Магнитный полупроводник
Магнитные полупроводники - это полупроводниковые материалы , которые демонстрируют как ферромагнетизм (или аналогичный ответ), так и полезные полупроводниковые свойства. При реализации в устройствах эти материалы могут обеспечить новый тип управления проводимостью. В то время как традиционная электроника основана на контроле носителей заряда ( N- или P-тип ), практические магнитные полупроводники также позволят контролировать состояние квантового спина (вверх или вниз). Это теоретически обеспечит почти тотальную спиновую поляризацию (в отличие от железа и других металлов, которые обеспечивают только ~ 50% поляризацию), что является важным свойством для применений Spintronics , например, спиновых транзисторов .
В то время как многие традиционные магнитные материалы, такие как магнетит , также являются полупроводниками (магнетит представляет собой полупроводник с полосой 0,14 эВ), ученые-материалы, как правило, предсказывают, что магнитные полупроводники найдут широкое использование только в том случае, если они похожи на хорошо развитые полупроводнические материалы. С этой целью разбавленные магнитные полупроводники ( DMS ) в последнее время были в центре внимания исследования магнитных полупроводников. Они основаны на традиционных полупроводниках, но легируют вместо переходными металлами или в дополнение к электронно активным элементам. Они представляют интерес из -за их уникальных свойств спинтроники с возможными технологическими применениями. [ 1 ] [ 2 ] Оксиды металлов с широкопологами с широкополосным зазором, такие как оксид цинка (ZNO) и оксид титана (TIO 2 ), являются одними из лучших кандидатов на промышленные DMS из-за их многофункциональности в оптимагнитных приложениях. В частности, DMS на основе ZnO со свойствами, такими как прозрачность в визуальной области и пьезоэлектричность, вызвали огромный интерес среди научного сообщества в качестве сильного кандидата для изготовления спиновых транзисторов и поляризованных световых диодов . [ 3 ] В то время как медный легированный Tio 2 в фазе анатазы этого материала также было предсказано, что демонстрирует благоприятный разбавленный магнетизм. [ 4 ]
Хидео Оно и его группа в Университете Тохоку были первыми, кто измерял ферромагнетизм переходными металлами, с легированными в составных полупроводниках такими как арсенид индия, арсенид [ 5 ] и галлий -арсенид [ 6 ] легируется марганцем (последний обычно называют гамнами ). Эти материалы демонстрировали достаточно высокие температуры CURIE (но ниже комнатной температуры ), которые масштабируются с концентрацией носителей заряда P-типа . С тех пор ферромагнитные сигналы были измерены из различных полупроводниковых хозяев, легированных различными атомами перехода.
Теория
[ редактировать ]Новаторская работа Dietl et al. показал, что модифицированная модель Zener для магнетизма [ 7 ] Хорошо описывает зависимость носителей, а также анизотропные свойства гамн . Та же самая теория также в комнате предсказывал, что ферромагнетизм должен существовать в сильно легированном ZnO и Gan , легированном CO и MN, соответственно. Эти прогнозы последовали за шквалом теоретических и экспериментальных исследований различных полупроводников оксида и нитридов, что, по -видимому, подтверждает ферромагнетизм комнатной температуры практически в любом полупроводнике или изоляторе материала сильно легирован примеси переходных металлов . ранней Тем не менее, исследования функциональной теории плотности (DFT) были омрачены ошибками разрыва в плане и чрезмерно делокализованными уровнями дефектов, и более продвинутые исследования DFT опровергают большинство предыдущих прогнозов ферромагнетизма. [ 8 ] Аналогично, было показано, что для большинства исследований материалов на основе оксидных материалов для магнитных полупроводников Не демонстрируют внутренний опосредованный носителем ферромагнетизм, как постулируют Dietl et al. [ 9 ] На сегодняшний день Gamnas остается единственным полупроводниковым материалом с надежным сосуществованием ферромагнетизма, сохраняющимся до довольно высоких температур CURIE около 100–200 K.
Материалы
[ редактировать ]Эта статья требует дополнительных цитат для проверки . ( июль 2007 г. ) |
Производительность материалов зависит от растворимости тепловой равновесия легирующей привязки в основном материале. Например, растворимость многих легированных вонов в оксиде цинка достаточно высока, чтобы подготовить материалы оптом, в то время как некоторые другие материалы имеют настолько низкую растворимость легированных вон тонкие пленки .
