Magnit yarimo’tkazgich

Magnit yarimo’tkazgich

Magnit yarimoʻtkazgichlar yarimo'tkazgichli materiallar bo'lib, ular ham ferromagnetizmni (yoki shunga o'xshash javobni) va foydali yarim o'tkazgich xususiyatlarini namoyon qiladi. Agar ushbu materiallar qurilmalarda qo'llanilsa, o'tkazuvchanlikni boshqarishning yangi turini ta'minlashi mumkin. An'anaviy elektronika zaryad tashuvchilarni ( n- yoki p-tipi ) boshqarishga asoslangan bo'lsada , amaliy magnit yarim o'tkazgichlar kvant spin holatini (yuqoriga yoki pastga) boshqarishga imkon beradi . Bu nazariy jihatdan spintronika dasturlari , masalan, spin tranzistorlari uchun muhim xususiyat bo'lgan (faqat ~50% polarizatsiyani ta'minlaydigan temir va boshqa metallardan farqli o'laroq ) deyarli umumiy spin polarizatsiyasini ta'minlaydi . Magnit kabi ko'plab an'anaviy magnit materiallar ham yarim o'tkazgichlar bo'lsada (magnetit 0,14 eV tarmoqli oralig'iga ega yarim metall yarimo'tkazgich ), material olimlari odatda magnit yarim o'tkazgichlar faqat yaxshi rivojlangan yarim o'tkazgich materiallarga o'xshash bo'lsa, keng qo'llanilishini taxmin qilishadi. Shu maqsadda suyultirilgan magnit yarimo'tkazgichlar (DMS) yaqinda magnit yarimo'tkazgichlarni tadqiq qilishning asosiy yo'nalishi bo'ldi. Ular an'anaviy yarimo'tkazgichlarga asoslangan, ammo elektron faol elementlar o'rniga yoki ularga qo'shimcha ravishda o'tish metallari bilan qo'shiladi. Ular mumkin bo'lgan texnologik ilovalar bilan noyob spintronik xususiyatlari tufayli qiziqish uyg'otadi.  Rux oksidi (ZnO) va titan oksidi (TiO2) kabi doplangan keng diapazonli metall oksidlari optik-magnit dasturlarda koʻp funksiyaliligi tufayli sanoat DMS uchun eng yaxshi nomzodlar qatoriga kiradi. Xususan, vizual mintaqada shaffoflik va piezoelektrik kabi xususiyatlarga ega ZnO asosidagi DMS spin-polarizatsiyalangan tranzistorlar va spinli tranzistorlarni ishlab chiqarish uchun kuchli nomzod sifatida ilmiy jamoatchilik orasida katta qiziqish uyg'otdi. yorug'lik chiqaradigan diodlar  esa , bu materialning anataza fazasida mis qo'shilgan TiO2 yanada qulay suyultirilgan magnitlanishni namoyon qilishi taxmin qilingan.  Hideo Ohno va uning Toxoku universitetidagi guruhi marganets bilan qo'shilgan indiy arsenid  va galliy arsenid  (ikkinchisi odatda GaMnAs deb ataladi) kabi o'tish metalli qo'shilgan aralash yarim o'tkazgichlarda ferromagnitlikni birinchi bo'lib o'lchagan. Ushbu materiallar p-tipli zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi bilan o'lchanadigan juda yuqori Kyuri haroratini (hali xona haroratidan past) namoyish etdi. O'shandan beri ferromagnit signallar turli o'tish atomlari bilan qo'shilgan turli yarim o'tkazgichlardan o'lchanadi. Nazariy tahrir Dietl va boshqalarning kashshof ishi  magnitlanish uchun o'zgartirilgan Zener modeli  GaMnAs ning tashuvchiga bog'liqligini, shuningdek, anizotropik xususiyatlarini yaxshi tasvirlashini ko'rsatdi. Xuddi shu nazariya, shuningdek, xona haroratida ferromagnitizm mos ravishda Co va Mn tomonidan qo'shilgan kuchli p-tipli ZnO va GaN tarkibida mavjud bo'lishi