Magnit yarim o'tkazgich - Magnetic semiconductor

Shuningdek qarang: Bipolyar magnit yarim o'tkazgich
Savol, Veb Fundamentals.svgFizikada hal qilinmagan muammo:
Xona haroratida ham ferromagnitlarning, ham yarimo'tkazgichlarning xususiyatlarini ko'rsatadigan materiallarni qurishimiz mumkinmi?
(fizikada ko'proq hal qilinmagan muammolar)

Magnit yarim o'tkazgichlar bor yarimo'tkazgich materiallari ikkalasini ham namoyish etadi ferromagnetizm (yoki shunga o'xshash javob) va foydali yarim o'tkazgich xususiyatlari. Agar qurilmalarda qo'llanilsa, ushbu materiallar o'tkazishni boshqarishning yangi turini ta'minlashi mumkin. Holbuki an'anaviy elektronika boshqaruvga asoslangan zaryad tashuvchilar (n- yoki p-turi ), amaliy magnit yarimo'tkazgichlar ham kvantni boshqarishga imkon beradi spin holati (yuqoriga yoki pastga). Bu nazariy jihatdan umumiy miqdorni ta'minlaydi spin polarizatsiyasi (aksincha temir va faqat ~ 50% qutblanishni ta'minlaydigan boshqa metallar) uchun muhim xususiyatdir spintronika ilovalar, masalan. spinli tranzistorlar.

Kabi ko'plab an'anaviy magnit materiallar bo'lsa-da magnetit, shuningdek yarim o'tkazgichlardir (magnetit a semimetal bilan yarim o'tkazgich bandgap Magnit yarimo'tkazgichlar yaxshi rivojlangan yarimo'tkazgich materiallariga o'xshash bo'lgan taqdirdagina keng qo'llanilishini faqat material materiallari bo'yicha olimlar taxmin qilishadi. Shu maqsadda, suyultirilgan magnit yarim o'tkazgichlar (DMS) yaqinda magnit yarimo'tkazgich tadqiqotlarining asosiy yo'nalishi bo'ldi. Ular an'anaviy yarim o'tkazgichlarga asoslangan, ammo shunday doping qilingan bilan o'tish metallari elektron faol elementlarning o'rniga yoki ularga qo'shimcha ravishda. Ularning o'ziga xosligi tufayli ular qiziqish uyg'otmoqda spintronika mumkin bo'lgan texnologik dasturlarga ega xususiyatlar.[1][2] Doped Keng oraliq kabi metall oksidlari rux oksidi (ZnO) va titan oksidi (TiO2) ko'p funktsionalligi tufayli sanoat DMS uchun eng yaxshi nomzodlar qatoriga kiradi optikomagnitik ilovalar. Xususan, vizual mintaqadagi shaffoflik kabi xususiyatlarga ega ZnO-ga asoslangan DMS piezoelektrik ishlab chiqarish uchun kuchli nomzod sifatida ilmiy jamoatchilik orasida katta qiziqish uyg'otdi spinli tranzistorlar va spin-qutblangan yorug'lik chiqaradigan diodlar,[3] esa mis qo'shilgan TiO2 ichida anataza Ushbu materialning fazasi yanada qulay suyultirilgan magnetizmni namoyish qilishi bashorat qilingan.[4]

Hideo Ohno va uning guruhi Tohoku universiteti birinchi bo'lib o'lchov qildilar ferromagnetizm o'tish metallida doping qilingan aralash yarimo'tkazgichlar kabi indiy arsenidi[5] va galyum arsenidi[6] doping bilan marganets (ikkinchisi odatda deb nomlanadi GaMnAs ). Ushbu materiallar juda yuqori darajada namoyish etildi Kyuri harorati (hali quyida xona harorati ) ning kontsentratsiyasi bilan tarozi p-turi zaryad tashuvchilar. O'shandan beri ferromagnitik signallar har xil o'tish atomlari bilan aralashtirilgan har xil yarimo'tkazgich xostlaridan o'lchanadi.

