Магнитные полупроводники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Магнитные полупроводники

Ферромагнетики, вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом состоянии), в которых ниже определённой температуры (Кюри точки Q) устанавливается ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах).

Среди химических элементов ферромагнитны переходные элементы Fe, Со и Ni (3 d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er.

Ферримагнетики, вещества, в которых при температурах ниже Кюри точки существует ферримагнитное упорядочение магнитных моментов ионов.

Большинство ферримагнетиков - это ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но либо имеющие разную валентность, либо находящиеся в разных кристаллографических позициях. Наиболее обширный класс хорошо изученных ферримагнетиков образуют ферриты. Из других ферримагнитных кристаллов следует отметить группу гексагональных двойных фторидов, интересных тем, что они являются прозрачными в оптической области. К ферримагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве случаев это - вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов. В частности, особый интерес представляет соединение типа RMe₅, где R - редкоземельный ион, Me - ион группы железа (например, GdCo₅).

Ферримагнетики применяются в качестве сердечников высокочастотных контуров в радиотехнике, невзаимных элементов в СВЧ-технике, элементов памяти в ЭВМ и для создания постоянных магнитов.

До начала 30-х годов 20в. по магнитным свойствам все вещества делили на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. У большинства парамагнетиков магнитная восприимчивость растет с понижением температуры Т обратно пропорционально Т.В 20-30-х годах были обнаружены соединения (окислы и хлориды Mn, Fe, Co, Ni), обладающие иным видом зависимости . У этих соединений на кривых наблюдались максимумы (рис, кривые бв и бг). Кроме того, ниже температуры максимума была обнаружена сильная зависимость от ориентации кристалла в магнитном поле. Если поле направлено, например вдоль главной кристаллографической оси, то значение вдоль этого направления () убывает, стремясь к нуля при Т0К. В направлениях, перпендикулярных этой оси, значение не зависит от температуры (кривая д на рис.) На кривых температурной зависимости удельной теплоемкости этих веществ также были обнаружены острые максимумы. Эти экспериментальные факты указывали на перестройку внутренней структуры вещества при определенной температуре.

В 1930-х годах Ландау и Неель объяснили указанные выше аномалии переходом парамагнетика в новое состояние, названное антиферромагнитным.

Температурная зависимость маг. Восприимчивости : а-для парамагнетика, не претерпевающего перехода в упорядоченное состояние вплоть до самых низких темп-р; б-для парамагнетика, переходящего в антиферромагнитное состояние при Т=Т_N; в-для поликристаллич. Антиферромагнетика; г-для монокристаллич. антиферромагнетика вдоль оси легкого намагничивания(ч_?); д-для монокристаллич. Антиферромагнетика в направлениях, перпендикулярных оси легкого намагничивания (ч_?)

Ниже некоторой температуры Т_N (температуры Нееля), которой соответствует максимум на кривой , силы обменного взаимодействия между магнитными моментами соседних ионов оказываются сильнее, чем разупорядочивающее действие теплового движения. В результате средний магнитный момент каждого иона становится отличным от нуля и принимает определенное значение и направление, в веществе возникает магнитное упорядочение. Антиферромагнитное упорядочение характеризуется тем, что средние магнитные моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены навстречу его собственному магнитному моменту. Для этого обменное взаимодействие должно быть отрицательным (при ферромагнетизме оно положительно и се магнитные моменты направлены ы одну сторону). В каждом антиферромагнетике устанавливается определенный порядок чередования магнитных моментов (рис а и б)

Порядок чередования магнитных моментов вместе с их направлением относительно кристаллографических осей определяет антиферромагнитную структуру вещества. Такую структуру можно представить как систему вставленных друг в друга пространственных решеток магнитных ионов, в узлах каждой из которых находятся параллельные друг другу магнитные моменты.

Антиферромагнетики - кристаллические вещества, в которых магнитные моменты атомов (или ионов) образуют две или несколько пространственных подсистем (магнитных подрешеток) с антипараллельной (в случае двух подрешеток) или более сложной ориентацией магнитных моментов, обусловливающей отсутствие спонтанной намагниченности у вещества в целом.

