Magnetický polovodič - Magnetic semiconductor
Nevyřešený problém ve fyzice: Můžeme vyrábět materiály, které vykazují vlastnosti feromagnetů i polovodičů při pokojové teplotě? (více nevyřešených problémů ve fyzice) |
Magnetické polovodiče jsou polovodičové materiály které vykazují obojí feromagnetismus (nebo podobná odpověď) a užitečné polovodič vlastnosti. Pokud by byly tyto materiály implementovány do zařízení, mohly by poskytnout nový typ řízení vedení. Zatímco tradiční elektronika je založena na ovládání přepravci poplatků (n- nebo p-typ ), praktické magnetické polovodiče by také umožňovaly řízení kvanta stav odstředění (nahoru nebo dolů). To by teoreticky poskytlo téměř součet polarizace spinů (naproti tomu žehlička a další kovy, které poskytují pouze ~ 50% polarizaci), což je důležitá vlastnost spintronika aplikace, např. spinové tranzistory.
Zatímco mnoho tradičních magnetických materiálů, jako např magnetit, jsou také polovodiče (magnetit je a půlměsíc polovodič s bandgap 0,14 eV), vědci o materiálech obecně předpovídají, že magnetické polovodiče najdou široké použití, pouze pokud budou podobné dobře vyvinutým polovodičovým materiálům. Do toho konce, zředěné magnetické polovodiče (DMS) byly v poslední době hlavním zaměřením výzkumu magnetických polovodičů. Jsou založeny na tradičních polovodičích, ale jsou dopovaný s přechodné kovy místo nebo navíc k elektronicky aktivním prvkům. Zajímají se o jejich jedinečnost spintronika vlastnosti s možnými technologickými aplikacemi.[1][2] Dopoval Široká propast pásma oxidy kovů, jako jsou oxid zinečnatý (ZnO) a oxid titaničitý (TiO2) patří mezi nejlepší kandidáty na průmyslové DMS díky své multifunkčnosti v optikomagnetické aplikace. Zejména DMS na bázi ZnO s vlastnostmi, jako je průhlednost ve vizuální oblasti a piezoelektřina vyvolaly obrovský zájem vědecké komunity jako silného kandidáta na výrobu spinové tranzistory a spinově polarizované diody vyzařující světlo,[3] zatímco měď dopovaný TiO2 v anatase Dále se předpokládá, že fáze tohoto materiálu bude vykazovat příznivý zředěný magnetismus.[4]
Hideo Ohno a jeho skupina u Tohoku University byli první, kdo měřil feromagnetismus v přechodovém kovu dopovaný složené polovodiče jako arsenid india[5] a galium arsenid[6] dopovaný mangan (druhý se běžně označuje jako GaMnAs ). Tyto materiály vykazovaly přiměřeně vysokou hodnotu Curieovy teploty (ještě níže pokojová teplota ), které se mění s koncentrací p-typ přepravci poplatků. Od té doby byly feromagnetické signály měřeny od různých polovodičových hostitelů dopovaných různými atomy přechodu.
Teorie
Průkopnická práce Dietla et al. ukázal, že upravený Zenerův model pro magnetismus[7] dobře popisuje závislost na nosiči, stejně jako anizotropní vlastnosti GaMnAs Stejná teorie také předpovídala tuto pokojovou teplotu feromagnetismus by měl existovat ve velké míře p-typ dopovaný ZnO a GaN dotované Co, respektive Mn. Tyto předpovědi byly sledovány přívalem teoretických a experimentálních studií různých oxidových a nitridových polovodičů, které zjevně potvrdily feromagnetismus při pokojové teplotě téměř v jakémkoli polovodičovém nebo izolačním materiálu silně dopovaném přechodový kov nečistoty. Avšak brzy Teorie funkční hustoty Studie (DFT) byly zatemněny chybami mezer v pásmu a příliš delokalizovanými úrovněmi defektů a pokročilejší studie DFT vyvracejí většinu předchozích předpovědí feromagnetismu.[8]Podobně bylo prokázáno, že pro většinu materiálů na bázi oxidů magnetické polovodiče nevykazují vlastní zprostředkovaný dopravcem feromagnetismus, jak předpokládal Dietl et al.[9]K datu, GaMnAs zůstává jediným polovodičovým materiálem s robustní koexistencí feromagnetismu přetrvávajícího až do poměrně vysokých teplot Curie kolem 100–200 K.
