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 ऐसे अर्धचालक पदार्थ होते हैं जो लौह चुंबकत्व या समान प्रतिक्रिया और उपयोगी अर्धचालक गुण दोनों को प्रदर्शित करते हैं। यदि इनको उपकरणों में प्रयुक्त किया जाता है तो ये घातुओ मे एक नए प्रकार का चालन नियंत्रण प्रदान कर सकते हैं। जबकि पारंपरिक विद्युत आवेश वाहकों (N-प्रकार के अर्धचलक या P-प्रकार के अर्धचलक) के नियंत्रण पर आधारित होते हैं। पारंपरिक चुंबकीय अर्धचालक भी क्वांटम घूर्णन स्थिति (ऊपर या नीचे) के नियंत्रण की स्वीकृति देते है। ये सैद्धांतिक रूप से निकट का कुल घूर्णन प्रदान करते है। लौहे और अन्य धातुओं के विपरीत केवल ~ 50% ध्रुवीकरण प्रदान करते हैं जो स्पेक्ट्रनिक अनुप्रयोगों जैसे घूर्णन प्रतिरोधक के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है।

जबकि कई पारंपरिक चुंबकीय धातुओ जैसे कि मैग्नेटाइट अर्धचालक मैग्नेटाइट ऊर्जा अंतराल 0.14 eV के साथ अर्ध धात्विक अर्धचालक है। धातु वैज्ञानिक सामान्यतः पूर्वानुमान करते हैं कि चुंबकीय अर्धचालक केवल तभी व्यापक उपयोग मे पाए जा सकते है। जब वे अच्छी तरह से विकसित अर्धचालक धातुओ के समान हों। इसके लिए पतला चुंबकीय अर्धचालक (डीएमएस) हाल ही में चुंबकीय अर्धचालक अनुसंधान का एक प्रमुख केंद्र रहा है। ये पारंपरिक अर्धचालक पर आधारित होते हैं, लेकिन विद्यतिय रूप से सक्रिय तत्वों के अतिरिक्त या इसके अतिरिक्त संक्रमण धातुओं के साथ समायोजित किए जाते हैं। संभावित तकनीकी अनुप्रयोगों के साथ उनके अद्वितीय स्पेक्ट्रनिक गुणों के कारण वे रुचि रखते हैं।[1][2] ज़िंक ऑक्साइड (ZnO) और टाइटेनियम ऑक्साइड (TiO2) जैसे डॉप्डवाइड ऊर्जा अंतराल मे धातु ऑक्साइड, प्रकाशचुंबकीय अनुप्रयोगों में अपनी बहुक्रियाशीलता के कारण औद्योगिक डीएमएस के लिए सबसे अच्छे अभ्यर्थी में से हैं। विशेष रूप से जेडएनओ-आधारित डीएमएस जैसे गुणों के साथ दृश्य क्षेत्र और दाब विद्युत में पारदर्शिता ने घूर्णन ट्रांजिस्टर और घूर्णन ध्रुवीकृत प्रकाश उत्सर्जक डायोड के निर्माण के लिए एक जटिल अभ्यर्थी के रूप में वैज्ञानिक समुदाय के बीच बड़ी रुचि उत्पन्न की है।[3] जबकि इस धातु के एनाटेस फेज़ में कॉपरडोप (TiO2) को आगे से अनुकूल और पतला चुंबकत्व प्रदर्शित करने के लिए पूर्वानुमानित किया गया है।[4]

तोहोकू विश्वविद्यालय में हिदेओ ओहनो और उनके समूह ने इंडियम आर्सेनाइड[5]और गैलियम आर्सेनाइड[6] मैंगनीज के साथ समायोजित किए गए संक्रमण धातु यौगिक अर्धचालकों में लौह चुंबकत्व को मापने वाले पहले व्यक्ति थे। उत्तरार्द्ध को सामान्यतः GaMnAs धातु के रूप में जाना जाता है। इन धातुओ ने यथोचित उच्च क्यूरी तापमान (कमरे के तापमान से नीचे) प्रदर्शित किया है जो कि पी-प्रकार के अर्धचलक के आवेश वाहकों की सांद्रता के साथ होता है। तब से विभिन्न संक्रमण परमाणुओं के साथ समायोजित किए गए विभिन्न एकल अर्धचालक से लौह-चुंबकीय संकेतों को मापा जाता है।

