चुंबकीय अर्धचालक

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Unsolved problem in physics:

Can we build materials that show properties of both ferromagnets and semiconductors at room temperature?

(more unsolved problems in physics)

चुंबकीय अर्धचालक अर्धचालक पदार्थ होते हैं जो लौह चुंबकत्व (या समान प्रतिक्रिया) और उपयोगी अर्धचालक गुण दोनों प्रदर्शित करते हैं। यदि उपकरणों में लागू किया जाता है, तो ये सामग्रियां एक नए प्रकार का चालन नियंत्रण प्रदान कर सकती हैं। जबकि पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स आवेश वाहकों (एन-टाइप या पी-प्रकार अर्धचालक) के नियंत्रण पर आधारित होते हैं, व्यावहारिक चुंबकीय अर्धचालक भी क्वांटम स्पिन स्थिति (ऊपर या नीचे) के नियंत्रण की अनुमति देंगे। यह सैद्धांतिक रूप से निकट-कुल स्पिन ध्रुवीकरण प्रदान करेगा (लोहे और अन्य धातुओं के विपरीत, जो केवल ~ 50% ध्रुवीकरण प्रदान करते हैं), जो स्पिंट्रोनिक्स अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण संपत्ति है, उदा। स्पिन ट्रांजिस्टर।

जबकि कई पारंपरिक चुंबकीय सामग्री, जैसे कि मैग्नेटाइट, अर्धचालक भी हैं (मैग्नेटाइट ऊर्जा अंतराल 0.14 eV के साथ एक सेमीमेटल अर्धचालक है), सामग्री वैज्ञानिक सामान्यतः भविष्यवाणी करते हैं कि चुंबकीय अर्धचालक केवल तभी व्यापक उपयोग पाएंगे जब वे अच्छी तरह से विकसित अर्धचालक सामग्री के समान हों। इसके लिए, पतला चुंबकीय अर्धचालक (डीएमएस) हाल ही में चुंबकीय अर्धचालक अनुसंधान का एक प्रमुख फोकस रहा है। ये पारंपरिक अर्धचालक पर आधारित होते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक रूप से सक्रिय तत्वों के बजाय, या इसके अतिरिक्त संक्रमण धातुओं के साथ डोप किए जाते हैं। संभावित तकनीकी अनुप्रयोगों के साथ उनके अद्वितीय स्पिंट्रोनिक्स गुणों के कारण वे रुचि रखते हैं।[1][2] ज़िंक ऑक्साइड (ZnO) और टाइटेनियम ऑक्साइड (TiO2) जैसे डॉप्ड वाइड बैंड-गैप मेटल ऑक्साइड, ऑप्टोमैग्नेटिक अनुप्रयोगों में अपनी बहुक्रियाशीलता के कारण औद्योगिक DMS के लिए सबसे अच्छे उम्मीदवारों में से हैं। विशेष रूप से, जेडएनओ-आधारित डीएमएस जैसे गुणों के साथ दृश्य क्षेत्र और पीजोइलेक्ट्रिकिटी में पारदर्शिता ने स्पिन ट्रांजिस्टर और स्पिन-ध्रुवीकृत प्रकाश उत्सर्जक डायोड के निर्माण के लिए एक मजबूत उम्मीदवार के रूप में वैज्ञानिक समुदाय के बीच बड़ी रुचि पैदा की है[3] जबकि तांबा डोप किया गया इस सामग्री के एनाटेज चरण में TiO2 को अनुकूल पतला चुंबकत्व प्रदर्शित करने की भविष्यवाणी की गई है।[4]

तोहोकू विश्वविद्यालय में हिदेओ ओहनो और उनके समूह ने इंडियम आर्सेनाइड[5]और गैलियम आर्सेनाइड[6] मैंगनीज के साथ डोप किए गए संक्रमण धातु डोप्ड यौगिक अर्धचालकों में फेरोमैग्नेटिज़्म को मापने वाले पहले व्यक्ति थे (उत्तरार्द्ध को सामान्यतः GaMnAs के रूप में जाना जाता है)। इन सामग्रियों ने यथोचित उच्च क्यूरी तापमान (फिर भी कमरे के तापमान से नीचे) प्रदर्शित किया जो कि पी-प्रकार के आवेश वाहकों की सांद्रता के साथ होता है। तब से, विभिन्न संक्रमण परमाणुओं के साथ डोप किए गए विभिन्न अर्धचालक मेजबानों से फेरोमैग्नेटिक संकेतों को मापा गया है।