Во внешнем магнитном поле антиферромагнетики приобретают небольшую намагниченность

ч - магнитная восприимчивость, принимающая для разных антиферромагнетиков значения от 10^-3 до 10^-5 (У ферромагнетиков10³-10⁶). Характерная для антиферромагнетиков магнитная структура возникает при определенной температуре N (точка Нееля) и сохраняется ниже этой температуры. Выше T_N антиферромагнетики становятся парамагнетиками.

К антиферромагнетикам относятся: оксиды переходных элементов, включая ряд ферритов-шпинелей, ферритов-гранатов и ортоферритов; многие фториды (FeF₂, NiF₂ и др.), сульфаты (FeSO₄, MnSO₄ и др.), сульфиды, карбонаты. В состав всех антиферромагнетиков входят ионы по крайней мере одного переходного металла (Fe, Ni, Co, РЗЭ или актинидов). Для определения атомной магнитной структуры антиферромгнетика используют явление дифракции нейтронов на атомах (ионах) магнитных подрешеток.

Ферриты, химические соединения окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. У многих ферритов сочетаются высокая намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства, благодаря чему они получили широкое применение как магнитные материалы в радиотехнике, радиоэлектронике, вычислительной технике.

В состав ферритов входят анионы кислорода O^2-, образующие остов их кристаллической решётки; в промежутках между ионами кислорода располагаются катионы Fe³⁺, имеющие меньший радиус, чем анионы O^2-, и катионы Me^k+ металлов, которые могут иметь радиусы различной величины и разные валентности k. Существующее между катионами и анионами кулоновское (электростатическое) взаимодействие приводит к формированию определённой кристаллической решётки и к определённому расположению в ней катионов. В результате упорядоченного расположения катионов Fe³⁺ и Me^k+ ферриты обладают ферримагнетизмом и для них характерны достаточно высокие значения намагниченности и точек Кюри. Различают ферриты - шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты и гекса ферриты.

Ферриты-шпинели имеют структуру минерала шпинели с общей формулой MeFe₂O₄, где Me - Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺, Li¹⁺, Cu²⁺. различают прямые шпинели (немагнитные) и обращенные шпинели (ферримагнитные). В обращенных шпинелях половина ионов Fe³⁺ находится в тетраэдрических промежутках, а в октаэдрических промежутках - 2-я половина ионов Fe³⁺ и ионы Me²⁺.

Ферриты-гранаты редкоземельных элементов R³⁺ (Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺) и иттрия Y³⁺ имеют кубическую структуру граната с общей формулой R₃Fe₅O₁₂. В ферритах-гранатах имеется три типа промежутков, в которых размещаются катионы: большая часть ионов Fe³⁺ занимает тетраэдрические (d), меньшая часть ионов Fe³⁺ - октаэдрические (a) и ионы R³⁺ - додекаэдрические места (с). Соотношение величин и направлений намагниченностей катионов, занимающих промежутки d, а, с, показано на рисунке.

Ортоферритами называют группу ферритов с орторомбической кристаллической структурой. Их образуют редкоземельные элементы или иттрий по общей формуле RFeO_3- Ортоферриты изоморфны минералу перовскиту. По сравнению с феритами-гранатами они имеют небольшую намагниченность, т.к. обладают неколлинеарным антиферромагнетизмом (слабым ферромагнетизмом) и только при очень низких температурах (порядка нескольких К и ниже) - ферримагнетизмом.

Ферриты гексагональной структуры (гексаферриты) имеют общую формулу MeO (Fe₂O₃), где Me - ионы Ba, Sr или Pb. Элементарная ячейка кристаллической решётки гексаферритов состоит из 38 анионов O^2-, 24 катионов Fe³⁺ и 2 катионов Me²⁺ (Ba²⁺, Sr²⁺ или Pb²⁺). Ячейка построена из двух шпинельных блоков, разделённых между собой ионами Pb²⁺ (Ba²⁺ или Sr²⁺), O^2- и Fe³⁺. Если окиси железа и бария спекать совместно с соответствующими количествами следующих металлов: Mn, Cr, Со, Ni, Zn, то можно получить ряд новых оксидных ферримагнетиков.