Постоянная намагниченность наблюдалась в широком спектре материалов на основе полупроводников. Некоторые из них демонстрируют четкую корреляцию между плотностью носителей и намагничностью, включая работу Т. История и коллеги, где они продемонстрировали, что ферромагнитная температура Кюри Мин 2+ -Допированный PB 1 -X SN X TE может контролироваться концентрацией носителя . [ 10 ] Теория, предложенная Dietl, требует зарядных носителей в случае отверстий , чтобы опосредовать магнитную связь марганца легированных вон в прототипном магнитном полупроводнике, MN 2+ -Допированный Гаас . Если в магнитном полупроводнике существует недостаточная концентрация отверстия, то температура CURIE будет очень низкой или будет иметь только парамагнетизм . Однако, если концентрация отверстия высока (> ~ 10 20 см −3 ), тогда температура Кюри будет выше, от 100 до 200 К. [ 7 ] Тем не менее, многие из изученных полупроводниковых материалов демонстрируют постоянную намагничивание внешнее к полупроводниковому материалу хоста. [ 9 ] Много неуловимого внешнего ферромагнетизма (или фантомного ферромагнетизма ) наблюдается в тонких пленках или наноструктурированных материалах. [ 11 ]
Несколько примеров предлагаемых ферромагнитных полупроводниковых материалов перечислены ниже. Обратите внимание, что многие из приведенных ниже наблюдений и/или прогнозов остаются в значительной степени обсуждены.
- Манганец -допиненный арсенид индейского арсенида и арсенида галлия ( Gamnas ) с температурой Curie около 50–100 K и 100–200 K соответственно
- Манганец, легированный индиевым антимонидом , который становится ферромагнитным даже при комнатной температуре и даже с менее чем 1% MN. [ 12 ]
- Оксид полупроводники [ 13 ]
- Марганец и железо, допированное оксидом индия , ферромагнит при комнатной температуре. Ферромагнетизм, по-видимому, опосредуется носителями-электронами, [ 14 ] [ 15 ] Аналогичным образом, как гамнас ферромагнетизм опосредуется переноскими отверстиями.
- Оксид цинка
- Манганец, легированный оксидом цинка
- n-тип , легированный кобальт оксид цинка [ 16 ] [ 17 ]
- Оксид магния :
- Диоксид титана :
- Кобальт -допиненный диоксид титана (как рутила , так и анатаза ), ферромагнит выше 400 К
- , , ферромагнитный Рутил ферромагнитный, ферромагнитный
- Железонопированный рутил и легированная железом анатаза, ферромагнитная при комнатной температуре
- Медная анатаза [ 4 ]
- Никель -допированная анатаза
- Оловянный диоксид
- , легированные марганцами Диоксид олова , с температурой Curie при 340 К
- Железный диоксид олова , с температурой CURIE при 340 К
- Стронтиум, легированный диоксид олова ( SRSNO
2 ) - разбавление магнитного полупроводника. Может быть синтезирован эпитаксиальная тонкая пленка на кремниевой чипе. [ 20 ] [ 21 ]
- Оксид европий (II) с температурой курики 69 тыс.. Температура CURIE может быть более чем удвоена при легировании (например, дефицит кислорода, GD).
- Нитридные полупроводники
- (BA, K) (Zn, MN) 2 AS 2 : ферромагнитный полупроводник с тетрагональной средней структурой и орторомбической локальной структурой. [ 23 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Furdyna, JK (1988). «Разбавленные магнитные полупроводники». J. Appl. Физический 64 (4): R29. Bibcode : 1988jap .... 64 ... 29f . doi : 10.1063/1.341700 .
- ^ Оно, Х. (1998). «Создание немагнитных полупроводников ферромагнитных». Наука . 281 (5379): 951–5. Bibcode : 1998sci ... 281..951o . doi : 10.1126/science.281.5379.951 . PMID 9703503 .
- ^ Ogale, SB (2010). «Разбавляние допинг, дефекты и ферромагнетизм в системах оксида металлов». Продвинутые материалы . 22 (29): 3125–3155. Bibcode : 2010Adm .... 22.3125o . doi : 10.1002/adma.200903891 . PMID 20535732 . S2CID 25307693 .
