Разбавленные магнитные полупроводники (Diluted Magnetic Semiconductors, DMS) представляют собой полупроводниковые материалы, в которых небольшое количество атомов переходных металлов или редкоземельных элементов внедрено в кристаллическую решетку. Этот подход позволяет совместить полупроводниковые свойства с магнитными эффектами, открывая новые возможности для спинтроники, включая управление спином носителей заряда и разработку магнитных логических элементов.
Ключевыми элементами в DMS чаще всего являются Mn, Fe, Co, Cr, которые внедряются в полупроводниковые матрицы, такие как GaAs, InAs, ZnSe. Концентрация магнитных ионов обычно составляет 1–10%, что обеспечивает взаимодействие между локальными моментами и электронами проводимости без разрушения кристаллической структуры.
III–V DMS: Наиболее изученные материалы — GaMnAs, InMnAs. Они характеризуются высокой однородностью и хорошо изученными механизмами обменного взаимодействия между магнитными ионами и носителями. Типичный метод синтеза — молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) при низких температурах.
II–VI DMS: Примеры — ZnMnSe, CdMnTe. В этих материалах магнитные ионы внедряются в широкозонные полупроводники. Основной особенностью является слабое взаимодействие между магнитными ионами, которое проявляется преимущественно через спин-спиновые взаимодействия, индуцированные носителями.
IV–VI DMS: Включают системы на основе PbTe, SnTe с редкоземельными или переходными элементами. Они реже используются в спинтронике, но интересны благодаря необычным электронным структурам и возможной интеграции с топологическими материалами.
Локальные магнитные моменты: Магнитные ионы создают локальные спины, которые взаимодействуют с носителями заряда через обменное взаимодействие s–d (для электронов проводимости) и p–d (для дырок). Это приводит к спиновой поляризации носителей и возможности контроля магнитных свойств через электрический ток.
Энергетическая структура DMS имеет следующие особенности:
Механизм Рюкти–Каса–Индера (RKKY): Через свободные носители происходит обменное взаимодействие между локальными магнитными моментами, что приводит к коллективным магнитным явлениям, включая ферромагнетизм при достаточно высокой концентрации носителей.
Ключевой момент: магнитные свойства DMS сильно зависят от концентрации носителей и методов легирования, что делает их уникальными для спинтронных приложений, где необходимо управлять спином через электрическое поле или ток.
Спиновая поляризация проводимости: Введение магнитных ионов вызывает различие в плотности состояний для электронов с разными спинами, что позволяет создавать поляризованные токи.
Спин-обратимая инжекция: Использование DMS в контактах с немагнитными полупроводниками позволяет инжектировать спин-поляризованные электроны в обычный полупроводник, что является фундаментальным эффектом для спинтронных транзисторов.
Электрический контроль магнитных свойств: Изменение концентрации носителей с помощью внешнего электрического поля или легирования позволяет изменять обменное взаимодействие, тем самым регулируя критическую температуру и величину спиновой поляризации.
Контроль свойств: комбинирование легирования, температуры роста и внешнего поля позволяет управлять спиновой поляризацией и ферромагнитными свойствами DMS.
Ключевой аспект: DMS обеспечивают возможность электрического управления спиновыми состояниями без применения сильных внешних магнитных полей, что является фундаментальным преимуществом для масштабируемой спинтроники.