Некоторые гексаферриты обладают высокой коэрцитивной силой и применяются для изготовления постоянных магнитов. Большинство ферритов со структурой шпинели, феррит-гранат иттрия и некоторые гексаферриты используются как магнитно-мягкие материалы.

При введении примесей и создании нестехеометричности состава электрическое сопротивление феритов изменяется в широких пределах. Ферриты в полупроводниковой технике не применяются из-за низкой подвижности носителей тока. Синтез поликристаллических ферриов осуществляется по технологии изготовления керамики. Из смеси исходных окислов прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900°С до 1500°С на воздухе или в специальных газовых средах.

Обменное взаимодействие - взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводящее к зависимости значения энергии системы частиц от ее полного спина. Представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике.

Типы обменного взаимодействия в магнетиках

Прямой и непрямой обмен

Обменная энергия это добавка к энергии системы взаимодействующих частиц в квантовой механике, обусловленная перекрытием волновых функций при ненулевом значении полного спина системы частиц. Обменная энергия не имеет никаких аналогов в классической механике. В случае непосредственного перекрытия двух волновых функций говорят о прямом обмене (Гейзенберга), а в случае присутствия частицы-посредника, через которую происходит взаимодействие, говорят о непрямом обмене. Посредниками при непрямом обмене могут выступать диамагнитные ионы (наподобие кислорода O^2?) или электроны проводимости. Первый случай теоретически был рассмотрен Крамерсом (1934) и Андерсоном (1950-е), а второй был предсказан Рудерманом и Киттелем (1954). В реальных кристаллах, в той или иной мере присутствуют все типы обмена.

Суперобменное взаимодействие

Большинство ферро- и ферримагнитных диэлектриков состоит из магнитных 3d-ионов, разделённых такими немагнитными ионами, как O^2?, Br^?, Cl^? и др. Образуется ситуация, когда расстояния для непосредственного взаимодействия 3d-орбиталей слишком велико и обменное взаимодействие осуществляется перекрытием волновых функций 3d-орбиталей магнитных ионов и p-орбиталей немагнитных ионов. Орбитали оказываются гибридизированными, а их электроны становятся общими для нескольких ионов. Такое взаимодействие называется суперобменным. Его знак (то есть, является ли диэлектрик ферро- или антиферромагнетиком) определяется типом d-орбиталей, количеством электронов на них и углом, под которым видна пара магнитных ионов из узла, где находится немагнитный ион.

Двойной обмен

управляя легированием можно добиться перехода оксида в проводящее состояние. В манганитах лантана вида La_1?xCa_xMnO₃ при определённых значениях параметра x про часть ионов марганца может иметь валентность 3+, а другая - 4+. Обменное взаимодействие между ними, совершаемое через ионы O^2-, называют двойным обменом. Эти соединения так же будут ферро- или антиферромагнетиками в зависимости от значения x. Ферромагнитное упорядочивание будет в том случае, если суммарные спины 3-х и 4-валентных ионов сонаправлены, при этом 4-й электрон может быть делокализован. Иначе он локализирован на ионе с меньшей валентностью. Для La_1?xSr_xMnO₃ переход из антиферромагнитной в ферромагнитную фазы происходит при (бомльшим значениям x соответствует ферромагнетик).

Антисимметричное обменное взаимодействие

Антисимметричное обменное взаимодействие (взаимодействие Дзялошинского - Мория) между двумя ячейками с векторами спина и описывается выражением

Энергия взаимодействия ненулевая только если ячейки не магнитно эквивалентны. Взаимодействие Дзялошинского - Мория проявляется в некоторых антиферромагнетиках. Результатом является появление слабой спонтанной намагниченности. Этот эффект называют слабым ферромагнетизмом, так как результирующая намагниченность составляет десятые доли процентов от намагниченности в типичных ферромагнетиках. Слабый ферромагнетизм проявляется в гематите, карбонатах кобальта, мангана и некоторых других металлов.