सिद्धांत

डाइटल एट अल का अग्रणी कार्य। ने दिखाया कि चुंबकत्व के लिए एक संशोधित जेनर मॉडल अच्छी तरह से वाहक निर्भरता, साथ ही GaMnAs के अनिसोट्रोपिक गुणों का वर्णन करता है।[7] इसी सिद्धांत ने यह भी भविष्यवाणी की थी कि Co और Mn द्वारा डोप किए गए भारी पी-टाइप ZnO और GaN में क्रमशः कमरे के तापमान फेरोमैग्नेटिज्म मौजूद होना चाहिए। इन भविष्यवाणियों का पालन विभिन्न ऑक्साइड और नाइट्राइड सेमीकंडक्टर्स के सैद्धांतिक और प्रायोगिक अध्ययनों की बाढ़ के बाद किया गया था, जो स्पष्ट रूप से लगभग किसी भी सेमीकंडक्टर या इंसुलेटर सामग्री में कमरे के तापमान फेरोमैग्नेटिज़्म की पुष्टि करने के लिए लग रहा था, जो संक्रमण धातु की अशुद्धियों द्वारा भारी रूप से डोप किया गया था। हालांकि, प्रारंभिक घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) अध्ययन बैंड गैप त्रुटियों और अत्यधिक डेलोकलाइज़्ड दोष स्तरों से घिरे हुए थे, और अधिक उन्नत डीएफटी अध्ययन फेरोमैग्नेटिज्म की पिछली अधिकांश भविष्यवाणियों का खंडन करते हैं।[8] इसी तरह, यह दिखाया गया है कि चुंबकीय अर्धचालकों के लिए अधिकांश ऑक्साइड आधारित सामग्री अध्ययन एक आंतरिक वाहक-मध्यस्थ फेरोमैग्नेटिज्म का प्रदर्शन नहीं करते हैं जैसा कि डाइटल एट अल द्वारा पोस्ट किया गया है।[9] तिथि करने के लिए, GaMnAs एकमात्र अर्धचालक सामग्री बनी हुई है जिसमें फेरोमैग्नेटिज़्म का मजबूत सह-अस्तित्व लगभग 100-200 K के बजाय उच्च क्यूरी तापमान तक बना रहता है।

सामग्री

सामग्रियों की विनिर्माण क्षमता आधार सामग्री में डोपेंट की थर्मल संतुलन घुलनशीलता पर निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, जिंक ऑक्साइड में कई डोपेंट की घुलनशीलता सामग्री को थोक में तैयार करने के लिए काफी अधिक है, जबकि कुछ अन्य सामग्रियों में डोपेंट की इतनी कम घुलनशीलता होती है कि उन्हें पर्याप्त उच्च डोपेंट एकाग्रता के साथ तैयार करने के लिए थर्मल नोक्विलिब्रियम तैयारी तंत्र को नियोजित करना पड़ता है, उदा। पतली फिल्मों का विकास

सेमीकंडक्टर आधारित सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में स्थायी चुंबकीयकरण देखा गया है। उनमें से कुछ वाहक घनत्व और चुंबकीयकरण के बीच एक स्पष्ट संबंध प्रदर्शित करते हैं, जिसमें टी. स्टोरी और सहकर्मियों का काम शामिल है, जहां उन्होंने दिखाया कि Mn2+-doped Pb1−xSnxTe के फेरोमैग्नेटिक क्यूरी तापमान को वाहक एकाग्रता द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। [10] डाइटल द्वारा प्रस्तावित सिद्धांत में आदर्श चुंबकीय अर्धचालक, Mn2+-डोप्ड GaAs में मैंगनीज डोपेंट के चुंबकीय युग्मन की मध्यस्थता के लिए छिद्रों के मामले में आवेश वाहकों की आवश्यकता होती है। यदि चुंबकीय अर्धचालक में अपर्याप्त छिद्र सांद्रता है, तो क्यूरी तापमान बहुत कम होगा या केवल अनुचुंबकत्व प्रदर्शित करेगा। हालांकि, यदि छेद की सघनता अधिक है (>~1020 सेमी-3), तो क्यूरी तापमान 100-200 K के बीच अधिक होगा।[10] हालांकि, अध्ययन किए गए कई सेमीकंडक्टर सामग्री सेमीकंडक्टर के लिए एक स्थायी चुंबकीयकरण बाह्य रूप से प्रदर्शित करते हैं। मेजबान सामग्री।[9] बहुत से मायावी बाहरी फेरोमैग्नेटिज्म (या फैंटम फेरोमैग्नेटिज्म) पतली फिल्मों या नैनोसंरचित सामग्रियों में देखे जाते हैं।[9]

प्रस्तावित फेरोमैग्नेटिक सेमीकंडक्टर सामग्री के कई उदाहरण नीचे सूचीबद्ध हैं। ध्यान दें कि नीचे दी गई कई टिप्पणियों और/या भविष्यवाणियों पर भारी बहस हुई है।

