Магнітний напівпровідник

Дітль з колегами передбачили вперше теоретично в модифікованій моделі Зенера, що феромагнетизм при кімнатній температурі повинен існувати в сильно легованому ZnO p-типу[5]. Оскільки магнітний Co добре розчиняється в ZnO, система ZnO:Co найбільше вивчалася в застосуваннях, що вимагали феромагнетизм при кімнатній температурі[6]. Новіші розрахунки з використанням теорії функціоналу густини[7][8] and experimental,[9][10] показали, що в ZnO n-типу, легованому кобальтом теж повинен спостерігатися феромагнетизм при кімнатній температурі. Також вивчався ZnO легований іншими перехідними металами: Ванадієм, Манганом та міддю.

Технологія виготовлення напівмагнітних напівпровідників залежить від розчинності домішок в основному матеріалі в умовах термічної рівноваги. Наприклад, розчинність багатьох домішок в оксиді цинку достатня для виготовлення матеріалу в об'ємі, тоді як інші матеріали мають настільки малу розчинність домішок, що приготування зразків із достатньою концентрацією домішок вимагає нерівноважних умов, наприклад вирощування тонких плівок.

Лавина досліджень в останні роки пролила світло на важливі фактори, необхідні для отримання напівмагнітних напівпровідників із високою температурою Кюрі (кімнатні температури й вище) й змогла прояснити неоднозначність результатів та погану відтворюваність магнітних власливостей одного й того ж матеріалу. Справді, перше значне відкриття в цій області належало Т. Сторі зі співробітниками, які показали, що температуру Кюрі легованого манганом Pb_1−xSn_xTe можна контролювати густиною носіїв заряду[11]. Теорія Дітля вимагала від носіїв заряду, в конкретному випадку дірок, відігравати роль посередника в утворенні магнітного зв'язку між домішками мангану в прототипному напівмагнітному напівпровіднику — легованому мангаром арсеніді галію. Якщо концентрація дірок в магнітному напівпровіднику недостатня, температура Кюрі буде дуже низькою або матеріал буде парамагнітним. Однак, коли концентрація дірок висока (~10²⁰ cm⁻³), температура Кюрі зросте до 100-200 K[12].

Новітні дослідження групи Деніела Геймліна з Вашингтонського університету пролили світло на важливість, наприклад, міжвузлових атомів цинку (мілкого донора) для досягнення феромагнетизму у легованому кобальтом ZnO з високим значенням температури Кюрі[13][14].

Приклади напівмагнітних напівпровідникових матеріалів включають:

• Леговані манганом арсенід індію та арсенід галію (GaMnAs) з температурами Кюрі в діапазонах 50–100 K та 100–200 K, відповідно.
• Легований манганом антимонід індію, що стає феромагнітним навіть при кімнатній температурі, і навіть при концентрації мангану меншій від 1%[15].
• Оксиди[16]
  • Легований манганом та залізом оксид індію, феромагнітний при кімнатній температурі
  • Оксид цинку
    • Легований манганом оксид цинку
    • Легований кобальтом оксид цинку n-типу[13]
  • Оксид магнію:
    • Прозорі плівки MgO p-type з оксигенними вакансіями[17][18], водночас феромагнетики та мемристори з кількома рівнями перемикань.
  • Діоксид титану:
    • Легований кобальтом діоксид титану (як рутил так і анатаз), феромагнетик при температурах понад 400 K.
    • Легований хромом рутил, феромагнетик при температурах понад 400 K.
    • Легований залізом рутил та легований залізом анатаз, феромагнетики при кімнатній температурі.
    • Легований міддю анатаз[4]
    • Легований нікелем анатаз
  • Діоксид олова
    • Легований манганом діоксид олова, температура Кюрі 340 K
    • Легований залізом , температура Кюрі 340 K
    • Легований стронцієм діоксид олова SrSnO₂ — напівмагнітний напівпровідник. Синтезується у вигляді епітаксіальної тонкої плівки на кремнієвій підкладці[19][20].
  • Оксид європію, температура Кюрі 69 K. Її можна збільшити вдвічі легуванням (наприклад, кисневими вакансіями, гадолінієм).

• Нітриди
  • Легований хромом нітрид алюмінію[21].