Магнитный полупроводник
Магнитные полупроводники — это полупроводниковые материалы , которые проявляют как ферромагнетизм (или аналогичный отклик), так и полезные полупроводниковые свойства. Если эти материалы будут реализованы в устройствах, они смогут обеспечить новый тип контроля проводимости. В то время как традиционная электроника основана на управлении носителями заряда ( n- или p-типа ), практические магнитные полупроводники также позволяют контролировать состояние квантового спина (вверх или вниз). Теоретически это обеспечит почти полную спиновую поляризацию (в отличие от железа и других металлов, которые обеспечивают поляризацию только ~ 50%), что является важным свойством для спинтроники приложений , например, спиновых транзисторов .
Хотя многие традиционные магнитные материалы, такие как магнетит , также являются полупроводниками (магнетит — полуметалл -полупроводник с шириной запрещенной зоны 0,14 эВ), ученые-материаловеды обычно предсказывают, что магнитные полупроводники найдут широкое применение только в том случае, если они подобны хорошо разработанным полупроводниковым материалам. С этой целью разбавленные магнитные полупроводники ( DMS ) в последнее время стали основным направлением исследований магнитных полупроводников. Они основаны на традиционных полупроводниках, но легированы вместо переходными металлами или в дополнение к электронно-активным элементам. Они представляют интерес из-за своих уникальных свойств спинтроники и возможных технологических приложений. [1] [2] Легированные оксиды металлов с широкой запрещенной зоной, такие как оксид цинка (ZnO) и оксид титана (TiO 2 ), являются одними из лучших кандидатов для промышленного DMS из-за их многофункциональности в оптико-магнитных приложениях. В частности, DMS на основе ZnO с такими свойствами, как прозрачность в видимой области и пьезоэлектричество, вызвали огромный интерес среди научного сообщества как сильный кандидат для изготовления спиновых транзисторов и спин-поляризованных светодиодов . [3] в то время как , легированный медью TiO 2 , в анатазной фазе этого материала, как было предсказано, будет проявлять благоприятный разбавленный магнетизм. [4]
Хидео Оно и его группа из Университета Тохоку первыми измерили ферромагнетизм переходными металлами, легированных в полупроводниках, таких как арсенид индия. [5] и арсенид галлия [6] легированные марганцем (последний обычно называют GaMnAs ). Эти материалы демонстрировали достаточно высокие температуры Кюри (хотя и ниже комнатной температуры ), которые зависят от концентрации носителей заряда p-типа . С тех пор ферромагнитные сигналы измеряются от различных полупроводниковых материалов, легированных различными переходными атомами.
Теория
[ редактировать ]Новаторская работа Дитля и др. показал, что модифицированная модель Зинера для магнетизма [7] хорошо описывает зависимость от носителей, а также анизотропные свойства GaMnAs .Та же теория также при комнатной температуре предсказал, что ферромагнетизм должен существовать в сильно ZnO и GaN p-типа легированных , легированных Co и Mn соответственно.Эти предсказания последовали за шквалом теоретических и экспериментальных исследований различных оксидных и нитридных полупроводников. что, по-видимому, подтверждает ферромагнетизм при комнатной температуре практически в любом полупроводниковом или изоляционном материале. сильно легированы примесями переходных металлов .Однако ранние исследования теории функционала плотности (DFT) 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 исследований материалов на основе оксидов для магнитных полупроводниковне проявляют внутреннего ферромагнетизма , опосредованного носителями, как постулировал Дитль и др. [9] На сегодняшний день GaMnAs остается единственным полупроводниковым материалом с устойчивым сосуществованием ферромагнетизма, сохраняющимся вплоть до довольно высоких температур Кюри около 100–200 К.
Материалы
[ редактировать ] | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2007 г. ) |
Технологичность материалов зависит от термической равновесной растворимости легирующей примеси в основном материале. Например, растворимость многих легирующих добавок в оксиде цинка достаточно высока для получения материалов в больших объемах, в то время как некоторые другие материалы имеют настолько низкую растворимость легирующих добавок, что для их получения с достаточно высокой концентрацией легирующей примеси приходится использовать термические неравновесные механизмы получения, например выращивание тонкие пленки .
