stringtranslate.com

Semiconductor magnético

Problema no resuelto en física :

¿Podemos construir materiales que muestren propiedades tanto de ferromagnetos como de semiconductores a temperatura ambiente?

(más problemas sin resolver en física)

Los semiconductores magnéticos son materiales semiconductores que exhiben 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 del espín cuántico (arriba o abajo). En teoría, esto proporcionaría una polarización de espín casi total (a diferencia del hierro y otros metales, que proporcionan sólo ~50% de polarización), que es una propiedad importante para las aplicaciones de espintrónica , por ejemplo, los transistores de espín .

Si bien muchos materiales magnéticos tradicionales, como la magnetita , también son semiconductores (la magnetita es un semiconductor semimetálico con banda prohibida de 0,14 eV), los científicos de materiales generalmente predicen que los semiconductores magnéticos sólo encontrarán un uso generalizado si son similares a materiales semiconductores bien desarrollados. Con ese fin, los semiconductores magnéticos diluidos ( DMS ) han sido recientemente un foco importante de investigación sobre semiconductores magnéticos. Estos se basan en semiconductores tradicionales, pero están dopados con metales de transición en lugar de elementos electrónicamente activos o además de ellos. Son de interés debido a sus propiedades espintrónicas únicas con posibles aplicaciones tecnológicas. [1] [2] Los óxidos metálicos dopados de banda prohibida ancha , como el óxido de zinc (ZnO) y el óxido de titanio (TiO 2 ), se encuentran entre los mejores candidatos para el DMS industrial debido a su multifuncionalidad en aplicaciones optomagnéticas . En particular, el DMS basado en ZnO con propiedades como la transparencia en la región visual y la piezoelectricidad ha generado un gran 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 el cobre está dopado. Se ha predicho además que el TiO 2 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] dopados con manganeso (este último se conoce comúnmente como GaMnAs ). Estos materiales exhibieron temperaturas de Curie razonablemente altas (aún por debajo de la temperatura ambiente ) que aumentan con la concentración de portadores de carga tipo p . Desde entonces, se han medido señales ferromagnéticas desde varios hosts semiconductores dopados con diferentes átomos de transición.

Teoría

El trabajo pionero de Dietl et al. demostró 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 y GaN fuertemente dopados de tipo p dopados con Co y Mn, respectivamente. Estas predicciones fueron seguidas de una serie de estudios teóricos y experimentales de varios semiconductores de óxido y nitruro, que aparentemente parecían confirmar el ferromagnetismo a temperatura ambiente en casi cualquier material semiconductor o aislante fuertemente dopado con impurezas de metales de transición . Sin embargo, los primeros estudios de la teoría funcional de la densidad (DFT) se vieron empañados por errores de banda prohibida y niveles de defectos demasiado deslocalizados, y los estudios DFT más avanzados refutan la mayoría de las predicciones anteriores del ferromagnetismo. [8] Asimismo, se ha demostrado que para la mayoría de los materiales basados ​​en óxidos, los estudios para semiconductores magnéticos no exhiben un ferromagnetismo intrínseco mediado por portadores como lo postularon Dietl et al. [9] Hasta la fecha, GaMnAs sigue siendo el único material semiconductor con una coexistencia robusta de ferromagnetismo que persiste hasta temperaturas 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 zinc es lo suficientemente alta como para preparar los materiales a granel, mientras que algunos otros materiales tienen una solubilidad de los dopantes tan baja que para prepararlos con una concentración de dopante suficientemente alta se deben emplear mecanismos de preparación de desequilibrio térmico, por ejemplo, crecimiento de Peliculas delgadas .

Se ha observado magnetización permanente en una amplia gama de materiales basados ​​en semiconductores. Algunos de ellos exhiben una clara correlación entre la densidad del portador y la magnetización, incluido el trabajo de T. Story y sus compañeros de trabajo, donde demostraron que la temperatura ferromagnética de Curie del Pb 1−x Sn x Te dopado con Mn 2+ puede controlarse mediante el concentración de portadores . [10] La teoría propuesta por Dietl requería portadores de carga en el caso de agujeros para mediar en el acoplamiento magnético de dopantes de manganeso en el semiconductor magnético prototípico, GaAs dopado con Mn 2+ . Si la concentración de huecos en el semiconductor magnético es insuficiente, la temperatura de Curie sería muy baja o sólo mostraría paramagnetismo . Sin embargo, si la concentración de huecos es alta (>~10 20 cm −3 ), entonces la temperatura de Curie sería mayor, entre 100 y 200 K. [7] Sin embargo, muchos de los materiales semiconductores estudiados exhiben una magnetización permanente extrínseca a la material anfitrión semiconductor. [9] Gran parte del elusivo 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 objeto de intensos debates.

