Ферромагнитные полупроводники (ФПС) представляют собой материалы, в которых проявляется взаимодействие между спиновыми состояниями локализованных магнитных моментов и электронами проводимости. Одной из ключевых характеристик таких систем является температура Кюри (T_C) — точка, при которой происходит переход от ферромагнитного упорядочения к парамагнитному состоянию. В ФПС температура Кюри играет решающую роль для спинтронных приложений, так как определяет рабочий диапазон устройств, использующих спиновые свойства электронов.
В классических ферромагнетиках температура Кюри определяется силой обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов или ионов. В ферромагнитных полупроводниках этот механизм усложняется:
Обменное взаимодействие Рудермана–Киттела–Каса́ба (RKKY) В полупроводниках с низкой концентрацией магнитных ионов (например, Mn в GaAs:Mn) ферромагнитное взаимодействие осуществляется через проводящие или валентные электроны. Энергия обменного взаимодействия J_{eff} зависит от плотности состояний и концентрации носителей заряда. Модель RKKY позволяет описывать дальнодействующее взаимодействие спинов и прогнозировать T_C через параметры материала.
Обменное взаимодействие p–d В полупроводниках с переходными металлами взаимодействие между локализованными d-спинами и валентными p-электронами создаёт эффективное ферромагнитное упорядочение. Энергия такого взаимодействия напрямую влияет на температуру Кюри. Чем выше концентрация носителей и сильнее p–d обмен, тем выше T_C.
Влияние дефектов и легирования Дефекты кристаллической решётки, вакансионные состояния и введение донорных/акцепторных примесей могут значительно изменять концентрацию свободных носителей и, следовательно, силу обменных взаимодействий. Это делает температуру Кюри в ФПС крайне чувствительной к химическому составу и структуре материала.
Существует несколько подходов к прогнозированию T_C в ФПС:
Молекулярное поле (Mean Field Approximation, MFA) В рамках MFA ферромагнитное упорядочение описывается средним обменным полем, действующим на каждый спин. Температура Кюри определяется выражением:
$$ k_B T_C = \frac{2}{3} S(S+1) J_0 $$
где S — спин магнитного иона, J0 — суммарная энергия обменного взаимодействия с соседними спинами, kB — постоянная Больцмана. MFA позволяет получить качественные оценки T_C, но часто переоценивает её значения при низкой концентрации магнитных ионов.
Monte Carlo и квантовые моделирования Более точные расчёты температуры Кюри осуществляются через численные методы, учитывающие дискретность решётки, случайное распределение магнитных ионов и флуктуации спинов. Monte Carlo моделирование позволяет предсказывать T_C для сильно разбавленных полупроводников, где MFA даёт неточные результаты.
Zener модель для ферромагнитных полупроводников Модель Zener описывает ферромагнитное упорядочение через обмен между локализованными спинами и свободными носителями. Согласно этой модели, T_C пропорциональна концентрации носителей p и концентрации магнитных ионов x:
TC ∼ x ⋅ p1/3 ⋅ Jpd2
где Jpd — константа p–d обменного взаимодействия.
Магнитометрия (SQUID, VSM) Прямое измерение магнитной намагниченности M(T) позволяет определить температуру, при которой намагниченность стремится к нулю при нагреве.
Магнитная оптика (MOKE) Измерение вращения плоскости поляризации света вблизи поверхности образца позволяет фиксировать изменение спинового упорядочения и находить T_C.
Транспортные свойства В некоторых ФПС наблюдаются аномалии проводимости и эффекта Холла вблизи температуры Кюри. Эти признаки используют для косвенного определения T_C.