¿Podemos construir materiales que muestren propiedades tanto de ferroimanes como de semiconductores a temperatura ambiente?
Los semiconductores magnéticos son materiales semiconductores que exhiben ferromagnetismo (o una respuesta similar) y propiedades semiconductoras útiles . Si se implementan en dispositivos, estos materiales podrían proporcionar un nuevo tipo de control de 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 (hacia arriba o hacia abajo). En teoría, esto proporcionaría una polarización de espín casi total (a diferencia del hierro y otros metales, que proporcionan solo ~ 50% de polarización), que es una propiedad importante paraaplicaciones espintrónicas , por ejemplo, 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 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 por sus propiedades espintrónicas únicas con posibles aplicaciones tecnológicas. [1] [2] Los óxidos metálicos de banda ancha dopados como el óxido de zinc (ZnO) y el óxido de titanio (TiO 2 ) se encuentran entre los mejores candidatos para DMS industrial debido a su multifuncionalidad en aplicaciones opticomagnéticas . En particular, los DMS basados en ZnO con propiedades como la transparencia en la región visual y la piezoelectricidad han generado un gran interés entre la comunidad científica como un fuerte candidato para la fabricación de transistores de espín y diodos emisores de luz con polarización de espín , [3] mientras que el cobre 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 en 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 (aún por debajo de la temperatura ambiente ) que escalan con la concentración de portadores de carga de tipo p . Desde entonces, se han medido señales ferromagnéticas de varios hosts de 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 y GaN fuertemente dopados de tipo p 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 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 banda prohibida y niveles de defectos excesivamente deslocalizados, y los estudios de DFT más avanzados refutan la mayoría de las predicciones anteriores de ferromagnetismo. [8] Asimismo, se ha demostrado que para la mayoría de los estudios de materiales basados en óxidos para semiconductores magnéticos no exhiben un ferromagnetismo intrínseco mediado por portadores como postulan Dietl et al. [9] Hasta la fecha, GaMnAs sigue siendo el único material semiconductor con una coexistencia robusta de ferromagnetismo que persiste hasta temperaturas de Curie bastante altas de 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 dopantes tan baja que para prepararlos con una concentración de dopante suficientemente alta deben emplearse mecanismos de preparación de desequilibrio térmico, por ejemplo, crecimiento de películas delgadas .
Se ha observado magnetización permanente en una amplia gama de materiales basados en semiconductores. Algunos de ellos exhiben una clara correlación entre la concentración 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 con Mn 2+ dopado puede ser controlada por el concentración de portador . [10] La teoría propuesta por Dietl requería portadores de carga en el caso de los agujeros para mediar el acoplamiento magnético de los dopantes de manganeso en el semiconductor magnético prototípico, GaAs dopado con Mn 2+ . Si hay una concentración de agujeros insuficiente en el semiconductor magnético, entonces la temperatura de Curie sería muy baja o exhibiría solo paramagnetismo . Sin embargo, si la concentración del agujero es alta (> ~ 10 20 cm −3 ), entonces la temperatura de Curie sería más alta, entre 100-200 K. [7] Sin embargo, muchos de los materiales semiconductores estudiados exhiben una magnetización permanente extrínseca a la material de acogida de semiconductores. [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 siguientes siguen siendo objeto de un intenso debate.
- El manganeso dopado con arseniuro de indio y de arseniuro de galio ( GaMnAs ), con temperatura de Curie alrededor de 50-100 K y 100-200 K, respectivamente
- Antimonuro de indio dopado con manganeso , que se vuelve ferromagnético incluso a temperatura ambiente e incluso con menos del 1% de Mn. [12]
- Semiconductores de óxido [13]
- Óxido de indio dopado con manganeso y hierro , ferromagnético a temperatura ambiente. El ferromagnetismo está mediado por electrones portadores, [14] [15] de manera similar a como el ferromagnetismo de GaMnAs está mediado por huecos portadores.