सिद्धांत

डाइटल के अग्रणी कार्य ने प्रदर्शित किया कि चुंबकत्व के लिए एक संशोधित जेनर मॉडल वाहक निर्भरता के साथ ही GaMnAs के विषमदैशिक गुणों का वर्णन करता है।[7] इसी सिद्धांत ने यह भी पूर्वानुमान किया था कि Co और Mn द्वारा समायोजित किए गए भारी पीप्रकार के अर्धचलक ZnO और GaN में क्रमशः कमरे के तापमान लौह चुंबकत्व सम्मिलित होना चाहिए। इन पूर्वानुमानों का अनुसरण विभिन्न ऑक्साइड और नाइट्राइड अर्धचलक के सैद्धांतिक और प्रायोगिक अध्ययनों के विकास के बाद किया गया था। जो स्पष्ट रूप से लगभग किसी भी अर्धचालक या अवरोधक धातु में कमरे के तापमान जैसा लौह चुंबकत्व की पुष्टि करने के लिए लग रहा था। जो संक्रमण धातु की अशुद्धियों द्वारा भारी रूप से समायोजित किया गया था। हालांकि प्रारंभिक घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) अध्ययन ऊर्जा अंतराल त्रुटियों और अत्यधिक विस्थापन दोष स्तरों से घिरे हुए थे और अधिक उन्नत डीएफटी अध्ययन लौह चुंबकत्व की पिछले अधिकांश पूर्वानुमान का खंडन करते हैं।[8] इसी प्रकार यह दिखाया गया है कि चुंबकीय अर्धचालकों के लिए अधिकांश ऑक्साइड आधारित धातु का अध्ययन एक आंतरिक वाहक मध्यस्थ लौह चुंबकत्व का प्रदर्शन नहीं करते हैं जैसा कि डाइटल द्वारा प्रस्तुत किया गया है।[9] वर्तमान मे GaMnAs एकमात्र अर्धचालक धातु है जिसमें लौह चुंबकत्व का जटिल सह-अस्तित्व लगभग 100-200 K के अतिरिक्त उच्च क्यूरी तापमान तक बना रहता है।

धातु

धातुओ की विनिर्माण क्षमता के आधार धातु में मादक पदार्थ के तापीय संतुलन घुलनशीलता पर निर्भर करते है। उदाहरण के लिए जिंक ऑक्साइड में कई मादक पदार्थ की घुलनशीलता धातु को विस्तार में तैयार करने के लिए अपेक्षाकृत अधिक है जबकि कुछ अन्य धातुओ में मादक पदार्थ की इतनी कम घुलनशीलता होती है कि उन्हें पर्याप्त उच्च मादक पदार्थ एकाग्रता के साथ पतली परतों का विकास करने के लिए ऊष्मीय नोनेक़ुइलिब्रिउम तंत्र को नियोजित करना पड़ता है।

अर्धचालक आधारित धातुओ 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 कार्य सम्मिलित है, जहां उन्होंने दिखाया कि (Mn2+- doped Pb1−xSnxTe) के लौह चुंबकीय क्यूरी तापमान को वाहक एकाग्रता द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। डाइटल द्वारा प्रस्तावित सिद्धांत में आदर्श चुंबकीय अर्धचालक (Mn2+-doped GaAs) में मैंगनीज मादक पदार्थ के चुंबकीय युग्मन की मध्यस्थता के लिए छिद्रों की स्थिति 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 (>~1020 सेमी-3) से अधिक है तो क्यूरी तापमान 100-200 K के बीच अधिक होगा।[9] हालांकि, अध्ययन किए गए कई अर्धचालक पदार्थों में अर्धचालक धातु अर्धचलक के लिए एक स्थायी चुंबकीयकरण बाह्य रूप से प्रदर्शित होता है। बहुत से बाह्य लौह चुंबकत्व या आभासी लौह चुंबकत्व की पतली परतों या सूक्ष्म संरचित धातुओं के रूप में देखे जाते हैं।[9]

प्रस्तावित लौह चुंबकीय अर्धचालक धातु के कई उदाहरण नीचे सूचीबद्ध हैं। ध्यान दें कि नीचे दी गई कई टिप्पणियों और पूर्वानुमानित धातुओं पर अत्यधिक चर्चा की गयी है:[8]

