Ферромагнитные полупроводники (FMSS) сочетают в себе уникальные свойства полупроводников и магнетизма, что делает их идеальными кандидатами для разработки спинтронных устройств, объединяющих как полупроводниковые, так и магнитные функции. Однако одной из ключевых задач в FMSS было достижение высоких температур Кюри (Tc), которые обеспечивают их стабильную работу при комнатной температуре. Хотя в предыдущих исследованиях была достигнута температура 420 К, что выше комнатной температуры, этого было недостаточно для эффективной эксплуатации материалов с функциональным отжимом, что подчеркивает потребность в увеличении температуры среди FMS. Эта задача была включена в число 125 нерешенных вопросов, отобранных журналом Science в 2005 году. Такие материалы, как (Ga, Mn)As, обладают низкой температурой плавления, что ограничивает их практическое использование в устройствах спинтроники. В то время как добавление Fe в полупроводники с узкой запрещенной зоной, такие как GaSb, казалось многообещающим, включение высоких концентраций Fe при сохранении кристалличности оказалось трудным, ограничивая достижимую Tc.
Чтобы преодолеть эти ограничения, группа исследователей под руководством профессора Фам Нам Хая из Института науки Токио, Япония, разработала высококачественный (Ga, Fe) Sb FMS, используя метод ступенчатого роста на вицинальных подложках GaAs (100) с большим углом отклонения 10°. Их результаты опубликованы в томе 126, выпуске 16 журнала Applied Physics Letters от 24 апреля 2025 года. Использование метода ступенчатого поточного выращивания позволило им ввести высокую концентрацию железа при сохранении превосходной кристалличности, что привело к температуре до 530 К - самой высокой, о которой сообщалось до сих пор для FMSs.
Команда использовала измерения спектроскопии магнитного кругового дихроизма, чтобы подтвердить собственный ферромагнетизм в слое Sb (Ga 0,76, Fe 0,24), основанный на спин-поляризованной зонной структуре FMS. Кроме того, команда использовала графики Арротта, стандартный метод экстраполяции Tc по данным о намагниченности. Этот метод помог определить точки магнитного перехода, что позволило получить более точное представление о ферромагнитном поведении материала при различных температурах.
"В обычных образцах Sb (Ga, Fe) поддержание кристалличности при высоких уровнях легирования Fe было постоянной проблемой. Применив метод ступенчатого проточного выращивания на вицинальных субстратах, мы успешно справились с этой задачей и достигли самой высокой в мире Tc в FMSS", - говорит профессор Хай.
Кроме того, исследователи также исследовали долговременную стабильность своего образца, измерив магнитные свойства более тонкого слоя (Ga,Fe)Sb (9,8 нм), хранящегося на открытом воздухе в течение 1,5 лет. Несмотря на небольшое снижение температуры с 530 К до 470 К, материал сохранил значительные ферромагнитные свойства, демонстрируя свой потенциал для практического применения. Кроме того, материал обладал большим магнитным моментом на атом Fe (4,5 мкм в/атом), что близко к идеальному значению для ионов Fe 3+ в кристаллической структуре цинковой обманки (5 мкм в/атом). Это в два раза больше, чем у металла α-Fe, что подчеркивает превосходные магнитные свойства материала.
"Наши результаты демонстрируют возможность изготовления высокотемпературных FMS, совместимых с работой при комнатной температуре, что является важным шагом на пути к созданию спинтронных устройств", - добавляет профессор Хай.
В целом, исследование подчеркивает эффективность пленкообразования с использованием ступенчатого роста на вицинальных подложках при получении высококачественных, высокоэффективных FMS с более высокими концентрациями железа. Благодаря преодолению узкого места, связанного с низкой температурой, исследование представляет собой значительный шаг вперед на пути к созданию полупроводниковых устройств с функцией вращения, которые могут работать при комнатной температуре.
Комментарии