Магнитный полупроводник - Magnetic semiconductor

Смотрите также: Биполярный магнитный полупроводник
Вопрос, Web Fundamentals.svgНерешенная проблема в физике:
Можем ли мы создавать материалы, которые проявляют свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников при комнатной температуре?
(больше нерешенных задач по физике)

Магнитные полупроводники находятся полупроводниковые материалы которые демонстрируют как ферромагнетизм (или аналогичный ответ) и полезный полупроводник характеристики. При использовании в устройствах эти материалы могут обеспечить новый тип контроля проводимости. В то время как традиционная электроника основана на управлении носители заряда (н- или же р-тип ), практические магнитные полупроводники также позволили бы контролировать квантовые состояние вращения (вверх или вниз). Теоретически это обеспечило бы почти полную спиновая поляризация (в отличие от утюг и других металлов, обеспечивающих только ~ 50% поляризации), что является важным свойством для спинтроника приложения, например спиновые транзисторы.

Хотя многие традиционные магнитные материалы, такие как магнетит, также являются полупроводниками (магнетит - полуметалл полупроводник с запрещенная зона 0,14 эВ), материаловеды обычно предсказывают, что магнитные полупроводники найдут широкое применение только в том случае, если они будут похожи на хорошо разработанные полупроводниковые материалы. С этой целью, разбавленные магнитные полупроводники (DMS) в последнее время были основным направлением исследований магнитных полупроводников. Они основаны на традиционных полупроводниках, но являются допированный с переходные металлы вместо или в дополнение к электронно-активным элементам. Они интересны своим уникальным спинтроника свойства с возможными технологическими применениями.[1][2] Допированный Широкая запрещенная зона оксиды металлов, такие как оксид цинка (ZnO) и оксид титана (TiO2) являются одними из лучших кандидатов для промышленных DMS благодаря своей многофункциональности в оптико-магнитный Приложения. В частности, DMS на основе ZnO с такими свойствами, как прозрачность в визуальной области и пьезоэлектричество вызвали огромный интерес в научном сообществе как сильный кандидат на изготовление спиновые транзисторы и спин-поляризованный светодиоды,[3] пока медь легированный TiO2 в анатаз Далее было предсказано, что фаза этого материала проявляет благоприятный разбавленный магнетизм.[4]

Хидео Оно и его группа на Университет Тохоку были первыми, кто измерил ферромагнетизм в переходном металле допированный составные полупроводники Такие как арсенид индия[5] и арсенид галлия[6] допированный марганец (последний обычно называют GaMnAs ). Эти материалы показали достаточно высокие Температуры Кюри (еще ниже комнатная температура ), который масштабируется с концентрацией р-тип носители заряда. С тех пор были измерены ферромагнитные сигналы от различных полупроводниковых матриц, легированных разными переходными атомами.

Теория

Новаторская работа Дитля и другие. показали, что модифицированная модель Зенера для магнетизма[7] хорошо описывает зависимость от носителей, а также анизотропные свойства GaMnAs Эта же теория предсказывала, что при комнатной температуре ферромагнетизм должен существовать в значительной степени р-тип допированный ZnO и GaN, легированные Co и Mn, соответственно. Эти предсказания последовали за множеством теоретических и экспериментальных исследований различных оксидных и нитридных полупроводников, которые, по-видимому, подтвердили ферромагнетизм при комнатной температуре практически в любом полупроводнике или изоляционном материале, сильно легированном переходный металл примесей. Однако рано Теория функций плотности (DFT) исследования были омрачены ошибками запрещенной зоны и чрезмерно делокализованными уровнями дефектов, а более продвинутые исследования DFT опровергают большинство предыдущих предсказаний ферромагнетизма.[8]Аналогичным образом, было показано, что для большинства материалов на основе оксидов исследования магнитных полупроводников не демонстрируют внутреннего опосредованный носителем ферромагнетизм, как постулирует Дитль и другие.[9]На свидание, GaMnAs остается единственным полупроводниковым материалом с устойчивым сосуществованием ферромагнетизма, сохраняющимся вплоть до довольно высоких температур Кюри около 100–200 К.

