ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2010, том 55, № 11, с. 1868-1880
УДК 54.057:544.228:621.318:621.315.592.3
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА НОВЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ ИЗ ХАЛЬКОПИРИТОВ AIIBIV cV © 2010 г. В. М. Новоторцев*, С. Ф. Маренкин*, И. В. Федорченко*, А. В. Кочура**, ***
*Учреждение Российской академии наук Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва
**Курский государственный технический университет ***Wihuri Physical Laboratory, University of Turku, Finland E-mail: marenkin@rambler.ru
Представлены результаты исследований фазовых равновесий тройных систем Л11—В1У— и разработаны физико-химические основы получения новых ферромагнетиков с температурами Кюри выше комнатных, структурно сочетаемых с основными полупроводниковыми материалами. Приведены методы получения и физико-химические свойства ферромагнетиков на основе соединений типа
Л11В1УС^, допированных марганцем. Рассмотрены результаты теоретического моделирования магнитных свойств и проанализированы основные подходы по объяснению возникновения ферромагнетизма в Л11В1УС^', допированных 3^-метаддами, представлены наиболее перспективные направления получения и исследований разбавленных магнитных полупроводников как материалов устройств спинтроники.
Современная электроника основывается на использовании двух важных характеристик электрона: заряда и спина. Однако области их применения отличаются друг от друга. Заряд используется на всех этапах обработки информации, включая перенос, преобразование и хранение, в то время как спин электрона и коллективные магнитные явления, обусловленные его наличием, применяются только в процессе "запись—хранение—считывание". Широко используемый в настоящее время термин "спинтроника" подчеркивает важность и перспективность комбинирования зарядовых и спиновых эффектов в электронных устройствах, которое способно вывести электронику на качественно новый уровень. Управление спином подразумевает контроль направления спина отдельных носителей заряда (электронов или дырок) либо дополнительно контроль величины спина ансамбля частиц. Целью спинтроники является определение особенностей взаимодействия в твердых телах спина частицы и ее окружения и понимание того, как их можно использовать для создания и удержания в течение требуемого времени заданной спиновой поляризации системы частиц, а так же для детектирования ее текущего спинового состояния.
Создание спиновой поляризации или возникновение неравновесного спинового ансамбля может быть достигнуто несколькими способами. Традиционным путем является использование оптических методов, в которых поляризованные фотоны при
взаимодействии поляризуют носители заряда в твердом теле. Однако такой метод неприменим для массового создания устройств спинтроники из-за трудностей интеграции и миниатюризации оптических компонентов. Один из многообещающих методов создания неравновесной спиновой поляризации, не требующий магнитного или оптического воздействия на среду, основывается на использовании спинового эффекта Холла [1]. Наиболее разработанным в плане практической реализации является метод инжекции поляризованных по спину носителей заряда из магнитного электрода, при которой в образце создается неравновесный спиновой ансамбль. Скорость исчезновения такого ансамбля определяется временем спиновой релаксации т, которое обычно составляет 10-12 с, но может достигать величины порядка 10-6 с [2]. Для устройств из кремния при температуре 60 К удалось достичь значения т « 5 х 10-7 с и переноса поляризованных по спину электронов на расстояние до 0.35 мм [3]. Важным преимуществом спинтронных устройств является высокая скорость изменения спинового состояния системы (10-10 с и менее). Это является аналогом переключения информационного сигнала из состояния логического нуля в состояние логической единицы, применяемого в традиционных компьютерных системах. В совокупности с очень низкими потерями энергии на изменение спина и возможностью за счет наличия гистерезиса запоминать и сохранять предыдущее логическое состояние дли-
1868
(а)
Немагнитный материал
Ферромагнетик
(0)
(б)
Затвор (приложено напряжение)
Направление тока
Затвор (нулевое напряжение)
Спиновой инжектор Полупроводник Спин°в°й приемник (эмиттер) (коллектор)
Рис. 1. Некоторые устройства спинтроники: а — магнитная память со случайным доступом (MRAM), б — спиновый транзистор.
тельное время без дополнительных затрат энергии появляется возможность создавать компоненты миниатюрных вычислительных устройств с чрезвычайно низким энергопотреблением. К ним относятся ячейки магниторезистивной памяти, спиновые диоды, спиновые полевые транзисторы (рис. 1), спиновые вентили, гальванические изоляторы, сенсоры магнитного поля, элементы квантового компьютера, логические наноэлементы, магнитные нейроны, спиновые микропроцессоры [4].
Охват материалов, перспективных в плане их применения в устройствах спинтроники, очень широк [4]: от применяемых в системах хранения информации многослойных металлических пленок с гигантским магнитосопротивлением (ГМС) [5] до органических полупроводников. Органические полупроводники обладают слабым спин-орбитальным взаимодействием, многообразием химических свойств и характеризуются низкой стоимостью получения.