Materiály
tento článek potřebuje další citace pro ověření.Červenec 2007) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |
Vyrobitelnost materiálů závisí na tepelné rovnováze rozpustnost z dopant v základním materiálu. Např. Rozpustnost mnoha dopantů v oxid zinečnatý je dostatečně vysoká pro hromadnou přípravu materiálů, zatímco některé jiné materiály mají tak nízkou rozpustnost dopantů, že k jejich přípravě s dostatečně vysokou koncentrací dopantu je třeba použít termální nerovnovážné mechanismy přípravy, např. růst tenké filmy.
Trvalá magnetizace byla pozorována u široké řady materiálů na bázi polovodičů. Některé z nich vykazují jasnou korelaci mezi koncentrace nosiče a magnetizace, včetně práce T. Příběh a spolupracovníci, kde prokázali, že feromagnetická Curieova teplota Mn2+ -doped Pb1 − xSnXTe lze ovládat pomocí koncentrace nosiče.[10] Teorie navržená Dietlem vyžadována přepravci poplatků v případě díry zprostředkovat magnetická vazba manganu dopující látky v prototypu magnetického polovodiče, Mn2+-doped GaAs. Pokud v magnetickém polovodiči není dostatečná koncentrace díry, pak Curieova teplota by byla velmi nízká nebo by se jen vystavovala paramagnetismus. Pokud je však koncentrace díry vysoká (> ~ 1020 cm−3), poté Curieova teplota by byla vyšší, mezi 100–200 K.[7] Mnoho studovaných polovodičových materiálů však vykazuje permanentní magnetizaci vnější k polovodičovému hostitelskému materiálu.[9]Mnoho nepolapitelného vnějšího feromagnetismu (nebo fantomový feromagnetismus) je pozorován u tenkých vrstev nebo nanostrukturovaných materiálů.[11]
Níže je uvedeno několik příkladů navrhovaných feromagnetických polovodičových materiálů. Všimněte si, že mnoho níže uvedených pozorování a / nebo předpovědí zůstává velmi diskutovaných.
- Mangan -doped arsenid india a galium arsenid (GaMnAs ), s Curieovou teplotou kolem 50–100 K, respektive 100–200 K
- Manganem dopovaný antimonid india, který se stává feromagnetickým i při pokojové teplotě a dokonce s méně než 1% Mn.[12]
- Oxidové polovodiče[13]
- Mangan a žehlička -doped oxid india, feromagnetický při pokojové teplotě. Feromagnetické papíry, které mají být zprostředkovány nosnými elektrony,[14][15] podobným způsobem jako GaMnAs feromagnetismus je zprostředkován nosnými otvory.
- Oxid zinečnatý
- Manganem dopovaný oxid zinečnatý
- n-typ kobaltem dopovaný oxid zinečnatý[16][17]
- Oxid zinečnatý dopovaný lanthanidem[18]
- Oxid hořečnatý:
- Oxid titaničitý:
- Oxid cínatý
- Manganem dopovaný oxid cínatý, s Curieovou teplotou na 340 K.
- Dopovaný železem oxid cínatý, s Curieovou teplotou na 340 K.
- Strontiem dopovaný oxid cínatý (SrSnO
2) - Zředěný magnetický polovodič. Může být syntetizován epitaxiální tenký film na křemíkovém čipu.[21][22]
- Oxid evropský, s Curieovou teplotou 69 K. Teplota curie může být více než zdvojnásobena dopingem (např. Nedostatek kyslíku, Gd).
- Nitrid polovodiče
- Chrom dopovaný nitrid hliníku[23]
- Manganem dotovaný nitrid gália a nitrid boru[24]
- (Ba, K) (Zn, Mn)2Tak jako2: Feromagnetický polovodič s tetragonální průměrnou strukturou a ortorombickou lokální strukturou.[25]
Reference
- ^ Furdyna, J.K. (1988). "Zředěné magnetické polovodiče". J. Appl. Phys. 64 (4): R29. Bibcode:1988JAP .... 64 ... 29F. doi:10.1063/1.341700.
- ^ Ohno, H. (1998). "Výroba nemagnetických polovodičů feromagnetickými". Věda. 281 (5379): 951–5. Bibcode:1998Sci ... 281..951O. doi:10.1126 / science.281.5379.951. PMID 9703503.
