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Semiconductor magnético

Problema sin resolver en física :
¿Podemos construir materiales que muestren propiedades tanto de ferroimanes como de semiconductores a temperatura ambiente?
(más problemas sin resolver en física)

Los semiconductores magnéticos son materiales semiconductores que presentan tanto ferromagnetismo (o una respuesta similar) como propiedades semiconductoras útiles . Si se implementan en dispositivos, estos materiales podrían proporcionar un nuevo tipo de control de la conducción. Mientras que la electrónica tradicional se basa en el control de los portadores de carga ( tipo n o p ), los semiconductores magnéticos prácticos también permitirían el control del estado de espín cuántico (arriba o abajo). Esto proporcionaría teóricamente una polarización de espín casi total (a diferencia del hierro y otros metales, que proporcionan solo ~50% de polarización), que es una propiedad importante para aplicaciones de espintrónica , por ejemplo, transistores de espín .

Si bien muchos materiales magnéticos tradicionales, como la magnetita , también son semiconductores (la magnetita es un semiconductor semimetálico con una banda prohibida de 0,14 eV), los científicos de materiales generalmente predicen que los semiconductores magnéticos solo encontrarán un uso generalizado si son similares a los materiales semiconductores bien desarrollados. Con ese fin, los semiconductores magnéticos diluidos ( DMS ) han sido recientemente un foco importante de la investigación de semiconductores magnéticos. Estos se basan en semiconductores tradicionales, pero están dopados con metales de transición en lugar de, o además de, elementos electrónicamente activos. Son de interés debido a sus propiedades espintrónicas únicas con posibles aplicaciones tecnológicas. [1] [2] Los óxidos metálicos dopados con banda prohibida amplia, como el óxido de zinc (ZnO) y el óxido de titanio (TiO 2 ), se encuentran entre los mejores candidatos para los DMS industriales debido a su multifuncionalidad en aplicaciones opticomagnéticas . En particular, el DMS basado en ZnO con propiedades como transparencia en la región visual y piezoelectricidad ha generado un enorme interés entre la comunidad científica como un fuerte candidato para la fabricación de transistores de espín y diodos emisores de luz polarizados por espín , [3] mientras que se ha predicho además que el TiO2 dopado con cobre en la fase anatasa de este material exhibe un magnetismo diluido favorable. [4]

Hideo Ohno y su grupo de la Universidad de Tohoku fueron los primeros en medir el ferromagnetismo en semiconductores compuestos dopados con metales de transición, como el arseniuro de indio [5] y el arseniuro de galio [6] dopado con manganeso (este último se conoce comúnmente como GaMnAs ). Estos materiales exhibieron temperaturas de Curie razonablemente altas (aunque por debajo de la temperatura ambiente ) que se escalan con la concentración de portadores de carga de tipo p . Desde entonces, se han medido señales ferromagnéticas de varios semiconductores dopados con diferentes átomos de transición.

Teoría

El trabajo pionero de Dietl et al. mostró que un modelo Zener modificado para el magnetismo [7] describe bien la dependencia del portador, así como las propiedades anisotrópicas de GaMnAs . La misma teoría también predijo que el ferromagnetismo a temperatura ambiente debería existir en ZnO fuertemente dopado de tipo p y GaN dopado con Co y Mn, respectivamente. Estas predicciones fueron seguidas de una oleada de estudios teóricos y experimentales de varios semiconductores de óxido y nitruro, que aparentemente parecieron confirmar el ferromagnetismo a temperatura ambiente en casi cualquier material semiconductor o aislante fuertemente dopado por impurezas de metales de transición . Sin embargo, los primeros estudios de la teoría funcional de la densidad (DFT) se vieron empañados por errores de brecha de banda y niveles de defectos excesivamente deslocalizados, y los estudios DFT más avanzados refutan la mayoría de las predicciones anteriores de ferromagnetismo. [8] Asimismo, se ha demostrado que para la mayoría de los materiales basados ​​en óxido, los estudios para semiconductores magnéticos no exhiben un ferromagnetismo intrínseco mediado por portadores como postularon Dietl et al. [9] Hasta la fecha, GaMnAs sigue siendo el único material semiconductor con coexistencia robusta de ferromagnetismo que persiste hasta temperaturas de Curie bastante altas de alrededor de 100 a 200 K.

Materiales

La capacidad de fabricación de los materiales depende de la solubilidad en equilibrio térmico del dopante en el material base. Por ejemplo, la solubilidad de muchos dopantes en óxido de cinc es lo suficientemente alta como para preparar los materiales en masa, mientras que otros materiales tienen una solubilidad de dopantes tan baja que para prepararlos con una concentración de dopante suficientemente alta se deben emplear mecanismos de preparación de no equilibrio térmico, por ejemplo, el crecimiento de películas delgadas .

La magnetización permanente se ha observado en una amplia gama de materiales basados ​​en semiconductores. Algunos de ellos exhiben una clara correlación entre la densidad de portadores y la magnetización, incluido el trabajo de T. Story y colaboradores donde demostraron que la temperatura de Curie ferromagnética de Pb 1−x Sn x Te dopado con Mn 2+ puede ser controlada por la concentración de portadores . [10] La teoría propuesta por Dietl requería portadores de carga en el caso de huecos para mediar el acoplamiento magnético de dopantes de manganeso en el semiconductor magnético prototípico, GaAs dopado con Mn 2+ . Si hay una concentración de huecos insuficiente en el semiconductor magnético, entonces la temperatura de Curie sería muy baja o exhibiría solo paramagnetismo . Sin embargo, si la concentración de huecos es alta (>~10 20 cm −3 ), entonces la temperatura de Curie sería más alta, entre 100 y 200 K. [7] Sin embargo, muchos de los materiales semiconductores estudiados exhiben una magnetización permanente extrínseca al material anfitrión del semiconductor. [9] Gran parte del esquivo ferromagnetismo extrínseco (o ferromagnetismo fantasma ) se observa en películas delgadas o materiales nanoestructurados. [11]

A continuación se enumeran varios ejemplos de materiales semiconductores ferromagnéticos propuestos. Tenga en cuenta que muchas de las observaciones y/o predicciones que aparecen a continuación siguen siendo muy debatidas.

Referencias

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