- ^ Jump up to: а беременный Асади, MHN; Hanaor, Dah (2013). «Теоретическое исследование энергетики и магнетизма меди в TIO 2 полиморфах ». Журнал прикладной физики . 113 (23): 233913–233913–5. Arxiv : 1304.1854 . Bibcode : 2013jap ... 113W3913A . doi : 10.1063/1.4811539 . S2CID 94599250 .
- ^ Munekata, H.; Оно, ч.; Von Molnar, S.; Segmüller, Armin; Чанг, LL; Эсаки Л. (1989-10-23). «Разбавленные магнитные полупроводники III-V». Письма о физическом обзоре . 63 (17): 1849–1852. Bibcode : 1989 phrvl..63.1849m . doi : 10.1103/physrevlett.63.1849 . ISSN 0031-9007 . PMID 10040689 .
- ^ Оно, ч.; Shen, A.; Matsukura, F.; Oiwa, A.; Endo, A.; Katsumoto, S.; Iye, Y. (1996-07-15). «(GA, MN) как: новый разбавленный магнитный полупроводник на основе GaAs». Прикладные физические буквы . 69 (3): 363–365. Bibcode : 1996apphl..69..363o . doi : 10.1063/1.118061 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Jump up to: а беременный Dietl, T.; Оно, ч.; Matsukura, F.; Cibert, J.; Ферран, Д. (февраль 2000 г.). «Модель Zener Описание ферромагнетизма в цинковых магнитных полупроводниках». Наука . 287 (5455): 1019–22. Bibcode : 2000sci ... 287.1019d . doi : 10.1126/science.287.5455.1019 . PMID 10669409 . S2CID 19672003 .
- ^ Алекс Зангер, Стефан Лэни и Ханнес Рейбигер (2010). «Стремление разбавить ферромагнетизм в полупроводниках: руководства и ошибочные теории» . Физика . 3 : 53. Bibcode : 2010phyoj ... 3 ... 53z . doi : 10.1103/physics.3.53 .
- ^ Jump up to: а беременный
JMD Coey, P. Stamenov, Rd Gunning, M. Venkatesan и K. Paul (2010). «Ферромагнетизм в оксидах и связанных с ними дефект». Новый журнал физики . 12 (5): 053025. Arxiv : 1003.5558 . BIBCODE : 2010NJPH ... 12E3025C . doi : 10.1088/1367-2630/12/5/053025 . S2CID 55748696 .
{{cite journal}}
: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ История, Т.; Gała̧zka, R.; Франкель, Р.; Вольф, П. (1986). «Ферромагнетизм-индуцированный индуцированный носитель в pbsnmnte» . Письма о физическом обзоре . 56 (7): 777–779. Bibcode : 1986 Phrvl..56..777s . doi : 10.1103/physrevlett.56.777 . PMID 10033282 .
- ^ LMC Pereira (2017). «Экспериментальная оценка происхождения разбавленного магнетизма в наноматериалах». Журнал физики D: прикладная физика . 50 (39): 393002. BIBCODE : 2017JPHD ... 50M3002P . doi : 10.1088/1361-6463/aa801f . S2CID 126213268 .
- ^ «Мюона в магнитных полупроводниках» . Triumf.info. Архивировано из оригинала 2008-11-21 . Получено 2010-09-19 .
- ^ Фукумура, т; Toyosaki, h; Yamada, Y (2005). «Магнитные оксидные полупроводники». Полупроводниковая наука и технология . 20 (4): S103 - S111. arxiv : cond-mat/0504168 . Bibcode : 2005scest..20s.103f . doi : 10.1088/0268-1242/20/4/012 . S2CID 96727752 .
- ^ Philip, J.; Punnoose, A.; Ким, Би; Редди, Км; Layne, S.; Холмс, Джо; Satpati, B.; Leclair, Pr; Сантос, Т.С. (апрель 2006 г.). «Ферромагнетизм, контролируемый носителем в прозрачных полупроводниках оксида». Природные материалы . 5 (4): 298–304. Bibcode : 2006natma ... 5..298p . doi : 10.1038/nmat1613 . ISSN 1476-1122 . PMID 16547517 . S2CID 30009354 .
