Magnetischer Halbleiter - Magnetic semiconductor

Magnetische Halbleiter sind Halbleitermaterialien , die sowohl Ferromagnetismus (oder eine ähnliche Reaktion) als auch nützliche Halbleitereigenschaften aufweisen. Wenn sie in Geräten implementiert werden, könnten diese Materialien eine neue Art der Kontrolle der Leitung bieten. Während herkömmliche Elektronik auf Kontrolle basiert Ladungsträger ( n- oder p-Typ ), praktische magnetischer Halbleiter würde auch die Kontrolle von Quanten erlaubt Spinzustand ( nach oben oder unten). Dies würde theoretisch eine nahezu vollständige Spinpolarisation liefern (im Gegensatz zu Eisen und anderen Metallen, die nur ~50% Polarisation liefern), was eine wichtige Eigenschaft für Spintronikanwendungen , zB Spintransistoren, ist .

Während viele traditionelle magnetische Materialien wie Magnetit auch Halbleiter sind (Magnetit ist ein Halbmetallhalbleiter mit einer Bandlücke von 0,14 eV), prognostizieren Materialwissenschaftler im Allgemeinen, dass magnetische Halbleiter nur dann breite Anwendung finden werden, wenn sie mit gut entwickelten Halbleitermaterialien vergleichbar sind. Zu diesem Zweck sind verdünnte magnetische Halbleiter ( DMS ) in letzter Zeit ein Hauptaugenmerk der magnetischen Halbleiterforschung. Diese basieren auf klassischen Halbleitern, sind jedoch anstelle oder zusätzlich zu elektronisch aktiven Elementen mit Übergangsmetallen dotiert . Sie sind wegen ihrer einzigartigen Spintronik- Eigenschaften für mögliche technologische Anwendungen von Interesse . Dotierte Metalloxide mit großer Bandlücke wie Zinkoxid (ZnO) und Titanoxid (TiO ₂ ) gehören aufgrund ihrer Multifunktionalität in optomagnetischen Anwendungen zu den besten Kandidaten für industrielle DMS . Insbesondere ZnO-basierten DMS mit Eigenschaften, wie Transparenz im sichtbaren Bereich und piezoelectricity hat großes Interesse unter der wissenschaftlichen Gemeinschaft als starke Kandidaten für die Herstellung von erzeugten Spin - Transistoren und spinpolarisierten Leuchtdioden , während Kupfer TiO dotiert ₂ in die Anatas- Phase dieses Materials wurde außerdem vorhergesagt, um einen günstigen verdünnten Magnetismus zu zeigen.

Hideo Ohno und seine Gruppe an der Universität Tohoku waren die ersten, die den Ferromagnetismus in mit Übergangsmetallen dotierten Verbindungshalbleitern wie Indiumarsenid und mit Mangan dotiertem Galliumarsenid (letzteres wird allgemein als GaMnAs bezeichnet ) gemessen haben . Diese Materialien zeigten relativ hohe Curie-Temperaturen (jedoch unter Raumtemperatur ), die mit der Konzentration von p-Typ- Ladungsträgern skalieren. Seitdem werden ferromagnetische Signale von verschiedenen Halbleiterwirten gemessen, die mit unterschiedlichen Übergangsatomen dotiert sind.

Theorie

Die Pionierarbeit von Dietl et al. zeigten, dass ein modifiziertes Zener-Modell für Magnetismus die Ladungsträgerabhängigkeit sowie die anisotropen Eigenschaften von GaMnAs gut beschreibt . Dieselbe Theorie sagte auch voraus, dass in stark p- dotiertem ZnO und GaN, das mit Co bzw. Mn dotiert ist, Ferromagnetismus bei Raumtemperatur existieren sollte . Diesen Vorhersagen folgten eine Flut von theoretischen und experimentellen Studien an verschiedenen Oxid- und Nitridhalbleitern, die anscheinend Ferromagnetismus bei Raumtemperatur in fast jedem Halbleiter- oder Isolatormaterial, das stark mit Übergangsmetallverunreinigungen dotiert ist, zu bestätigen schienen . Allerdings frühen Dichtefunktionaltheorie wurden (DFT) Studien , die von Bandlücke Fehler getrübt und über Störstellenniveaus delokalisiert und fortgeschritteneren DFT - Studien widerlegen die meisten früheren Prognosen von ferromagnetism. Ebenso wurde gezeigt, dass für die meisten oxidbasierten Materialien Untersuchungen für magnetische Halbleiter keinen intrinsischen trägervermittelten Ferromagnetismus aufweisen, wie von Dietl et al. postuliert . Bis heute ist GaMnAs das einzige Halbleitermaterial mit robuster Koexistenz von Ferromagnetismus, der bis zu ziemlich hohen Curie-Temperaturen um 100–200 K überdauert.

Materialien

Die Herstellbarkeit der Materialien hängt von der thermischen Gleichgewicht Löslichkeit des Dotierungsmittels in dem Basismaterial. ZB ist die Löslichkeit vieler Dotierstoffe in Zinkoxid hoch genug, um die Materialien in Masse herzustellen, während einige andere Materialien eine so geringe Löslichkeit der Dotierstoffe aufweisen, dass, um sie mit einer ausreichend hohen Dotierstoffkonzentration herzustellen, thermische Ungleichgewichtsvorbereitungsmechanismen angewendet werden müssen, z dünne Filme .

