Понимание электрических свойств ферромагнитных полупроводников для спинтроники

Спинтроника, технология следующего поколения, которая использует спин электронов в дополнение к их заряду, обещает более быстрые, более энергоэффективные электронные устройства. В основе многих предлагаемых спинтронных архитектур лежат ферромагнитные полупроводники - материалы, которые уникально сочетают полупроводниковое поведение со спонтанным магнитным порядком. Электрические свойства этих материалов определяют, насколько эффективно они могут генерировать, транспортировать и обнаруживать спин-поляризованные токи, что делает глубокое понимание их проводимости, динамики несущих и поляризации спина необходимым для практической реализации устройства. В этой статье исследуются фундаментальные электрические характеристики ферромагнитных полупроводников, материальные системы, которые их демонстрируют, и проблемы, которые должны быть преодолены для реализации комнатно-температурных спинтронных приложений.

Что такое ферромагнитные полупроводники?

Ферромагнитные полупроводники представляют собой твердые вещества, которые одновременно обладают полупроводниковым зазором (обычно 0,5-3 эВ) и спонтанной намагниченностью, которая может сохраняться до критической температуры, температуры Кюри (]TC_{. В отличие от обычных ферромагнитных металлов, эти материалы позволяют манипулировать магнитными свойствами через электрические поля или допинг — особенность, которая объединяет электронный и магнитный контроль на одном чипе. Наиболее изученное семейство — разбавленные магнитные полупроводники (DMS), где небольшая часть немагнитных атомов-хозяев заменяется магнитными ионами (например, Mn в GaAs, Co в ZnO). Другие классы включают внутренние ферромагнитные полупроводники (например, EuO, CrBr3) и недавно обнаруженные слоистые магниты Ван-дер-Ваальса.}

История ферромагнитных полупроводников началась в 1960-х годах с халькогенидами европия, но интерес вырос в 1990-х годах после открытия ферромагнетизма, опосредованного носителем (Ga,Mn)As. Этот материал продемонстрировал, что наличие дырок (носителей положительного заряда) может опосредовать магнитное взаимодействие на большие расстояния между ионами Mn, что приводит к тому, что FLT:1] T _C около 110 К в тонких пленках. С тех пор исследования расширились до DMS на основе оксида (ZnO:Co, TiO2:Co), перовскитов (La0.7Sr0.3MnO3) и более экзотических систем, таких как топологические изоляторы, связанные с магнитными примесями.

Ключевые электрические свойства для спинтроники

Полезность ферромагнитного полупроводника в спинтронном устройстве критически зависит от нескольких взаимосвязанных электрических параметров.Каждое свойство влияет на то, как генерируется, манипулируется и обнаруживается спин-поляризованный ток.

Проводимость и мобильность

Электрическая проводимость (σ = neμ) сочетает в себе концентрацию носителя (]n или p и подвижность носителя (μ). В системах DMS магнитная допинга часто вводит центры рассеяния, которые ухудшают подвижность. Например, сильно Mn-допинг GaAs показывает снижение подвижности от тысяч до десятков см2/V·s при высоких концентрациях Mn, ограничивая длину спиновой диффузии. Стратегии сохранения подвижности включают модуляцию допинга в гетероструктурах и использование металлических ворот для настройки плотности носителя без введения дополнительных дефектов.

Концентрация носителей и их магнитная роль

В ферромагнетизме, опосредованном носителем, плотность свободных носителей напрямую контролирует прочность и стабильность магнитного упорядочения. Более высокая концентрация дырок в (Ga,Mn)As увеличивается TC_C, потому что большее количество носителей участвует в обменном взаимодействии Рудермана — Киттеля — Касуя — Йосида (RKKY). Однако чрезмерное допинг может привести к проводимости примесной полосы и подавлению поляризации спина. Оптимизация уровня допинга (например, путем кодирования с акцепторами) является тонким балансом. В материалах DMS n-типа, таких как ZnO:Co, ситуация более сложная, потому что электроны по-разному связаны с магнитными ионами, часто требуя более высоких плотностей допинга, чтобы вызвать ферромагнетизм.

Поляризация спинов

Степень спиновой поляризации на уровне Ферми — определена как N↑ − N↓]/N↑ +N↓ — определяет, насколько эффективно электроны с выровненными спинами могут быть введены в немагнитный канал.Идеальные полуметаллические ферромагнетики демонстрируют 100% спиновую поляризацию на уровне Ферми. Ферромагнитные полупроводники, такие как EuO и CrO2, теоретически приближаются к этому пределу, но экспериментальные значения часто ниже из-за состояний интерфейса, беспорядка и конечных температурных эффектов. Для (Ga,Mn)As спиновая поляризация, измеренная через отражение Андреева, составляет около 80-90% при низкой температуре, что делает его одним из лучших кандидатов для спиновой инъекции до сих пор.

Эффект магниторезистентности

Магниторезистентность (MR) — изменение электрического сопротивления в ответ на прикладное магнитное поле — является как фундаментальным зондом спинового транспорта, так и практическим эффектом для датчиков и памяти. В ферромагнитных полупроводниках MR может возникать из нескольких механизмов: анизотропного магниторезистентности (AMR), туннельного магниторезистентности (TMR) в магнитных туннельных соединениях и гигантского магниторезистентности (GMR) в многослойных. Величина TMR в (Ga,Mn)As-основанных соединениях может превышать 300% при низкой температуре, конкурируя с металлическими устройствами GMR. Спинозависимое рассеяние и доменное рассеяние также способствуют сигналам MR в этих материалах.

Механизмы, стоящие за электрическими свойствами

Электрическое поведение ферромагнитных полупроводников тесно связано с микроскопическими взаимодействиями между магнитными ионами и носителями заряда.Наиболее важными механизмами являются опосредованный носителем обмен, образование полосы примесей и спин-орбитальная связь.

