Магнитные полупроводники

Магнитные полупроводники представляют собой класс материалов, в которых проявляются одновременно полупроводниковые и магнитные свойства. Такие системы обладают уникальными электронными и спиновыми характеристиками, что делает их перспективными для спинтроники — области физики, изучающей электронный спин и его использование в электронных устройствах.

Ключевым свойством магнитных полупроводников является спин-поляризация носителей заряда, что означает, что электроны или дырки в материале имеют предпочтительную ориентацию спина. Это создает возможность управлять электрическим током не только с помощью напряжения, но и с помощью магнитного поля.

Классификация магнитных полупроводников

Магнитные полупроводники делятся на две основные группы:

1. Дилютные магнитные полупроводники (DMS, Diluted Magnetic Semiconductors) В этих материалах немагнитный полупроводник легирован небольшими концентрациями магнитных ионов (обычно переходных металлов, таких как Mn, Fe, Co). Примеры: (Ga,Mn)As, (Cd,Mn)Te.

   Основные характеристики DMS:

   • Концентрация магнитных ионов обычно не превышает 10–15%.
   • Обеспечивают локальные магнитные моменты, которые взаимодействуют через обменное взаимодействие с носителями заряда.
   • Температура Кюри (точка перехода к ферромагнитному состоянию) сильно зависит от концентрации легирующих ионов и концентрации носителей.

2. Магнитные полупроводники с высокой концентрацией магнитных ионов В таких материалах магнитные ионы образуют более плотную решетку, иногда почти полностью замещая атомы немагнитного полупроводника. Пример: EuO, EuS. Основные особенности:

   • Сильное ферромагнитное или антиферромагнитное взаимодействие между ионами.
   • Более высокие температуры Кюри, по сравнению с DMS.
   • Возможность проявления колоссального магнеторезистивного эффекта.

Энергетическая структура и обменные взаимодействия

В магнитных полупроводниках важное значение имеет обменное взаимодействие между спинами магнитных ионов и спинами носителей заряда. Существуют два основных механизма:

1. s–d обмен Взаимодействие между спинами электронов проводимости (s-электронов) и локализованными d-спинами магнитных ионов.

   • Приводит к расщеплению зон проводимости и валентной зоны на спин-подзоны.
   • Обеспечивает спин-поляризацию носителей.

2. p–d обмен Взаимодействие между спинами дырок в валентной зоне (p-оболочка) и локализованными d-спинами магнитных ионов.

   • Определяет магнитные свойства для полупроводников с дырками, например (Ga,Mn)As.
   • Позволяет управлять ферромагнитным состоянием через изменение концентрации носителей.

Энергетическая диаграмма магнитного полупроводника обычно демонстрирует спин-зависимое расщепление зоны проводимости и валентной зоны, что существенно влияет на оптические и транспортные свойства.

Транспортные свойства

Магнитные полупроводники обладают уникальными особенностями электрической проводимости:

• Спин-поляризованный ток — в ферромагнитных состояниях большая часть носителей имеет одинаковую ориентацию спина, что позволяет создавать спинтронические устройства.
• Гигантский и колоссальный магнеторезистивный эффект — резистивность материала сильно меняется под действием внешнего магнитного поля.
• Зависимость проводимости от температуры и концентрации носителей — при низких концентрациях носителей материал может проявлять характер полупроводника с локализованными состояниями.

Оптические свойства

Магнитные полупроводники демонстрируют интересные оптические явления, обусловленные спин-зависимыми энергетическими уровнями:

• Спин-зависимое поглощение света — свет с определенной круговой поляризацией поглощается иначе для разных спинов.
• Фардеевский эффект и Керровский эффект — вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, что позволяет использовать материалы для оптоэлектронных устройств.
• Сдвиг энергетического поглощения при магнетизации — изменение спектров поглощения в зависимости от магнитного состояния.

Методы синтеза и легирования

Для получения магнитных полупроводников применяются следующие методы:

1. Молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE) — позволяет внедрять магнитные ионы в кристаллическую решетку с высокой точностью.
2. Метод зонной плавки и Bridgman метод — используется для выращивания монокристаллов с высокой концентрацией магнитных ионов.
3. Ионная имплантация — внедрение магнитных ионов в уже готовую полупроводниковую матрицу.

Контроль концентрации и распределения магнитных ионов критически важен для достижения нужных магнитных и электрических свойств.

Перспективы применения

Магнитные полупроводники находят применение в:

• Спинтронике — создание спиновых транзисторов, магнитных сенсоров и элементов памяти.
• Квантовых вычислениях — манипуляции спинами электронов в квантовых точках.
• Оптоэлектронике — спин-оптические переключатели и источники спин-поляризованного света.

Уникальное сочетание спиновой и зарядовой подвижности делает магнитные полупроводники платформой для разработки новых типов устройств, недоступных традиционным немагнитным полупроводникам.