Nazariya

Dietlning kashshof ishi va boshq. magnetizm uchun o'zgartirilgan Zener modeli ekanligini ko'rsatdi[7] ning tashuvchiga bog'liqligini, shuningdek, ning anizotrop xususiyatlarini yaxshi tavsiflaydi GaMnAs Xuddi shu nazariya xona haroratini taxmin qilgan ferromagnetizm juda mavjud bo'lishi kerak p-turi doping qilingan ZnO va GaN navbati bilan Co va Mn tomonidan doping qilingan.Ushbu bashoratlar turli oksidli va nitridli yarimo'tkazgichlarni nazariy va eksperimental tadqiqotlar bilan bog'liq bo'lib, ular deyarli har qanday yarimo'tkazgich yoki izolyator materialida xona harorati ferromagnetizmini tasdiqlaganga o'xshaydi. o'tish metall iflosliklar Biroq, erta Zichlik funktsional nazariyasi (DFT) tadqiqotlari tarmoqli bo'shliqlarining xatolari va haddan tashqari delokalizatsiya qilingan nuqson darajalari bilan bulutga aylandi va yanada rivojlangan DFT tadqiqotlari ferromagnetizmning oldingi bashoratlarining aksariyatini inkor etdi.[8]Xuddi shu tarzda, oksidga asoslangan materiallarning aksariyati uchun magnit yarimo'tkazgichlar bo'yicha tadqiqotlar ichki xususiyatga ega emasligi ko'rsatildi. tashuvchilik vositachiligida Dietl tomonidan e'lon qilingan ferromagnetizm va boshq.[9]Hozirgi kungacha, GaMnAs 100-200 K atrofida yuqori Kyuri haroratigacha davom etadigan ferromagnetizmning mustahkam birga yashaydigan yagona yarimo'tkazgich material bo'lib qolmoqda.

Materiallar

Materiallarning ishlab chiqarilishi issiqlik muvozanatiga bog'liq eruvchanlik ning dopant asosiy materialda. Masalan, ko'plab dopantlarning eruvchanligi rux oksidi materiallarni quyma tayyorlash uchun etarlicha yuqori, boshqa ba'zi materiallarda dopantlarning eruvchanligi shunchalik pastki, ularni etarlicha yuqori konsentratsiyali tayyorlash uchun issiqlikning muvozanatsiz tayyorlanish mexanizmlaridan foydalanish kerak, masalan. o'sishi yupqa plyonkalar.

Doimiy magnitlanish juda ko'p yarimo'tkazgichli materiallarda kuzatilgan va ularning ba'zilari o'rtasida aniq bog'liqlik mavjud tashuvchining kontsentratsiyasi va magnitlanish, shu jumladan T ning ishi. Kyuening ferromagnitik harorati ekanligini namoyish etgan voqea va uning hamkasblari Mn2+ -doped Pb1 − xSnxTe tomonidan boshqarilishi mumkin tashuvchining kontsentratsiyasi.[10] Dietl tomonidan taklif qilingan nazariya zarur edi zaryad tashuvchilar bo'lgan holatda teshiklar vositachilik qilish magnit birikma marganets sport shimlari prototipik magnit yarim o'tkazgichda, Mn2+-doped GaAs. Agar magnit yarimo'tkazgichda teshik kontsentratsiyasi etarli bo'lmasa, u holda Kyuri harorati juda past bo'lar edi yoki faqat namoyish qilardi paramagnetizm. Ammo, agar teshik kontsentratsiyasi yuqori bo'lsa (> ~ 10)20 sm−3), keyin Kyuri harorati 100-200 K orasida, balandroq bo'lar edi.[7] Shu bilan birga, o'rganilgan yarimo'tkazgichli materiallarning aksariyati doimiy magnitlanishni namoyish etadi tashqi yarimo'tkazgichning asosiy materialiga.[9]Ko'plab tushunarsiz tashqi ferromagnetizm (yoki xayoliy ferromagnetizm) yupqa plyonkalarda yoki nanostrukturali materiallarda kuzatiladi.[11]

Tavsiya etilgan ferromagnit yarimo'tkazgich materiallarining bir nechta namunalari quyida keltirilgan. E'tibor bering, quyida keltirilgan ko'plab kuzatishlar va / yoki bashoratlar og'ir bahs-munozarada qolmoqda.

