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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 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, alrededor de 100-200 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

  1. ^ Furdyna, JK (1988). "Semiconductores magnéticos diluidos". J. Appl. Phys . 64 (4): R29. Código Bibliográfico :1988JAP....64...29F. doi :10.1063/1.341700.
  2. ^ Ohno, H. (1998). "Cómo hacer que los semiconductores no magnéticos sean ferromagnéticos". Science . 281 (5379): 951–5. Bibcode :1998Sci...281..951O. doi :10.1126/science.281.5379.951. PMID  9703503.
  3. ^ Ogale, SB (2010). "Dopaje diluido, defectos y ferromagnetismo en sistemas de óxido metálico". Materiales avanzados . 22 (29): 3125–3155. Bibcode :2010AdM....22.3125O. doi :10.1002/adma.200903891. PMID  20535732. S2CID  25307693.
  4. ^ ab Assadi, MHN; Hanaor, DAH (2013). "Estudio teórico sobre la energética y el magnetismo del cobre en polimorfos de TiO 2 ". Journal of Applied Physics . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Código Bibliográfico :2013JAP...113w3913A. doi :10.1063/1.4811539. S2CID  94599250.
  5. ^ Munekata, H.; Ohno, H.; von Molnar, S.; Segmüller, Armin; Chang, LL; Esaki, L. (23 de octubre de 1989). "Semiconductores III-V magnéticos diluidos". Physical Review Letters . 63 (17): 1849–1852. Código Bibliográfico :1989PhRvL..63.1849M. doi :10.1103/PhysRevLett.63.1849. ISSN  0031-9007. PMID  10040689.
  6. ^ Ohno, H.; Shen, A.; Matsukura, F.; Oiwa, A.; Endo, A.; Katsumoto, S.; Iye, Y. (15 de julio de 1996). "(Ga,Mn)As: Un nuevo semiconductor magnético diluido basado en GaAs". Applied Physics Letters . 69 (3): 363–365. Código Bibliográfico :1996ApPhL..69..363O. doi :10.1063/1.118061. ISSN  0003-6951.
  7. ^ ab Dietl, T.; Ohno, H.; Matsukura, F.; Cibert, J.; Ferrand, D. (febrero de 2000). "Descripción del ferromagnetismo en semiconductores magnéticos de zinc-blenda mediante el modelo Zener". Science . 287 (5455): 1019–22. Bibcode :2000Sci...287.1019D. doi :10.1126/science.287.5455.1019. PMID  10669409. S2CID  19672003.
  8. ^ Alex Zunger, Stephan Lany y Hannes Raebiger (2010). "La búsqueda de ferromagnetismo diluido en semiconductores: guías y desvíos de la teoría". Física . 3 : 53. Bibcode :2010PhyOJ...3...53Z. doi : 10.1103/Physics.3.53 .
  9. ^ ab JMD Coey, P. Stamenov, RD Gunning, M. Venkatesan y K. Paul (2010). "Ferromagnetismo en óxidos llenos de defectos y materiales relacionados". New Journal of Physics . 12 (5): 053025. arXiv : 1003.5558 . Bibcode :2010NJPh...12e3025C. doi :10.1088/1367-2630/12/5/053025. S2CID  55748696.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  10. ^ Story, T.; Gała̧zka, R.; Frankel, R.; Wolff, P. (1986). "Ferromagnetismo inducido por concentración de portadores en PbSnMnTe". Physical Review Letters . 56 (7): 777–779. Código Bibliográfico :1986PhRvL..56..777S. doi :10.1103/PhysRevLett.56.777. PMID  10033282.
  11. ^ LMC Pereira (2017). "Evaluación experimental del origen del magnetismo diluido en nanomateriales". Journal of Physics D: Applied Physics . 50 (39): 393002. Bibcode :2017JPhD...50M3002P. doi :10.1088/1361-6463/aa801f. S2CID  126213268.
  12. ^ "Muones en semiconductores magnéticos". Triumf.info. Archivado desde el original el 21 de noviembre de 2008. Consultado el 19 de septiembre de 2010 .
  13. ^ Fukumura, T; Toyosaki, H; Yamada, Y (2005). "Semiconductores de óxido magnético". Ciencia y tecnología de semiconductores . 20 (4): S103–S111. arXiv : cond-mat/0504168 . Código Bibliográfico :2005SeScT..20S.103F. doi :10.1088/0268-1242/20/4/012. S2CID  96727752.