РККИ-обменное взаимодействие

Редкоземельные элементы имеют частично заполненную 4f-орбиталь, характерный размер которой существенно меньше межатомных расстояний в кристаллической решётке. Поэтому 4f-электроны соседних ионов не могут напрямую взаимодействовать друг с другом. Обменное взаимодействие между ними осуществляется с помощью электронов проводимости. Каждый редкоземельный ион создает возле себя достаточно сильное эффективное поле, которое поляризует электроны проводимости. Такое непрямое обменное взаимодействие между 4f-электронами называют взаимодействием Рудермана - Киттеля - Касуя - Иосиды (РККИ-обменное взаимодействие). РККИ-взаимодействие существенно зависит от концентрации свободных носителей заряда и может быть существенно более дальнодействующим, чем прямой обмен.

Ферритовое запоминающее устройство

Запоминающее устройство, в котором носителями информации служат ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. Ф. з. у. используются в большинстве современных ЭВМ, преимущественно в качестве оперативной памяти с обращением по произвольному адресу. Количество хранимой информации достигает десятков млн. бит, время выборки - от десятых долей до нескольких мксек. В Ф. з. у. сочетаются высокое быстродействие, малые габариты, высокая надёжность, технологичность изготовления, экономичность. Применение ферритовых сердечников (ФС) в качестве запоминающих элементов памяти обусловлено их свойством сохранять после намагничивания одно из двух возможных устойчивых магнитных состояний, соответствующих значениям остаточной магнитной индукции, что позволяет им хранить информацию, представленную в двоичном коде.

В Ф. з. у. все ФС собираются в ферритовые матрицы, в состав Ф. з. у. входят несколько таких матриц (иногда несколько десятков). Расположение ФС в матрице, внутренние (в матрице) и внешние (между матрицами) соединения проводов записи и считывания выбираются так, чтобы уменьшить количество электронной аппаратуры управления и повысить надёжность функционирования Ф. з. у. при заданном быстродействии и ёмкости. Наиболее распространены три системы организации Ф. з. у.: 3-мерная (или с плоской выборкой, полутоковая, матричная, типа ХУ), 2-мерная (с непосредственной выборкой, полного тока, линейная, типа Z), 2,5 - мерная (занимает промежуточное положение между 3- и 2-мерной). Соответственно эти системы обозначают символами 3D, 2D и 2,5D (D - начальная буква англ. dimension - измерение, координата). Применение той или иной системы организации Ф. з. у. зависит от конкретных требований, предъявляемых к памяти ЭВМ: в Ф. з. у. малой ёмкости и высокого быстродействия обычно используют систему 2D; при средней ёмкости и высоком быстродействии или большой ёмкости и среднем быстродействии - 2,5D; при большой ёмкости и малом быстродействии - 3D. В состав Ф. з. у. входят сотни транзисторов, тысячи полупроводниковых диодов, сотни интегральных микросхем, миллионы ФС. Поэтому при создании Ф. з. у. большой ёмкости необходимо обеспечивать идентичность характеристик и параметров элементов, особенно ФС, и экономичность данного запоминающего устройства. Наиболее экономичны запоминающие устройства с системой организации 3D; наименее экономична - 2D. Ф. з. у. с системой организации 2,5D позволяет при сравнительно небольших затратах получать высокое быстродействие при больших ёмкостях, что предопределяет перспективность её использования в современных ЭВМ.

Магнитные полупроводники - материалы проявляющие как свойства ферромагнетиков, так и свойства полупроводников. Среди М. п. имеются материалы с разл. типами магн. упорядочения - ферромагнитным, антиферромагнитным, геликоидальным и т.д. К этому классу веществ относятся также нек-рые спиновые стёкла.