Permanentmagnetisierung wurde in einem weiten Bereich von Materialien auf Halbleiterbasis beobachtet. Einige von ihnen zeigen eine klare Korrelation zwischen Ladungsträgerkonzentration und Magnetisierung, einschließlich der Arbeit von T. Story und Mitarbeitern, wo sie zeigten, dass die ferromagnetische Curie-Temperatur von Mn ²⁺ -dotiertem Pb _1−x Sn _x Te durch die Konzentration des Trägers . Die von Dietl vorgeschlagene Theorie erforderte Ladungsträger im Fall von Löchern , um die magnetische Kopplung von Mangan- Dotierstoffen im prototypischen magnetischen Halbleiter, Mn ²⁺ -dotiertem GaAs, zu vermitteln . Bei zu geringer Lochkonzentration im magnetischen Halbleiter wäre die Curie-Temperatur sehr niedrig oder würde nur Paramagnetismus aufweisen . Wenn die Lochkonzentration jedoch hoch ist (>~10 ²⁰ cm ⁻³ ), dann wäre die Curie-Temperatur höher, zwischen 100–200 K. Viele der untersuchten Halbleitermaterialien weisen jedoch eine für das Halbleiter-Wirtsmaterial extrinsische Permanentmagnetisierung auf . Ein Großteil des schwer fassbaren extrinsischen Ferromagnetismus (oder Phantomferromagnetismus ) wird in dünnen Filmen oder nanostrukturierten Materialien beobachtet.

Mehrere Beispiele für vorgeschlagene ferromagnetische Halbleitermaterialien sind unten aufgeführt. Beachten Sie, dass viele der folgenden Beobachtungen und/oder Vorhersagen nach wie vor heftig diskutiert werden.

• Mangan- dotiertes Indiumarsenid und Galliumarsenid ( GaMnAs ), mit Curie-Temperaturen um 50–100 K bzw. 100–200 K
• Mangan-dotiertes Indiumantimonid , das schon bei Raumtemperatur und sogar mit weniger als 1% Mn ferromagnetisch wird.
• Oxidhalbleiter
  • Mangan- und Eisen - dotiertes Indiumoxid , ferro bei Raumtemperatur. Der Ferromagnetismus wird durch Trägerelektronen vermittelt, ähnlich wie der Ferromagnetismus von GaMnAs durch Trägerlöcher vermittelt wird.
  • Zinkoxid
    • Mangan-dotiertes Zinkoxid
    • n-Typ kobaltdotiertes Zinkoxid
    • Lanthanoid-dotiertes Zinkoxid
  • Magnesiumoxid :
    • Transparente MgO-Filme vom p-Typ mit Kationen-Leerstellen, die Ferromagnetismus und Multilevel-Switching kombinieren ( Memristor )
  • Titandioxid :
    • Cobalt -dotierten Titandioxid (sowohl Rutil und Anatas ), ferromagnetische oberhalb 400 K
    • Chrom dotierten Rutil , ferro oberhalb 400 K
    • Eisen -dotierten Rutil und Eisen dotierten Anatas, bei Raumtemperatur ferromagnetischen
    • Kupfer dotierte Anatas
    • Nickel- dotierter Anatas
  • Zinndioxid
    • Mangan-dotiertes Zinndioxid , mit Curie-Temperatur bei 340 K
    • Eisendotiertes Zinndioxid , mit Curie-Temperatur bei 340 K
    • Strontium-dotiertes Zinndioxid ( SrSnO
      ₂) – Magnetischen Halbleiter verdünnen. Kann ein epitaktischer Dünnfilm auf einem Siliziumchip synthetisiert werden .
  • Europiumoxid mit einer Curie-Temperatur von 69K. Durch Dotierung (zB Sauerstoffmangel, Gd) kann die Curie-Temperatur mehr als verdoppelt werden.
• Nitrid- Halbleiter
  • Chromdotiertes Aluminiumnitrid
  • Mangan-dotiertes Galliumnitrid und Bornitrid
  • Nickel-Bornitrid-Nanoröhren
• (Ba,K)(Zn,Mn) ₂ As ₂ : Ferromagnetischer Halbleiter mit tetragonaler Durchschnittsstruktur und orthorhombischer lokaler Struktur.

Verweise

Externe Links

• Cabot, Andreu; Puntes, Victor F.; Schewtschenko, Elena; Yin, Yadong; Balcells, Lluís; Marcus, Matthew A.; Hughes, Steven M.; Alivisatos, A. Paul (2007). "Leerstellenkoaleszenz während der Oxidation von Eisen-Nanopartikeln" (PDF) . Zeitschrift der American Chemical Society . 129 (34): 10358–10360. doi : 10.1021/ja072574a . PMID  17676738 .
• Chambers, Scott A. (2010). „Epitaxiales Wachstum und Eigenschaften von dotierten Übergangsmetall- und komplexen Oxidschichten“. Erweiterte Materialien . 22 (2): 219–248. doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID  20217685 .