Магнитный полупроводник

Тип функционального полупроводникового оксида

Нерешенная задача по физике :

Можно ли создать материалы, которые будут проявлять свойства как ферромагнетиков, так и полупроводников при комнатной температуре?

(еще нерешенные проблемы по физике)

Магнитные полупроводники — это полупроводниковые материалы , которые проявляют как ферромагнетизм (или подобную реакцию), так и полезные полупроводниковые свойства. При внедрении в устройства эти материалы могли бы обеспечить новый тип управления проводимостью. В то время как традиционная электроника основана на управлении носителями заряда ( n- или p-типа ), практические магнитные полупроводники также позволили бы управлять квантовым спиновым состоянием (вверх или вниз). Это теоретически обеспечило бы 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 .

В то время как многие традиционные магнитные материалы, такие как магнетит , также являются полупроводниками (магнетит — полуметаллический полупроводник с шириной запрещенной зоны 0,14 эВ), специалисты по материалам 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 полупроводниках, но легированы переходными металлами вместо или в дополнение к электронно-активным элементам. Они представляют интерес из-за своих уникальных свойств спинтроники 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 промышленных DMS из-за их многофункциональности в оптомагнитных 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 TiO ₂ , легированный медью в анатазной фазе этого материала, как было предсказано, будет демонстрировать благоприятный разбавленный магнетизм. ^[4]

Хидео Оно и его группа в Университете Тохоку были первыми, кто измерил ферромагнетизм в легированных переходными металлами полупроводниковых соединениях, 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 температуры ), которые масштабируются с концентрацией носителей заряда p-типа . С тех пор ферромагнитные сигналы измерялись от различных полупроводниковых хозяев, легированных различными переходными атомами.

Теория

Новаторская работа Дитла и др. показала, что модифицированная модель Зинера для магнетизма ^[7] хорошо описывает зависимость носителей заряда, а также анизотропные свойства GaMnAs . Та же теория также предсказывала, что ферромагнетизм при комнатной температуре должен существовать в сильно легированных p-типа ZnO и GaN, легированных Co и Mn соответственно. Эти предсказания последовали за шквалом теоретических и экспериментальных исследований различных оксидных и нитридных полупроводников, которые, по-видимому, подтверждали ферромагнетизм при комнатной температуре практически в любом полупроводниковом или диэлектрическом материале, сильно легированном примесями переходных металлов . Однако ранние исследования теории функционала плотности (DFT) были затуманены 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 материалов на основе оксидов исследования магнитных полупроводников не демонстрируют собственного ферромагнетизма , обусловленного носителями заряда, как постулировали Дитл 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

Технологичность материалов зависит от термически равновесной растворимости легирующей примеси в базовом материале. Например, растворимость многих легирующих примесей в оксиде цинка достаточно высока для приготовления материалов в больших объемах, в то время как некоторые другие материалы имеют настолько низкую растворимость легирующих примесей, что для их приготовления с достаточно высокой концентрацией легирующей примеси необходимо использовать термически неравновесные механизмы приготовления, например, выращивание тонких пленок .

Постоянная намагниченность наблюдалась в широком спектре материалов на основе полупроводников. Некоторые из них демонстрируют четкую корреляцию между плотностью носителей и намагниченностью, включая работу Т. Стори и соавторов, где они продемонстрировали, что ферромагнитная температура Кюри легированного Mn ²⁺ Pb _1−x Sn _x Te может контролироваться концентрацией носителей . ^[10] Теория, предложенная Дитлом, требовала, чтобы носители заряда в случае дырок опосредовали магнитную связь легирующих примесей марганца в прототипическом магнитном полупроводнике, легированном Mn ²⁺ GaAs . Если в магнитном полупроводнике недостаточная концентрация дырок, то температура Кюри будет очень низкой или будет проявлять только парамагнетизм . Однако, если концентрация дырок высока (>~10 ²⁰ см ⁻³ ), то температура Кюри будет выше, между 100 и 200 К. ^[7] Однако многие из изученных полупроводниковых материалов демонстрируют постоянную намагниченность, присущую основному материалу полупроводника. ^[9] Значительная часть 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 наблюдений и/или предсказаний ниже остаются предметом серьезных споров.

