (T1 = 5 K, T2 = 300 K) обнаружен ферромагнетизм нового типа, который детально исследован нами в рамках проекта на серии монокристаллов Hg1-xFexSe с большими концентрациями Fe (0.012 ≤ x ≤ 0.13 at %). Выделены примесные вклады и получены кривые намагничивания MH(H), которые типичны для ферромагнетиков, однако, отличаются по характеру изменения примесной намагниченности при повышении температуры. Установлено, что поле насыщения HS =11.1 kOe при T = 300 K в 3.5 раза меньше, чем поле насыщения HS =38.4 kOe при T = 5 K. Этот результат подтверждает, что эффективность обменного взаимодействия нового типа при высоких температурах значительно выше, поскольку упорядочение спиновых моментов d-электронов наблюдается в меньших магнитных полях. Определены значения магнитных параметров (намагниченность насыщения MS и спонтанный магнитный момент μS системы донорных электронов Hg1-xFexSe (x = 0.009 at%) при T1 = 5 K и T2 = 300 K: MS = 0.44·10(-2) Гс·см(3)/г, μS = 2.0 μБ/ē (T = 5 K); MS = 1.3·10(-5) Гс·см(3)/г, μS = 6.1· 10(-3) μБ/ē (T = 300 K). Полученные значения магнитных параметров типичны для слабых ферромагнетиков и характеризуют особенности нового механизма обменного взаимодействия донорных электронов. Установлено, что максимальные значения магнитного момента при T1 = 5 K и T2 = 300 K из всей серии исследованных нами образцов Hg1-xFexSe (x = 0.009-0.13 at%) наблюдаются для образца с минимальной концентрацией Fe (x = 0.009 at%), т.е. этот образец входит в интервал гибридизации, в котором наблюдается ферромагнетизм нового типа. Таким образом, в рамках проекта при исследовании примесной намагниченности РМП Hg1-xFexSe с экстремально низкой концентрацией Fe (x = 0.009 at%) в широком интервале температур (T = 5 - 300 K) получено экспериментальное подтверждение стабильности собственного ферромагнетизма нового типа в сильно разбавленном магнитном пределе (x < 0.01 at%) при высоких температурах, вплоть до комнатной. Установлен точный интервал концентраций Fe, в котором наблюдается магнетизм такого типа (0.009 < x < 0.13 at%). Согласно теории спонтанной спиновой поляризации (В.И. Окулов, Е.А. Памятных, В.П. Силин), устойчивость нового механизма спиновой поляризации электронов проводимости в РМП Hg1-xFexSe в широком интервале температур (5-300) K обусловлена уникальной электронной структурой (бесщелевой), гибридизацией и обменным взаимодействием донорных электронов проводимости, более эффективным, чем косвенный обмен Рудермана-Киттеля в обычных РМП (типа GaAs:Mn). 2. Методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) экспериментально изучена электронная структура поверхностей скола (001) и (111) монокристаллов HgSe. Исследован спектр поверхности HgSe-c(2×2), измеренный в направлении X-Г-X при Т = 78 K, который характеризуется вкладом как объемных, так и поверхностных состояний. Сканирование зоны Бриллюэна подтвердило, что поверхностные состояния состоят из одного невырожденного конуса Дирака в точке Γ, что указывает на возможную реализацию состояния трехмерного топологического изолятора. Результаты расчетов подтвердили наличие топологических поверхностных состояний, а также тот факт, что данное соединение является трехмерным топологическим изолятором. 3. В рамках проекта разработана новая технология выращивания гетероэпитаксиальных слоев (ГЭС) HgTe с примесями Fe предельно низкой концентрации (менее 1 ат%) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и синтезированы новые ГЭС РМП HgTe:Fe в широком интервале концентраций Fe (2·10(14) – 2·10(18) см(-3)) толщиной до 1 мкм. Синтез слоев HgTe:Fe на подложках (013)CdTe/ZnTe/GaAs проведен с эллипсометрическим контролем состава и толщины на нанометровом уровне. Оптические измерения спектров отражения показали, что толщины выращенных слоев HgTe:Fe соответствуют расчетным и слои соответствуют нелегированному HgTe без фоновых добавок Cd. Установлено, что поток железа при выращивании в оптимальных условиях не влияет на морфологию поверхности слоев. Электрофизические измерения показали, что при T=300 К и T=78 К не наблюдается заметного изменения концентрации носителей заряда, а подвижность носителей заряда при T=300 К практически не изменяется и слабо изменяется при T=78 К. Установлено, что при T=4.2 К с увеличением концентрации Fe от 10(15) см(-3) до 10(18) см(-3) концентрация электрически активных центров увеличивается на 3 порядка, а подвижность падает более чем на 2 порядка. Низкая подвижность в высоколегированных железом слоях HgTe:Fe обусловлена сильным рассеянием на ионах Fe. 4. Спроектирована и реализована оптимальная конструкция молекулярного источника Fe: источник смонтирован на отдельном технологическом фланце. Такая конструкция источника позволила изменять температуру до 1000 градусов, что обеспечило техническую возможность легирования слоев HgTe примесями Fe до требуемых значений концентрации порядка 10(18) см(-3) (менее 1 ат%). Проведен анализ данных по исследованиям процессов роста слоев на основе HgTe:Fe. Толщина слоев HgTe и HgTe:Fe составляла 1 мкм. Расчет проводился по измерениям скорости роста, которая составляла до 0.2 нм/с, на начальной стадии роста по осцилляциям эллипсометрических параметров и времени роста. Эллипсометрические параметры были постоянными на стационарной стадии роста и соответствовали росту слоя HgTe. Установлено, что легирование железом не влияет на процессы роста при всех заданных уровнях потоков. Сравнительный анализ концентрации носителей заряда и подвижности показал, что нелегированный слои HgTe имеют низкие значения концентрации носителей заряда и высокую подвижность, изменение которых при изменении температуры соответствуют чистым слоям с низким фоновым уровнем легирования. Установлено, что заметное изменение концентрации носителей заряда от концентрации примесного Fe наблюдается при T = 4.2 K. При этом обнаружено резкое уменьшение подвижности, которое свидетельствует о сильном рассеянии на заряженных примесных ионах Fe.