चुंबकीय अर्धचालक

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 सेमीकंडक्टर|एन- या पी-प्रकार अर्धचालक|पी-टाइप) के नियंत्रण पर आधारित होते हैं, व्यावहारिक चुंबकीय अर्धचालक भी क्वांटम स्पिन (भौतिकी) (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 spintronics 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  अर्द्ध धातु  अर्धचालक है), सामग्री वैज्ञानिक आमतौर पर 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 अर्धचालकों पर आधारित हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक रूप से सक्रिय तत्वों के बजाय या इसके अतिरिक्त संक्रमण धातुओं के साथ  डोपिंग (अर्धचालक)  हैं। वे संभावित तकनीकी अनुप्रयोगों के साथ अपने अद्वितीय स्पिंट्रोनिक्स गुणों के कारण रुचि रखते हैं।  डोप्ड वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर | वाइड बैंड-गैप मेटल ऑक्साइड जैसे  ज़िंक ऑक्साइड  (ZnO) और टाइटेनियम ऑक्साइड (TiO)2) magnetoptics अनुप्रयोगों में उनकी बहुक्रियाशीलता के कारण औद्योगिक डीएमएस के लिए सर्वश्रेष्ठ उम्मीदवारों में से हैं। विशेष रूप से, जेडएनओ-आधारित डीएमएस जैसे गुणों के साथ दृश्य क्षेत्र और piezoelectricity में स्पिन ट्रांजिस्टर और स्पिन ध्रुवीकरण के निर्माण के लिए एक मजबूत उम्मीदवार के रूप में वैज्ञानिक समुदाय के बीच बड़ी रुचि उत्पन्न हुई है। स्पिन-ध्रुवीकृत प्रकाश उत्सर्जक डायोड, जबकि  ताँबा  ने TiO को डोप किया2 इस सामग्री के एनाटेज चरण में आगे अनुकूल पतला चुंबकत्व प्रदर्शित करने की भविष्यवाणी की गई है। टोहोकू विश्वविद्यालय में हिदेओ ओहनो और उनके समूह संक्रमण धातु डोपिंग (सेमीकंडक्टर्स) यौगिक सेमीकंडक्टर्स जैसे इंडियम आर्सेनाइड में फेरोमैग्नेटिज्म को मापने वाले पहले व्यक्ति थे। और गैलियम आर्सेनाइड मैंगनीज के साथ डोप किया गया (उत्तरार्द्ध को आमतौर पर GaMnAs कहा जाता है)। इन सामग्रियों ने उचित रूप से उच्च क्यूरी तापमान (फिर भी कमरे के तापमान से नीचे) का प्रदर्शन किया जो कि पी-टाइप सेमीकंडक्टर की एकाग्रता के साथ होता है। पी-टाइप चार्ज वाहक। 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। दिखाया कि चुंबकत्व के लिए एक संशोधित जेनर मॉडल अच्छी तरह से वाहक निर्भरता, साथ ही GaMnAs के अनिसोट्रोपिक गुणों का वर्णन करता है। वही सिद्धांत भी ने भविष्यवाणी की कि कमरे के तापमान फेरोमैग्नेटिज्म को भारी पी-टाइप सेमीकंडक्टर में मौजूद होना चाहिए। पी-टाइप डोपिंग (सेमीकंडक्टर्स) ZnO और GaN को क्रमशः Co और Mn द्वारा डोप किया गया। इन भविष्यवाणियों का पालन विभिन्न ऑक्साइड और नाइट्राइड सेमीकंडक्टर्स के सैद्धांतिक और प्रायोगिक अध्ययनों की हड़बड़ाहट के बाद किया गया था, जो लगभग किसी भी सेमीकंडक्टर या इंसुलेटर सामग्री में कमरे के तापमान फेरोमैग्नेटिज्म की पुष्टि करता प्रतीत होता है संक्रमण धातु की अशुद्धियों द्वारा अत्यधिक डोप किया