Magnetic semiconductor
મેગ્નેટિક સેમિકન્ડક્ટર્સ એ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી છે જે ફેરોમેગ્નેટિઝમ (અથવા સમાન પ્રતિસાદ) અને ઉપયોગી સેમિકન્ડક્ટર ગુણધર્મો બંને દર્શાવે છે. જો ઉપકરણોમાં લાગુ કરવામાં આવે, તો આ સામગ્રી વહનનું નવા પ્રકારનું નિયંત્રણ પ્રદાન કરી શકે છે. જ્યારે પરંપરાગત ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ચાર્જ કેરિયર્સ (એન-અથવા પી-પ્રકાર) ના નિયંત્રણ પર આધારિત હોય છે, ત્યારે વ્યવહારુ ચુંબકીય સેમિકન્ડક્ટર્સ પણ ક્વોન્ટમ સ્પિન સ્થિતિ (ઉપર અથવા નીચે) ના નિયંત્રણને મંજૂરી આપે છે. આ સૈદ્ધાંતિક રીતે લગભગ કુલ સ્પિન ધ્રુવીકરણ પ્રદાન કરશે (લોખંડ અને અન્ય ધાતુઓના વિરોધમાં, જે ફક્ત ~50% ધ્રુવીકરણ પ્રદાન કરે છે), જે સ્પિન્ટ્રોનિક્સ કાર્યક્રમો માટે એક મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મ છે, દા. ત. સ્પિન ટ્રાન્ઝિસ્ટર. જ્યારે મેગ્નેટાઇટ જેવી ઘણી પરંપરાગત ચુંબકીય સામગ્રી પણ સેમિકન્ડક્ટર્સ છે (મેગ્નેટાઇટ એ બેન્ડગેપ 0.14 eV સાથેનું અર્ધ-ધાતુ સેમિકન્ડક્ટર છે), સામગ્રી વૈજ્ઞાનિકો સામાન્ય રીતે આગાહી કરે છે કે ચુંબકીય સેમિકન્ડક્ટર્સનો વ્યાપક ઉપયોગ ત્યારે જ થશે જ્યારે તેઓ સારી રીતે વિકસિત સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી જેવા જ હશે. તે માટે, ડાયલ્યુટ મેગ્નેટિક સેમિકન્ડક્ટર્સ (ડી. એમ. એસ.) તાજેતરમાં મેગ્નેટિક સેમિકન્ડક્ટર સંશોધનનું મુખ્ય કેન્દ્ર રહ્યું છે. આ પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર્સ પર આધારિત છે, પરંતુ ઇલેક્ટ્રોનિક રીતે સક્રિય તત્વોને બદલે અથવા તેના ઉપરાંત સંક્રમણ ધાતુઓ સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે. સંભવિત તકનીકી ઉપયોગો સાથે તેમના અનન્ય સ્પિન્ટ્રોનિક્સ ગુણધર્મોને કારણે તેઓ રસ ધરાવે છે. ઝિંક ઓક્સાઇડ (ZnO) અને ટાઇટેનિયમ ઓક્સાઇડ (TiO2) જેવા ડોપ્ડ વાઇડ બેન્ડ-ગેપ મેટલ ઓક્સાઇડ ઓપ્ટિકોમેગ્નેટિક એપ્લિકેશન્સમાં તેમની બહુવિધ કાર્યક્ષમતાને કારણે ઔદ્યોગિક DMS માટે શ્રેષ્ઠ ઉમેદવારોમાંના એક છે. ખાસ કરીને, દ્રશ્ય ક્ષેત્રમાં પારદર્શિતા અને પીઝોઇલેક્ટ્રિસિટી જેવા ગુણધર્મો સાથે ZnO-આધારિત DMS એ સ્પિન ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને સ્પિન-પોલરાઇઝ્ડ લાઇટ-ઇમિટિંગ ડાયોડ્સના બનાવટ માટે એક મજબૂત ઉમેદવાર તરીકે વૈજ્ઞાનિક સમુદાયમાં ભારે રસ પેદા કર્યો છે, જ્યારે કોપર ડોપ્ડ TiO2 આ સામગ્રીના એનાટેઝ તબક્કામાં અનુકૂળ મંદ ચુંબકત્વ પ્રદર્શિત કરવાની આગાહી કરવામાં આવી છે. હિદેઓ ઓહનો અને ટોહોકુ યુનિવર્સિટી ખાતેના તેમના જૂથે સંક્રમણ ધાતુના ડોપ્ડ સંયોજન સેમિકન્ડક્ટર્સ જેમ કે ઇન્ડિયમ આર્સેનાઇડ અને મેંગેનીઝ સાથે ડોપ્ડ ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (જેને સામાન્ય રીતે જીએએમએનએ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે) માં ફેરોમેગ્નેટિઝમનું માપન કરનાર પ્રથમ હતા. આ સામગ્રીઓ વ્યાજબી