СТАНОВИТСЯ ТЕПЛЕЕ

Магнитные полупроводники могут работать при более высоких температурах

В технологии спинтроники электронный спин так же важен, как заряд. БУДУЩЕЕ ТЕХНОЛОГИИ СПИНТРОНИКИ Ожидаемый ассортимент спинтронных приборов и устройств: • транзисторы с пониженным энергопотреблением; • перепрограммируемые микрочипы; • компьютеры, которые мгновенно переходят к своему предыдущему состоянию; • квантовые вычислительные системы, использующие поляризованные электроны и фотоны.

В большинство электронных устройств используются электрическиe заряды электронов. Зарождающаяся технология – спинтроника (spintronics) – использует не только заряды электронов, но и их спин (вращение). Спин электронов тесно связан с явлением магнетизма, и первые спинтронические устройства представляли собой головки для считывания информации с магнитных носителей информации и магнитные запоминающие устройства с произвольной выборкой (MRAM – Magnetic Random Access Memory); последние сохраняют данные даже в том случае, когда они обесточены (см. статью Дэвида Ошалома (David D. Awschalom), Майкла Флатте (Michael E. Flatte) и Нитин Самар (Nitin Samarth) «Спинтроника» в журнале Scientific American за июнь 2002 года). Создание более сложных устройств, таких как компьютерные чипы, использующие технологию спинтроники, пока невозможно, в отличие от запоминающих устройств с произвольной выборкой и считывающих головок, поскольку они могут быть созданы только на базе полупроводников, а существующие полупроводники не обладают свойствами магнетизма в условиях комнатной температуры. Тем не менее несколько исследовательских групп уже достигли значительного прогресса в этом направлении.

Одним из наиболее изученных типов магнитных полупроводников являются полупроводники, созданные из материала на базе арсенида галлия, легированного марганцем. В 1998 г. группа, возглавляемая Хидео Оно (Hideo Ohno) из Университета Тохоку, показала, что этот материал может сохранять ферромагнитные свойства даже при температуре, составляющей 110 градусов по Кельвину (–163 градуса по Цельсию). «Ферромагнетизм» – технический термин, используемый для обозначения явления магнетизма, которое существует даже при отсутствии прилагаемого поля. При температуре жидкого азота этот материал уже давно используется в таких устройствах, как светоизлучающие диоды (LED), которые излучают свет, поляризованный в результате спин-поляризации (spin polarization) электронов и электронных дыр, которые его генерируют.

В конце 2002 г. Масааки Танака (Masaaki Tanaka) и его коллеги из Токийского университета сообщили, что применение относительно простого процесса отжига к арсениду галлия, легированнму марганцем, значительно увеличили рабочую температуру до температуры, известной как точка Кюри (температура, выше которой исчезает самопроизвольная намагниченность доменов ферромагнетиков и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние). Часто точкой Кюри (температурой Кюри) называют температуру любого фазового перехода второго рода.) и составляющую 172 градуса по Кельвину. Но это все еще значительно ниже комнатной температуры, хотя результат, по словам эксперта в области спинтроники Дэвида Ошалома (David D. Awschalom) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, представляет собой «подлинную веху».

Материал, созданный группой из Токийского университета, имеет гетерогенную структуру: он состоит из набора слоев, тщательно нанесенных один за другим с помощью молекулярного луча. Этот процесс называется лучевой молекулярной эпитаксией (molecular beam epitaxy); эпитаксия – ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого; материалы могут быть одинаковые – автоэпитаксия или различные – гетероэпитаксия. Толщина легированного марганцем слоя, расположенного между двумя слоями нелегированного арсенида галлия, составляет всего 3 атома; каждый такой «сэндвич» размещается над слоем, легированным с бериллием. Ранее удавалось достичь температуру Кюри, составляющую 1500 Кельвина, путем отжига арсенида галлия, легированного с марганцем, не создавая сложных гетероструктур.

Значительно более высокую температуру точки Кюри наблюдали Артур Гебард (Arthur F. Hebard) и его коллеги из Флоридского университета. Его команда использовала фосфид галлия, легированный углеродом, к которому марганец добавлялся посредством ионного луча высокой энергии. Магнитные свойства сохранялись при температуре около 300 градусов Кельвина, то есть при комнатной температуре. Для практического использования этого эффекта в устройствах необходимо провести еще много опытов с различными материалами, используя более управляемый процесс, такой как лучевая молекулярная эпитаксия. Гебард указывает, что фосфид галлия хорошо подходит для соединения с силиконом, поскольку расстояние между атомами в этих двух материалах приблизительно одинаково. Есть предположение, что подобный высокотемпературный ферромагнетизм может быть достигнут в сплавах индия и алюминия с фосфидом галлия, который используется для производства светоизлучающих диодов (LED).

Появляются сообщения о том, что уже разработаны полупроводники, которые могут работать в условиях, значительно превышающих температуру Кюри.

Например, исследова- тельская группа, возглавляемая Хиденобу Хори (Hidenoby Hori) из Института современной науки и технологий в Японии, сообщила о том, что достигнута температура, составляющая 940 градусов Кельвина, экстраполируемая от измерений, проводимых с 750 градусами Кельвина. Эти материалы представляют собой нитрид галлия, тоже легированный марганцем, но на этот раз созданный с помощью лучевой молекулярной эпитаксии. Тем не менее необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить, что в действительности ферромагнетизм работает при таких высоких температурах.

Исследование свойств материалов, с которыми ученые работают в настоящее время, требует значительных усилий инженеров для того, чтобы перейти от демонстрации возможностей полупроводников к реализации их в реальных устройствах. «Доказательством возможности создания такого «пудинга» станет когда-нибудь сконструированое полезное устройство», – заявил Гебард.

Оригинал - www.sciam.ru