Semiconductor magnético

Los semiconductores magnéticos son materiales semiconductores que presentan tanto ferromagnetismo (o una respuesta similar) como propiedades semiconductoras útiles . Si se implementaran en dispositivos, estos materiales podrían proporcionar un nuevo tipo de control de la conducción. Mientras que la electrónica tradicional se basa en el control de los portadores de carga ( tipo n o p ), los semiconductores magnéticos prácticos también permitirían controlar el estado de espín cuántico (hacia arriba o hacia abajo). Esto proporcionaría teóricamente una polarización de espín casi total (a diferencia del hierro y otros metales, que solo proporcionan una polarización de aproximadamente el 50 %), una propiedad importante para aplicaciones de espintrónica , como los transistores de espín .

Si bien muchos materiales magnéticos tradicionales, como la magnetita , también son semiconductores (la magnetita es un semiconductor semimetálico con una banda prohibida de 0,14  eV), los científicos de materiales generalmente predicen que los semiconductores magnéticos solo se generalizarán si son similares a los materiales semiconductores bien desarrollados. Con ese fin, los semiconductores magnéticos diluidos ( DMS ) han sido recientemente un foco importante de la investigación en semiconductores magnéticos. Estos se basan en semiconductores tradicionales, pero están dopados con metales de transición en lugar de, o además de, elementos electrónicamente activos. Son de interés debido a sus propiedades espintrónicas únicas con posibles aplicaciones tecnológicas. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Los óxidos metálicos dopados de banda prohibida ancha, como el óxido de zinc (ZnO) y el óxido de titanio (TiO ₂ ), se encuentran entre los mejores candidatos para DMS industriales debido a su multifuncionalidad en aplicaciones optomagnéticas . En particular, los DMS basados ​​en ZnO con propiedades tales como transparencia en la región visible y piezoelectricidad han generado interés entre la comunidad científica como un fuerte candidato para la fabricación de transistores de espín y diodos emisores de luz polarizados por espín , ^{[ 3 ]} mientras que se ha predicho además que el _TiO2 dopado con cobre en la fase anatasa de este material exhibirá un magnetismo diluido favorable. ^{[ 4 ]}

Hideo Ohno y su grupo en la Universidad de Tohoku fueron los primeros en medir el ferromagnetismo en semiconductores compuestos dopados con metales de transición , como el arseniuro de indio ^{[ 5 ]} y el arseniuro de galio ^{[ 6 ]} dopado con manganeso (este último comúnmente conocido como GaMnAs ). Estos materiales exhibieron temperaturas de Curie razonablemente altas (aunque por debajo de la temperatura ambiente ) que varían con la concentración de portadores de carga de tipo p . Desde entonces, se han medido señales ferromagnéticas en diversos semiconductores dopados con diferentes átomos de transición.

El trabajo pionero de Dietl et al. demostró que un modelo Zener modificado para el magnetismo ^{[ 7 ]} describe bien la dependencia de los portadores, así como las propiedades anisotrópicas del GaMnAs . La misma teoría también predijo que debería existir ferromagnetismo a temperatura ambiente en ZnO fuertemente dopado de tipo p y GaN dopado con Co y Mn, respectivamente. Estas predicciones fueron seguidas por una serie de estudios teóricos y experimentales de varios semiconductores de óxido y nitruro, que aparentemente parecían confirmar el ferromagnetismo a temperatura ambiente en casi cualquier material semiconductor o aislante fuertemente dopado con impurezas de metales de transición . Sin embargo, los primeros estudios de la teoría del funcional de la densidad (DFT) se vieron empañados por errores en la brecha de banda y niveles de defectos excesivamente deslocalizados, y estudios DFT más avanzados refutan la mayoría de las predicciones anteriores de ferromagnetismo. ^{[ 8 ]} Asimismo, se ha demostrado que para la mayoría de los materiales basados ​​en óxidos, los estudios de semiconductores magnéticos no exhiben un ferromagnetismo intrínseco mediado por portadores como postularon Dietl et al. ^{[ 9 ]} Hasta la fecha, GaMnAs sigue siendo el único material semiconductor con una coexistencia robusta de ferromagnetismo que persiste hasta temperaturas de Curie bastante altas, alrededor de 100–200 K. 

La capacidad de fabricación de los materiales depende de la solubilidad en equilibrio térmico del dopante en el material base. Por ejemplo, la solubilidad de muchos dopantes en óxido de zinc es lo suficientemente alta como para preparar los materiales en masa, mientras que otros materiales tienen una solubilidad de dopantes tan baja que, para prepararlos con una concentración de dopante suficientemente alta, se deben emplear mecanismos de preparación en desequilibrio térmico, como el crecimiento de películas delgadas .

