Semicondutores magnéticos
diluídos (DMS)
Germano Maioli Penello
Semicondutor
Condutividade entre o condutor e o isolante
Estrutura cristalina;
Não é ferromagnético;
Semicondutor
Si → fcc + base
4 elétrons na última camada permitem que se forme um bom
cristal
GaAs
[001]
[100]
[010]
Fácil de desenhar
Olhar na direção <001>
Estruturas de bandas
T = 0K
E
Ótica com semicondutores
Absorção
Si
E = hf
h = 4.1x10-15 eV.s
E = hf
E = 1,1 eV
Câmeras CCD
f = 2.7x1014 Hz
Gap = 1,1eV
λ = 1.1x10-6 m
Fotodetetores
Ótica com semicondutores
Emissão espontânea
E = hf
LED (Diodo emissor de luz)
Ótica com semicondutores
Emissão estimulada
E = hf
E = hf
LASER - Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação
Eletrônica com semicondutores
Dopagem
Defeitos na rede mudam suas propriedades físicas;
Dopagens – Defeitos controlados (Tipo P, Tipo N);
Tipo N
Tipo P
Eletrônica com semicondutores
Transistores
Diodo
Acelerômetro
Processador
Lei de Moore
Gordon Moore
Co-fundador da Intel
“O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”
Mudança de escala de componentes microeletrônicos
Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna
Magnetismo
Diamagnetismo
Materiais com átomos não-magnéticos.
TODO material tem resposta diamagnética.
Diamagneto
perfeito
Semicondutores
Paramagnetismo
Interação entre momentos magnéticos com o campo externo
ferrofluido
Eletroímã
motores
Ferromagnetismo
Interação de troca entre momentos magnéticos vizinhos
Memórias magnéticas
Imãs
Semicondutores Magnéticos
Misturar propriedades elétricas e magnéticas – Dopagem com
íons magnéticos;
Semicondutor – Controle da corrente em
equipamentos eletrônicos (diodos, transistores);
Magnetismo – Responsável pelo
armazenamento de informação (HD, fita magnética).
Íons magnéticos – íons que têm propriedades
ferromagnéticas (Mn, Co)
Dopagem com íons magnéticos
Introdução de átomos magnéticos na rede cristalina
do semicondutor;
Ion Mn+
Substrato
semicondutor
Métodos de crescimento:
MOCVD (Deposição metal-orgânica por vapor químico)
MOVPE (Epitaxia de fase de vapor com metal-orgânicos)
MBE (Epitaxia de feixe molecular)
Aceleradores
Semicondutores Magnéticos
A - Semicondutor com uma rede periódica de
elementos magnéticos
B - Semicondutor Magnético Diluído
C – Semicondutor não magnético
Problemas
Íons
magnéticos
Magnetização
Defeitos
Introdução de átomos magnéticos na rede cristalina
do semicondutor gera defeitos;
Defeitos alteram as propriedades elétricas do
semicondutor!!
O DMS mantém as propriedades físicas de um
semicondutor e têm ferromagnetismo!
DMS
Interação ferromagnética é intermediada por buracos.
Interação
antiferromagnética
Mn
Interação
antiferromagnética
Buraco
GaxMn1-xAs; Tc = 30-170 K
Mn
Produção de um DMS com o acelerador
Produzir o
feixe de Mn+
Caracterizar os substratos
de GaAs implantados
Um modelo para o DMS (SRIM)
http://www.srim.org/
Um modelo para o DMS (SRIM)
Um modelo para o DMS (SRIM)
GaAs
Mn+
100 μm
Feixe de 10000 íons a 0º (300KeV)
Produzindo o feixe de Mn+
Cadinho de prata com MnO2;
Gás de N2
MnMn+
Mn
Feixe da
fonte de
íons
MnO+
Feixe final
MnO-
Imã
MnO-
O
Acelerador de 1.7 MV NEC Tandem
Mn+
Implantação iônica (1ª no LaCAM)
Feixe de Mn+
Braço móvel
Porta amostra
Feixe de Mn+
Medidor de Pressão
Amostras
Nome
GaMnAs001
GaMnAs002
GaMnAs003
Undoped
undoped
C - doped
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
B
C
D
1,40E-008
1,20E-008
B
C
D
3,00E-009
T = 150K
1,00E-008
2,00E-009
8,00E-009
6,00E-009
1,00E-009
T = 5K
Y Axis Title
Y Axis Title
4,00E-009
2,00E-009
0,00E+000
-2,00E-009
0,00E+000
-1,00E-009
-4,00E-009
-6,00E-009
-2,00E-009
-8,00E-009
-1,00E-008
-1,20E-008
-0,03
-3,00E-009
-0,02
-0,01
0,00
0,01
0,02
0,03
-0,03
-0,02
-0,01
X Axis Title
B
C
D
4,00E-009
0,01
0,02
0,03
B
C
D
T = 248K
2,00E-009
T = 80K
3,00E-009
1,00E-009
2,00E-009
Y Axis Title
1,00E-009
Y Axis Title
0,00
X Axis Title
0,00E+000
-1,00E-009
0,00E+000
-1,00E-009
-2,00E-009
-2,00E-009
-3,00E-009
-4,00E-009
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
X Axis Title
0,01
0,02
0,03
-3,00E-009
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
X Axis Title
0,01
0,02
0,03
GaMnAs001 Recozida
800º - 20 min.