kerakligini bashorat qilgan. Ushbu bashoratlardan so'ng turli xil oksid va nitridli yarimo'tkazgichlarning ko'plab nazariy va eksperimental tadqiqotlari kuzatildi, bu ko'rinishidan o'tish metallining aralashmalari bilan kuchli qo'shilgan deyarli har qanday yarim o'tkazgich yoki izolyator materialida xona harorati ferromagnitizmini tasdiqlagandek tuyuldi. Biroq, dastlabki zichlik funktsional nazariyasi (DFT) tadqiqotlari tarmoqli bo'shlig'i xatolari va haddan tashqari delokalizatsiyalangan nuqson darajalari bilan bulutli edi va yanada rivojlangan DFT tadqiqotlari ferromagnetizmning oldingi bashoratlarining aksariyatini rad etadi. Xuddi shunday, ko'pgina oksidga asoslangan materiallar uchun magnit yarimo'tkazgichlar uchun o'tkazilgan tadqiqotlar Dietl va boshq. Bugungi kunga kelib, GaMnAs ferromagnitizmning mustahkam birgalikda mavjud bo'lgan yagona yarim o'tkazgich materiali bo'lib qolmoqda va 100-200 K atrofida juda yuqori Kyuri haroratigacha davom etadi. Materiallar tahrirlash Batafsil ma'lumot Tasdiqlash uchun ushbu maqolaga qo'shimcha iqtiboslar kerak. (2007 yil iyul) Materiallarning ishlab chiqarilishi asosiy materialdagi dopantning termal muvozanatdagi eruvchanligiga bog'liq. Masalan, koʻplab qoʻshimcha moddalarning rux oksidida eruvchanligi materiallarni koʻp miqdorda tayyorlash uchun yetarli darajada yuqori, baʼzi boshqa materiallarda esa qoʻshimcha moddalarning eruvchanligi shu qadar pastki, ularni yetarli darajada yuqori qoʻshimcha konsentratsiyasi bilan tayyorlash uchun issiqlik muvozanatsiz tayyorlash mexanizmlaridan foydalanish kerak, masalan. yupqa plyonkalarning o'sishi. Doimiy magnitlanish ko'plab yarimo'tkazgichlarga asoslangan materiallarda kuzatilgan. Ulardan baʼzilari tashuvchining kontsentratsiyasi va magnitlanish oʻrtasida aniq bogʻliqlikni koʻrsatadi, jumladan, T. Story va hamkasblari Mn2+ qoʻshilgan Pb1–xSnxTe ning ferromagnit Kyuri haroratini tashuvchi kontsentratsiyasi taʼsirida boshqarish mumkinligini koʻrsatgan ishlari . Dietl tomonidan taklif qilingan nazariya Mn2+ qo'shilgan GaAs prototipli magnit yarimo'tkazgichda marganets qo'shimcha moddalarining magnit ulanishiga vositachilik qilish uchun teshiklar holatida zaryad tashuvchilarni talab qiladi. Agar magnit yarimo'tkazgichda teshik konsentratsiyasi etarli bo'lmasa, Kyuri harorati juda past bo'ladi yoki faqat paramagnetizmni namoyon qiladi. Biroq, agar teshik konsentratsiyasi yuqori bo'lsa (>~1020 sm−3), Kyuri harorati yuqoriroq, 100–200 K oralig'ida bo'ladi. Biroq, o'rganilayotgan ko'plab yarimo'tkazgichlar yarimo'tkazgichga xos doimiy magnitlanish ko'rsatadi. asosiy material. Koʻp tushunib boʻlmaydigan tashqi ferromagnetizm (yoki xayoliy ferromagnetizm) yupqa plyonkalar yoki nanostrukturali materiallarda kuzatiladi. Taklif etilgan ferromagnit yarimo'tkazgich materiallarining bir nechta misollari quyida keltirilgan. E'tibor bering, quyida keltirilgan ko'plab kuzatuvlar va yoki bashoratlar qizg'in muhokama qilinmoqda. Kyuri harorati mos ravishda 50–100 K va 100–200 K atrofida marganets qoʻshilgan indiy arsenid