Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 позволят контролировать квантовое состояние спина (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 дляприложения спинтроники , например спиновые транзисторы .

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 интересны своей уникальной спинтроникой.свойства с возможными технологическими применениями. [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, ZnO , на основе DMS с такими свойствами, как прозрачность в видимой области и пьезоэлектричествах вызвала огромный интерес среди научного сообщества в качестве сильного кандидата для изготовления спиновых транзисторов и спин-поляризованных светоизлучающих диодов , [3] то время как медьБыло также предсказано, что легированный TiO 2 в фазе анатаза этого материала проявляет благоприятный разбавленный магнетизм. [4]

Хидео Оно и его группа из Университета Тохоку были первыми, кто измерил ферромагнетизм в полупроводниках, легированных переходными металлами, таких как арсенид индия [5] и арсенид галлия [6], легированный марганцем (последний обычно называют GaMnAs ). Эти материалы показали достаточно высокие температуры Кюри (но ниже комнатной ), которые масштабируются с концентрацией p-типа.носители заряда. С тех пор были измерены ферромагнитные сигналы от различных полупроводниковых матриц, легированных разными переходными атомами.

Теория [ править ]

Новаторская работа Dietl et al. показали, что модифицированная модель Зинера для магнетизма [7] хорошо описывает зависимость от носителей заряда, а также анизотропные свойства GaMnAs . Же теория также предсказал , что при комнатной температуре ферромагнетизма должна существовать в сильно р-типа , легированный ZnO и GaN , легированного 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 ранняя функциональная теория 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 исследований материалов на основе оксидов для магнитных полупроводников не обнаруживается собственный ферромагнетизм, опосредованный носителями, как постулируется Dietl et al. [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 [ править ]