Материалы

Технологичность материалов зависит от теплового равновесия. растворимость из присадка в основном материале. Например, растворимость многих примесей в оксид цинка достаточно высока, чтобы получать материалы в массе, в то время как некоторые другие материалы имеют настолько низкую растворимость легирующих добавок, что для их получения с достаточно высокой концентрацией легирующей примеси необходимо использовать механизмы термической неравновесной подготовки, например рост тонкие пленки.

Постоянная намагниченность наблюдалась в широком диапазоне материалов на основе полупроводников, и некоторые из них демонстрируют четкую корреляцию между концентрация носителя и намагничивание, включая работу Т. Рассказ и сотрудники, где они продемонстрировали, что ферромагнитная температура Кюри Mn2+ легированный Pb1-хSnИксTe может контролироваться концентрация носителя.[10] Теория, предложенная Дитлем, требовала носители заряда в случае дыры посредничать магнитная муфта марганца присадки в прототипе магнитного полупроводника Mn2+легированный GaAs. Если в магнитном полупроводнике недостаточная концентрация дырок, то Температура Кюри будет очень низким или будет выставляться только парамагнетизм. Однако если концентрация дырок высока (> ~ 1020 см−3), то Температура Кюри будет выше, между 100–200 К.[7] Однако многие из исследованных полупроводниковых материалов демонстрируют постоянную намагниченность. внешний к полупроводниковому материалу-хозяину.[9]Много неуловимого внешнего ферромагнетизма (или фантомный ферромагнетизм) наблюдается в тонких пленках или наноструктурированных материалах.[11]

Ниже перечислены несколько примеров предлагаемых ферромагнитных полупроводниковых материалов. Обратите внимание, что многие из приведенных ниже наблюдений и / или прогнозов по-прежнему активно обсуждаются.

  • Марганец легированный арсенид индия и арсенид галлия (GaMnAs ), с температурой Кюри около 50–100 К и 100–200 К соответственно.
  • Легированный марганцем антимонид индия, который становится ферромагнитным даже при комнатной температуре и даже при содержании менее 1% Mn.[12]
  • Оксидные полупроводники[13]
    • Марганец- и утюг легированный оксид индия, ферромагнетик при комнатной температуре. Работы по ферромагнетизму опосредуются электронами-носителями,[14][15] аналогично GaMnAs ферромагнетизм опосредован дырками-носителями.
    • Оксид цинка
    • Оксид магния:
      • р-тип прозрачные пленки MgO с катионными вакансиями,[19][20] сочетающий ферромагнетизм и многоуровневое переключение (мемристор )
    • Оксид титана:
    • Диоксид олова
      • Легированный марганцем диоксид олова, с температурой Кюри при 340 K
      • Легированный железом диоксид олова, с температурой Кюри при 340 K
      • Диоксид олова, легированный стронцием (SrSnO
        2        ) - Разбавленный магнитный полупроводник. Может быть синтезирован эпитаксиальный тонкая пленка на кремниевом чипе.[21][22]
    • Оксид европия с температурой Кюри 69 К. Температура Кюри может быть увеличена более чем вдвое за счет легирования (например, недостатка кислорода, Gd).
  • Нитрид полупроводники
  • (Ва, К) (Zn, Mn)2В качестве2: Ферромагнитный полупроводник с тетрагональной средней структурой и орторомбической локальной структурой.[25]

