Магнитный полупроводник - Magnetic semiconductor

Смотрите также: биполярный магнитный полупроводник
Нерешенная проблема в физике :

Можно ли создавать материалы, которые проявляют свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников при комнатной температуре?

(больше нерешенных задач по физике)

Магнитные полупроводники - это полупроводниковые материалы, которые проявляют как ферромагнетизм (или аналогичный отклик), так и полезные полупроводниковые свойства. При использовании в устройствах эти материалы могут обеспечить новый тип контроля проводимости. В то время как традиционная электроника основана на контроле носителей заряда ( n- или p-типа ), практические магнитные полупроводники также позволяют управлять квантовым спиновым состоянием (вверх или вниз). Теоретически это обеспечит почти полную спиновую поляризацию (в отличие от железа и других металлов, которые обеспечивают только ~ 50% поляризации), что является важным свойством для приложений спинтроники , например спиновых транзисторов .

Хотя многие традиционные магнитные материалы, такие как магнетит , также являются полупроводниками (магнетит - это полуметаллический полупроводник с шириной запрещенной зоны 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 стали основным направлением исследований магнитных полупроводников. Они основаны на традиционных полупроводников, но легированного с переходными металлами вместо или в дополнение к ним в электронном виде активных элементов. Они представляют интерес благодаря своим уникальным свойствам спинтроники с возможными технологическими приложениями. 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 светоизлучающих диодов , в то время как TiO 2, легированный медью, в Кроме того, было предсказано, что фаза анатаза этого материала проявляет благоприятный разбавленный магнетизм.

Хидео Оно и его группа из Университета Тохоку были первыми, кто измерил ферромагнетизм в полупроводниках, легированных переходными металлами, таких как арсенид индия и арсенид галлия, легированный марганцем (последний обычно называют GaMnAs ). Эти материалы показали достаточно высокие температуры Кюри (но ниже комнатной ), которые зависят от концентрации носителей заряда p-типа . С тех пор ферромагнитные сигналы были измерены от различных полупроводниковых матриц, легированных разными переходными атомами.

Теория

Новаторская работа Dietl et al. показали, что модифицированная модель Зинера для магнетизма хорошо описывает зависимость от носителей заряда, а также анизотропные свойства GaMnAs . Та же теория предсказывала, что ферромагнетизм при комнатной температуре должен существовать в сильно легированных p-типом ZnO и GaN, легированных Co и Mn, соответственно. За этими предсказаниями последовал шквал 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 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. Аналогичным образом, было показано, что для большинства материалов на основе оксидов исследования магнитных полупроводников не демонстрируют собственного ферромагнетизма, опосредованного носителями, как постулировали Dietl et al. На сегодняшний день 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 растворимости от легирующей примеси в основном материале. Например, растворимость многих легирующих добавок в оксиде цинка достаточно высока для получения материалов в массе, в то время как некоторые другие материалы имеют настолько низкую растворимость легирующих добавок, что для их получения с достаточно высокой концентрацией легирующей добавки необходимо использовать механизмы термической неравновесности, например рост тонкие пленки .

Постоянная намагниченность наблюдалась в широком диапазоне материалов на основе полупроводников. Некоторые из них демонстрируют четкую корреляцию между концентрацией носителей заряда и намагниченностью, в том числе работа Т. Стори и его сотрудников, в которой они продемонстрировали, что ферромагнитной температурой Кюри Pb 1 − x Sn x Te, легированного Mn 2+, можно управлять с помощью концентрация носителя . Теория , предложенная Дитля требуются носители заряда в случае отверстий , чтобы опосредовать магнитную связь марганца присадками в прототипе магнитного полупроводника, Mn 2+ , легированных ионами GaAs . Если концентрация дырок в магнитном полупроводнике недостаточна, то температура Кюри будет очень низкой или будет проявляться только парамагнетизм . Однако, если концентрация дырок высока (> ~ 10 20 см -3 ), тогда температура Кюри будет выше, между 100-200 К. Однако многие из исследованных полупроводниковых материалов демонстрируют постоянную намагниченность, присущую полупроводниковому материалу-хозяину. . Много неуловимого внешнего ферромагнетизма (или фантомного ферромагнетизма ) наблюдается в тонких пленках или наноструктурированных материалах.

Ниже перечислены несколько примеров предлагаемых ферромагнитных полупроводниковых материалов. Обратите внимание, что многие из приведенных ниже наблюдений и / или прогнозов остаются предметом серьезных дискуссий.

  • Легированный марганцем арсенид индия и арсенид галлия ( GaMnAs ) с температурой Кюри около 50–100 К и 100–200 К соответственно.
  • Антимонид индия, легированный марганцем , который становится ферромагнитным даже при комнатной температуре и даже при содержании менее 1% Mn.
  • Оксидные полупроводники
    • Оксид индия, легированный марганцем и железом , ферромагнитный при комнатной температуре. Считается, что ферромагнетизм опосредуется электронами-носителями, аналогично тому, как ферромагнетизм GaMnAs опосредуется дырками-носителями.
    • Оксид цинка
      • Оксид цинка, легированный марганцем
      • оксид цинка, легированный кобальтом n-типа
      • Оксид цинка, легированный лантаноидами
    • Оксид магния :
      • Прозрачные пленки MgO p-типа с катионными вакансиями, сочетающие ферромагнетизм и многоуровневое переключение ( мемристор )
    • Диоксид титана :
    • Диоксид олова
      • Диоксид олова, легированный марганцем , с температурой Кюри при 340 K
      • Диоксид олова, легированный железом , с температурой Кюри при 340 К
      • Диоксид олова, легированный стронцием ( SrSnO
        2        ) - Разбавленный магнитный полупроводник. Может быть синтезирована эпитаксиальная тонкая пленка на кремниевом чипе.
    • Оксид европия с температурой Кюри 69 К. Температура Кюри может быть увеличена более чем вдвое за счет легирования (например, недостатка кислорода, Gd).
  • Нитридные полупроводники
    • Нитрид алюминия, легированный хромом
    • Нитрид галлия и нитрид бора, легированный марганцем
    • Нанотрубки из нитрида никеля и бора
  • (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2 : ферромагнитный полупроводник с тетрагональной средней структурой и орторомбической локальной структурой.

Рекомендации

Внешние ссылки