Semicondutor Magnético
Diluído (DMS)
Germano Maioli Penello (PIBIC/CNPq)
Orientadores:
Mauricio Pamplona Pires
Coorientador:
Marcelo Martins Sant’anna
Motivação
Semicondutor
Base da tecnologia de
processamento dos
computadores atuais;
Ex.: Transistores, diodos;
Materiais Magnéticos
Armazenamento
de informação.
Ex.: Disco Rígido,
disquete;
• Desenvolver um semicondutor magnético
diluído(DMS), e então caracterizá-lo;
Introdução
• O DMS (Semicondutor magnético diluído) é estudado
para aplicações na spintrônica, com a intenção de
controlar tanto a carga quanto o spin do elétron;
• Existem diferentes maneiras de se produzir um DMS,
nossa intenção é de se produzir via implantação
iônica.
Produzir o feixe
de Mn+
Caracterizar os substratos
de GaAs implantados
Um modelo para o DMS (SRIM)
GaAs
Mn+
100 μm
Feixe de 1000 íons a
0º (200KeV)
Feixe de 1000 íons a 0º
(400KeV)
Para a implantação: Acelerador do LaCAM-IF
Feixe de Mn+
Gás de N2
Feixe da
fonte de
íons
Feixe final de Mn+
Imã
MnO-
Acelerador de 1.7 MV NEC Tandem
Implantação iônica
Porta amostra
(vista superior)
Porta amostra
Braço móvel
GaAs (semicondutor)
Feixe de Mn+
Medidor de Pressão
Automação da tomada de dados
Seletor de
velocidade
Antigo
controle
manual
Novo
controle
automático
Adaptações e testes no acelerador
Câmara para os testes iniciais
Braço mecânico Feixe
Espaçador para a linha
do acelerador (bomba
adicional)
Vista superior
Produzindo o feixe de Mn+
• Preparação da pastilha:
1. MnO2 + W ( 70% + 30%);
2. Prensamos essa mistura em um cadinho
de cobre;
• Esta pastilha é colocada no acelerador,
onde partículas de Cs+ colidem com a
mistura liberando MnO-, que depois é
quebrado em Mn+.
Produzindo o feixe de Mn+
Mn+
Gás de N2
Feixe da
fonte de
íons
MnO+
Mn-
Feixe final
Mn
MnO-
Mn+
Imã
MnO-
O
Acelerador de 1.7 MV NEC Tandem
Problemas e Modificações: Contaminação do
feixe
corrente de feixe (u.a.)
65
Antes
-
Cu
63
-
Cu
0.1
65
-
Total
CuO
63
-
CuO
0.01
-
MnO
-
MnH
1E-3
0.2
0.4
Vseletor de velocidade (u.a.)
Cadinho
de cobre:
Problemas e Modificações: Contaminação do
feixe
MnO-
Antes
-
Cu
63
corrente de feixe (u.a.)
corrente de feixe (u.a.)
65
-
Cu
0.1
65
-
Total
CuO
63
-
CuO
0.01
-
MnO
-
MnH
1E-3
0.2
0.4
Vseletor de velocidade (u.a.)
Cadinho
de cobre:
0.1
Depois
MnO2Total
0.01
Feixe
limpo !
Selecionando
o MnO por
campo magnético
1E-3
0.2
0.4
Vseletor de velocidade (u.a.)
Cadinho
de prata:
Dose
• Dose é a quantidade de partículas implantadas
por área;
• Na literatura as doses variam entre 1015 ~ 1017
cm-2;
Representação
pictórica dos
avanços
Dose
• Com nossas primeiras medidas, atingir dose
de 1015 cm-2 levaria 6 dias e dose de 1016
cm-2 levaria 2 meses!!
• Depois de aperfeiçoada a tomada de dados:
1015 cm-2 em 5 horas e 1016 cm-2 em 2 dias!
• Devemos fazer novas modificações!!
Novas modificações
• Melhoramos e sistematizamos a produção
das pastilhas de MnO2;
• Aumentamos a energia de implantação
(300KeV), com isso melhoramos a
focalização do feixe;
• Conseguimos produzir o feixe com uma
corrente suficiente para implantações em
um tempo não muito longo (~2h);
GaAs
Substrato puro
Dopagem
Substrato dopado
p
i
Implantação
+ Annealing
Propriedades
magnéticas?
n
Recozimento (Annealing)
• Tratamento térmico na amostra para
obtermos um rearranjo das suas
moléculas;
• Etapa crítica na fabricação do DMS;
• A temperatura e o tempo de recozimento
influenciam drasticamente as medidas que
são feitas na amostra;
Amostras
Nome
GaMnAs001
GaMnAs002
GaMnAs003
Undoped
undoped
C – doped (n)
300
300
300
4 x 1014
2 x 1015
2 x 1015
Corrente média(nA)
6.3
7.3
7.0
Tempo (min)
40
183
195
9 x 10-9
4.6 x 10-8
4.6 x 10-8
Substrato
Energia (KeV)
Dose (cm-2)
Massa de Mn (g)
GaMnAs001
Undoped
Dose : 4 x 1014
Cozimento
800º - 20 min.
