Magnetisk halvledare

Se även: Bipolär magnetisk halvledare
Olöst problem i fysik :

Kan vi bygga material som visar egenskaper hos både ferromagneter och halvledare vid rumstemperatur?

(fler olösta problem inom fysik)

Magnetiska halvledare är halvledarmaterial som uppvisar både ferromagnetism (eller liknande respons) och användbara halvledaregenskaper . Om de implementeras i enheter kan dessa material ge en ny typ av kontroll av ledning. Medan traditionell elektronik är baserad på kontroll av laddningsbärare ( n- eller p-typ ), skulle praktiska magnetiska halvledare också möjliggöra kontroll av kvantspinntillstånd ( upp eller ner). Detta skulle teoretiskt sett ge nästan total spinpolarisation (i motsats till järn och andra metaller, som endast ger ~50% polarisation), vilket är en viktig egenskap för spintroniktillämpningar , t.ex. spinntransistorer .

Medan många traditionella magnetiska material, såsom magnetit , också är halvledare (magnetit är en halvmetallhalvledare med bandgap på 0,14 eV), förutspår materialforskare generellt att magnetiska halvledare endast kommer att få stor användning om de liknar välutvecklade halvledarmaterial. För detta ändamål utspädda magnetiska halvledare ( DMS ) nyligen varit ett stort fokus för forskning om magnetiska halvledare. Dessa är baserade på traditionella halvledare, men är dopade med övergångsmetaller istället för, eller utöver, elektroniskt aktiva element. De är intressanta på grund av deras unika spintronikegenskaper med möjliga tekniska tillämpningar. Dopade med breda bandgap som zinkoxid (ZnO) och titanoxid (TiO 2 ) är bland de bästa kandidaterna för industriell DMS på grund av deras multifunktionalitet i optikmagnetiska applikationer. I synnerhet har ZnO-baserad DMS med egenskaper som transparens i visuell region och piezoelektricitet skapat ett stort intresse bland forskarvärlden som en stark kandidat för tillverkning av spinntransistorer och spinnpolariserade ljusemitterande dioder , medan koppardopad TiO 2 i anatasfasen av detta material har vidare förutspåtts uppvisa gynnsam utspädd magnetism .

Hideo Ohno och hans grupp vid Tohoku-universitetet var de första som mätte ferromagnetism i övergångsmetalldopade sammansatta halvledare som indiumarsenid och galliumarsenid dopad med mangan (den senare kallas vanligtvis GaMnAs ). Dessa material uppvisade rimligt höga Curie-temperaturer (ännu under rumstemperatur ) som skalar med koncentrationen av laddningsbärare av p-typ . Ända sedan dess har ferromagnetiska signaler mätts från olika halvledarvärdar dopade med olika övergångsatomer.

Teori

Det banbrytande arbetet av Dietl et al. visade att en modifierad Zener-modell för magnetism väl beskriver bärarberoendet, såväl som anisotropa egenskaper hos GaMnAs . Samma teori förutspådde också att rumstemperaturferromagnetism skulle existera i kraftigt p-typdopad ZnO och GaN dopad av Co respektive Mn. Dessa förutsägelser följdes av en uppsjö av teoretiska och experimentella studier av olika oxid- och nitridhalvledare, som uppenbarligen verkade bekräfta rumstemperaturferromagnetism i nästan vilket halvledar- eller isolatormaterial som helst som är kraftigt dopat av övergångsmetallföroreningar . Tidiga av densitetsfunktionsteori (DFT) grumlades dock av bandgapfel och alltför delokaliserade defektnivåer, och mer avancerade DFT-studier motbevisar de flesta av de tidigare förutsägelserna om ferromagnetism. Likaså har det visats att för de flesta av de oxidbaserade materialen uppvisar studier av magnetiska halvledare inte en inneboende bärarförmedlad ferromagnetism som postulerats av Dietl et al. Hittills är GaMnAs det enda halvledarmaterialet med robust samexistens av ferromagnetism som kvarstår upp till ganska höga Curie-temperaturer runt 100–200 K.

Material

Materialens tillverkningsbarhet beror på den termiska jämviktslösligheten hos dopmedlet i basmaterialet. T.ex. är lösligheten av många dopämnen i zinkoxid tillräckligt hög för att framställa materialen i bulk, medan vissa andra material har så låg löslighet av dopämnen att för att förbereda dem med tillräckligt hög dopämneskoncentration måste termiska icke-jämviktsberedningsmekanismer användas, t.ex. tunna filmer .

Permanent magnetisering har observerats i ett brett spektrum av halvledarbaserade material. Några av dem uppvisar en tydlig korrelation mellan bärarkoncentration och magnetisering, inklusive arbetet av T. Story och medarbetare där de visade att den ferromagnetiska Curie-temperaturen för Mn 2+ -dopad Pb 1−x Sn x Te kan kontrolleras av bärarkoncentration . Teorin som Dietl föreslog krävde laddningsbärare i fallet med hål för att förmedla den magnetiska kopplingen av mangandopämnen i den prototypiska magnetiska halvledaren, Mn 2+ -dopad GaAs . Om det finns en otillräcklig hålkoncentration i den magnetiska halvledaren, Curie-temperaturen vara mycket låg eller bara uppvisa paramagnetism . Men om hålkoncentrationen är hög (>~10 20 cm −3 ) så skulle Curie-temperaturen vara högre, mellan 100–200 K. Många av de studerade halvledarmaterialen uppvisar emellertid en permanent magnetisering som är yttre till halvledarvärdmaterialet. . Mycket av den svårfångade yttre ferromagnetismen (eller fantomferromagnetismen ) observeras i tunna filmer eller nanostrukturerade material.

Flera exempel på föreslagna ferromagnetiska halvledarmaterial listas nedan. Lägg märke till att många av observationerna och/eller förutsägelserna nedan fortfarande är hårt debatterade.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Magnetic_semiconductor&oldid=1070175002 "