- Óxido de zinc
- Óxido de zinc dopado con manganeso
- óxido de zinc dopado con cobalto de tipo n [16] [17]
- Óxido de zinc dopado con lantánidos [18]
- Óxido de magnesio :
- Películas de MgO transparentes tipo p con cationes vacantes, [19] [20] que combinan ferromagnetismo y conmutación multinivel ( memristor )
- Dióxido de titanio :
- Dióxido de titanio dopado con cobalto ( rutilo y anatasa ), ferromagnético por encima de 400 K
- El cromo dopado con rutilo , ferromagnético por encima de 400 K
- Hierro dopado con rutilo y anatasa hierro dopado, ferromagnético a temperatura ambiente
- Cobre dopado con anatasa [4]
- El níquel dopado con anatasa
- Dióxido de estaño
- Dióxido de estaño dopado con manganeso , con temperatura de Curie a 340 K
- Dióxido de estaño dopado con hierro , con temperatura de Curie a 340 K
- Dióxido de estaño dopado con estroncio ( SrSnO
2) - Semiconductor magnético diluido. Se puede sintetizar una película fina epitaxial en un chip de silicio. [21] [22]
- Óxido de europio, con una temperatura de Curie de 69K. La temperatura del curie se puede duplicar con el dopaje (p. Ej., Deficiencia de oxígeno, Gd).
- Semiconductores de nitruro
- Nitruro de aluminio dopado con cromo [23]
- Nitruro de galio y nitruro de boro dopados con manganeso [24]
- Nanotubos de níquel-nitruro de boro [25]
- (Ba, K) (Zn, Mn) 2 As 2 : Semiconductor ferromagnético con estructura media tetragonal y estructura local ortorrómbica. [26]
Referencias
- ^ Furdyna, JK (1988). "Semiconductores magnéticos diluidos". J. Appl. Phys . 64 (4): R29. Bibcode : 1988JAP .... 64 ... 29F . doi : 10.1063 / 1.341700 .
- ^ Ohno, H. (1998). "Fabricación de semiconductores no magnéticos ferromagnéticos". Ciencia . 281 (5379): 951–5. Código bibliográfico : 1998Sci ... 281..951O . doi : 10.1126 / science.281.5379.951 . PMID 9703503 .
- ^ Ogale, SB (2010). "Diluir dopaje, defectos y ferromagnetismo en sistemas de óxidos metálicos". Materiales avanzados . 22 (29): 3125–3155. doi : 10.1002 / adma.200903891 . PMID 20535732 .
- ^ a b Assadi, MHN; Hanaor, DAH (2013). "Estudio teórico sobre la energética y el magnetismo del cobre en polimorfos de TiO 2 ". Revista de Física Aplicada . 113 (23): 233913–233913–5. arXiv : 1304.1854 . Código bibliográfico : 2013JAP ... 113w3913A . doi : 10.1063 / 1.4811539 . S2CID 94599250 .
- ^ Munekata, H .; Ohno, H .; von Molnar, S .; Segmüller, Armin; Chang, LL; Esaki, L. (23 de octubre de 1989). "Semiconductores 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 .
- ^ 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 .
- ^ a b Dietl, T .; Ohno, H .; Matsukura, F .; Cibert, J .; Ferrand, D. (febrero de 2000). "Descripción del modelo Zener de ferromagnetismo en semiconductores magnéticos de mezcla de zinc" . Ciencia . 287 (5455): 1019–22. Código Bibliográfico : 2000Sci ... 287.1019D . doi : 10.1126 / science.287.5455.1019 . PMID 10669409 . S2CID 19672003 .
- ^ Alex Zunger, Stephan Lany y Hannes Raebiger (2010). "La búsqueda de ferromagnetismo diluido en semiconductores: guías y errores por teoría" . Física . 3 : 53. bibcode : 2010PhyOJ ... 3 ... 53Z . doi : 10.1103 / Física.3.53 .
- ^ a b JMD Coey, P. Stamenov, RD Gunning, M. Venkatesan y K. Paul (2010). "Ferromagnetismo en óxidos con defectos y materiales relacionados". Nueva Revista de Física . 12 (5): 053025. arXiv : 1003.5558 . Código bibliográfico : 2010NJPh ... 12e3025C . doi : 10.1088 / 1367-2630 / 12/5/053025 . S2CID 55748696 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Story, 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 .
- ^ LMC Pereira (2017). "Evaluación experimental del 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 .
- ^ "Muones en semiconductores magnéticos" . Triumf.info . Consultado el 19 de septiembre de 2010 .