Постоянное намагничивание наблюдалось в широком спектре материалов на основе полупроводников.Некоторые из них демонстрируют четкую корреляцию между плотностью носителей заряда и намагниченностью.включая работуТ. Стори и его коллеги продемонстрировали, что ферромагнитная температура Кюри Mn 2+ -легированный Pb 1−x Sn x Te можно контролировать концентрацией носителей . [10] Теория, предложенная Дитлем, требовала, чтобы носители заряда в случае дырок опосредовали магнитную связь марганца примесей в прототипе магнитного полупроводника Mn. 2+ -легированный GaAs . Если в магнитном полупроводнике недостаточная концентрация дырок, то температура Кюри будет очень низкой или будет проявлять только парамагнетизм . Однако если концентрация дырок велика (>~10 20 см −3 ), то температура Кюри будет выше, между 100 и 200 К. [7] Однако многие из изученных полупроводниковых материалов обладают примесной постоянной намагниченностью . к полупроводниковому материалу-хозяину. [9] Много неуловимого внешнего ферромагнетизма (или фантомного ферромагнетизма ) 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 продолжают активно обсуждаться.
- марганцем ), легированные 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 Mn менее 1%. [12]
- Оксидные полупроводники [13]
- марганцем и железом , легированный Оксид индия , ферромагнитен при комнатной температуре. Ферромагнетизм, по-видимому, опосредован электронами-носителями. [14] [15] аналогично тому, как ферромагнетизм GaMnAs передается через дырки-носители.
- Оксид цинка
- , легированный марганцем Оксид цинка
- n-типа легированный кобальтом оксид цинка, [16] [17]
- Оксид магния :
- прозрачные пленки MgO p-типа с катионными вакансиями, [18] [19] сочетание ферромагнетизма и многоуровневого переключения ( мемристор )
- Диоксид титана :
- кобальтом , легированный Диоксид титана (как рутил , так и анатаз ), ферромагнитный при температуре выше 400 К.
- хромом , легированный Рутил , ферромагнитный, температура выше 400 К.
- Рутил, легированный железом , и анатаз, легированный железом, ферромагнитны при комнатной температуре.
- медью легированный Анатаз, [4]
- никелем легированный Анатаз,
- Диоксид олова
- олова, легированный марганцем Диоксид , с температурой Кюри 340 К.
- , легированный железом Диоксид олова , с температурой Кюри 340 К.
- Диоксид олова, легированный стронцием ( SrSnO
2 ) – Разбавленный магнитный полупроводник. Можно синтезировать тонкую эпитаксиальную пленку на кремниевом чипе. [20] [21]
- Оксид европия(II) с температурой Кюри 69К. Температура Кюри может быть увеличена более чем вдвое за счет легирования (например, дефицита кислорода, Gd).
- Нитридные полупроводники
- легированный хромом Нитрид алюминия, [22]
- (Ba,K)(Zn,Mn) 2 As 2 : Ферромагнитный полупроводник с тетрагональной средней структурой и ромбической локальной структурой. [23]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фурдина, Дж. К. (1988). «Разбавленные магнитные полупроводники». Дж. Прил. Физ . 64 (4): Р29. Бибкод : 1988JAP....64...29F . дои : 10.1063/1.341700 .
- ^ Оно, Х. (1998). «Сделание немагнитных полупроводников ферромагнитными». Наука . 281 (5379): 951–5. Бибкод : 1998Sci...281..951O . дои : 10.1126/science.281.5379.951 . ПМИД 9703503 .
- ^ Огале, С.Б. (2010). «Разбавленное легирование, дефекты и ферромагнетизм в системах оксидов металлов». Продвинутые материалы . 22 (29): 3125–3155. Бибкод : 2010AdM....22.3125O . дои : 10.1002/adma.200903891 . ПМИД 20535732 . S2CID 25307693 .
- ^ Перейти обратно: а б Ассади, MHN; Ханаор, ДАХ (2013). «Теоретическое исследование энергетики и магнетизма меди в полиморфах TiO 2 ». Журнал прикладной физики . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Бибкод : 2013JAP...113w3913A . дои : 10.1063/1.4811539 . S2CID 94599250 .
