Магніторозчинені напівпровідники
Визначення і загальна характеристика
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.
Літ.: Пашицкий Э. А., Рябченко С. М. Магнитное упорядочение в полупроводниках с магнитными примесями // ФТТ. 1979. Т. 21; Бродовой А. В., Лашкарев Г. В., Радченко М. В. и др. Влияние примеси Mn на магнитные и электрические свойства узкощелевых полупродников (Pb1-уSnу)1-xMnхTe // Там само. 1984. Т. 19; H. Ohno, H. Munekata, T. Penney et al. Magnetotransport properties of p-type (In,Mn)As diluted magnetic III–V semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68; H. Ohno, A. Shen, F. Matsukura et al. (Ga,Mn)As: A new diluted magnetic semiconductor based on GaAs // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69; T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura. Hole-mediated ferromagnetism in tetrahedrally coordinated semiconductors // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63; Радченко М. В., Лашкарьов Г. В., Січковський В. І. та ін. Термо-ерс в епітаксіальних плівках Ga1-XMnXAs // УФЖ. 2005. Т. 50; G. V. Lashkarev, V. V. Slynko, Z. D. Kovalyuk et al. Anomalies of magnetic properties of layered crystals InSe containing Mn // Materials Science and Engineering C. 2007. Vol. 27; K. Olejník, M. H. S. Owen, V. Novák et al. Enhanced annealing, high Curie temperature, and low-voltage gating in (Ga,Mn)As: A surface oxide control study // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 78; V. G. Storchak, D. G. Eshchenko, E. Morenzoni et al. Spatially Resolved Inhomogeneous Ferromagnetism in (Ga,Mn)As Diluted Magnetic Semiconductors: A Microscopic Study by Muon Spin Relaxation // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101.
Г. В. Лашкарьов
Додаткові відомості
Рекомендована література
Завантажити статтю