રીતે ઉચ્ચ ક્યુરી તાપમાન (હજુ સુધી ઓરડાના તાપમાનથી નીચે) દર્શાવે છે જે પી-પ્રકારનાં ચાર્જ વાહકોની સાંદ્રતા સાથે સ્કેલ કરે છે. ત્યારથી, વિવિધ સંક્રમણ અણુઓ સાથે ડોપ કરેલા વિવિધ સેમિકન્ડક્ટર યજમાનોમાંથી લોહચુંબકીય સંકેતો માપવામાં આવ્યા છે. થિયરી ડાયટલ એટ અલનું અગ્રણી કાર્ય. તે દર્શાવે છે કે ચુંબકત્વ માટે સુધારેલ ઝેનર મોડેલ વાહક અવલંબન તેમજ જીએએમએનએના અનિસોટ્રોપિક ગુણધર્મોને સારી રીતે વર્ણવે છે. આ જ થિયરીએ એવી પણ આગાહી કરી હતી કે ઓરડાના તાપમાને ફેરોમૅગ્નેટિઝમ અનુક્રમે કો અને એમએન દ્વારા ભારે પી-પ્રકારનાં ડોપ્ડ ઝેડએનઓ અને જીએએનમાં અસ્તિત્વમાં હોવું જોઈએ. આ આગાહીઓ વિવિધ ઓક્સાઇડ અને નાઇટ્રાઇડ સેમિકન્ડક્ટર્સના સૈદ્ધાંતિક અને પ્રાયોગિક અભ્યાસોના ઝપાઝપીને અનુસરવામાં આવી હતી, જે દેખીતી રીતે સંક્રમણ ધાતુની અશુદ્ધિઓ દ્વારા ભારે ડોપ કરેલા લગભગ કોઈપણ સેમિકન્ડક્ટર અથવા અવાહક સામગ્રીમાં ઓરડાના તાપમાનના ફેરોમેગ્નેટિઝમની પુષ્ટિ કરે છે. જો કે, પ્રારંભિક ડેન્સિટી ફંક્શનલ થિયરી (ડી. એફ. ટી.) અભ્યાસો બેન્ડ ગેપ ભૂલો અને વધુ પડતા ડીલોકલાઇઝ્ડ ખામીના સ્તરો દ્વારા અસ્પષ્ટ હતા, અને વધુ અદ્યતન ડી. એફ. ટી. અભ્યાસો ફેરોમેગ્નેટિઝમની અગાઉની મોટાભાગની આગાહીઓને નકારી કાઢે છે. તેવી જ રીતે, એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે મોટાભાગના ઓક્સાઇડ આધારિત પદાર્થો માટે ચુંબકીય સેમિકન્ડક્ટર્સ માટેના અભ્યાસો આંતરિક વાહક-મધ્યસ્થી ફેરોમૅગ્નેટિઝમનું પ્રદર્શન કરતા નથી, જેમ કે ડાયટલ એટ અલ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યું છે. આજની તારીખે, જી. એ. એમ. એન. એ. એ. એકમાત્ર અર્ધચાલક સામગ્રી છે જે મજબૂત ફેરોમેગ્નેટિઝમનું સહઅસ્તિત્વ ધરાવે છે જે <આઇ. ડી. 1> કે. સામગ્રીની આસપાસ ઊંચા ક્યુરી તાપમાન સુધી ટકી રહે છે. સામગ્રીની ઉત્પાદનક્ષમતા આધાર સામગ્રીમાં ડોપન્ટની થર્મલ સંતુલન દ્રાવ્યતા પર આધારિત છે. દા. ત., ઝિંક ઓક્સાઇડમાં ઘણા ડોપન્ટ્સની દ્રાવ્યતા જથ્થાબંધ સામગ્રી તૈયાર કરવા માટે પૂરતી વધારે હોય છે, જ્યારે કેટલીક અન્ય સામગ્રીઓમાં ડોપન્ટ્સની એટલી ઓછી દ્રાવ્યતા હોય છે કે તેમને પૂરતી ઊંચી ડોપન્ટ સાંદ્રતા સાથે તૈયાર કરવા માટે થર્મલ નોનક્વિલિબ્રિયમ તૈયારી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવો પડે છે, દા. ત. પાતળી ફિલ્મોનો વિકાસ. સેમિકન્ડક્ટર આધારિત સામગ્રીની વિશાળ શ્રેણીમાં કાયમી ચુંબકત્વ જોવા મળ્યું છે. તેમાંના કેટલાક વાહક ઘનતા અને ચુંબકત્વ વચ્ચે સ્પષ્ટ સહસંબંધ દર્શાવે છે, જેમાં ટી. સ્ટોરી અને સહકાર્યકરોના કાર્યનો સમાવેશ થાય છે, જ્યાં તેઓએ દર્શાવ્યું હતું કે Mn2 +-ડોપ્ડ Pb1 − xSnxTe નું લોહચુંબકીય ક્યુરી તાપમાન વાહક સાંદ્રતા દ્વારા નિયંત્રિત કરી શકાય છે. ડીટલ દ્વારા પ્રસ્તાવિત સિદ્ધાંતમાં પ્રોટોટાઇપિકલ મેગ્નેટિક સેમિકન્ડક્ટર, એમએન 2 +-ડોપ્ડ જીએએમાં મેંગેનીઝ ડોપન્ટ્સના ચુંબકીય જોડાણમાં મધ્યસ્થી કરવા માટે છિદ્રોના કિસ્સામાં ચાર્જ કેરિયર્સની