4,00E-009
4,00E-009
3,00E-009
T = 150K
2,00E-009
T = 5K
1,00E-009
Y Axis Title
Y Axis Title
2,00E-009
0,00E+000
0,00E+000
-1,00E-009
-2,00E-009
-2,00E-009
-4,00E-009
-0,03
-3,00E-009
-0,02
-0,01
0,00
0,01
0,02
-4,00E-009
-0,03
0,03
-0,02
-0,01
X Axis Title
0,00
0,01
0,02
0,03
0,02
0,03
X Axis Title
5,00E-009
B
C
D
3,00E-009
4,00E-009
T = 80K
3,00E-009
T = 250 K
Y Axis Title
Y Axis Title
2,00E-009
0,00E+000
1,00E-009
0,00E+000
-1,00E-009
-2,00E-009
-3,00E-009
-3,00E-009
-0,02
0,00
X Axis Title
0,02
-4,00E-009
-0,03
-0,02
-0,01
0,00
X Axis Title
0,01
GaMnAs002
B
C
D
2,00E-007
1,50E-007
B
C
D
1,00E-007
8,00E-008
T = 100K
6,00E-008
1,00E-007
T = 2.4K
4,00E-008
2,00E-008
Y Axis Title
Y Axis Title
5,00E-008
0,00E+000
-5,00E-008
-1,00E-007
0,00E+000
-2,00E-008
-4,00E-008
-6,00E-008
-8,00E-008
-1,50E-007
-1,00E-007
-2,00E-007
-1,20E-007
-1,40E-007
-2,50E-007
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
0,1
0,2
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
0,1
0,2
GaMnAs002 Recozida
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
Applied Field [ T ]
4
6
-4
-2
0
2
Applied Field [ T ]
4
6
GaMnAs003
B
C
D
E
1,00E-007
8,00E-008
6,00E-008
6,00E-008
T = 100K
T = 2.6K
4,00E-008
4,00E-008
2,00E-008
2,00E-008
Y Axis Title
Y Axis Title
B
C
D
E
8,00E-008
0,00E+000
-2,00E-008
-4,00E-008
-6,00E-008
0,00E+000
-2,00E-008
-4,00E-008
-8,00E-008
-6,00E-008
-1,00E-007
-8,00E-008
-1,20E-007
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
0,1
0,2
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
0,1
0,2
GaMnAs003 Recozida
800º - 20 min.
B
C
D
E
Linear Fit of Data3_B
8,00E-008
6,00E-008
4,00E-008
sem diamag.
3,00E-008
T = 100K
4,00E-008
2,00E-008
Y Axis Title
Y Axis Title
2,00E-008
0,00E+000
-2,00E-008
1,00E-008
0,00E+000
-4,00E-008
-1,00E-008
-6,00E-008
-8,00E-008
-2,00E-008
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
0,1
0,2
-0,2
-0,1
0,0
X Axis Title
0,1
0,2
Efeitos da irradiação de íons
em filmes de GaxMn1-xAs
Amostra
200 nm
Ga0,95Mn0,05As
Crescida por MBE
Ga0.95Mn0.05As
200 nm
a = 5.65A
4 átomos de Ga por célula unitária
4*5/100 = 0.2 átomos de Mn/cell
Distância aproximada entre 2 átomos de Mn = 5 células unitárias = 28.25A
Irradiação
Dois tipos de íons
H+ (100KeV e 1MeV)
Li+ (700KeV)
Doses de 1010 ~1015
Um modelo para o DMS (SRIM)
Um modelo para o DMS (SRIM)
SRIM
0.002
(Vacancies/Ion)/nm
-1
As
0.06
Ga
0.04
0.02
Mn
0.00
0.001
0
50
100
150
200
GaMnAs
Target Depth (nm)
GaAs
Implanted Li Ions (nm )
0.08
Implanted Li
0.000
0
500
1000
1500
Target Depth (nm)
2000
2500
+
Li (700 keV) + Ga0.94Mn0.06As (200 nm)
3.5
2.5
2.0
10
10
16
A
1.5
0.8
1.0
+
1.0
0.0
3.5
A
0.8
0
B
13
110
14
510
15
110
15
510
10 K
0.4
3.0
B
2
doses (Li /cm )
0.6
M / MNI
M / MNI
0.5
0.6
C
0.4
C
0.2
2.5
0.2
D
0.0
2.0
0
20
40
60
D
T (K)
-5
M (10 emu)
2
Equivalent 700 keV Li dose (ions/cm )
10
1.0
10 K
-5
M (10 emu)
+
Non irradiated
13
+
2
10 Li / cm
15
+
2
10 Li / cm
16
+
2
10 Li / cm
3.0
0.0
14
10
1.5
10
15
10
16
10
17
10
18
10
-3
Mn Vacancies (cm )
1.0
0.5
0.0
0
20
40
T (K)
60
19
10
20
10
21
Crescendo GaMnAs(?) em um
reator MOCVD
Crescimento “Bulk”
400nm
Amostra identada
400nm
20µm
800nm
8.0µm
Amostra identada
800nm
1.3µm
3.0µm
1.0µm
Caracterização das amostras
•
•
•
•
•
•
•
Microscopia de força atômica
Microscopia eletrônica de tunelamento
Microscopia eletrônica de varredura
Difração de raios-x
Efeito Hall
Magneto-luminescência
Medição de sua magnetização através de
um SQUID