Магнітний напівпровідник

Магнітний напівпровідник — напівпровідниковий матеріал, що має властивості феромагнетика (або схожого на феромагнетизм відгуку). У приладах ці матеріали можуть забезпечити новий тип контролю провідності. Тоді як традиційна електроніка використовує для контролю носіїв заряду напівпровідники n- чи p-типу), практичне застосування магнітних напівпровідників дозволило б також контроль спінового стану. Це могло б в принципі забезпечити майже повну спінову поляризацію (на відміну від заліза та інших металів, що забезпечують спінову поляризацію тільки на ~50%), що було б важливим для спінтроніки, наприклад у .

Попри те, що традиційні магнітні матеріали, такі як магнетит, є часто напівровідниками (магнетит — напівметал із забороненою зоною 0,14 еВ завширшки), матеріали, що могли б насправді називатися магнітними напівровідниками і знайти широке застосування, повинні бути схожими на добре відомі напівпровідники. З огляду на це набули популярності дослідження розбавлених магнітних напівровідників або як їх ще називають напівмагнітних напівпровідників. У своїй основі це традиційні напівпровідники, леговані атомами перехідних металів замість, або додатково до звичних електронно активних домішок. Інтерес до них зумовлений тим, що вони мають унікальні властивості для спінтроніки й можуть знайти технологічне застосування. Леговані широкозонні напівпровідники на зразом оксидів металів, таких як оксид цинку (ZnO) та оксид титану (TiO₂) вважаються найкращими кандидатами для промислового застосування напівмагнітних напівпровідників завдяки своїй багатофункціональності в магнітооптичних розробках. Зокрема, напівмагнітний напівпровідник на основі ZnO прозорий в оптичному діапазоні та проявляє п'єзоелектричні властивості, завдяки чому збудив значний інтерес як сильний кандидат матеріалу дя спінових транзисторів та спін-поляризованих світлодіодів, тоді як легований міддю TiO₂ в анатазній фазі також, як передбачають, є перспективним напівмагнітним напівпровідником.

з колегами з Університету Тохоку першими виміряли феромагнетизм у легованих перехідними металами традиційних напівпровідниках на зразок арсеніду індію та арсеніду галію з домішкою Мангану (^[en]). Ці матеріали мали доволі високу температуру Кюрі (хоча все ще нижче кімнатної), що росла з концентацією дірок. Відтоді, феромагнітний відгук знайшли в різних інших напівпровідниках, легованих різними іншими перехідними металами.

Теорія

Дітль з колегами передбачили вперше теоретично в модифікованій моделі Зенера, що феромагнетизм при кімнатній температурі повинен існувати в сильно легованому ZnO p-типу. Оскільки магнітний Co добре розчиняється в ZnO, система ZnO:Co найбільше вивчалася в застосуваннях, що вимагали феромагнетизм при кімнатній температурі. Новіші розрахунки з використанням теорії функціоналу густини and experimental, показали, що в ZnO n-типу, легованому кобальтом теж повинен спостерігатися феромагнетизм при кімнатній температурі. Також вивчався ZnO легований іншими перехідними металами: Ванадієм, Манганом та міддю.

Матеріали

Технологія виготовлення напівмагнітних напівпровідників залежить від розчинності домішок в основному матеріалі в умовах термічної рівноваги. Наприклад, розчинність багатьох домішок в оксиді цинку достатня для виготовлення матеріалу в об'ємі, тоді як інші матеріали мають настільки малу розчинність домішок, що приготування зразків із достатньою концентрацією домішок вимагає нерівноважних умов, наприклад вирощування тонких плівок.