  • मैंगनीज-डोप्ड इंडियम आर्सेनाइड और गैलियम आर्सेनाइड (GaMnAs) का क्यूरी तापमान क्रमशः 50-100 K और 100-200 K है।
  • मैंगनीज-डोप्ड इंडियम एंटीमोनाइड, जो कमरे के तापमान पर भी लौह चुंबकीय हो जाता है और यहां तक ​​कि 1% Mn से भी अपेक्षाकृत कम हो जाता है।[10]
  • ऑक्साइड अर्धचालक[11]
    • मैंगनीज और आयरन डोप्ड इंडियम ऑक्साइड, कमरे के तापमान पर लौह चुंबकत्व को वाहक-इलेक्ट्रॉनों द्वारा मध्यस्थ किया जाता है।[12][13] जिस प्रकार से GaMnAs लौह चुंबकत्व को वाहक-छिद्रों द्वारा मध्यस्थ किया जाता है।
    • ज़िंक ऑक्साइड
      • मैंगनीज-डोप्ड जिंक ऑक्साइड
      • N प्रकार के अर्धचालक और N प्रकार के कोबाल्ट-डोप्ड जिंक ऑक्साइड[14][15]
      • लैंथेनाइड-डोप्ड जिंक ऑक्साइड[16]
    • मैग्नीशियम ऑक्साइड:
      • P प्रकार के अर्धचालक और P प्रकार के पारदर्शी MgO परत धनायन रिक्तियों के साथ लौह चुंबकत्व और बहुस्तरीय स्विचिंग (मेमिस्टर) का संयोजन।[17][18]
    • टाइटेनियम डाइऑक्साइड:
      • कोबाल्ट-डोप्ड टाइटेनियम डाइऑक्साइड (रूटाइल और ऑक्टाहेटड्राइट), 400 केल्विन से ऊपर लौह चुंबकीय
      • क्रोमियम-डोप्ड रूटाइल, लौह चुंबकीय 400 केल्विन से ऊपर
      • आयरन-डोप्ड रूटाइल और आयरन-डोप्ड ऑक्टाहेटड्राइट, कमरे के तापमान पर लौह चुंबकीय
      • कॉपर-डोप्ड ऑक्टाहेटड्राइट
      • निकेल -डोप्ड ऑक्टाहेटड्राइट[4]
    • 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        ) - चुंबकीय अर्धचालक को पतला करें जिससे सिलिकॉन चिप पर एपीटैक्सीय परत को संश्लेषित किया जा सकता है।[19][20]
    • यूरोपियम (II) ऑक्साइड, 69K के क्यूरी तापमान के साथ मादक पदार्थ (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 (विषमलम्बाक्ष) स्थानीय संरचना के साथ लौह चुंबकीय अर्धचालक।[23]

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.
  4. ↑ 4.0 4.1 Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H (2013). "Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs". Journal of Applied Physics. 113 (23): 233913–233913–5. arXiv:1304.1854. Bibcode:2013JAP...113w3913A. doi:10.1063/1.4811539. S2CID 94599250.
  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. ↑ 8.0 8.1 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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  11. ↑ Fukumura, T; Toyosaki, H; Yamada, Y (2005). "चुंबकीय ऑक्साइड अर्धचालक". Semiconductor Science and Technology. 20 (4): S103–S111. arXiv:cond-mat/0504168. Bibcode:2005SeScT..20S.103F. doi:10.1088/0268-1242/20/4/012. S2CID 96727752.
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  13. ↑ 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.
  14. ↑ Kittilstved, Kevin; Schwartz, Dana; Tuan, Allan; Heald, Steve; Chambers, Scott; Gamelin, Daniel (2006). "Direct Kinetic Correlation of Carriers and Ferromagnetism in Co2+: ZnO". Physical Review Letters. 97 (3): 037203. Bibcode:2006PhRvL..97c7203K. doi:10.1103/PhysRevLett.97.037203. PMID 16907540.
  15. ↑ Lany, Stephan; Raebiger, Hannes; Zunger, Alex (2008-06-03). "Magnetic interactions of Cr − Cr and Co − Co impurity pairs in ZnO within a band-gap corrected density functional approach". Physical Review B. 77 (24): 241201. Bibcode:2008PhRvB..77x1201L. doi:10.1103/PhysRevB.77.241201. ISSN 1098-0121.
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  18. ↑ Jambois, O.; Carreras, P.; Antony, A.; Bertomeu, J.; Martínez-Boubeta, C. (2011-12-01). "पारदर्शी चुंबकीय MgO फिल्मों में प्रतिरोध स्विचिंग". Solid State Communications. 151 (24): 1856–1859. Bibcode:2011SSCom.151.1856J. doi:10.1016/j.ssc.2011.10.009. hdl:2445/50485.
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  21. ↑ Chambers, Scott A. (2010). "डॉप्ड ट्रांज़िशन मेटल और कॉम्प्लेक्स ऑक्साइड फ़िल्मों की एपीटैक्सियल ग्रोथ और गुण". Advanced Materials. 22 (2): 219–248. Bibcode:2010AdM....22..219C. doi:10.1002/adma.200901867. PMID 20217685. S2CID 5415994.
  22. ↑ Assali, L. V. C.; Machado, W. V. M.; Justo, J. F. (2006). "बोरॉन नाइट्राइड में मैंगनीज की अशुद्धियाँ". Appl. Phys. Lett. 89 (7): 072102. Bibcode:2006ApPhL..89g2102A. doi:10.1063/1.2266930.
  23. ↑ Frandsen, Benjamin A.; Gong, Zizhou; Terban, Maxwell W.; Banerjee, Soham; Chen, Bijuan; Jin, Changqing; Feygenson, Mikhail; Uemura, Yasutomo J.; Billinge, Simon J. L. (2016-09-06). "Local atomic and magnetic structure of dilute magnetic semiconductor ( Ba , K ) ( Zn , Mn ) 2 As 2". Physical Review B (in English). 94 (9): 094102. arXiv:1608.02684. Bibcode:2016PhRvB..94i4102F. doi:10.1103/PhysRevB.94.094102. ISSN 2469-9950.

बाहरी संबंध

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