Рекомендации

  1. ^ Фурдына, Дж. (1988). «Разбавленные магнитные полупроводники». J. Appl. Phys. 64 (4): R29. Bibcode:1988JAP .... 64 ... 29F. Дои:10.1063/1.341700.
  2. ^ Оно, Х. (1998). "Создание ферромагнитных немагнитных полупроводников". Наука. 281 (5379): 951–5. Bibcode:1998Научный ... 281..951O. Дои:10.1126 / science.281.5379.951. PMID  9703503.
  3. ^ Огале, С.Б. (2010). «Разбавить легирование, дефекты и ферромагнетизм в системах оксидов металлов». Современные материалы. 22 (29): 3125–3155. Дои:10.1002 / adma.200903891. PMID  20535732.
  4. ^ а б Ассади, M.H.N; Ханаор, Д.А.Х (2013). «Теоретические исследования энергетики и магнетизма меди в TiO.2 полиморфы ». Журнал прикладной физики. 113 (23): 233913–233913–5. arXiv:1304.1854. Bibcode:2013JAP ... 113w3913A. Дои:10.1063/1.4811539.
  5. ^ Munekata, H .; Оно, H .; von Molnar, S .; Сегмюллер, Армин; Chang, L. L .; Эсаки, Л. (1989-10-23). «Разбавленные магнитные полупроводники AIIIBV». Письма с физическими проверками. 63 (17): 1849–1852. Bibcode:1989ПхРвЛ..63.1849М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.63.1849. ISSN  0031-9007. PMID  10040689.
  6. ^ Оно, H .; Шен, А .; Мацукура, Ф .; Oiwa, A .; Endo, A .; Katsumoto, S .; Ай, Ю. (1996-07-15). «(Ga, Mn) As: новый разбавленный магнитный полупроводник на основе GaAs». Письма по прикладной физике. 69 (3): 363–365. Bibcode:1996АпФЛ..69..363О. Дои:10.1063/1.118061. ISSN  0003-6951.
  7. ^ а б Dietl, T .; Оно, H .; Мацукура, Ф .; Cibert, J .; Ферран Д. (февраль 2000 г.). "Описание ферромагнетизма в магнитных полупроводниках с цинковой обманкой на основе модели Зенера". Наука. 287 (5455): 1019–22. Bibcode:2000Sci ... 287.1019D. Дои:10.1126 / science.287.5455.1019. PMID  10669409.
  8. ^ Алекс Зунгер, Стефан Лани и Ханнес Ребигер (2010). «Поиски разбавленного ферромагнетизма в полупроводниках: теория и теория». Физика. 3: 53. Bibcode:2010PhyOJ ... 3 ... 53Z. Дои:10.1103 / Физика.3.53.
  9. ^ а б Дж. М. Д. Коуи, П. Стаменов, Р. Д. Ганнинг, М. Венкатесан и К. Пол (2010). «Ферромагнетизм в дефектных оксидах и родственных материалах». Новый журнал физики. 12 (5): 053025. arXiv:1003.5558. Bibcode:2010NJPh ... 12e3025C. Дои:10.1088/1367-2630/12/5/053025.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  10. ^ Рассказ, Т .; Gała̧zka, R .; Frankel, R .; Вольф, П. (1986). «Ферромагнетизм, индуцированный концентрацией носителей заряда в PbSnMnTe». Письма с физическими проверками. 56 (7): 777–779. Bibcode:1986ПхРвЛ..56..777С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.777. PMID  10033282.
  11. ^ Л. М. К. Перейра (2017). «Экспериментальная оценка происхождения разбавленного магнетизма в наноматериалах». Журнал физики D: Прикладная физика. 50 (39): 393002. Bibcode:2017JPhD ... 50M3002P. Дои:10.1088 / 1361-6463 / aa801f.
  12. ^ «Мюоны в магнитных полупроводниках». Triumf.info. Получено 2010-09-19.
  13. ^ Фукумура, Т; Toyosaki, H; Ямада, Y (2005). «Магнитно-оксидные полупроводники». Полупроводниковая наука и технологии. 20 (4): S103 – S111. arXiv:cond-mat / 0504168. Bibcode:2005SeScT..20S.103F. Дои:10.1088/0268-1242/20/4/012.
  14. ^ Филип, Дж .; Punnoose, A .; Kim, B.I .; Редди, К. М .; Layne, S .; Холмс, Дж. О .; Satpati, B .; LeClair, P.R .; Сантос, Т. С. (апрель 2006 г.). «Ферромагнетизм, управляемый носителями заряда в прозрачных оксидных полупроводниках». Материалы Природы. 5 (4): 298–304. Bibcode:2006НатМа ... 5..298П. Дои:10.1038 / nmat1613. ISSN  1476-1122. PMID  16547517.