Adabiyotlar

  1. ^ Furdyna, J.K. (1988). "Suyultirilgan magnit yarim o'tkazgichlar". J. Appl. Fizika. 64 (4): R29. Bibcode:1988 yil JAP .... 64 ... 29F. doi:10.1063/1.341700.
  2. ^ Ohno, H. (1998). "Magnomit bo'lmagan yarimo'tkazgichlarni ferromagnitik qilish". Ilm-fan. 281 (5379): 951–5. Bibcode:1998 yil ... 281..951O. doi:10.1126 / science.281.5379.951. PMID  9703503.
  3. ^ Ogale, SB (2010). "Metall oksid tizimidagi suyultiriladigan doping, nuqsonlar va ferromagnetizm". Murakkab materiallar. 22 (29): 3125–3155. doi:10.1002 / adma.200903891. PMID  20535732.
  4. ^ a b Assadi, M.H.N; Hanaor, DA (2013). "TiO-da misning energetikasi va magnetizmi bo'yicha nazariy tadqiqotlar2 polimorflar "deb nomlangan. Amaliy fizika jurnali. 113 (23): 233913–233913–5. arXiv:1304.1854. Bibcode:2013 yil JAP ... 113w3913A. doi:10.1063/1.4811539.
  5. ^ Munekata, X.; Ohno, H.; fon Molnar, S .; Segmuller, Armin; Chang, L. L .; Esaki, L. (1989-10-23). "Seyreltilmiş magnit III-V yarim o'tkazgichlar". Jismoniy tekshiruv xatlari. 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.; Oyva, A .; Endo, A .; Katsumoto, S .; Iye, Y. (1996-07-15). "(Ga, Mn) As: GaAs asosida yangi suyultirilgan magnit yarimo'tkazgich". Amaliy fizika xatlari. 69 (3): 363–365. Bibcode:1996ApPhL..69..363O. doi:10.1063/1.118061. ISSN  0003-6951.
  7. ^ a b Dietl, T .; Ohno, H.; Matsukura, F.; Cibert, J .; Ferrand, D. (2000 yil fevral). "Zener-magnitli yarimo'tkazgichlarda ferromagnetizmning Zener modeli tavsifi". Ilm-fan. 287 (5455): 1019–22. Bibcode:2000Sci ... 287.1019D. doi:10.1126 / science.287.5455.1019. PMID  10669409.
  8. ^ Aleks Zunger, Stefan Lany va Hannes Raebiger (2010). "Yarimo'tkazgichlarda suyultirilgan ferromagnetizmni izlash: nazariya bo'yicha qo'llanmalar va yo'l-yo'riqlar". Fizika. 3: 53. Bibcode:2010 yil PHYOJ ... 3 ... 53Z. doi:10.1103 / Fizika.3.53.
  9. ^ a b J. M. D. Coey, P. Stamenov, R. D. Gunning, M. Venkatesan va K. Pol (2010). "Qusursiz oksidlar va unga aloqador materiallarda ferromagnetizm". Yangi fizika jurnali. 12 (5): 053025. arXiv:1003.5558. Bibcode:2010NJPh ... 12e3025C. doi:10.1088/1367-2630/12/5/053025.CS1 maint: bir nechta ism: mualliflar ro'yxati (havola)
  10. ^ Hikoya, T .; Galazka, R .; Frankel, R .; Volf, P. (1986). "PbSnMnTe-da tashuvchining kontsentratsiyasiga bog'liq ferromagnetizm". Jismoniy tekshiruv xatlari. 56 (7): 777–779. Bibcode:1986PhRvL..56..777S. doi:10.1103 / PhysRevLett.56.777. PMID  10033282.
  11. ^ L. M. C. Pereyra (2017). "Nanomateriallarda suyultirilgan magnetizmning kelib chiqishini eksperimental baholash". Fizika jurnali D: Amaliy fizika. 50 (39): 393002. Bibcode:2017JPhD ... 50M3002P. doi:10.1088 / 1361-6463 / aa801f.
  12. ^ "Magnit yarim o'tkazgichlarda muonlar". Triumf.info. Olingan 2010-09-19.
  13. ^ Fukumura, T; Toyosaki, H; Yamada, Y (2005). "Magnit oksidli yarimo'tkazgichlar". Yarimo'tkazgich fan va texnologiyasi. 20 (4): S103-S111. arXiv:cond-mat / 0504168. Bibcode:2005SeScT..20S.103F. doi:10.1088/0268-1242/20/4/012.
  14. ^ Filipp J.; Punnuz, A .; Kim, B. I .; Reddi, K. M .; Layne, S .; Xolms, J. O .; Satpati, B .; LeKler, P. R .; Santos, T. S. (2006 yil aprel). "Shaffof oksidli yarimo'tkazgichlarda tashuvchi tomonidan boshqariladigan ferromagnetizm". Tabiat materiallari. 5 (4): 298–304. Bibcode:2006 yil NatMa ... 5..298P. doi:10.1038 / nmat1613. ISSN  1476-1122. PMID  16547517.