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 . [10] Теория, предложенная Дитлем, требовала, чтобы носители заряда в случае дырок обеспечивали магнитную связь примесей марганца в прототипном магнитном полупроводнике Mn2+ -дегированный GaAs . Если в магнитном полупроводнике недостаточная концентрация дырок, то температура Кюри будет очень низкой или будет проявляться только парамагнетизм . Однако, если концентрация дырок высока (> ~ 10 20 см -3 ), то температура Кюри будет выше, в пределах 100–200 К. [7]. Однако многие из исследованных полупроводниковых материалов демонстрируют постоянную намагниченность, внешнюю по сравнению с полупроводниковый основной материал. [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 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. [12]
  • Оксидные полупроводники [13]
    • Оксид индия, легированный марганцем и железом , ферромагнитный при комнатной температуре. Ферромагнетизм опосредуется электронами-носителями [14] [15] аналогично тому, как ферромагнетизм GaMnAs опосредуется дырками-носителями.
    • Оксид цинка
      • Оксид цинка, легированный марганцем
      • оксид цинка, легированный кобальтом n-типа [16] [17]
      • Оксид цинка, легированный лантаноидами [18]
    • Оксид магния :
      • Прозрачные пленки MgO p-типа с катионными вакансиями [19] [20], сочетающие ферромагнетизм и многоуровневое переключение ( мемристор )
    • Диоксид титана :
      • Диоксид титана, легированный кобальтом (как рутил, так и анатаз ), ферромагнитный выше 400 K
      • Рутил , легированный хромом , ферромагнитный выше 400 K
      • Железо , легированных ионами железа рутил и анатаз , легированного, ферромагнитный при комнатной температуре
      • Медь -легированный анатаза [4]
      • Анатаз, легированный никелем
    • 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. [21] [22]
    • Оксид европия с температурой Кюри 69 К. Температуру Кюри можно повысить более чем вдвое за счет легирования (например, недостатка кислорода, Gd).
  • Нитридные полупроводники
    • Нитрид алюминия, легированный хромом [23]
    • Нитрид галлия и нитрид бора, легированные марганцем [24]
    • Нанотрубки из нитрида никеля и бора [25]
  • (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2 : ферромагнитный полупроводник с тетрагональной средней структурой и орторомбической локальной структурой. [26]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Furdyna, JK (1988). «Разбавленные магнитные полупроводники». J. Appl. Phys . 64 (4): R29. Bibcode : 1988JAP .... 64 ... 29F . DOI : 10.1063 / 1.341700 .
  2. ^ Оно, Х. (1998). "Создание ферромагнитных немагнитных полупроводников". Наука . 281 (5379): 951–5. Bibcode : 1998Sci ... 281..951O . DOI : 10.1126 / science.281.5379.951 . PMID 9703503 . 
  3. ^ Ogale, SB (2010). «Разбавить легирование, дефекты и ферромагнетизм в системах оксидов металлов». Современные материалы . 22 (29): 3125–3155. DOI : 10.1002 / adma.200903891 . PMID 20535732 . 
  4. ^ а б Ассади, Миннесота; Ханаор, ДАХ (2013). «Теоретическое исследование энергетики и магнетизма меди в полиморфных модификациях TiO 2 ». Журнал прикладной физики . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Bibcode : 2013JAP ... 113w3913A . DOI : 10.1063 / 1.4811539 . S2CID 94599250 . 
  5. ^ Munekata, H .; Оно, H .; von Molnar, S .; Сегмюллер, Армин; Чанг, LL; Есаки, Л. (1989-10-23). «Разбавленные магнитные полупроводники AIIIBV». Письма с физическим обзором . 63 (17): 1849–1852. Bibcode : 1989PhRvL..63.1849M . DOI : 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 : 1996ApPhL..69..363O . DOI : 10.1063 / 1.118061 . ISSN 0003-6951 . 
  7. ^ a b Dietl, T .; Оно, H .; Мацукура, Ф .; Cibert, J .; Ферран, Д. (февраль 2000 г.). "Описание модели Зенера ферромагнетизма в магнитных полупроводниках с цинковой обманкой" . Наука . 287 (5455): 1019–22. Bibcode : 2000Sci ... 287.1019D . DOI : 10.1126 / science.287.5455.1019 . PMID 10669409 . S2CID 19672003 .  
  8. ^ Алекс Сунгер, Стефан Лана и Ханнес Raebiger (2010). «Поиски разбавленного ферромагнетизма в полупроводниках: Теория и заблуждение» . Физика . 3 : 53. Bibcode : 2010PhyOJ ... 3 ... 53Z . DOI : 10.1103 / Physics.3.53 .
