Propriedades estruturais e ópticas de amostras de EuTe e PbEuTe crescidas sobre BaF2 - Emilio Heredia Suárez (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), 2012)
A pesquisa sobre semicondutores magnéticos é de relevância na atualidade, devido a possíveis aplicações em dispositivo magneto ópticos e spintrônicos. O EuTe foi um dos primeiros semicondutores magnéticos intrínsecos a ser descoberto e tem sido amplamente estudado, porém, até hoje, as suas propriedades ópticas e eletrônicas não são completamente conhecidas ou compreendidas. Adicionalmente, quando o átomo de Eu é parcialmente substituído por Pb na liga Pb$_{x}$Eu$_{1-x}$Te aparecem novas e interessantes propriedades. Neste trabalho, foram investigadas as propriedades estruturais de ilhas e filmes finos de EuTe e as propriedades ópticas de filmes finos de EuTe e Pb(x)Eu(1-x)Te com até 20 % de Pb, crescidos por epitaxia de feixes moleculares sobre substratos de BaF$_{2}$ (111). O estudo por difração de raios-x das ilhas de EuTe mostrou que, quando são utilizadas baixas temperaturas do substrato durante o crescimento, as mesmas apresentam parâmetros de rede no plano maiores do que a do EuTe relaxado, mesmo estando sobre um substrato de parâmetro de rede menor. Tal efeito, chamado de super compensação do descasamento de parâmetro de rede, nunca tinha sido observado experimentalmente em nenhum material e isto pode ter aplicações práticas, por exemplo, na engenharia de estruturas de bandas de semicondutores. O estudo das propriedades ópticas, por outro lado, revelou que quando se utilizam altas densidades de potência de excitação, os espectros de PL da liga PbEuTe (com até 5 % de Pb) apresentam uma nova banda de emissão centrada em energias maiores do que às das bandas excitônicas conhecidas como MXs, observadas nos trabalhos anteriores publicados na literatura. Com a aplicação de campos magnéticos, em filmes de EuTe a nova banda se desloca para energias menores com uma taxa de $\sim$40 meV/T na geometria de Faraday, valor superior ao das demais bandas de emissão mencionadas na literatura. Adicionalmente, nas amostras com Pb, para campos magnéticos aplicados relativamente altos, esta banda se desdobra em até 3 sub-bandas com taxas de deslocamento diferentes. O comportamento da nova banda em função da temperatura também é diferente ao das bandas MXs, em particular a nova banda é visível a temperaturas de nitrogênio líquido e superiores, o que aumenta o intervalo de temperaturas em que poderiam operar dispositivos opto eletrônicos e spintrônicos baseados em PbEuTe. As possíveis origens da nova banda de PL no EuTe e PbEuTe são discutidas no trabalho. O estudo do espalhamento Raman para amostras de EuTe e PbEuTe também revelou diferenças nos espectros com e sem adição de chumbo. Essencialmente, a presença de Pb na estrutura, substituindo o Eu, muda a simetria dos modos de vibração alterando a regra de seleção, o que pode ter provocado a mudança nos espectros Raman entre EuTe e PbEuTe. Estes e outros resultados discutidos no trabalho incrementam o nosso conhecimento sobre as propriedades do EuTe e PbEuTe e podem contribuir para estimular novas investigações teóricas e experimentais nesses materiais. === The research on magnetic semiconductors is now more relevant than has ever been, due to their potential applications in magneto optic and spintronic devices. EuTe was one of the first intrinsic magnetic semiconductors to be discovered, and has been extensively studied since then. Nevertheless, still today its electronic and optical properties are not completely known or understood. Furthermore, when Eu is partially substituted by Pb in the alloy Pb(x)Eu(1-x)Te, new and interesting properties appear. The present work reports the investigation of the structural properties of EuTe islands and thin films, and of the optical properties of EuTe and Pb(x)Eu(1-x)Te (x up to 20 % Pb) thin films, grown by molecular beam epitaxy over BaF$_{2}$ (111). The x-ray diffraction investigation of the EuTe islands shows that if low substrate temperatures are used during growth, the islands have in-plane lattices parameters bigger than relaxed EuTe (they are effectively under tensile strain), while compressive strain is expected for epitaxial growths on substrates with smaller lattice parameters. This effect, known as mismatch overcompensation, had never been experimentally observed and could find practical applications, for instance, in the engineering of semiconductor nanostructures energy levels. Also, it was observed that the photoluminescence spectra of EuTe and Pb(x)Eu(1-x)Te thin films (with x up to 5 %), obtained under high excitation power densities at low temperatures, shows a new band. The new band is centered at energies higher than the previously reported MXs bands and with, applied magnetic field, shifts to lower energies at rates even higher than the MXs (in EuTe, $\sim$ 40 meV/T in Faraday geometry). Additionally, in the alloy, the new band is clearly split into 2 or 3 sub bands (depending on the Pb content) with different shift rates by the application of a relatively strong magnetic field (B > 1 T). The new band and MXs behaviors with temperature also differ. For instance, the new band is visible at liquid nitrogen temperatures and up, while the MXs vanish at $\sim$40 K. This finding in particular, increases the range of operating temperature of potential optoelectronic and spintronics devices based on EuTe. The possible origin of the new high-energy band in EuTe and PbEuTe is discussed in the text. The Raman spectra of EuTe and PbEuTe samples are also different. Essentially, the presence of Pb in the crystal lattice changes the symmetry of the vibration modes observed during the scattering process, thus making new peaks appear on the spectra. The new peaks in the spectra of the alloy come presumably from TO and mixed-mode phonons, while only peaks due to LO modes appear in pure EuTe. In addition, the intensity of the 1$^{th}$ order Raman scattering, relative to the 2$^{nd}$ order, increases with increasing Pb content, probably due to the relaxation of the Raman selection-rules by chemical disorder. These results and others discussed in this work, increase our knowledge on the basic properties of EuTe and PbEuTe, and might also contribute towards finding new practical applications for these interesting materials. Nevertheless, there is much more to learn about them, and based in the findings that have been made, further research in this area would be promising.