- ^ 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 .
- ^ Philip, J .; Punnoose, A .; Kim, BI; Reddy, KM; Layne, S .; Holmes, JO; Satpati, B .; LeClair, PR; 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 .
- ^ Raebiger, Hannes; Lany, Stephan; Zunger, Alex (7 de julio de 2008). "Control del Ferromagnetismo vía Dopaje Electrónico en In 2 O 3 ∶ Cr". Cartas de revisión física . 101 (2): 027203. bibcode : 2008PhRvL.101b7203R . doi : 10.1103 / PhysRevLett.101.027203 . ISSN 0031-9007 . PMID 18764222 .
- ^ Kittilstved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Heald, Steve; Chambers, Scott; Gamelin, 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 .
- ^ 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 por banda prohibida". Physical Review B . 77 (24). doi : 10.1103 / PhysRevB.77.241201 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Caroena, G .; Machado, WVM; Justo, JF; Assali, LVC (2013). "Impurezas de lantánidos en semiconductores de banda ancha ancha: una posible hoja de ruta para dispositivos espintrónicos". Apl. Phys. Lett . 102 (6): 062101. arXiv : 1307.3209 . Código bibliográfico : 2013ApPhL.102f2101C . doi : 10.1063 / 1.4791787 . S2CID 118503030 .
- ^ 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. Código Bibliográfico : 2010PhRvB..82b4405M . doi : 10.1103 / PhysRevB.82.024405 . hdl : 2445/33086 .
- ^ Jambois, O .; Carreras, P .; Antony, A .; Bertomeu, J .; Martínez-Boubeta, C. (1 de diciembre de 2011). "Conmutación por resistencia en películas de MgO magnéticas transparentes". Comunicaciones de estado sólido . 151 (24): 1856–1859. Código bibliográfico : 2011SSCom.151.1856J . doi : 10.1016 / j.ssc.2011.10.009 . hdl : 2445/50485 .
- ^ "El 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 .
- ^ Lee, YF; Wu, F .; Kumar, R .; Hunte, F .; Schwartz, J .; Narayan, J. (2013). "Integración epitaxial de semiconductor magnético diluido Sr3SnO con Si (001)". Letras de Física Aplicada . 103 (11): 112101. Código bibliográfico : 2013ApPhL.103k2101L . doi : 10.1063 / 1.4820770 .
- ^ Cámaras, Scott A. (2010). "Crecimiento epitaxial y propiedades de metales de transición dopados y películas de óxidos complejos". Materiales avanzados . 22 (2): 219–248. doi : 10.1002 / adma.200901867 . PMID 20217685 .
- ^ Assali, LVC; Machado, WVM; Justo, JF (2006). "Impurezas de manganeso en nitruro de boro". Apl. Phys. Lett . 89 (7): 072102. Código Bibliográfico : 2006ApPhL..89g2102A . doi : 10.1063 / 1.2266930 .
- ^ Lenin, Adithya; Arumugam, Pandurangan; Shanmugham, Revathi; Sonachalam, Arumugam; Paramasivam, Sivaprakash; Rao, Aruna Prakasa; Singaravelu, Ganesan; Venkatesan, Ramani (2020). "Semiconductor magnético de nanotubos de nitruro de boro-Ni híbrido: un nuevo material para la espintrónica" . ACS Omega . 5 (32): 20014–20020. doi : 10.1021 / acsomega.0c01408 . PMC 7439259 . PMID 32832755 .
- ^ 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 de 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 .
enlaces externos
- Cabot, Andreu; Puntes, Victor F .; Shevchenko, Elena; Yin, Yadong; Balcells, Lluís; Marcus, Matthew A .; Hughes, Steven M .; Alivisatos, A. Paul (2007). "Coalescencia de vacantes durante la oxidación de nanopartículas de hierro" (PDF) . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 129 (34): 10358–10360. doi : 10.1021 / ja072574a . PMID 17676738 .
- Cámaras, Scott A. (2010). "Crecimiento epitaxial y propiedades de metales de transición dopados y películas de óxidos complejos". Materiales avanzados . 22 (2): 219–248. doi : 10.1002 / adma.200901867 . PMID 20217685 .