- ^ Мунеката, Х.; Оно, Х.; фон Мольнар, С.; Сегмюллер, Армин; Чанг, LL; Эсаки, Л. (23 октября 1989 г.). «Разбавленные магнитные полупроводники III-V». Письма о физических отзывах . 63 (17): 1849–1852. Бибкод : 1989PhRvL..63.1849M . doi : 10.1103/PhysRevLett.63.1849 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10040689 .
- ^ Оно, Х.; Шен, А.; Мацукура, Ф.; Оива, А.; Эндо, А.; Кацумото, С.; Айе, Ю. (15 июля 1996 г.). «(Ga,Mn)As: новый разбавленный магнитный полупроводник на основе GaAs». Письма по прикладной физике . 69 (3): 363–365. Бибкод : 1996АпФЛ..69..363О . дои : 10.1063/1.118061 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Перейти обратно: а б Дитл, Т.; Оно, Х.; Мацукура, Ф.; Сиберт, Дж.; Ферран, Д. (февраль 2000 г.). «Описание модели Зинера ферромагнетизма в магнитных полупроводниках из цинковой обманки». Наука . 287 (5455): 1019–22. Бибкод : 2000Sci...287.1019D . дои : 10.1126/science.287.5455.1019 . ПМИД 10669409 . S2CID 19672003 .
- ^ Алекс Цунгер, Стефан Лани и Ханнес Рабигер (2010). «Поиски разбавленного ферромагнетизма в полупроводниках: руководства и заблуждения теории» . Физика . 3 : 53. Бибкод : 2010PhyOJ...3...53Z . дои : 10.1103/Физика.3.53 .
- ^ Перейти обратно: 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 . Бибкод : 2010NJPh...12e3025C . дои : 10.1088/1367-2630/12/5/053025 . S2CID 55748696 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Стори, Т.; Галашка, Р.; Франкель, Р.; Вольф, П. (1986). «Ферромагнетизм, индуцированный концентрацией носителей в PbSnMnTe» . Письма о физических отзывах . 56 (7): 777–779. Бибкод : 1986PhRvL..56..777S . doi : 10.1103/PhysRevLett.56.777 . ПМИД 10033282 .
- ^ ЛМК Перейра (2017). «Экспериментальная оценка происхождения разбавленного магнетизма в наноматериалах». Журнал физики D: Прикладная физика . 50 (39): 393002. Бибкод : 2017JPhD...50M3002P . дои : 10.1088/1361-6463/aa801f . S2CID 126213268 .
- ^ «Мюоны в магнитных полупроводниках» . Триумф.инфо. Архивировано из оригинала 21 ноября 2008 г. Проверено 19 сентября 2010 г.
- ^ Фукумура, Т; Тойосаки, Х; Ямада, Ю. (2005). «Магнитные оксидные полупроводники». Полупроводниковая наука и технология . 20 (4): С103–С111. arXiv : cond-mat/0504168 . Бибкод : 2005SeScT..20S.103F . дои : 10.1088/0268-1242/20/4/012 . S2CID 96727752 .
- ^ Филип, Дж.; Паннуз, А.; Ким, Б.И.; Редди, К.М.; Лейн, С.; Холмс, Джо; Сатпати, Б.; Леклер, PR; Сантос, ТС (апрель 2006 г.). «Ферромагнетизм, управляемый носителями в прозрачных оксидных полупроводниках». Природные материалы . 5 (4): 298–304. Бибкод : 2006NatMa...5..298P . дои : 10.1038/nmat1613 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 16547517 . S2CID 30009354 .
- ^ Ребигер, Ханнес; Лэни, Стефан; Цунгер, Алекс (07 июля 2008 г.). «Контроль ферромагнетизма посредством электронного легирования в In 2 O 3 : Cr». Письма о физических отзывах . 101 (2): 027203. Бибкод : 2008PhRvL.101b7203R . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.027203 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18764222 .