- ^ Рейбигер, Ханнес; Лэни, Стефан; Zunger, Alex (2008-07-07). «Контроль ферромагнетизма с помощью легирования электронов в 2 O 3: CR». Письма о физическом обзоре . 101 (2): 027203. BIBCODE : 2008 PHRVL.101B7203R . doi : 10.1103/physrevlett.101.027203 . ISSN 0031-9007 . PMID 18764222 .
- ^ Kittilstved, Кевин; Шварц, Дана; Туан, Аллан; Хилд, Стив; Чемберс, Скотт; Gamelin, Daniel (2006). «Прямая кинетическая корреляция носителей и ферромагнетизма в CO2+: Zno» . Письма о физическом обзоре . 97 (3): 037203. Bibcode : 2006 phrvl..97c7203k . doi : 10.1103/physrevlett.97.037203 . PMID 16907540 .
- ^ Лэни, Стефан; Рейбигер, Ханнес; Zunger, Alex (2008-06-03). «Магнитные взаимодействия паров примеси CR-Cr и Co-CO в ZnO в рамках поправочного функционального подхода плотности с полосой» ». Физический обзор б . 77 (24): 241201. Bibcode : 2008 Phrvb..77x1201L . doi : 10.1103/physrevb.77.241201 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Martínez-Boubeta, C.; Белтран, Джи; Balcells, LL.; Konstantinović, Z.; Валенсия, с.; Schmitz, D.; Арбитраж, Дж.; Estrade, S.; Корнил, Дж. (2010-07-08). «Ферромагнетизм в прозрачных тонких пленках MGO» (PDF) . Физический обзор б . 82 (2): 024405. BIBCODE : 2010FRVB..82B4405M . Doi : 10.1103/physrevb.82.024405 . HDL : 2445/33086 .
- ^ Jambois, O.; Гонки, P.; Энтони, а.; Бертомеу, Дж.; Martinez-Boubeta, C. (2011-12-01). "MGO Films" Твердое государственное общение 151 (24): 1856–1859. Bibcode : 2011shat . два 10.1016/j.ssc.2011.10.009: HDL : 2445/5
- ^ «Новый магнитный полупроводник-материал для новой температуры обещает для устройств хранения данных Spintronics» . Курцвейлай . Получено 2013-09-17 .
- ^ Ли, YF; Wu, F.; Кумар, Р.; Hunte, F.; Schwartz, J.; Нараян, Дж. (2013). «Эпитаксиальная интеграция разбавленного магнитного полупроводника SR3SNO с Si (001)». Прикладные физические буквы . 103 (11): 112101. Bibcode : 2013apphl.103K2101L . doi : 10.1063/1.4820770 .
- ^ Чемберс, Скотт А. (2010). «Эпитаксиальный рост и свойства легированных переходных металлов и сложных оксидных пленок» . Продвинутые материалы . 22 (2): 219–248. Bibcode : 2010Adm .... 22..219c . doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID 20217685 . S2CID 5415994 .
- ^ Франдсен, Бенджамин А.; Гонг, Zizhou; Terban, Maxwell W.; Openerjee, Soham; Чен, Биджуан; Джин, Чанцин; Фейгенсон, Михаил; Уэмра, Ясутомо Дж.; Биллинг, Саймон Дж.Л. (2016-09-06). "Локальная атомная и магнитная структура разбавленного магнитного полупроводника (Ba, k) (Zn, Mn) 2 как Физический обзор б 94 (9): Arxiv : 1608.02684 094102. Bibcode : 2016 Phrvb..94i4102f Doi : 10.1103/ physrevb.94.0 ISSN 2469-9
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Кэбот, Андреу; Puntes, Victor F.; Шевченко, Елена; Инь, Ядон; Balcells, Lluís; Маркус, Мэтью А.; Хьюз, Стивен М.; Аливисатос, А. Пол (2007). «Коалесценция вакансии при окислении наночастиц железа» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 129 (34): 10358–10360. doi : 10.1021/ja072574a . PMID 17676738 . S2CID 13430331 . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-01 . Получено 2009-11-20 .
- Чемберс, Скотт А. (2010). «Эпитаксиальный рост и свойства легированных переходных металлов и сложных оксидных пленок» . Продвинутые материалы . 22 (2): 219–248. Bibcode : 2010Adm .... 22..219c . doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID 20217685 . S2CID 5415994 .