Referencias

  1. ^ Furdyna, JK (1988). "Seconductores magnéticos diluidos". J. Aplica. Física . 64 (4): R29. Código Bib : 1988JAP....64...29F. doi : 10.1063/1.341700.
  2. ^ Ohno, H. (1998). "Hacer ferromagnéticos los semiconductores no magnéticos". Ciencia . 281 (5379): 951–5. Código Bib :1998Sci...281..951O. doi : 10.1126/ciencia.281.5379.951. PMID  9703503.
  3. ^ Ogale, SB (2010). "Dopaje diluido, defectos y ferromagnetismo en sistemas de óxidos metálicos". Materiales avanzados . 22 (29): 3125–3155. Código Bib : 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 magnetismo del cobre en polimorfos de TiO 2 ". Revista de Física Aplicada . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Código Bib : 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). "Seconductores magnéticos III-V diluidos". Cartas de revisión física . 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". Letras de Física Aplicada . 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 modelo Zener del ferromagnetismo en semiconductores magnéticos de mezcla de zinc". Ciencia . 287 (5455): 1019–22. Código Bib : 2000 Ciencia... 287.1019D. doi : 10.1126/ciencia.287.5455.1019. PMID  10669409. S2CID  19672003.
  8. ^ Alex Zunger, Stephan Lany y Hannes Raebiger (2010). "La búsqueda del ferromagnetismo diluido en semiconductores: guías y desvíos de la teoría". Física . 3 : 53. Código Bib : 2010PhyOJ...3...53Z. doi : 10.1103/Física.3.53 .
  9. ^ ab JMD Coey, P. Stamenov, RD Gunning, M. Venkatesan y K. Paul (2010). "Ferromagnetismo en óxidos defectuosos y materiales relacionados". Nueva Revista de Física . 12 (5): 053025. arXiv : 1003.5558 . Código Bib : 2010NJPh...12e3025C. doi : 10.1088/1367-2630/5/12/053025. S2CID  55748696.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  10. ^ Historia, T.; Gała̧zka, R.; Frankel, R.; Wolff, P. (1986). "Ferromagnetismo inducido por concentración de portador en PbSnMnTe". Cartas de revisión física . 56 (7): 777–779. Código bibliográfico : 1986PhRvL..56..777S. doi :10.1103/PhysRevLett.56.777. PMID  10033282.
  11. ^ LMC Pereira (2017). "Evaluando experimentalmente el origen del magnetismo diluido en nanomateriales". Revista de Física D: Física Aplicada . 50 (39): 393002. Código bibliográfico : 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 Bib : 2005SeScT..20S.103F. doi :10.1088/0268-1242/20/4/012. S2CID  96727752.
  14. ^ Felipe, J.; Punnoose, A.; Kim, BI; Reddy, KM; Layne, S.; Holmes, JO; Satpati, B.; LeClair, relaciones públicas; Santos, TS (abril de 2006). "Ferromagnetismo controlado por portador en semiconductores de óxido transparente". Materiales de la naturaleza . 5 (4): 298–304. Código bibliográfico : 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 In 2 O 3: Cr". Cartas de revisión física . 101 (2): 027203. Código bibliográfico : 2008PhRvL.101b7203R. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.027203. ISSN  0031-9007. PMID  18764222.
  16. ^ Kittilstved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Sano, Steve; Cámaras, Scott; Gamelín, Daniel (2006). "Correlación cinética directa de portadores y ferromagnetismo en Co2+: ZnO". Cartas de revisión física . 97 (3): 037203. Código bibliográfico : 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 corregida con banda prohibida". Revisión física B. 77 (24): 241201. Código bibliográfico : 2008PhRvB..77x1201L. doi : 10.1103/PhysRevB.77.241201. ISSN  1098-0121.
  18. ^ Martínez-Boubeta, C.; Beltrán, JI; Balcells, Ll.; Konstantinovic, Z.; Valencia, S.; Schmitz, D.; Arbiol, J.; Estrade, S.; Cornil, J. (8 de julio de 2010). "Ferromagnetismo en películas finas transparentes de MgO" (PDF) . Revisión física B. 82 (2): 024405. Código bibliográfico : 2010PhRvB..82b4405M. doi : 10.1103/PhysRevB.82.024405. hdl : 2445/33086 .
  19. ^ Jambois, O.; Carreras, P.; Antonio, A.; Bertomeu, J.; Martínez-Boubeta, C. (2011-12-01). "Conmutación de resistencia en películas magnéticas transparentes de MgO". Comunicaciones de estado sólido . 151 (24): 1856–1859. Código Bib : 2011SSCom.151.1856J. doi :10.1016/j.ssc.2011.10.009. hdl : 2445/50485 .
  20. ^ "El nuevo material semiconductor magnético a temperatura ambiente es prometedor para los dispositivos de almacenamiento de datos 'espintrónica'". 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)". Letras de Física Aplicada . 103 (11): 112101. Código bibliográfico : 2013ApPhL.103k2101L. doi : 10.1063/1.4820770.
  22. ^ Cámaras, Scott A. (2010). "Crecimiento epitaxial y propiedades de películas de óxidos complejos y metales de transición dopados". Materiales avanzados . 22 (2): 219–248. Código Bib : 2010AdM....22..219C. doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID  20217685. S2CID  5415994.
  23. ^ Frandsen, Benjamín A.; Gong, Zizhou; Terban, Maxwell W.; Banerjee, Soham; Chen, Bijuan; Jin, Changqing; Feygenson, Mijaíl; 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". Revisión física B. 94 (9): 094102. arXiv : 1608.02684 . Código Bib : 2016PhRvB..94i4102F. doi : 10.1103/PhysRevB.94.094102 . ISSN  2469-9950.

enlaces externos