જરૂર હતી. જો ચુંબકીય સેમિકન્ડક્ટરમાં છિદ્રની સાંદ્રતા અપૂરતી હોય, તો ક્યુરી તાપમાન ખૂબ ઓછું હશે અથવા માત્ર પેરામેગ્નેટિઝમ પ્રદર્શિત કરશે. જો કે, જો છિદ્રની સાંદ્રતા વધારે હોય (> ~ 1020 સે. મી. −3), તો ક્યુરી તાપમાન 100-200 K વચ્ચે વધારે હશે. જો કે, અભ્યાસ કરાયેલ ઘણી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી સેમિકન્ડક્ટર યજમાન સામગ્રી માટે કાયમી ચુંબકત્વ બાહ્ય દર્શાવે છે. ઘણી બધી પ્રપંચી બાહ્ય ફેરોમેગ્નેટિઝમ (અથવા ફેન્ટમ ફેરોમેગ્નેટિઝમ) પાતળી ફિલ્મો અથવા નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ સામગ્રીમાં જોવા મળે છે. પ્રસ્તાવિત ફેરોમેગ્નેટિક સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના કેટલાક ઉદાહરણો નીચે સૂચિબદ્ધ છે. નોંધ લો કે નીચે આપેલા ઘણા અવલોકનો અને/અથવા આગાહીઓ પર ભારે ચર્ચા થઈ રહી છે. મેંગેનીઝ-ડોપ્ડ ઇન્ડિયમ આર્સેનાઇડ અને ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaMnA), ક્યુરી તાપમાન સાથે અનુક્રમે 50-100 K અને 100-200 K ની આસપાસ, મેંગેનીઝ-ડોપ્ડ ઇન્ડિયમ એન્ટિમોનાઇડ, જે ઓરડાના તાપમાને પણ અને 1 ટકાથી ઓછા Mn સાથે પણ ફેરોમેગ્નેટિક બની જાય છે. ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર્સ મેંગેનીઝ-અને આયર્ન-ડોપ્ડ ઇન્ડિયમ ઓક્સાઇડ, ઓરડાના તાપમાને ફેરોમેગ્નેટિક. ફેરોમૅગ્નેટિઝમ વાહક-ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા મધ્યસ્થી કરવામાં આવે તેવું લાગે છે, તેવી જ રીતે જેમ GaMnA ફેરોમૅગ્નેટિઝમ વાહક-છિદ્રો દ્વારા મધ્યસ્થી કરવામાં આવે છે. ઝિંક ઓક્સાઇડ મેંગેનીઝ-ડોપ્ડ ઝિંક ઓક્સાઇડ એન-પ્રકાર કોબાલ્ટ-ડોપ્ડ ઝિંક ઓક્સાઇડ મેગ્નેશિયમ ઓક્સાઇડઃ કેટાયન ખાલી જગ્યાઓ સાથે પી-પ્રકાર પારદર્શક એમ. જી. ઓ. ફિલ્મો, ફેરોમૅગ્નેટિઝમ અને મલ્ટીલેવલ સ્વિચિંગ (મેમરીસ્ટર) ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડનું સંયોજનઃ કોબાલ્ટ-ડોપ્ડ ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ (રુટાઇલ અને એનાટેઝ બંને), 400 કે ક્રોમિયમ-ડોપ્ડ રુટાઇલથી ઉપર ફેરોમૅગ્નેટિક, 400 કે આયર્ન-ડોપ્ડ રુટાઇલ અને આયર્ન-ડોપ્ડ એનાટેઝ, ઓરડાના તાપમાને કોપર-ડોપ્ડ એનાટેઝ નિકલ-ડોપ્ડ એનાટેઝ ટીન ડાયોક્સાઇડ મેંગેનીઝ-ડોપ્ડ ટીન ડાયોક્સાઇડ, 340 પર ક્યુરી તાપમાન સાથે સિલિકોન ચિપ પર એપિટેક્સિયલ પાતળા ફિલ્મનું સંશ્લેષણ કરી શકાય છે. ક્યુરી તાપમાન 69K સાથે યુરોપિયમ (II) ઓક્સાઇડ. ક્યુરીનું તાપમાન ડોપિંગ દ્વારા બમણાથી વધુ થઈ શકે છે (દા. ત. ઓક્સિજનની ઉણપ, જી. ડી.). નાઇટ્રાઇડ સેમિકન્ડક્ટર્સ ક્રોમિયમ ડોપ્ડ એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (બીએ, કે) (ઝેડએન, એમએન) 2એએસ2: ટેટ્રાગોનલ સરેરાશ માળખા અને ઓર્થોરોમ્બિક સ્થાનિક માળખા સાથે ફેરોમેગ્નેટિક સેમિકન્ડક્ટર. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના પ્રકારો સ્પિન્ટ્રોનિક્સ ફેરોમેગ્નેટિક સામગ્રી ડીઃ Halbleiter#Semimagnetische હેલબિલીટર