Характеристики магнитных полупроводников

ферромагнетик полупроводник запоминающий

Температура магнитных фазных переходов у М. п. лежит, как правило, в диапазоне гелиевых (4,2К) и азотных (~77,4 К) темп-р, хотя известны материалы с точкой Кюри Tс~300 К (напр., ). Наиб. изученными являются М. п. типа ЕиХ, где'' X - О, S, Se, Те, и соединения со структурой шпинели типа АСr2Х4, где А - Сu, Cd, Zn, Hg, Fe, Co; X - S, Se, Те (см. табл.).

Зонная структура магнитных полупроводников

Электронный спектр М. п. определяется 2 разнородными подсистемами - подвижными носителями заряда (электронами проводимости и дырками) и более локализованными электронами атомов переходных (или редкоземельных) металлов, содержащих недостроенные d- или f-оболочки. Ввиду этого электронный спектр М. п. не может быть описан (даже в нулевом приближении) простейшей двухзонной моделью и включает в себя, как правило, третью, т. н. d- или f-зону (рис. 1).

М. п. характеризуется, как правило, наличием т. н. непрямого обменного взаимодействия между d- или f-ионами. В решётке М. п. магн. ионы (для определённости d-ионы) разделены немагнитными и поэтому волновые ф-ции d-электронов не перекрываются. Прямое обменное взаимодействие между ними отсутствует. Однако возникает непрямое взаимодействие, обусловленное тем, что волновые ф-ции магн. ионов перекрываются через волновые ф-ции немагн. ионов. Непрямой обмен приводит к заметному изменению магн. свойств М. п. при легировании.

Кроме обменного взаимодействия между парамагнитными ионами через неподвижные немагнитные ионы в М. п. может иметь место обменное взаимодействие через подвижные носители заряда. Взаимодействие между подвижными носителями заряда и малоподвижными d-электронами приводит к зависимости электрич. свойств от магн. состояния М. п. и, наоборот, магн. свойств от концентрации носителей заряда в М. п. Так, в М. п. наблюдаются резкие (на неск. порядков) скачки проводимости при изменении темп-ры Т, резкое изменение Тc при изменении концентрации носителей в ходе легирования, резкие скачки магнетосопротивления, аномально большое отрицат. магнетосопротивление вблизи точки Кюри Тс.

Подвижность носителей в М. п. невелика по сравнению с обычными полупроводниками. Она лимитируется дополнит. механизмом рассеяния на неоднородностях и флуктуациях намагниченности. Определение эффективной массы носителей с помощью эффекта Холла затруднено, т.к. из-за спонтанной намагниченности велик вклад аномальной составляющей. Кроме того, наличие электрон-магнонного взаимодействия в М. п. приводит к изменению величины затухания спиновых волн в М. п. при пропускании тока.

Температурная зависимость края оптического поглощения в EuS (а) и HgCr2Se4 (б); - ширина запрещённой зоны

Характерной особенностью М.н. является т. н. гигантское красное смещение края оптич. поглощения при изменении темп-ры. Так, у край поглощения сдвигается от 0,8 до 0,3 эВ при понижении Т от 300 до 4 К (рис. 3). Нек-рым М. п. свойственны явления фотомагнетизма (изменение магн. свойств при освещении). Так, в при освещении изменяются магн. проницаемость, коэрцитивная сила, вид скачков Баркгаузена.

Многие особенности М. п., в частности аномалии кинетич. характеристик, иногда объясняют исходя из теоретич. предсказания существования в М. п. феронов - областей, в к-рых концентрация электронов проводимости и магн. момент отличаются от средних по кристаллу. Такие области могут быть, в частности, локализованы на примесях, вакансиях и др. дефектах. Наличие дефектов существенно влияет также на магнитокристаллич. анизотропию М. п. Так, чистый М. п. практически изотропен, но при легировании и отжиге, к-рые меняют число примесей и вакансий, становится анизотропным, причём направление осей анизотропии и её степень можно изменять, меняя кол-во и тип примесей и вакансий.

Необычные свойства М. п. делают их перспективными для создания ячеек памяти, для термомагн. и фото-магн. записи, для вращения плоскости поляризации эл-магн. излучения, в частности в диапазоне СВЧ. На М. п. реализованы р - п-переходы, Шоттки барьеры и др. структуры.

Размещено на Allbest.ru