  14. ^ Philip, J.; Punnoose, A.; Kim, BI; Reddy, KM; Layne, S.; Holmes, JO; Satpati, B.; LeClair, PR; Santos, TS (abril de 2006). "Ferromagnetismo controlado por portadores en semiconductores de óxido transparente". Nature Materials . 5 (4): 298–304. Bibcode :2006NatMa...5..298P. doi :10.1038/nmat1613. ISSN  1476-1122. PMID  16547517. S2CID  30009354.
  15. ^ Raebiger, Hannes; Lany, Stephan; Zunger, Alex (7 de julio de 2008). "Control del ferromagnetismo mediante dopaje electrónico en In2O3:Cr". Physical Review Letters . 101 (2): 027203. Bibcode :2008PhRvL.101b7203R. doi :10.1103/PhysRevLett.101.027203. ISSN  0031-9007. PMID  18764222.
  16. ^ Kittilstved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Heald, Steve; Chambers, Scott; Gamelin, Daniel (2006). "Correlación cinética directa de portadores y ferromagnetismo en Co2+: ZnO". Physical Review Letters . 97 (3): 037203. Bibcode :2006PhRvL..97c7203K. doi :10.1103/PhysRevLett.97.037203. PMID  16907540.
  17. ^ Lany, Stephan; Raebiger, Hannes; Zunger, Alex (3 de junio de 2008). "Interacciones magnéticas de pares de impurezas Cr − Cr y Co − Co en ZnO dentro de un enfoque funcional de densidad corregido por brecha de banda". Physical Review B . 77 (24): 241201. Bibcode :2008PhRvB..77x1201L. doi :10.1103/PhysRevB.77.241201. ISSN  1098-0121.
  18. ^ Martínez-Boubeta, C.; Beltrán, JI; Balcells, Ll.; Konstantinović, Z.; Valencia, S.; Schmitz, D.; Arbiol, J.; Estrade, S.; Cornil, J. (8 de julio de 2010). "Ferromagnetismo en películas delgadas transparentes de MgO" (PDF) . Physical Review B . 82 (2): 024405. Bibcode :2010PhRvB..82b4405M. doi :10.1103/PhysRevB.82.024405. hdl : 2445/33086 .
  19. ^ Jambois, O.; Carreras, P.; Antony, A.; Bertomeu, J.; Martínez-Boubeta, C. (2011-12-01). "Conmutación de resistencia en películas magnéticas transparentes de MgO". Solid State Communications . 151 (24): 1856–1859. Bibcode :2011SSCom.151.1856J. doi :10.1016/j.ssc.2011.10.009. hdl : 2445/50485 .
  20. ^ "Un nuevo material semiconductor magnético a temperatura ambiente es prometedor para los dispositivos de almacenamiento de datos 'espintrónicos'". KurzweilAI . Consultado el 17 de septiembre de 2013 .
  21. ^ Lee, YF; Wu, F.; Kumar, R.; Hunte, F.; Schwartz, J.; Narayan, J. (2013). "Integración epitaxial del semiconductor magnético diluido Sr3SnO con Si (001)". Applied Physics Letters . 103 (11): 112101. Código Bibliográfico :2013ApPhL.103k2101L. doi :10.1063/1.4820770.
  22. ^ Chambers, Scott A. (2010). "Crecimiento epitaxial y propiedades de películas de óxido complejo y de metales de transición dopados". Materiales avanzados . 22 (2): 219–248. Bibcode :2010AdM....22..219C. doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID  20217685. S2CID  5415994.
  23. ^ Frandsen, Benjamin A.; Gong, Zizhou; Terban, Maxwell W.; Banerjee, Soham; Chen, Bijuan; Jin, Changqing; Feygenson, Mikhail; Uemura, Yasutomo J.; Billinge, Simon JL (6 de septiembre de 2016). "Estructura atómica y magnética local del semiconductor magnético diluido (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2". Physical Review B. 94 ( 9): 094102. arXiv : 1608.02684 . Código Bibliográfico :2016PhRvB..94i4102F. doi : 10.1103/PhysRevB.94.094102 . ISSN  2469-9950.

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