Лавина досліджень в останні роки пролила світло на важливі фактори, необхідні для отримання напівмагнітних напівпровідників із високою температурою Кюрі (кімнатні температури й вище) й змогла прояснити неоднозначність результатів та погану відтворюваність магнітних власливостей одного й того ж матеріалу. Справді, перше значне відкриття в цій області належало Т. Сторі зі співробітниками, які показали, що температуру Кюрі легованого манганом Pb_1−xSn_xTe можна контролювати густиною носіїв заряду. Теорія Дітля вимагала від носіїв заряду, в конкретному випадку дірок, відігравати роль посередника в утворенні магнітного зв'язку між домішками мангану в прототипному напівмагнітному напівпровіднику — легованому мангаром арсеніді галію. Якщо концентрація дірок в магнітному напівпровіднику недостатня, температура Кюрі буде дуже низькою або матеріал буде парамагнітним. Однак, коли концентрація дірок висока (~10²⁰ cm⁻³), температура Кюрі зросте до 100-200 K.

Новітні дослідження групи Деніела Геймліна з Вашингтонського університету пролили світло на важливість, наприклад, міжвузлових атомів цинку (мілкого донора) для досягнення феромагнетизму у легованому кобальтом ZnO з високим значенням температури Кюрі.

Приклади напівмагнітних напівпровідникових матеріалів включають:

• Леговані манганом арсенід індію та арсенід галію (GaMnAs) з температурами Кюрі в діапазонах 50–100 K та 100–200 K, відповідно.
• Легований манганом , що стає феромагнітним навіть при кімнатній температурі, і навіть при концентрації мангану меншій від 1%.
• Оксиди
  • Легований манганом та залізом , феромагнітний при кімнатній температурі
  • Оксид цинку
    • Легований манганом оксид цинку
    • Легований кобальтом оксид цинку n-типу
  • Оксид магнію:
    • Прозорі плівки MgO p-type з оксигенними вакансіями, водночас феромагнетики та мемристори з кількома рівнями перемикань.
  • Діоксид титану:
    • Легований кобальтом діоксид титану (як рутил так і анатаз), феромагнетик при температурах понад 400 K.
    • Легований хромом рутил, феромагнетик при температурах понад 400 K.
    • Легований залізом рутил та легований залізом анатаз, феромагнетики при кімнатній температурі.
    • Легований міддю анатаз
    • Легований нікелем анатаз
  • • Легований манганом діоксид олова, температура Кюрі 340 K
    • Легований залізом , температура Кюрі 340 K
    • Легований стронцієм діоксид олова SrSnO₂ — напівмагнітний напівпровідник. Синтезується у вигляді епітаксіальної тонкої плівки на кремнієвій підкладці.
  • , температура Кюрі 69 K. Її можна збільшити вдвічі легуванням (наприклад, кисневими вакансіями, гадолінієм).

• Нітриди
  • Легований хромом .