  15. ^ Ребигер, Ханнес; Лани, Стефан; Зунгер, Алекс (2007-07-07). «Управление ферромагнетизмом с помощью электронного легирования в In 2 O 3 Cr». Письма с физическими проверками. 101 (2): 027203. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.027203. ISSN  0031-9007. PMID  18764222.
  16. ^ Киттильствед, Кевин; Шварц, Дана; Туан, Аллан; Хилд, Стив; Чемберс, Скотт; Гамелен, Дэниел (2006). «Прямая кинетическая корреляция носителей и ферромагнетизм в Co2 +: ZnO». Письма с физическими проверками. 97 (3): 037203. Bibcode:2006PhRvL..97c7203K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.037203. PMID  16907540.
  17. ^ Лани, Стефан; Ребигер, Ханнес; Зунгер, Алекс (2008-06-03). «Магнитные взаимодействия примесных пар Cr - Cr и Co - Co в ZnO в рамках подхода с коррекцией плотности запрещенной зоны». Физический обзор B. 77 (24). Дои:10.1103 / PhysRevB.77.241201. ISSN  1098-0121.
  18. ^ Caroena, G .; Machado, W. V. M .; Justo, J. F .; Ассали, Л. В. С. (2013). «Примеси лантаноидов в широкозонных полупроводниках: возможная дорожная карта для устройств спинтроники». Appl. Phys. Латыш. 102 (6): 062101. arXiv:1307.3209. Bibcode:2013АпФЛ.102ф2101С. Дои:10.1063/1.4791787.
  19. ^ Martínez-Boubeta, C .; Beltrán, J. I .; Balcells, Ll .; Константинович, З .; Валенсия, S .; Schmitz, D .; Arbiol, J .; Estrade, S .; Корнил, Дж. (08.07.2010). «Ферромагнетизм в прозрачных тонких пленках MgO». (PDF). Физический обзор B. 82 (2): 024405. Bibcode:2010PhRvB..82b4405M. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.024405. HDL:2445/33086.
  20. ^ Jambois, O .; Carreras, P .; Антоний, А .; Bertomeu, J .; Мартинес-Бубета, К. (01.12.2011). «Переключение сопротивления в прозрачных магнитных пленках MgO». Твердотельные коммуникации. 151 (24): 1856–1859. Bibcode:2011SSCom.151.1856J. Дои:10.1016 / j.ssc.2011.10.009. HDL:2445/50485.
  21. ^ «Новый магнитный полупроводник, работающий при комнатной температуре, является многообещающим для устройств хранения данных« спинтроники »». KurzweilAI. Получено 2013-09-17.
  22. ^ Ли, Ю. Ф .; Wu, F .; Kumar, R .; Hunte, F .; Schwartz, J .; Нараян, Дж. (2013). «Эпитаксиальная интеграция разбавленного магнитного полупроводника Sr3SnO с Si (001)». Письма по прикладной физике. 103 (11): 112101. Bibcode:2013АпФЛ.103к2101Л. Дои:10.1063/1.4820770.
  23. ^ Чемберс, Скотт А. (2010). "Эпитаксиальный рост и свойства пленок легированных переходных металлов и сложных оксидов". Современные материалы. 22 (2): 219–248. Дои:10.1002 / adma.200901867. PMID  20217685.
  24. ^ Ассали, Л. В. Ц .; Machado, W. V. M .; Хусто, Дж. Ф. (2006). «Примеси марганца в нитриде бора». Appl. Phys. Латыш. 89 (7): 072102. Bibcode:2006АпФЛ..89г2102А. Дои:10.1063/1.2266930.
  25. ^ Frandsen, Benjamin A .; Гун, Цзычжоу; Terban, Maxwell W .; Банерджи, Сохам; Чен, Бицзюань; Цзинь, Чанцин; Фейгенсон, Михаил; Uemura, Yasutomo J .; Биллинге, Саймон Дж. Л. (06.09.2016). «Локальная атомная и магнитная структура разбавленного магнитного полупроводника (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2». Физический обзор B. 94 (9): 094102. Дои:10.1103 / PhysRevB.94.094102. ISSN  2469-9950.

внешняя ссылка