  • मैंगनीज-डोप्ड इंडियम आर्सेनाइड और गैलियम आर्सेनाइड (GaMnAs), क्यूरी तापमान के साथ क्रमशः 50-100 K और 100-200 K,
  • मैंगनीज-डोप्ड इंडियम एंटीमोनाइड, जो कमरे के तापमान पर भी फेरोमैग्नेटिक हो जाता है और यहां तक ​​कि 1% Mn से भी कम हो जाता है।[11]
  • ऑक्साइड अर्धचालक[12]
    • मैंगनीज- और आयरन-डोप्ड इंडियम ऑक्साइड, कमरे के तापमान पर फेरोमैग्नेटिक। फेरोमैग्नेटिज़्म को वाहक-इलेक्ट्रॉनों द्वारा मध्यस्थ किया जाता है,[13][14] उसी तरह जिस तरह GaMnAs फेरोमैग्नेटिज़्म को वाहक-छिद्रों द्वारा मध्यस्थ किया जाता है।
    • ज़िंक ऑक्साइड
      • मैंगनीज-डोप्ड जिंक ऑक्साइड
      • एन-टाइप सेमीकंडक्टर | एन-टाइप कोबाल्ट-डोप्ड जिंक ऑक्साइड[15][16]
      • लैंथेनाइड-डोप्ड जिंक ऑक्साइड[17]
    • मैग्नीशियम ऑक्साइड:
      • पी-टाइप सेमीकंडक्टर | पी-टाइप पारदर्शी एमजीओ फिल्में कटियन रिक्तियों के साथ,[18][19] फेरोमैग्नेटिज्म और मल्टीलेवल स्विचिंग (memristor) का संयोजन
    • रंजातु डाइऑक्साइड:
      • कोबाल्ट-डोप्ड टाइटेनियम डाइऑक्साइड (रूटाइल और एनाटेज दोनों), 400 केल्विन से ऊपर फेरोमैग्नेटिक
      • क्रोमियम-डोप्ड रूटाइल, फेरोमैग्नेटिक 400 केल्विन से ऊपर
      • आयरन-डोप्ड रूटाइल और आयरन-डोप्ड एनाटेज, कमरे के तापमान पर फेरोमैग्नेटिक
      • कॉपर-डोप्ड एनाटेज[4]*** निकल -डोप्ड एनाटेज
    • टिन डाइऑक्साइड
      • मैंगनीज-डोप्ड टिन डाइऑक्साइड, 340 K पर क्यूरी तापमान के साथ
      • 340 K पर क्यूरी तापमान के साथ आयरन-डोप्ड टिन डाइऑक्साइड
      • स्ट्रोंटियम-डोप्ड टिन डाइऑक्साइड (SrSnO
        2        ) - तनु चुंबकीय अर्धचालक। एक सिलिकॉन चिप पर एक epitaxial पतली फिल्म को संश्लेषित किया जा सकता है।[20][21]
    • यूरोपियम (II) ऑक्साइड, 69K के क्यूरी तापमान के साथ। डोपिंग (जैसे ऑक्सीजन की कमी, Gd) द्वारा क्यूरी तापमान को दोगुना से अधिक किया जा सकता है।
  • नाइट्राइड अर्धचालक
  • (Ba,K)(Zn,Mn)2As2: टेट्रागोनल औसत संरचना और ऑर्थोरोम्बिक स्थानीय संरचना के साथ फेरोमैग्नेटिक सेमीकंडक्टर।[24]

संदर्भ

  1. ↑ Furdyna, J.K. (1988). "पतला चुंबकीय अर्धचालक". J. Appl. Phys. 64 (4): R29. Bibcode:1988JAP....64...29F. doi:10.1063/1.341700.
  2. ↑ Ohno, H. (1998). "गैर-चुंबकीय अर्धचालकों को फेरोमैग्नेटिक बनाना". Science. 281 (5379): 951–5. Bibcode:1998Sci...281..951O. doi:10.1126/science.281.5379.951. PMID 9703503.
  3. ↑ Ogale, S.B (2010). "धातु ऑक्साइड सिस्टम में डोपिंग, दोष और फेरोमैग्नेटिज्म को पतला करें।". Advanced Materials. 22 (29): 3125–3155. Bibcode:2010AdM....22.3125O. doi:10.1002/adma.200903891. PMID 20535732. S2CID 25307693.
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  5. ↑ Munekata, H.; Ohno, H.; von Molnar, S.; Segmüller, Armin; Chang, L. L.; Esaki, L. (1989-10-23). "पतला चुंबकीय III-V अर्धचालक". Physical Review Letters (in English). 63 (17): 1849–1852. Bibcode: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. (1996-07-15). "(Ga,Mn)As: A new diluted magnetic semiconductor based on GaAs". Applied Physics Letters (in English). 69 (3): 363–365. Bibcode:1996ApPhL..69..363O. doi:10.1063/1.118061. ISSN 0003-6951.
  7. ↑ Dietl, T.; Ohno, H.; Matsukura, F.; Cibert, J.; Ferrand, D. (February 2000). "Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors". 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 and Hannes Raebiger (2010). "The quest for dilute ferromagnetism in semiconductors: Guides and misguides by theory". Physics. 3: 53. Bibcode:2010PhyOJ...3...53Z. doi:10.1103/Physics.3.53.
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  14. ↑ Raebiger, Hannes; Lany, Stephan; Zunger, Alex (2008-07-07). "Control of Ferromagnetism via Electron Doping in In 2 O 3 : Cr". Physical Review Letters. 101 (2): 027203. Bibcode:2008PhRvL.101b7203R. doi:10.1103/PhysRevLett.101.027203. ISSN 0031-9007. PMID 18764222.
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बाहरी संबंध

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