• Арсенид индия и арсенид галлия, легированные марганцем ( 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 Mn менее 1%. ^[12]
• Оксидные полупроводники ^[13]
  • Оксид индия , легированный марганцем и железом , ферромагнитный при комнатной температуре. Ферромагнетизм, по-видимому, опосредован носителями-электронами, ^{[14] [15]} аналогично тому, как ферромагнетизм GaMnAs опосредован носителями-дырками.
  • Оксид цинка
    • Оксид цинка , легированный марганцем
    • Оксид цинка , легированный кобальтом n-типа ^{[16] [17]}
  • Оксид магния :
    • Прозрачные пленки MgO p-типа с катионными вакансиями, ^{[18] [19],} сочетающие ферромагнетизм и многоуровневое переключение ( мемристор )
  • Диоксид титана :
    • Диоксид титана , легированный кобальтом (как рутил , так и анатаз ), ферромагнитный выше 400 К
    • Рутил , легированный хромом , ферромагнитный выше 400 К
    • Рутил, легированный железом , и анатаз, легированный железом, ферромагнитны при комнатной температуре
    • Анатаз, легированный медью ^[4]
    • Анатаз, легированный никелем
  • Диоксид олова
    • Диоксид олова, легированный марганцем , с температурой Кюри 340 К
    • Диоксид олова , легированный железом , с температурой Кюри 340 К
    • Диоксид олова, легированный стронцием ( SrSnO
      ₂) – Разбавленный магнитный полупроводник. Может быть синтезирован эпитаксиальной тонкой пленкой на кремниевом чипе. ^{[20] [21]}
  • Оксид европия(II) с температурой Кюри 69 К. Температура Кюри может быть увеличена более чем вдвое путем легирования (например, дефицитом кислорода, Gd).
• Нитридные полупроводники
  • Нитрид алюминия, легированный хромом ^[22]
• (Ba,K)(Zn,Mn) ₂ As ₂ : Ферромагнитный полупроводник с тетрагональной средней структурой и орторомбической локальной структурой. ^[23]