- ^ Киттильствед, Кевин; Шварц, Дана; Туан, Аллан; Хилд, Стив; Чемберс, Скотт; Гамелен, Дэниел (2006). «Прямая кинетическая корреляция носителей заряда и ферромагнетизма в Co2+: ZnO» . Письма о физических отзывах . 97 (3): 037203. Бибкод : 2006PhRvL..97c7203K . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.037203 . ПМИД 16907540 .
- ^ Лэни, Стефан; Ребигер, Ханнес; Зунгер, Алекс (3 июня 2008 г.). «Магнитные взаимодействия пар примесей Cr – Cr и Co – Co в ZnO в рамках подхода функционала плотности с коррекцией запрещенной зоны». Физический обзор B . 77 (24): 241201. Бибкод : 2008PhRvB..77x1201L . дои : 10.1103/PhysRevB.77.241201 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Мартинес-Бубета, К.; Бельтран, Дж.И.; Балселлс, магистр права; Константинович З.; Валенсия, С.; Шмитц, Д.; Арбиол, Дж.; Эстрада, С.; Корнил, Дж. (08 июля 2010 г.). «Ферромагнетизм в прозрачных тонких пленках MgO» (PDF) . Физический обзор B . 82 (2): 024405. Бибкод : 2010PhRvB..82b4405M . дои : 10.1103/PhysRevB.82.024405 . hdl : 2445/33086 .
- ^ Жамбуа, О.; Каррерас, П.; Энтони, А.; Бертомеу, Дж.; Мартинес-Бубета, К. (01 декабря 2011 г.). «Переключение сопротивления в прозрачных магнитных пленках MgO». Твердотельные коммуникации . 151 (24): 1856–1859. Бибкод : 2011SSCom.151.1856J . дои : 10.1016/j.ssc.2011.10.009 . hdl : 2445/50485 .
- ^ «Новый магнитный полупроводниковый материал, работающий при комнатной температуре, перспективен для устройств хранения данных в спинтронике» . КурцвейлАИ . Проверено 17 сентября 2013 г.
- ^ Ли, Ю.Ф.; Ву, Ф.; Кумар, Р.; Хант, Ф.; Шварц, Дж.; Нараян, Дж. (2013). «Эпитаксиальная интеграция разбавленного магнитного полупроводника Sr3SnO с Si (001)». Письма по прикладной физике . 103 (11): 112101. Бибкод : 2013ApPhL.103k2101L . дои : 10.1063/1.4820770 .
- ^ Чемберс, Скотт А. (2010). «Эпитаксиальный рост и свойства легированных пленок переходных металлов и сложных оксидов» . Продвинутые материалы . 22 (2): 219–248. Бибкод : 2010AdM....22..219C . дои : 10.1002/adma.200901867 . ПМИД 20217685 . S2CID 5415994 .
- ^ Франдсен, Бенджамин А.; Гун, Цзычжоу; Тербан, Максвелл В.; Банерджи, Сохам; Чен, Биджуань; Цзинь, Чанцин; Фейгенсон, Михаил; Уэмура, Ясутомо Дж.; Биллиндж, Саймон Дж.Л. (6 сентября 2016 г.). «Локальная атомная и магнитная структура разбавленного магнитного полупроводника (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2» . Физический обзор B . 94 (9): 094102. arXiv : 1608.02684 . Бибкод : 2016PhRvB..94i4102F . дои : 10.1103/PhysRevB.94.094102 . ISSN 2469-9950 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Кабот, Андреу; Пунтес, Виктор Ф.; Шевченко, Елена; Инь, Ядун; Балселлс, Луис; Маркус, Мэтью А.; Хьюз, Стивен М.; Аливисатос, А. Пол (2007). «Коалесценция вакансий при окислении наночастиц железа» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 129 (34): 10358–10360. дои : 10.1021/ja072574a . ПМИД 17676738 . S2CID 13430331 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 марта 2012 г. Проверено 20 ноября 2009 г.
- Чемберс, Скотт А. (2010). «Эпитаксиальный рост и свойства легированных пленок переходных металлов и сложных оксидов» . Продвинутые материалы . 22 (2): 219–248. Бибкод : 2010AdM....22..219C . дои : 10.1002/adma.200901867 . ПМИД 20217685 . S2CID 5415994 .