Магніторозчинені напівпровідники

МАГНІТОРОЗЧИ́НЕНІ НАПІВ­ПРОВІД­НИКИ́ (МРН) — тверді роз­чини магнітних d-пере­хідних металів у діамагнітних напівпровідниках. d-метали мають недобудовану d-оболонку, яка об­умовлює магніт. момент цих атомів. На­прикінці 20 — на поч. 21 ст. до пошуку МРН з феромагніт. т-рою Кюрі вищою кімнатної були залучені фізики та матеріало­знавці у багатьох країнах світу. Це викликало знач. інтерес у науковців, оскільки є досить склад. зав­да­н­ням напів­провід­ник. спінтроніки. Перші екс­перим. праці, присвячені МРН GeMnTe та SnMnTe з феромагніт. обмін. взаємодією між іонами Mn²⁺, опубліковано 1966. У 1970 укр. фізики Е. Пашицький і С. Рябченко встановили, що в напів­провід­никах А₂В₆, легованих ізовалент. магніт. домішкою марганцю завдяки його обмін. взаємодії з вільними носіями струму (електронами або дірками), може виникати феромагнітне упорядкува­н­ня. Їхнє оцінюва­н­ня вказало на те, що в твердому роз­чині ZnMnTe можна досягти температури Кюрі (Тс) бл. 100 К. 1984 укр. учені Г. Лашкарьов, К. Товстюк, М. Радченко та ін. виявили феромагніт. стан у PbSnMnTe, 1992 япон. фізик Г. Оно — в InMnAs, GaMnAs. Через бл. 10 р. на­ступ. поштовхом для створе­н­ня спінтрон. МРН стала праця Т. Дітла та Г. Оно, яка перед­бачила можливість досягне­н­ня феромагніт. температури Кюрі вищої кімнатної в широкозон. напів­провід­никах ZnO і GaN при вмісті в них 5 ат. % Mn і при високій концентрації дірок ~ 4×10²⁰ см^-3. По­ступово галузь науки про МРН пере­творилася у важливий роз­діл фізики конденсов. стану та матеріало­знавства магніт. матеріалів (нині йому присвячено понад 7 тис. публікацій). Досягне­н­ня високої Тс у МРН донині становить складне зав­да­н­ня. Рекордне значе­н­ня Тс ≈ 190 К встановлено для GaMnAs, який є найбільш ви­вченим МРН. Протягом остан. десятиріч­чя зʼяви­­лося багато публікацій про феромагніт. стан різних МРН при т-рах вище кімнатної. Але ґрунт. дослідж. показали, що їхній феромагнетизм об­умовлений преципітатами магніт. іонів. 2005 Г. Лашкарьов і М. Радченко виявили магнітну неоднорідність феромагніт. епітаксіал. плівок GaMnAs, дослідили їхню термо­електрорушійну силу при низьких т-рах. Унаслідок аналізу температур. залежностей вони встановили існува­н­ня дифуз., феромагніт. і обмін. термо­електрорушій. сил, а також зробили висновок про суто неоднорід. роз­поділ іонів Mn в плівці GaMnAs. Разом із областями, обʼ­єд­наними феромагніт. взаємодією, в МРН існують парамагнітні області, в яких іони марганцю є просторово роз­діленими та ві­ді­грають роль локалізов. магніт. центрів. Пізніше під час дослідж. плівок MnAs методом спін-мюон­ного оберта­н­ня та релаксації аналогіч. висновок зробили рос. фізики В. Сторчак, Д. Єщенко та ін. Водночас збагачені марганцем нанокри­стали GaMnAs були виявлені за допомогою електрон. мікро­скопії високої роз­діл. здатності. 2007 Г. Лашкарьов, О. Дмитрієв і М. Радченко описали не­звичайну поведінку марганцю в шаруватому кри­сталі InSe. Кри­стал має складну магнітну структуру, яка є суперпозицією осн. феромагніт. фази з т-рою Кюрі вище 350 К та антиферомагніт. фази MnSe, які створюють само­впорядков. магнітну надґратку. Пряму кореляцію між феромагніт. властивостями МРН та наявністю включень 2-ї фази продемонстровано також у GeMn, ZnCrTe і GaFeNi. Оскільки обмежена роз­чин­ність у напів­провід­никах є характер. рисою більшості пере­хід. металів, тому вчені вважають, що виділе­н­ня феромагніт. фази є універсал. властивістю МРН. Інкорпорація високої концентрації магніт. іонів у немагнітну матрицю неодмін­но призводить до формува­н­ня неоднорід. матеріалу зі своєрід. властивостями. Раніше у звʼязку із широким викори­ста­н­ням виключно стандарт. методів дослідж. (напр., рентґенів. дифракц. аналізу) неоднорідність роз­поділу магніт. іонів у напів­провід­ник. матриці залишалася нерозпі­знаною. Тому аномально високі температури Кюрі помилково приписували феромагніт. стану однорід. МРН. Завдяки наведеним складнощам та ефемерності феромагніт. стану МРН це явище австр. фізик А. Бонан­ні на­звала «фантомом феромагнетизму». Вона закликала вчених спробувати викори­стати багатофазність реал. МРН у приклад. цілях. Раніше предметом багатьох дослідж. були феромагнітні нанокомпозити, тобто двофаз. матеріал, який складається з наночастинок феромагніт. металу, які роз­поділені в ді­електр. матриці. У цих гранульов. спінтрон. матеріалах були виявлені від­ʼєм. тунел. магнітоопір і гігант. термо­електрорушійна сила в магніт. полі. Нині тільки МРН GaMnAs та PbSnMnTe є феромагнетиками з найвищими т-рами Кюрі. Вони значно менші за кімнатну температуру, що не до­зволяє використовувати їх у приладах при звичай. т-рах. Однак між­народні змага­н­ня зі створе­н­ня феромагніт. напів­провід­ник. твердих роз­чинів з високою т-рою Кюрі було дуже корисним з пі­знавал. точки зору та створило засади для більш по­глибленого ви­вче­н­ня багатокомпонент. твердих роз­чинів напів­провід­ників.