Носитель-медиированный ферромагнетизм

В материалах DMS магнитные ионы (например, Mn2+) напрямую не соединяются, потому что их 3d-орбитали слишком локализованы. Вместо этого свободные носители — обычно дырки в полупроводнике p-типа — опосредуют косвенное обменное взаимодействие. Взаимодействие RKKY колеблется с расстоянием, что способствует ферромагнитному выравниванию, когда плотность несущей достаточно высока, чтобы создать устойчивую спиновую поляризацию в среде. Модель среднего поля, разработанная Dietl и соавторами, предсказала значения T_C для различных систем DMS и управляемых экспериментальных усилий. Более точные теории включают эффекты кинетического обмена и локализации Андерсона, которые особенно актуальны вблизи перехода металл-изолятор.

Проведение полосы примесей

При высоких концентрациях магнитного допанта примеси (например, Mn-индуцированные акцепторные уровни) расширяются в примесную полосу, которая может сливаться с валентной полосой. Эта примесная полоса играет двойную роль: она увеличивает плотность состояний на уровне Ферми, усиливая магнитное упорядочение, но также вносит сильное расстройство. Проводимость становится термически активированной или даже прыгающей при низких температурах, снижая подвижность и когерентность спина. Понимание перехода от полосы к локализованному транспорту имеет решающее значение для оптимизации производительности устройства.

Спин-орбитальное соединение и магнитотранспорт

Связь спин-орбиты (SOC) связывает спин и орбитальное движение электронов, что приводит к анизотропному магнетосопротивлению и аномальному эффекту Холла. В ферромагнитных полупроводниках SOC обычно слаба (например, в GaAs), но может быть усилена тяжелыми элементами (Bi, Sb) или в оксидных интерфейсах (например, LaAlO3 / SrTiO3). Эффект спин-холла — где ток заряда генерирует поперечный спиновой ток — также подвержен влиянию SOC и может использоваться для создания или обнаружения спиновых накоплений без магнитных контактов. Недавние эксперименты показали, что электрические поля могут модулировать SOC в ферромагнитных полупроводниках, обеспечивая ручку для электрической настройки спинового транспорта.

Материальные системы и их электрические характеристики

Ни один ферромагнитный полупроводник не отвечает всем требованиям к спинтронике комнатной температуры. Различные материальные системы предлагают уникальные компромиссы между T _C, мобильностью, поляризацией спина и совместимостью роста.

III-V Разреженные магнитные полупроводники: (Ga,Mn)As

(Ga,Mn)As остается наиболее широко изученной DMS из-за его совместимости с гетероструктурами на основе GaAs. Эпитаксиальные пленки, выращенные низкотемпературной эпитаксией молекулярного пучка (LT-MBE), могут включать до примерно 12% Mn. Электрические свойства при низкой температуре (ниже ~50 K) показывают металлическую проводимость с высокой поляризацией спина. Однако T C _C ограничены ~200 K в оптимальных условиях, неадекватных для практического применения. Сплавление с фосфором (GaMnP) или использование квантовых структур скважин было исследовано для повышения T C _C , но прогресс был постепенным. Основная проблема заключается в поддержании структурного качества при одновременном увеличении концентрации Mn и плотности дырок.

Оксид-основанные ферромагнитные полупроводники

Окислы, такие как ZnO, TiO2 и In2O3, легированные переходными металлами (Co, Fe, Ni) привлекли внимание из-за теоретических предсказаний высокой , Ni]]TC температуры выше комнатной. К сожалению, многие ранние сообщения о «комнатно-температурном ферромагнетизме» в этих системах были позже отнесены к магнитным нанокластерам или вторичным фазам, а не к внутреннему поведению DMS. После строгой очистки некоторые системы показывают устойчивый, но слабый ферромагнетизм с низкой плотностью носителей. Электрические свойства осложняются кислородными вакансиями, которые могут действовать как мелкие доноры и вызывать проводимость n-типа. Взаимодействие между кислородными вакансиями и магнитными ионами все еще обсуждается; некоторые исследования показывают, что сами вакансии могут опосредовать ферромагнитную связь в определенных слоях оксида.

Сплавы Heusler и полуметаллы

Полные сплавы Heusler, такие как Co2MnSi и Co2FeAl, являются полуметаллическими ферромагнетами с очень высокой спиновой поляризацией и TC_{, которые, как правило, металлические, но некоторые элементы (например, Co2MnGe) могут быть спроектированы так, чтобы иметь полупроводниковый зазор в одном спиновом канале, эффективно действуя как ферромагнитные полупроводники. Их электрические свойства преобладают в большой плотности состояний на уровне Ферми в большинстве спиновых полос. Соотношение магниторезистентности, превышающее 1000%, было продемонстрировано в магнитных туннельных соединениях на основе электродов Co2MnSi. Недостатком является то, что эти материалы требуют точного контроля атомного упорядочения, и их рост на стандартных полупроводниковых подложках часто вносит межфазные дефекты, которые ухудшают впрыск спина.}

Проблемы в достижении комнатно-температурной операции

Для того чтобы устройства спинтронной системы стали коммерчески жизнеспособными, ферромагнитные полупроводники должны работать при комнатной температуре и выше.

Температурные ограничения Curie

В материалах DMS TCTCCCC_CCT_CCSb]TC_CC, хотя они могут быть увеличены до 150 K с помощью допинга. Комнатно-температурные DMS остаются неуловимой целью; некоторые предложения включают слоистые материалы ван дер Ваальса, такие как Cr2Ge2Te6, которые могут иметь T_{C под давлением, но ещё}