As implanted
B
C
D
1.40E-008
1.20E-008
4,00E-009
1.00E-008
Magnetization (Am2)
6.00E-009
4.00E-009
T = 5K
Y Axis Title
(Am2)
Magnetization
Y Axis Title
8.00E-009
2.00E-009
0.00E+000
-2.00E-009
-4.00E-009
-6.00E-009
-8.00E-009
-1.00E-008
-1.20E-008
-0.03
2,00E-009
T = 5K
0,00E+000
-2,00E-009
-4,00E-009
-0.02
-0.01
0.00
0.01
X Axis
Title (T)
Applied
Field
0.02
0.03
-0,03
-0,02
Resposta diamagnética!
-0,01
0,00
X Axis
Title
Applied
Field
(T)
0,01
0,02
0,03
GaMnAs002
Undoped
Dose : 2 x 1015
As implanted.
B
C
D
1,00E-007
B
C
D
2,00E-007
1,50E-007
8,00E-008
6,00E-008
T = 2.4K
T = 100K
1,00E-007
5,00E-008
2,00E-008
Y Axis (Am
Title2)
Magnetization
Y Axis Title
(Am2)
Magnetization
4,00E-008
0,00E+000
-2,00E-008
-4,00E-008
-6,00E-008
-8,00E-008
-1,00E-007
0,00E+000
-5,00E-008
-1,00E-007
-1,50E-007
-2,00E-007
-1,20E-007
-1,40E-007
-2,50E-007
-0,2
-0,1
0,0
0,1
X Axis Title
Applied Field (T)
0,2
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
Applied Field (T)
Resposta paramagnética.
0,1
0,2
GaMnAs002 Recozida
Undoped
Dose : 2 x 1015
800º - 20 min.
0,6
0,2
2
-6
0,0
-0,2
-0,4
GaMnAs
annealed
o
800 C
-0,6
GaMnAs
annealed
o
800 C
0.03
Magnetization x 10 [Am ]
-6
2
Magnetization x 10 [Am ]
0.04
T=5K
T=150K
0,4
-0,8
0.02
0.01
0.00
-0.01
-0.02
T=5K
T=150K
-0.03
-0.04
-0.05
-1,0
-4
-2
0
2
4
6
-4
-2
Applied Field [ T ]
Resposta ferromagnética!
0
2
Applied Field [ T ]
4
6
GaMnAs003
C-doped (n)
Dose : 2 x 1015
As implanted
B
C
D
E
1,00E-007
8,00E-008
8,00E-008
6,00E-008
T = 2.6K
T = 100K
4,00E-008
4,00E-008
Y Axis Title
(Am2)
Magnetization
2
Magnetization
Y Axis Title (Am )
6,00E-008
B
C
D
E
2,00E-008
0,00E+000
-2,00E-008
-4,00E-008
-6,00E-008
-8,00E-008
2,00E-008
0,00E+000
-2,00E-008
-4,00E-008
-6,00E-008
-1,00E-007
-8,00E-008
-1,20E-007
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
X Axis
Applied
FieldTitle
(T)
-0,2
-0,1
0,0
X Axis
Title
Applied
Field
(T)
Diamagnética.
0,1
0,2
GaMnAs003 Recozida
800º - 20 min.
B
C
D
E
Linear Fit of Data3_B
8,00E-008
6,00E-008
sem diamag.
3.00E-008
2,00E-008
0,00E+000
2.00E-008
2
Magnetization (Am )
Y Axis Title(Am2)
Magnetization
4.00E-008
T = 100K
4,00E-008
C-doped (n)
Dose : 2 x 1015
-2,00E-008
-4,00E-008
-6,00E-008
-8,00E-008
1.00E-008
0.00E+000
-1.00E-008
-2.00E-008
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
X Axis
Title
Applied
Field
(T)
-0.2
-0.1
0.0
Applied Field (T)
Diamagnética!
0.1
0.2
Caracterização das amostras
•
•
•
•
•
•
Microscopia de força atômica
Microscopia eletrônica de tunelamento
Difração de raios-x
Efeito Hall
Magneto-luminescência
Medição de sua magnetização através de
um SQUID
Agradecimentos
• Mauricio Pamplona Pires
• Marcelo Sant’Anna
• João Paulo Sinnecker
• Miguel Novak
• Pedrinho
• CNPq