Se ha observado magnetización permanente en una amplia gama de materiales basados ​​en semiconductores. Algunos de ellos exhiben una clara correlación entre la densidad de portadores y la magnetización, incluyendo el trabajo de T. Story y colaboradores donde demostraron que la temperatura de Curie ferromagnética de Pb _{1− x} Sn _x Te dopado con Mn ²⁺ puede controlarse mediante la concentración de portadores . ^{[ 10 ]} La teoría propuesta por Dietl requería portadores de carga en el caso de huecos para mediar el acoplamiento magnético de dopantes de manganeso en el semiconductor magnético prototípico, GaAs dopado con Mn ²⁺ . Si hay una concentración insuficiente de huecos en el semiconductor magnético, entonces la temperatura de Curie sería muy baja o exhibiría solo paramagnetismo . Sin embargo, si la concentración de huecos es alta (> ~10 ²⁰ cm ⁻³ ), entonces la temperatura de Curie sería más alta, entre 100 y 200 K. ^{[ 7 ]} Sin embargo, muchos de los materiales semiconductores estudiados exhiben una magnetización permanente extrínseca al material huésped semiconductor. ^{[ 9 ]} Gran parte del esquivo ferromagnetismo extrínseco (o ferromagnetismo fantasma ) se observa en películas delgadas o materiales nanoestructurados. ^{[ 11 ]}   

A continuación se enumeran varios ejemplos de materiales semiconductores ferromagnéticos propuestos. Cabe destacar que muchas de las observaciones y/o predicciones que se presentan a continuación siguen siendo objeto de intenso debate.

• Arseniuro de indio y arseniuro de galio dopados con manganeso ( GaMnAs ), con temperaturas de Curie de alrededor de 50–100  K y 100–200  K, respectivamente.
• Antimoniuro de indio dopado con manganeso , que se vuelve ferromagnético incluso a temperatura ambiente e incluso con menos del 1% de Mn. ^{[ 12 ]}
• Semiconductores de óxido ^{[ 13 ]}
  • Óxido de indio dopado con manganeso y hierro , ferromagnético a temperatura ambiente. El ferromagnetismo parece estar mediado por electrones portadores, ^{[ 14 ] [ 15 ]} de manera similar a como el ferromagnetismo del GaMnAs está mediado por huecos portadores.
  • Óxido de zinc
    • Óxido de zinc dopado con manganeso
    • óxido de zinc dopado con cobalto de tipo n ^{[ 16 ] [ 17 ]}
  • Óxido de magnesio :
    • Películas de MgO transparentes de tipo p con vacantes de cationes, ^{[ 18 ] [ 19 ]} combinando ferromagnetismo y conmutación multinivel ( memristor )
  • dióxido de titanio :
    • Dióxido de titanio dopado con cobalto (tanto rutilo como anatasa ), ferromagnético por encima de 400 K 
    • Rutilo dopado con cromo , ferromagnético por encima de 400 K 
    • Rutilo dopado con hierro y anatasa dopada con hierro, ferromagnética a temperatura ambiente.
    • Anatasa dopada con cobre ^{[ 4 ]}
    • Anatasa dopada con níquel
  • dióxido de estaño
    • Dióxido de estaño dopado con manganeso , con una temperatura de Curie de 340  K.
    • Dióxido de estaño dopado con hierro , con una temperatura de Curie de 340  K.
    • Dióxido de estaño dopado con estroncio ( SrSnO₂ ) – Semiconductor magnético diluido. Se puede sintetizar unaepitaxialsobre un chip de silicio. ^{[ 20 ] [ 21 ]}
  • Óxido de europio(II) , con una temperatura de Curie de 69  K. La temperatura de Curie puede duplicarse con creces mediante dopaje (por ejemplo, deficiencia de oxígeno, Gd).
• semiconductores de nitruro
  • Nitruro de aluminio dopado con cromo ^{[ 22 ]}
• (Ba,K)(Zn,Mn) ₂ As ₂ : Semiconductor ferromagnético con estructura promedio tetragonal y estructura local ortorrómbica. ^{[ 23 ]}

• Cabot, Andreu; Puntes, Víctor F.; Shevchenko, Elena ; Yin, Yadong ; Balcells, Lluís; Marco, Mateo A.; Hughes, Steven M.; Alivisatos, A. Paul (2007). "Coalescencia vacante durante la oxidación de nanopartículas de hierro" (PDF) . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 129 (34): 10358– 10360. Bibcode : 2007JAChS.12910358C . doi : 10.1021/ja072574a . PMID 17676738 . S2CID 13430331 . Archivado desde el original (PDF) el 1 de marzo de 2012 . Consultado el 20 de noviembre de 2009 .  
• Chambers, Scott A. (2010). "Crecimiento epitaxial y propiedades de películas de óxido complejo y de metales de transición dopados" . Advanced Materials . 22 (2): 219– 248. Bibcode : 2010AdM....22..219C . doi : 10.1002 / adma.200901867 . PMID 20217685. S2CID 5415994 .