  9. ^ a b 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 . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 12/5/053025 . S2CID 55748696 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Рассказ, Т .; Gała̧zka, R .; Frankel, R .; Вольф, П. (1986). «Ферромагнетизм, индуцированный концентрацией носителей заряда в PbSnMnTe» . Письма с физическим обзором . 56 (7): 777–779. Bibcode : 1986PhRvL..56..777S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.56.777 . PMID 10033282 . 
  11. ^ LMC Перейра (2017). «Экспериментальная оценка происхождения разбавленного магнетизма в наноматериалах». Журнал физики D: Прикладная физика . 50 (39): 393002. Полномочный код : 2017JPhD ... 50M3002P . DOI : 10,1088 / 1361-6463 / aa801f .
  12. ^ «Мюоны в магнитных полупроводниках» . Triumf.info . Проверено 19 сентября 2010 .
  13. ^ Фукумура, Т; Toyosaki, H; Ямада, Y (2005). «Магнитно-оксидные полупроводники». Полупроводниковая наука и технология . 20 (4): S103 – S111. arXiv : cond-mat / 0504168 . Bibcode : 2005SeScT..20S.103F . DOI : 10.1088 / 0268-1242 / 20/4/012 . S2CID 96727752 . 
  14. ^ Филип, J .; Punnoose, A .; Ким, Б.И.; Редди, км; Layne, S .; Холмс, Джо; Satpati, B .; Леклер, PR; Сантос, Т.С. (апрель 2006 г.). «Ферромагнетизм, управляемый носителями заряда в прозрачных оксидных полупроводниках». Материалы природы . 5 (4): 298–304. Bibcode : 2006NatMa ... 5..298P . DOI : 10.1038 / nmat1613 . ISSN 1476-1122 . PMID 16547517 . S2CID 30009354 .   
  15. ^ Ребигер, Ханнес; Лани, Стефан; Зунгер, Алекс (2007-07-07). «Управление ферромагнетизмом с помощью электронного легирования в In 2 O 3 Cr». Письма с физическим обзором . 101 (2): 027203. Bibcode : 2008PhRvL.101b7203R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.101.027203 . ISSN 0031-9007 . PMID 18764222 .  
  16. ^ Киттильствед, Кевин; Шварц, Дана; Туан, Аллан; Хилд, Стив; Чемберс, Скотт; Гамелен, Даниэль (2006). «Прямая кинетическая корреляция носителей и ферромагнетизм в Co2 +: ZnO» . Письма с физическим обзором . 97 (3): 037203. Bibcode : 2006PhRvL..97c7203K . DOI : 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 функционала плотности с поправкой на запрещенную зону». Physical Review B . 77 (24). DOI : 10.1103 / PhysRevB.77.241201 . ISSN 1098-0121 . 
  18. ^ Caroena, G .; Мачадо, WVM; Хусто, JF; Ассали, LVC (2013). «Примеси лантаноидов в широкозонных полупроводниках: возможная дорожная карта для устройств спинтроники». Прил. Phys. Lett . 102 (6): 062101. arXiv : 1307.3209 . Bibcode : 2013ApPhL.102f2101C . DOI : 10.1063 / 1.4791787 . S2CID 118503030 . 
  19. ^ Мартинес-Бубета, C .; Beltrán, JI; Balcells, Ll .; Константинович, З .; Валенсия, S .; Schmitz, D .; Arbiol, J .; Estrade, S .; Корнил, Дж. (08.07.2010). «Ферромагнетизм в прозрачных тонких пленках MgO» (PDF) . Physical Review B . 82 (2): 024405. Bibcode : 2010PhRvB..82b4405M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.82.024405 . ЛВП : 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 . DOI : 10.1016 / j.ssc.2011.10.009 . ЛВП : 2445/50485 .
  21. ^ "Новый магнитный полупроводниковый материал, работающий при комнатной температуре, является многообещающим для устройств хранения данных" спинтроники " . KurzweilAI . Проверено 17 сентября 2013 .
  22. ^ Ли, YF; 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 : 2013ApPhL.103k2101L . DOI : 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. DOI : 10.1002 / adma.200901867 . PMID 20217685 . 
  24. ^ Ассали, LVC; Мачадо, WVM; Хусто, Дж. Ф. (2006). «Примеси марганца в нитриде бора». Прил. Phys. Lett . 89 (7): 072102. Bibcode : 2006ApPhL..89g2102A . DOI : 10.1063 / 1.2266930 .
  25. ^ «Гибридный магнитный полупроводник с нанотрубками из нитрида бора и никеля - новый материал для спинтроники» . САУ Омега . 5 (32): 20014–20020. 2020. DOI : 10.1021 / acsomega.0c01408 . PMC 7439259 . PMID 32832755 .   |first=отсутствует |last=( помощь )
  26. ^ Frandsen, Benjamin A .; Гун, Цзычжоу; Тербан, Максвелл У .; 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» . Physical Review B . 94 (9): 094102. arXiv : 1608.02684 . Bibcode : 2016PhRvB..94i4102F . DOI : 10.1103 / PhysRevB.94.094102 . ISSN 2469-9950 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Кабот, Андреу; Пунтес, Виктор Ф .; Шевченко, Елена; Инь, Ядун; Balcells, 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. DOI : 10.1021 / ja072574a . PMID  17676738 .
  • Чемберс, Скотт А. (2010). «Эпитаксиальный рост и свойства пленок легированных переходных металлов и сложных оксидов». Современные материалы . 22 (2): 219–248. DOI : 10.1002 / adma.200901867 . PMID  20217685 .