  15. ^ Raebiger, Xann; Leni, Stefan; Zunger, Aleks (2008-07-07). "Ferromagnetizmni 2 O 3 ∶ Cr da elektronni doping yordamida boshqarish". Jismoniy tekshiruv xatlari. 101 (2): 027203. doi:10.1103 / PhysRevLett.101.027203. ISSN  0031-9007. PMID  18764222.
  16. ^ Kittilstved, Kevin; Shvarts, Dana; Tuan, Allan; Heald, Stiv; Chambers, Skott; Gamelin, Daniel (2006). "Co2 +: ZnO da tashuvchilar va ferromagnetizmning to'g'ridan-to'g'ri kinetik korrelyatsiyasi". Jismoniy tekshiruv xatlari. 97 (3): 037203. Bibcode:2006PhRvL..97c7203K. doi:10.1103 / PhysRevLett.97.037203. PMID  16907540.
  17. ^ Leni, Stefan; Raebiger, Xann; Zunger, Aleks (2008-06-03). "ZnO tarkibidagi Cr - Cr va Co - Co nopoklik juftlarining magnitli o'zaro ta'siri tuzatilgan zichlikdagi funktsional yondoshuv". Jismoniy sharh B. 77 (24). doi:10.1103 / PhysRevB.77.241201. ISSN  1098-0121.
  18. ^ Karoena, G.; Machado, V. V. M.; Justo, J. F .; Assali, L. V. C. (2013). "Keng tarmoqli yarimo'tkazgichlarda lantanid aralashmalari: spintronik qurilmalar uchun mumkin bo'lgan yo'l xaritasi". Qo'llash. Fizika. Lett. 102 (6): 062101. arXiv:1307.3209. Bibcode:2013ApPhL.102f2101C. doi:10.1063/1.4791787.
  19. ^ Martines-Boubeta, S.; Beltran, J. I .; Balcells, Ll .; Konstantinovich, Z.; Valensiya, S .; Shmitz, D.; Arbiol, J .; Estrad, S .; Kornil, J. (2010-07-08). "MgO ning shaffof yupqa plyonkalarida ferromagnetizm" (PDF). Jismoniy sharh B. 82 (2): 024405. Bibcode:2010PhRvB..82b4405M. doi:10.1103 / PhysRevB.82.024405. hdl:2445/33086.
  20. ^ Jambois, O .; Carreras, P.; Antoniy, A .; Bertomeu, J .; Martines-Boubeta, C. (2011-12-01). "Shaffof magnitli MgO plyonkalarida qarshilikni almashtirish". Qattiq davlat aloqalari. 151 (24): 1856–1859. Bibcode:2011SSCom.151.1856J. doi:10.1016 / j.ssc.2011.10.009. hdl:2445/50485.
  21. ^ "Xona haroratidagi yangi magnit yarimo'tkazgich material" spintronik "ma'lumotlarni saqlash qurilmalari uchun umid baxsh etadi". KurzweilAI. Olingan 2013-09-17.
  22. ^ Li, Y. F.; Vu, F.; Kumar, R .; Xant, F.; Shvarts, J .; Narayan, J. (2013). "Suyultirilgan magnit yarim o'tkazgich Sr3SnO ning Si (001) bilan epitaksial integratsiyasi". Amaliy fizika xatlari. 103 (11): 112101. Bibcode:2013ApPhL.103k2101L. doi:10.1063/1.4820770.
  23. ^ Chambers, Scott A. (2010). "Dopedli o'tuvchi metall va murakkab oksidli plyonkalarning epitaksial o'sishi va xususiyatlari". Murakkab materiallar. 22 (2): 219–248. doi:10.1002 / adma.200901867. PMID  20217685.
  24. ^ Assali, L. V. C .; Machado, V. V. M.; Justo, J. F. (2006). "Bor nitridi tarkibidagi marganets aralashmalari". Qo'llash. Fizika. Lett. 89 (7): 072102. Bibcode:2006ApPhL..89g2102A. doi:10.1063/1.2266930.
  25. ^ Frandsen, Benjamin A.; Gong, Tszhou; Terban, Maksvell V.; Banerji, Soham; Chen, Bijuan; Jin, Changqing; Feygenson, Mixail; Uemura, Yasutomo J.; Billinge, Simon J. L. (2016-09-06). "Suyultirilgan magnit yarimo'tkazgich (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2 ning mahalliy atom va magnit tuzilishi". Jismoniy sharh B. 94 (9): 094102. doi:10.1103 / PhysRevB.94.094102. ISSN  2469-9950.

Tashqi havolalar