va galliy arsenid (GaMnAs ) Marganets qo'shilgan indiy antimonid, xona haroratida va hatto Mn 1% dan kam bo'lsa ham ferromagnitga aylanadi. Oksidli yarim o'tkazgichlar Marganets va temir qo'shilgan indiy oksidi, xona haroratida ferromagnit. Ferromagnitizm tashuvchi elektronlar vositasida koʻrinadi, xuddi GaMnAs ferromagnetizmi ham tashuvchi-teshiklar vositasida boʻlgani kabi. Sink oksidi Marganets qo'shilgan sink oksidi n-tipli kobalt qo'shilgan rux oksidi  Lantanid qo'shilgan sink oksidi  Magniy oksidi: p-tipli shaffof MgO plyonkalari bo‘sh kationli,ferromagnetizm va ko‘p darajali kommutatsiyani (memristor) birlashtirgan Titan dioksidi: Kobalt qoʻshilgan titan dioksidi (rutil va anataza ), ferromagnit 400 K dan yuqori Xrom qoʻshilgan rutil, 400 K dan yuqori ferromagnit Temir qo'shilgan rutil va temir qo'shilgan anataza, xona haroratida ferromagnit Mis qo'shilgan anataza Nikel qo'shilgan anataza Qalay dioksidi Marganets qo'shilgan qalay dioksidi, Kyuri harorati 340 K Temir qoʻshilgan qalay dioksidi, Kyuri harorati 340 K Stronsiy qo'shilgan qalay dioksidi (SrSnO2) – suyultirilgan magnit yarimo‘tkazgich. Kremniy chipida epitaksial yupqa plyonka sintezlanishi mumkin.Evropiy (II) oksidi, Kyuri harorati 69K. Doping (masalan, kislorod tanqisligi, Gd) bilan kyuri harorati ikki barobardan ko'proq bo'lishi mumkin. Nitrid yarim o‘tkazgichlar Xromli alyuminiy nitride  Marganets qo'shilgan galiy nitridi va bor nitridi (Ba,K)(Zn,Mn)2As2: Tetragonal o'rtacha struktura va ortorombik mahalliy tuzilishga ega ferromagnit yarimo'tkazgich. Magnit yarimo'tkazgichlar yarimo'tkazgichli materiallar bo'lib, ular ham ferromagnetizmni (yoki shunga o'xshash javobni) va foydali yarim o'tkazgich xususiyatlarini namoyon qiladi. Agar ushbu materiallar qurilmalarda qo'llanilsa, o'tkazuvchanlikni boshqarishning yangi turini ta'minlashi mumkin. An'anaviy elektronika zaryad tashuvchilarni ( n- yoki p-tipi ) boshqarishga asoslangan bo'lsa-da , amaliy magnit yarim o'tkazgichlar kvant spin holatini (yuqoriga yoki pastga) boshqarishga imkon beradi . Bu nazariy jihatdan spintronika dasturlari , masalan, spin tranzistorlari uchun muhim xususiyat bo'lgan (faqat ~50% polarizatsiyani ta'minlaydigan temir va boshqa metallardan farqli o'laroq ) deyarli umumiy spin polarizatsiyasini ta'minlaydi . Magnitit kabi ko'plab an'anaviy magnit materiallar ham yarim o'tkazgichlar bo'lsa-da (magnetit 0,14 eV tarmoqli oralig'iga ega yarim metall yarimo'tkazgich ), material olimlari odatda magnit yarim o'tkazgichlar faqat yaxshi rivojlangan yarim o'tkazgich materiallarga o'xshash bo'lsa, keng qo'llanilishini taxmin qilishadi. Shu maqsadda suyultirilgan magnit yarimo'tkazgichlar ( DMS ) yaqinda magnit yarimo'tkazgichlarni tadqiq qilishning asosiy yo'nalishi bo'ldi. Ular an'anaviy yarimo'tkazgichlarga asoslangan, ammo elektron faol elementlar o'rniga yoki ularga qo'shimcha ravishda o'tish metallari bilan qo'shiladi . Ular mumkin bo'lgan texnologik ilovalar bilan noyob spintronik xususiyatlari tufayli qiziqish uyg'otadi . Rux oksidi (ZnO) va titan oksidi (TiO2) kabi doplangan keng diapazonli metall oksidlari optik-magnit dasturlarda koʻp funksiyaliligi tufayli sanoat DMS uchun eng yaxshi nomzodlar qatoriga kiradi . Xususan, vizual mintaqada shaffoflik va piezoelektrik kabi xususiyatlarga ega ZnO asosidagi DMS spin-polarizatsiyalangan tranzistorlar va spinli tranzistorlarni ishlab chiqarish uchun kuchli nomzod sifatida ilmiy jamoatchilik orasida katta qiziqish uyg'otdi. yorug'lik chiqaradigan diodlar esa , bu materialning anataza fazasida mis qo'shilgan TiO2 yanada qulay suyultirilgan magnitlanishni namoyon qilishi taxmin qilingan. Hideo Ohno va uning Toxoku universitetidagi guruhi marganets bilan qo'shilgan indiy arsenid  va galliy arsenid  (ikkinchisi odatda GaMnAs deb ataladi) kabi o'tish metalli qo'shilgan aralash yarim o'tkazgichlarda ferromagnitlikni birinchi bo'lib o'lchagan. Ushbu materiallar p-tipli zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi bilan o'lchanadigan juda yuqori Kyuri haroratini (hali xona haroratidan past) namoyish etdi. O'shandan beri ferromagnit signallar turli o'tish atomlari bilan qo'shilgan turli yarim o'tkazgichlardan o'lchanadi. Nazariy tahrir Dietl va boshqalarning kashshof ishi. magnitlanish uchun o'zgartirilgan Zener modeli  GaMnAs ning tashuvchiga bog'liqligini, shuningdek, anizotropik xususiyatlarini yaxshi tasvirlashini ko'rsatdi. Xuddi shu nazariya, shuningdek, xona haroratida ferromagnitizm mos ravishda Co va Mn tomonidan qo'shilgan kuchli p-tipli ZnO va GaN tarkibida mavjud bo'lishi kerakligini bashorat qilgan. Ushbu bashoratlardan so'ng turli xil oksid va nitridli yarimo'tkazgichlarning ko'plab nazariy va eksperimental tadqiqotlari kuzatildi, bu ko'rinishidan o'tish metallining aralashmalari bilan kuchli qo'shilgan deyarli har qanday yarim o'tkazgich yoki izolyator materialida xona harorati ferromagnitizmini tasdiqlagandek tuyuldi. Biroq, dastlabki zichlik funktsional nazariyasi (DFT) tadqiqotlari tarmoqli bo'shlig'i xatolari va haddan tashqari delokalizatsiyalangan nuqson darajalari bilan bulutli edi va yanada rivojlangan DFT tadqiqotlari ferromagnetizmning oldingi bashoratlarining aksariyatini rad etadi. Xuddi shunday, ko'pgina oksidga asoslangan materiallar uchun magnit yarimo'tkazgichlar uchun o'tkazilgan tadqiqotlar Dietl va boshq. Bugungi kunga kelib, GaMnAs ferromagnitizmning mustahkam birgalikda mavjud bo'lgan yagona yarim o'tkazgich materiali bo'lib qolmoqda va 100-200 K atrofida juda yuqori Kyuri haroratigacha davom etadi. Materiallar tahrirlash Batafsil ma'lumot Tasdiqlash uchun ushbu maqolaga qo'shimcha iqtiboslar kerak. (2007 yil iyul) Materiallarning ishlab chiqarilishi asosiy materialdagi dopantning termal muvozanatdagi eruvchanligiga bog'liq. Masalan, koʻplab qoʻshimcha moddalarning rux oksidida eruvchanligi materiallarni koʻp miqdorda tayyorlash uchun yetarli darajada yuqori, baʼzi boshqa materiallarda esa qoʻshimcha moddalarning eruvchanligi shu qadar pastki, ularni yetarli darajada yuqori qoʻshimcha konsentratsiyasi bilan tayyorlash uchun issiqlik muvozanatsiz tayyorlash