गया। हालांकि, प्रारंभिक घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) अध्ययन बैंड गैप त्रुटियों और अत्यधिक डेलोकलाइज़्ड दोष स्तरों द्वारा अस्पष्ट थे, और अधिक उन्नत डीएफटी अध्ययन फेरोमैग्नेटिज़्म की पिछली अधिकांश भविष्यवाणियों का खंडन करते हैं। इसी तरह, यह दिखाया गया है कि अधिकांश ऑक्साइड आधारित सामग्री चुंबकीय अर्धचालकों के लिए अध्ययन करती है डाइटल एट अल द्वारा पोस्ट किए गए एक आंतरिक वाहक-मध्यस्थ फेरोमैग्नेटिज़्म का प्रदर्शन न करें। आज तक, 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, के कार्य सहित टी. कहानी और सहकर्मी जहां उन्होंने प्रदर्शित किया कि मैंगनीज का फेरोमैग्नेटिक क्यूरी तापमान |Mn2+-डोप्ड लेड टिन टेल्यूराइड|Pb1−xएस.एन.xते को वाहक घनत्व द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। डाइटल द्वारा प्रस्तावित सिद्धांत, प्रोटोटाइपिक चुंबकीय अर्धचालक, Mn में मैंगनीज डोपेंट के चुंबकीय युग्मन की मध्यस्थता के लिए इलेक्ट्रॉन छेद के मामले में अर्धचालकों में आवश्यक चार्ज वाहक2+-डोप्ड GaAs। यदि चुंबकीय अर्धचालक में अपर्याप्त छिद्र सांद्रता है, तो क्यूरी तापमान बहुत कम होगा या केवल अनुचुंबकत्व प्रदर्शित करेगा। हालांकि, अगर छेद की सघनता अधिक है ( > ~1020 सेमी -3), तो क्यूरी का तापमान 100-200 K के बीच अधिक होगा। हालांकि, अध्ययन किए गए कई अर्धचालक पदार्थों में एक स्थायी चुंबकीयकरण बाह्य रूप से प्रदर्शित होता है अर्धचालक मेजबान सामग्री के लिए। बहुत सारे मायावी बाहरी फेरोमैग्नेटिज्म (या फैंटम फेरोमैग्नेटिज्म) पतली फिल्मों या नैनोसंरचित सामग्रियों में देखा जाता है। 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।
 * ऑक्साइड अर्धचालक
 * मैंगनीज- और आयरन-डोप्ड इंडियम ऑक्साइड, कमरे के तापमान पर फेरोमैग्नेटिक। फेरोमैग्नेटिज्म वाहक-इलेक्ट्रॉनों द्वारा मध्यस्थ प्रतीत होता है, उसी तरह जैसे GaMnAs फेरोमैग्नेटिज़्म की वाहक-छिद्रों द्वारा मध्यस्थता की जाती है।
 * ज़िंक ऑक्साइड
 * मैंगनीज-डोप्ड जिंक ऑक्साइड
 * एन-टाइप सेमीकंडक्टर | एन-टाइप कोबाल्ट-डोप्ड जिंक ऑक्साइड
 * लैंथेनाइड-डोप्ड जिंक ऑक्साइड
 * मैग्नीशियम ऑक्साइड:
 * पी-टाइप सेमीकंडक्टर | पी-टाइप पारदर्शी एमजीओ फिल्में कटियन रिक्तियों के साथ, 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 *** 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 - तनु चुंबकीय अर्धचालक। एक सिलिकॉन चिप पर एक epitaxial पतली फिल्म को संश्लेषित किया जा सकता है।
 * 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
 * क्रोमियम डोप्ड एल्यूमीनियम नाइट्राइड
 * मैंगनीज डोप्ड गैलियम नाइट्राइड और बोरॉन नाइट्राइड
 * (बीए,के)(जेडएन,एमएन)2जैसा2: टेट्रागोनल औसत संरचना और ऑर्थोरोम्बिक स्थानीय संरचना के साथ फेरोमैग्नेटिक सेमीकंडक्टर।

बाहरी संबंध


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