Ссылки

1. Furdyna, JK (1988). "Разбавленные магнитные полупроводники". J. Appl. Phys . 64 (4): R29. Bibcode : 1988JAP....64...29F. doi : 10.1063/1.341700.
2. Ohno, H. (1998). «Превращение немагнитных полупроводников в ферромагнитные». Science . 281 (5379): 951–5. Bibcode :1998Sci...281..951O. doi :10.1126/science.281.5379.951. PMID  9703503.
3. Огале, СБ (2010). «Разбавленное легирование, дефекты и ферромагнетизм в системах оксидов металлов». Advanced Materials . 22 (29): 3125–3155. Bibcode : 2010AdM....22.3125O. doi : 10.1002/adma.200903891. PMID  20535732. S2CID  25307693.
4. Assadi, MHN; Hanaor, DAH (2013). «Теоретическое исследование энергетики и магнетизма меди в полиморфах TiO _{2 ».} Журнал прикладной физики . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Bibcode : 2013JAP...113w3913A. doi : 10.1063/1.4811539. S2CID  94599250.
5. Мунеката, Х.; Оно, Х.; фон Молнар, С.; Сегмюллер, Армин; Чанг, Л.; Эсаки, Л. (1989-10-23). ​​«Разбавленные магнитные полупроводники III-V». Physical Review Letters . 63 (17): 1849–1852. Bibcode : 1989PhRvL..63.1849M. doi : 10.1103/PhysRevLett.63.1849. ISSN  0031-9007. PMID  10040689.
6. Ohno, H.; Shen, A.; Matsukura, F.; Oiwa, A.; Endo, A.; Katsumoto, S.; Iye, Y. (1996-07-15). "(Ga,Mn)As: новый разбавленный магнитный полупроводник на основе GaAs". Applied Physics Letters . 69 (3): 363–365. Bibcode : 1996ApPhL..69..363O. doi : 10.1063/1.118061. ISSN  0003-6951.
7. Dietl, T.; Ohno, H.; Matsukura, F.; Cibert, J.; Ferrand, D. (февраль 2000 г.). "Описание модели Зенера ферромагнетизма в цинковых обманках магнитных полупроводников". Science . 287 (5455): 1019–22. Bibcode :2000Sci...287.1019D. doi :10.1126/science.287.5455.1019. PMID  10669409. S2CID  19672003.
8. Алекс Цунгер, Стефан Лани и Ханнес Рэбигер (2010). «Поиск разбавленного ферромагнетизма в полупроводниках: Руководства и заблуждения теории». Физика . 3 : 53. Bibcode : 2010PhyOJ...3...53Z. doi : 10.1103/Physics.3.53 .
9. JMD Coey, P. Stamenov, RD Gunning, M. Venkatesan и K. Paul (2010). "Ферромагнетизм в дефектных оксидах и родственных материалах". New Journal of Physics . 12 (5): 053025. arXiv : 1003.5558 . Bibcode : 2010NJPh...12e3025C. doi : 10.1088/1367-2630/12/5/053025. S2CID  55748696.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
10. Стори, Т.; Галацка, Р.; Франкель, Р.; Вольф, П. (1986). «Ферромагнетизм в PbSnMnTe, индуцированный концентрацией носителей заряда». Physical Review Letters . 56 (7): 777–779. Bibcode :1986PhRvL..56..777S. doi :10.1103/PhysRevLett.56.777. PMID  10033282.
11. LMC Pereira (2017). «Экспериментальная оценка происхождения разбавленного магнетизма в наноматериалах». Journal of Physics D: Applied Physics . 50 (39): 393002. Bibcode : 2017JPhD...50M3002P. doi : 10.1088/1361-6463/aa801f. S2CID  126213268.
12. "Мюоны в магнитных полупроводниках". Triumf.info. Архивировано из оригинала 2008-11-21 . Получено 2010-09-19 .
13. Фукумура, Т; Тоёсаки, Х; Ямада, И (2005). «Магнитные 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. Philip, J.; Punnoose, A.; Kim, BI; Reddy, KM; Layne, S.; Holmes, JO; Satpati, B.; LeClair, PR; Santos, TS (апрель 2006 г.). "Контролируемый носителями ферромагнетизм в прозрачных оксидных полупроводниках". Nature Materials . 5 (4): 298–304. Bibcode :2006NatMa...5..298P. doi :10.1038/nmat1613. ISSN  1476-1122. PMID  16547517. S2CID  30009354.
15. Raebiger, Hannes; Lany, Stephan; Zunger, Alex (2008-07-07). "Управление ферромагнетизмом с помощью электронного легирования в In 2 O 3 : Cr". Physical Review Letters . 101 (2): 027203. Bibcode : 2008PhRvL.101b7203R. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.027203. ISSN  0031-9007. PMID  18764222.
16. Kittilstved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Heald, Steve; Chambers, Scott; Gamelin, Daniel (2006). "Прямая кинетическая корреляция носителей и ферромагнетизма в Co2+: ZnO". Physical Review Letters . 97 (3): 037203. Bibcode : 2006PhRvL..97c7203K. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.037203. PMID  16907540.
17. Лэни, Стефан; Рэбигер, Ханнес; Цунгер, Алекс (2008-06-03). "Магнитные взаимодействия примесных пар Cr − Cr и Co − Co в ZnO в рамках подхода функционала плотности с поправкой на ширину запрещенной зоны". Physical Review B . 77 (24): 241201. Bibcode :2008PhRvB..77x1201L. doi :10.1103/PhysRevB.77.241201. ISSN  1098-0121.
18. Мартинес-Бубета, К.; Бельтран, Дж.И.; Балселлс, магистр права; Константинович З.; Валенсия, С.; Шмитц, Д.; Арбиол, Дж.; Эстрада, С.; Корнил, Дж. (8 июля 2010 г.). «Ферромагнетизм в прозрачных тонких пленках MgO» (PDF) . Физический обзор B . 82 (2): 024405. Бибкод : 2010PhRvB..82b4405M. doi : 10.1103/PhysRevB.82.024405. hdl : 2445/33086 .
19. 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 .
20. "Новый магнитный полупроводниковый материал комнатной температуры является многообещающим для устройств хранения данных "спинтроники"". KurzweilAI . Получено 2013-09-17 .
21. Ли, YF; Ву, Ф.; Кумар, Р.; Хант, Ф.; Шварц, Дж.; Нараян, Дж. (2013). «Эпитаксиальная интеграция разбавленного магнитного полупроводника Sr3SnO с Si (001)». Applied Physics Letters . 103 (11): 112101. Bibcode : 2013ApPhL.103k2101L. doi : 10.1063/1.4820770.
22. Чемберс, Скотт А. (2010). «Эпитаксиальный рост и свойства легированных переходных металлов и сложных оксидных пленок». Advanced Materials . 22 (2): 219–248. Bibcode : 2010AdM....22..219C. doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID  20217685. S2CID  5415994.
23. 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

• 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. PMID  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 переходных металлов и сложных оксидных пленок». Advanced Materials . 22 (2): 219–248. Bibcode :2010AdM....22..219C. doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID  20217685. S2CID  5415994.