- ^ Ogale, S.B (2010). "Zředit doping, defekty a feromagnetismus v systémech oxidů kovů". Pokročilé materiály. 22 (29): 3125–3155. doi:10.1002 / adma.200903891. PMID 20535732.
- ^ A b Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H (2013). „Teoretické studium energetiky a magnetismu mědi v TiO2 polymorfy ". Journal of Applied Physics. 113 (23): 233913–233913–5. arXiv:1304.1854. Bibcode:2013JAP ... 113w3913A. doi:10.1063/1.4811539.
- ^ Munekata, H .; Ohno, H .; von Molnar, S .; Segmüller, Armin; Chang, L. L .; Esaki, L. (1989-10-23). "Zředěné magnetické polovodiče III-V". Dopisy o fyzické kontrole. 63 (17): 1849–1852. Bibcode:1989PhRvL..63,1849M. doi:10.1103 / PhysRevLett.63.1849. ISSN 0031-9007. PMID 10040689.
- ^ Ohno, H .; Shen, A .; Matsukura, F .; Oiwa, A .; Endo, A .; Katsumoto, S .; Iye, Y. (1996-07-15). „(Ga, Mn) As: Nový zředěný magnetický polovodič založený na GaAs“. Aplikovaná fyzikální písmena. 69 (3): 363–365. Bibcode:1996ApPhL..69..363O. doi:10.1063/1.118061. ISSN 0003-6951.
- ^ A b Dietl, T .; Ohno, H .; Matsukura, F .; Cibert, J .; Ferrand, D. (únor 2000). "Zenerův popis modelu feromagnetismu v magnetických polovodičích se zinkovou směsí". Věda. 287 (5455): 1019–22. Bibcode:2000Sci ... 287.1019D. doi:10.1126 / science.287.5455.1019. PMID 10669409.
- ^ Alex Zunger, Stephan Lany a Hannes Raebiger (2010). „Pátrání po zředěném feromagnetismu v polovodičích: vodítka a chybná vodítka podle teorie“. Fyzika. 3: 53. Bibcode:2010PhyOJ ... 3 ... 53Z. doi:10.1103 / Fyzika.3.53.
- ^ A b J. M. D. Coey, P. Stamenov, R. D. Gunning, M. Venkatesan a K. Paul (2010). „Feromagnetismus v oxidech způsobených vadami a souvisejících materiálech“. New Journal of Physics. 12 (5): 053025. arXiv:1003.5558. Bibcode:2010NJPh ... 12e3025C. doi:10.1088/1367-2630/12/5/053025.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
- ^ Story, T .; Gała̧zka, R .; Frankel, R .; Wolff, P. (1986). „Ferromagnetismus vyvolaný koncentrací nosičů v PbSnMnTe“. Dopisy o fyzické kontrole. 56 (7): 777–779. Bibcode:1986PhRvL..56..777S. doi:10.1103 / PhysRevLett. 56777. PMID 10033282.
- ^ L. M. C. Pereira (2017). "Experimentální hodnocení původu zředěného magnetismu v nanomateriálech". Journal of Physics D: Applied Physics. 50 (39): 393002. Bibcode:2017JPhD ... 50M3002P. doi:10.1088 / 1361-6463 / aa801f.
- ^ „Muony v magnetických polovodičích“. Triumf.info. Citováno 2010-09-19.
- ^ Fukumura, T; Toyosaki, H; Yamada, Y (2005). "Magnetické oxidové polovodiče". Polovodičová věda a technologie. 20 (4): S103 – S111. arXiv:cond-mat / 0504168. Bibcode:2005SeScT..20S.103F. doi:10.1088/0268-1242/20/4/012.
- ^ Philip, J .; Punnoose, A .; Kim, B. I .; Reddy, K. M .; Layne, S .; Holmes, J. O .; Satpati, B .; LeClair, P. R .; Santos, T. S. (duben 2006). "Feromagnetismus řízený nosičem v průhledných oxidových polovodičích". Přírodní materiály. 5 (4): 298–304. Bibcode:2006NatMa ... 5..298P. doi:10.1038 / nmat1613. ISSN 1476-1122. PMID 16547517.
- ^ Raebiger, Hannes; Lany, Stephan; Zunger, Alex (07.07.2008). "Řízení feromagnetismu pomocí dopování elektronů v In 2 O 3 ∶ Cr". Dopisy o fyzické kontrole. 101 (2): 027203. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.027203. ISSN 0031-9007. PMID 18764222.