Одно из главных затруднений на пути внедрения спиновых компонентов в устройства обработки информации — это отсутствие материала-инжектора спин-поляризованных электронов, способного функционировать в температурных режимах, аналогичных режимам обычных электронных устройств. Использование металлов Fe, Со и N1 ввиду их недостаточной структурной и электронной совместимости с полупроводниками не позволяет достичь требуемых значений спиновой инжекции. Создание вещества, обладающего одновременно полупроводниковыми и ферромагнитными свойствами и струк-
турно совместимого с традиционными материалами электронной техники, является на настоящее время одной из главных задач спинтроники.
Свойства такого материала должны отвечать следующим требованиям [6]. 1. Наличие ферромагнетизма, зависящего от концентрации носителей заряда. Это приводит к возможности управления им, например, допированием при изготовлении или с помощью электрических полей в случае спиновых диодов. 2. Температура Кюри (ТС) должна быть не ниже 400 К, что дает возможность использовать такой материал без решения проблемы стабилизации температуры прибора. 3. Нечувствительность магнитных свойств к возможным отклонениям от равномерного распределения магнитных ионов в полупроводнике. Выполнение этого условия позволяет разработать технологию получения материала с воспроизводимыми свойствами. 4. Величина обменного поля свободных носителей заряда должна быть достаточной для возникновения ГМС и эффекта туннельного магнетосопротивления. 5. Проявление значительного магнитооптического эффекта, позволяющего реализовывать оптическое считывание информации, записанной с помощью магнитного поля. 6. Время жизни магнитных квазичастиц должно быть достаточным для того, чтобы можно было управлять изменением направления спина отдельных частиц или их ансамблей с помощью оптических или электрических сигналов. Это приводит к возможности управлять намагниченностью вещества.
с = 10 .885 Si
т Ga А) Л Ф Ge(Si)
/п(са)
ZnGeЛs^
ч
GaAs Zno.9Cdo.lGeЛs2
Фж
Г
2а = 10.861
а = 5.653 а = 5.648 а = 5.672
Рис. 2. Примеры совместимости кристаллических структур традиционных материалов электронной техники GaЛs лПтЛУ- V
и соединений группы Л В С2.
В настоящее время материалов, полностью удовлетворяющих этим требованиям, нет. Наиболее подходящими свойствами обладают соединения группы ЛШВУ, допированные марганцем. Максимальное значение Тс = 185 К было получено на пленках ^а,Мп)Л с содержанием Мп 12.5 мас. %, выращенных методом молекулярно-лучевой эпи-таксии [7]. При этом следует отметить, что растворимость марганца в монокристаллах-полупроводниках ЛШВХ' на три порядка ниже. Более высокой растворимостью ^-элементов обладают сложные
С
II ^
ЛС
2
Лп Су
Л 3 С2
Л
II
ВС
IV
В
Рис. 3. Триангуляция системы ЛII—BIV—CV.
соединения, двухкатионные полупроводники группы ЛIIBIVCV, которые являются ближайшими структурно-химическими аналогами полупроводников
группы АIIIВV. Для соединений Л^^С^^ характерна высокая совместимость с 81, Ge и полупроводниками группы АШВ'У (рис. 2). Эта совместимость проявляется не только в схожести их кристаллической структуры, но и распространяется на такие свойства этих материалов, как зонная структура, преимущественно ковалентный характер химической связи, величина эффективной массы свободных носителей заряда, механизмы рассеяния носителей заряда и т.п.
Группа Л^^С^^ состоит из 64 соединений, если учитывать все возможные комбинации элементов
Лп(Ве,МЕ^п^)В^(С,81^е8п)^(^Р^,8Ъ). Энтальпия образования 16 из них (в основном содержащих углерод) положительна, т.е. они являются нестабильными, и поэтому к подходящим объектам для синтеза и исследований относятся 48 соединений данной группы. Теоретические оценки возникновения магнитного упорядочения в соединениях
Л^^С^ допированных Мп, показали, что при увеличении содержания Мп только 19 из них могут становиться полуметаллами, одновременно проявляя ферромагнитные свойства [8]. К настоящему времени высокотемпературный ферромагнетизм экспериментально обнаружен у восьми соединений группы Л^^С^ допированных Мп (таблица).
Параметры соединений А11В1УС^, обладающих ферромагнитными свойствами при допировании марганцем
Соединение Тш, К [9] Сингония [9] Параметры решетки, А [9] Энтальпия образования, кДж/моль [8] Ширина запрещенной зоны, эВ [9] Тс, К (при допировании Мп)
ZnGeP2 1293 Тетрагональная, кубическая а = 5.465; с = 10.711 а = 5.433 -2.17 2.05 318 [10]
CdGeP2 1072 Тетрагональная, кубическая а = 5.741; с = 10.775 а = 5.592 -1.31 1.72 320 [11]
ZnSiAs2 1369 Тетрагональная, кубическая а = 5.611; с = 10.885 а = 5.545 -1.47 1.74 337 [12]
ZnGeAs2 1148 Тетрагональная, кубическая а = 5.672; с = 11.153 а = 5.545 -1.35 1.15 367 [13]
CdGeAs2 944 Тетрагональная, кубическая, орторомбическая а = 5.9432
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.