Виноски

1. Furdyna, J.K. (1988). Diluted magnetic semiconductors. J. Appl. Phys. 64: R29. doi:10.1063/1.341700.
2. Ohno, H. (1998). Making Nonmagnetic Semiconductors Ferromagnetic. Science. 281: 951. doi:10.1126/science.281.5379.951.
3. Ogale, S.B (2010). Dilute doping, defects, and ferromagnetism in metal oxide systems. Advanced Materials. 22 (29): 3125–3155. doi:10.1002/adma.200903891.
4. Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H (2013). Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO₂ polymorphs (PDF). Journal of Applied Physics. 113 (23): 233913. doi:10.1063/1.4811539. Архів оригіналу (PDF) за 4 червня 2019. Процитовано 18 квітня 2017.
5. Dietl, T.; Ohno, H.; Matsukura, F.; Cibert, J.; Ferrand, D. (February 2000). Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors. Science. 287: 1019. doi:10.1126/science.287.5455.1019. PMID 10669409.
6. Pearton, S.J.; Abernathy, C.R.; Overberg, M.E.; Thaler, G.T.; Norton, D.P.; Theodoropoulou, N.; Hebard, A.F.; Park, Y.D.; Ren, F.; Kim, J.; Boatner, L.A. (2003). Wide band gap ferromagnetic semiconductors and oxides. J. Appl. Phys. 93 (1): 1—13. doi:10.1063/1.1517164.
7. Sato, K.; Katayama-Yoshida, H. (2000). Material Design for Transparent Ferromagnets with ZnO-Based Magnetic Semiconductors. Jap. J. Appl. Phys. 39: L555. doi:10.1143/jjap.39.l555.
8. Sato, K.; Katayama-Yoshida, H. (2001). Stabilization of Ferromagnetic States by Electron Doping in Fe-, Co- or Ni-Doped ZnO. Jap. J. Appl. Phys. 40: L334. doi:10.1143/jjap.40.l334.
9. Ueda, K.; Tabata, H.; Kawai, T. (2001). Magnetic and electric properties of transition-metal-doped ZnO films. Appl. Phys. Lett. 79: 988. doi:10.1063/1.1384478.
10. Prellier, W.; Fouchet, A.; Mercey, B.; Ch; Raveau, B. (2003). Laser ablation of Co:ZnO films deposited from Zn and Co metal targets on (0001) Al2O3 substrates. Appl. Phys. Lett. 82: 3490. doi:10.1063/1.1578183.
11. Story, T.; Gała̧zka, R.; Frankel, R.; Wolff, P. (1986). Carrier-concentration–induced ferromagnetism in PbSnMnTe. Physical Review Letters. 56 (7): 777. Bibcode:1986PhRvL..56..777S. doi:10.1103/PhysRevLett.56.777. PMID 10033282.
12. Dietl, T.; Ohno, H; Matsukura, F; Cibert, J; Ferrand, D (2000). Zener Model Description of Ferromagnetism in Zinc-Blende Magnetic Semiconductors. Science. 287 (5455): 1019—1022. Bibcode:2000Sci...287.1019D. doi:10.1126/science.287.5455.1019. PMID 10669409.
13. Kittilstved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Heald, Steve; Chambers, Scott; Gamelin, Daniel (2006). Direct Kinetic Correlation of Carriers and Ferromagnetism in Co2+:  ZnO. Physical Review Letters. 97 (3). Bibcode:2006PhRvL..97c7203K. doi:10.1103/PhysRevLett.97.037203.
14. Green pigment spins chip promise. BBC News. 9 серпня 2006. Архів оригіналу за 6 серпня 2017. Процитовано 19 вересня 2010.
15. Muons in Magnetic Semiconductors. Triumf.info. Архів оригіналу за 21 листопада 2008. Процитовано 19 вересня 2010.
16. Fukumura, T; Toyosaki, H; Yamada, Y (2005). Magnetic oxide semiconductors. Semiconductor Science and Technology. 20 (4): S103—S111. arXiv:cond-mat/0504168. Bibcode:2005SeScT..20S.103F. doi:10.1088/0268-1242/20/4/012.
17. Martínez-Boubeta, C.; Beltrán, J. I.; Balcells, Ll.; Konstantinović, Z.; Valencia, S.; Schmitz, D.; Arbiol, J.; Estrade, S.; Cornil, J. (8 липня 2010). Ferromagnetism in transparent thin films of MgO. Physical Review B. 82 (2): 024405. Bibcode:2010PhRvB..82b4405M. doi:10.1103/PhysRevB.82.024405.
18. Jambois, O.; Carreras, P.; Antony, A.; Bertomeu, J.; Martínez-Boubeta, C. (1 грудня 2011). Resistance switching in transparent magnetic MgO films. Solid State Communications. 151 (24): 1856—1859. Bibcode:2011SSCom.151.1856J. doi:10.1016/j.ssc.2011.10.009.
19. New room-temperature magnetic semiconductor material holds promise for ‘spintronics’ data-storage devices. KurzweilAI. Архів оригіналу за 17 травня 2017. Процитовано 17 вересня 2013.
20. Lee, Y. F.; Wu, F.; Kumar, R.; Hunte, F.; Schwartz, J.; Narayan, J. (2013). Epitaxial integration of dilute magnetic semiconductor Sr3SnO with Si (001). Applied Physics Letters. 103 (11): 112101. Bibcode:2013ApPhL.103k2101L. doi:10.1063/1.4820770.
21. Chambers, Scott A. (2010). Epitaxial Growth and Properties of Doped Transition Metal and Complex Oxide Films. Advanced Materials. 22 (2): 219—248. doi:10.1002/adma.200901867. PMID 20217685.