- ^ Kitt Whileved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Heald, Steve; Chambers, Scott; Gamelin, Daniel (2006). „Přímá kinetická korelace nosičů a feromagnetismu v Co2 +: ZnO“. Dopisy o fyzické kontrole. 97 (3): 037203. Bibcode:2006PhRvL..97c7203K. doi:10.1103 / PhysRevLett.97.037203. PMID 16907540.
- ^ Lany, Stephan; Raebiger, Hannes; Zunger, Alex (06.06.2008). "Magnetické interakce párů nečistot Cr - Cr a Co - Co v ZnO v rámci funkčního přístupu s hustotou korigovanou na pásmovou mezeru". Fyzický přehled B. 77 (24). doi:10.1103 / PhysRevB.77.241201. ISSN 1098-0121.
- ^ Caroena, G .; Machado, W. V. M .; Justo, J. F .; Assali, L. V. C. (2013). „Nečistoty lanthanidu v polovodičích se širokým pásmem: možný plán pro spintronická zařízení“. Appl. Phys. Lett. 102 (6): 062101. arXiv:1307.3209. Bibcode:2013ApPhL.102f2101C. doi:10.1063/1.4791787.
- ^ Martínez-Boubeta, C .; Beltrán, J. I .; Balcells, Ll .; Konstantinović, Z .; Valencia, S .; Schmitz, D .; Arbiol, J .; Estrade, S .; Cornil, J. (08.07.2010). „Ferromagnetismus v průhledných tenkých vrstvách MgO“ (PDF). Fyzický přehled B. 82 (2): 024405. Bibcode:2010PhRvB..82b4405M. doi:10.1103 / PhysRevB.82.024405. hdl:2445/33086.
- ^ Jambois, O .; Carreras, P .; Antony, A .; Bertomeu, J .; Martínez-Boubeta, C. (01.12.2011). "Přepínání odporu v transparentních magnetických filmech MgO". Polovodičová komunikace. 151 (24): 1856–1859. Bibcode:2011SSCom.151.1856J. doi:10.1016 / j.ssc.2011.10.009. hdl:2445/50485.
- ^ „Nový magnetický polovodičový materiál o pokojové teplotě slibuje zařízení pro ukládání dat„ spintronics ““. Kurzweil AI. Citováno 2013-09-17.
- ^ Lee, Y. F .; Wu, F .; Kumar, R .; Hunte, F .; Schwartz, J .; Narayan, J. (2013). "Epitaxní integrace zředěného magnetického polovodiče Sr3SnO se Si (001)". Aplikovaná fyzikální písmena. 103 (11): 112101. Bibcode:2013ApPhL.103k2101L. doi:10.1063/1.4820770.
- ^ Chambers, Scott A. (2010). "Epitaxní růst a vlastnosti dopovaných přechodových kovů a komplexních oxidových filmů". Pokročilé materiály. 22 (2): 219–248. doi:10.1002 / adma.200901867. PMID 20217685.
- ^ Assali, L. V. C .; Machado, W. V. M .; Justo, J. F. (2006). "Nečistoty manganu v nitridu boru". Appl. Phys. Lett. 89 (7): 072102. Bibcode:2006ApPhL..89g2102A. doi:10.1063/1.2266930.
- ^ Frandsen, Benjamin A .; Gong, Zizhou; Terban, Maxwell W .; Banerjee, Soham; Chen, Bijuan; Jin, Changqing; Feygenson, Michail; Uemura, Yasutomo J .; Billinge, Simon J. L. (06.09.2016). „Místní atomová a magnetická struktura zředěného magnetického polovodiče (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2“. Fyzický přehled B. 94 (9): 094102. doi:10.1103 / PhysRevB.94.094102. ISSN 2469-9950.
externí odkazy
- Cabot, Andreu; Puntes, Victor F .; Ševčenko, Elena; Yin, Yadong; Balcells, Lluís; Marcus, Matthew A .; Hughes, Steven M .; Alivisatos, A. Paul (2007). "Koalescence volných míst během oxidace nanočástic železa" (PDF). Journal of the American Chemical Society. 129 (34): 10358–10360. doi:10.1021 / ja072574a. PMID 17676738.
- Chambers, Scott A. (2010). "Epitaxní růst a vlastnosti dopovaných přechodových kovů a komplexních oxidových filmů". Pokročilé materiály. 22 (2): 219–248. doi:10.1002 / adma.200901867. PMID 20217685.