mexanizmlaridan foydalanish kerak, masalan. yupqa plyonkalarning o'sishi. Doimiy magnitlanish ko'plab yarimo'tkazgichlarga asoslangan materiallarda kuzatilgan. Ulardan baʼzilari tashuvchining kontsentratsiyasi va magnitlanish oʻrtasida aniq bogʻliqlikni koʻrsatadi, jumladan, T. Story va hamkasblari Mn2+ qoʻshilgan Pb1–xSnxTe ning ferromagnit Kyuri haroratini tashuvchi kontsentratsiyasi taʼsirida boshqarish mumkinligini koʻrsatgan ishlari . Dietl tomonidan taklif qilingan nazariya Mn2+ qo'shilgan GaAs prototipli magnit yarimo'tkazgichda marganets qo'shimcha moddalarining magnit ulanishiga vositachilik qilish uchun teshiklar holatida zaryad tashuvchilarni talab qiladi. Agar magnit yarimo'tkazgichda teshik konsentratsiyasi etarli bo'lmasa, Kyuri harorati juda past bo'ladi yoki faqat paramagnetizmni namoyon qiladi. Biroq, agar teshik konsentratsiyasi yuqori bo'lsa (>~1020 sm−3), Kyuri harorati yuqoriroq, 100–200 K oralig'ida bo'ladi. Biroq, o'rganilayotgan ko'plab yarimo'tkazgichlar yarimo'tkazgichga xos doimiy magnitlanish ko'rsatadi. asosiy material. Koʻp tushunib boʻlmaydigan tashqi ferromagnetizm (yoki xayoliy ferromagnetizm) yupqa plyonkalar yoki nanostrukturali materiallarda kuzatiladi. Taklif etilgan ferromagnit yarimo'tkazgich materiallarining bir nechta misollari quyida keltirilgan. E'tibor bering, quyida keltirilgan ko'plab kuzatuvlar va yoki bashoratlar qizg'in muhokama qilinmoqda. Kyuri harorati mos ravishda 50–100 K va 100–200 K atrofida marganets qoʻshilgan indiy arsenid va galliy arsenid (GaMnAs ) Marganets qo'shilgan indiy antimonid, xona haroratida va hatto Mn 1% dan kam bo'lsa ham ferromagnitga aylanadi. Oksidli yarim o'tkazgichlar Marganets va temir qo'shilgan indiy oksidi, xona haroratida ferromagnit. Ferromagnitizm tashuvchielektronlar vositasida  koʻrinadi, xuddi GaMnAs ferromagnetizmi ham tashuvchi-teshiklar vositasida boʻlgani kabi. Sink oksidi Marganets qo'shilgan sink oksidi n-tipli kobalt qo'shilgan rux oksidi Lantanid qo'shilgan sink oksidi  Magniy oksidi: p-tipli shaffof MgO plyonkalari bo‘sh kationli,ferromagnetizm va ko‘p darajali kommutatsiyani (memristor) birlashtirgan Titan dioksidi: Kobalt qoʻshilgan titan dioksidi (rutil va anataza ), ferromagnit 400 K dan yuqori Xrom qoʻshilgan rutil, 400 K dan yuqori ferromagnit Temir qo'shilgan rutil va temir qo'shilgan anataza, xona haroratida ferromagnit Mis qo'shilgan anataza Nikel qo'shilgan anataza Qalay dioksidi Marganets qo'shilgan qalay dioksidi, Kyuri harorati 340 K Temir qoʻshilgan qalay dioksidi, Kyuri harorati 340 K Stronsiy qo'shilgan qalay dioksidi (SrSnO2) – suyultirilgan magnit yarimo‘tkazgich. Kremniy chipida epitaksial yupqa plyonka sintezlanishi mumkin. Evropiy (II) oksidi, Kyuri harorati 69K. Doping (masalan, kislorod tanqisligi, Gd) bilan kyuri harorati ikki barobardan ko'proq bo'lishi mumkin. Nitrid yarim o‘tkazgichlar Xromli alyuminiy nitride Marganets qo'shilgan galiy nitridi va bor nitridi  (Ba,K)(Zn,Mn)2As2: Tetragonal o'rtacha struktura va ortorombik mahalliy tuzilishga ega ferromagnit yarimo'tkazgich.