Феромагнетизм кімнатної температури та спінова поляризація в кремнії, легованому марганцем
Анотація
У цьому дослідженні ми досліджуємо магнітні властивості кремнію, легованого марганцем, за допомогою процесу термічної дифузії. Отримані результати демонструють чіткі докази феромагнетизму при кімнатній температурі в кремнію p-типу, який виникає внаслідок вирівнювання спінів атомів Mn і наявності опосередкованої дірками провідності. Аналіз магнітоопору та гістерезису підтверджує спін-залежний транспорт, вказуючи на те, що обмінні взаємодії, опосередковані носіями, відповідають за спостережуване магнітне впорядкування. Комбінація атомно-силової мікроскопії (AFM), скануючої електронної мікроскопії (SEM) і енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS) підтверджує успішне включення атомів Mn в решітку Si без значного пошкодження решітки. Спостережувані петлі гістерезису як при 150 K, так і при 300 K демонструють стабільну феромагнітну поведінку з коерцитивними силами 115 Oe і 87 Oe відповідно. Ці висновки відкривають багатообіцяючі перспективи для розробки спінтронних пристроїв на основі кремнію з використанням CMOS-сумісної технології термодифузії.
Завантаження
Посилання
T. Dietl, and H. Ohno, “Dilute ferromagnetic semiconductors: Physics and spintronic structures,” Reviews of Modern Physics, 86, 187 (2014). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.86.187
J. Schmalhorst, D. Ebke, and A. Weddemann, “On the influence of bandstructure on transport properties of magnetic tunnel junctions with Co2Mn1−xFexSi single and multilayer electrode,” Journal of Applied Physics, 104, 043919 (2008). https://doi.org/10.1063/1.2973664
B.A. Aronzon, V.V. Rylkov, S.N. Nikolaev, V.V. Tugushev, S. Caprara, and V.V. Podolskii, “Room-temperature ferromagnetism and anomalous Hall effect in Si1−xMnx (x≈0.35) alloys,” Physical Review B, 84, 075209 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.075209
B.K. Ismaylov, N.F. Zikrillayev, K.A. Ismailov, and Z.T. Kenzhaev, “Physical mechanism of gettering of impurity Ni atom clusters in Si lattice,” Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 27(3), 294-297. (2024). https://doi.org/10.15407/spqeo27.03.294
T. Jungwirth, J. Sinova, J. Masek, J. Kucera, and A.H. MacDonald, “Theory of ferromagnetic (III,Mn)V semiconductors,” Reviews of Modern Physics, 78(3), 809–864 (2006). https://DOI.org/10.1103/RevModPhys.78.809
K.A. Ismailov, N.F. Zikrillaev, B.K. Ismaylov, Kh. Kamalov, S.B. Isamov, and Z.T. Kenzhaev, “Nickel Clusters in the Silicon Lattice,” Journal of Nano and Electronic Physics, 16(5), 05022 (2024). https://doi.org/10.21272/jnep.16(5).05022
M.K. Khakkulov, A.Sh. Mavlyanov, N.A. Akbarova, and Kh. Kamalova, “Formation of Binary Compounds of Impurity Atoms of Sulfur and Zinc in Silicon,” Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 60, 826-830 (2024). https://doi.org/10.3103/S106837552470042X
Portavoce, O. Abbes, Y. Rudzevich, L. Chow, and Le Thanh, “Manganese diffusion in monocrystalline germanium,” Scripta Materialia, 67(3), 269-272 (2012). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.04.038
V. Ko, K.L. Teo, T. Liew, T.C. Chonge, M. MacKenzi, I. MacLaren, and J.N. Chapman, “Origins of ferromagnetism in transition-metal doped Si,” Journal of Applied Physics, 104(3), 033912 (2008). https://doi.org/10.1063/1.2963485
X.Y. Zhang, and Z.W. Liu, “Effect of Mn diffusion on magnetic properties of Si-based diluted magnetic semiconductors,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 547, 168818 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168818
S. Zhou, K. Potzger, G. Zhang, A. Mucklich, F. Eichhorn, N. Schell, R. Grotzschel, et al., “Structural and magnetic properties of Mn-implanted Si,” Physical Review B, 75, 085203 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.085203
K.А. Ismailov, X.M. Iliev, M.O. Tursunov, and B.K. Ismaylov, “Formation of complexes consisting of impurity Mn atoms and group VI elements in the crystal lattice of silicon,” Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 24(3), 255-260. (2021). https://doi.org/10.15407/spqeo24.03.255
F. Fang, P.B. Johnson, J. Kennedy, and A. Markowitz, “Magnetic-ion-doped silicon nanostructures fabricated by ion implantation and electron beam annealing,” Nuclear Instruments and Methods in Physics, 307(10), 131–136. (2013). https://doi.org/10.1016/j.nimb.2012.11.071
M.K. Bakhadyrkhanov, K.S. Ayupov, K.M. Iliev, G.K. Mavlonov, and O.E. Sattorov, “Effect of electric field, illumination, and temperature on negative magnetoresistance of low-temperature-diffusion-doped silicon,” Technical Physics Letters, 36(8), 741 744 (2010). https://doi.org/10.1134/S1063785010080195
M.K. Bakhadyrkhanov, O.E. Sattarov, Kh.M. Iliev, K.S. Ayupov, and T. Umaier, “Stimulation of negative magnetoresistance by an electric field and light in silicon doped with boron and manganese,” Semiconductors, 39(7), 789–791 (2005). https://doi.org/10.1134/1.1992635
M.K. Bakhadyrkhanov, G.K. Mavlonov, S.B. Isamov, and S.A. Tachilin, “Photoconductivity of silicon with multicharged clusters of manganese atoms [Mn]4,” Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 46(3), 276–280 (2010). https://doi.org/10.3103/S1068375510030154
T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferrand, “Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors,” Science, 287(5455), 1019–1022. (2000). https://doi.org/10.1126/science.287.5455.1019
S. Zhou, and H. Schmid, “Mn-doped Ge and Si: A Review of the Experimental Status,” Materials, 3(12), 5054-5082 (2010). https://doi.org/10.3390/ma3125054
S. Zhou, K. Potzger, G. Zhang, et al., “Structural and magnetic properties of Mn-implanted Si,” January Physical Review B, 75(8), 110-123. (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.085203
Y.H. Kwon, T.W. Kang, H.Y. Cho, and T.W. Kim, “Formation mechanism of ferromagnetism in Si1−xMnx diluted magnetic semiconductors,” Solis State Commun. 136, 257 (2005). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2005.08.011
M.O. Tursunov, Kh.M. Iliev, and B.K. Ismaylov, “High-temperature analysis of silicon properties with manganese-oxygen binary complexes,” Physical Sciences and Technology, 11(1-2), 4-12 (2024). https://doi.org/10.26577/phst2024v11i1a1
O.E. Sattarov, A. Mavlyanov, A. An, “Effect of manganese atoms on the magnetic properties of silicon,” Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 59(2), 216-219 (2023). https://doi.org/10.3103/S106837552302014X
Z.M. Saparniyazova, M.K. Bakhadyrkhanov, et al., “Structural and magnetic properties of manganese-doped silicon,” Inorganic Materials, 48(4), 325–333 (2012). https://doi.org/10.1134/S0020168512030144
M.K. Bakhadirkhanov, G.H. Mavlonov, X.M Iliev, O.E. Sattarov, and S.A. Tachilin, “Specific features of magnetoresistance in overcompensated manganese-doped silicon,” Semiconductors, 48(8), 986-998 (2014). https://doi.org/10.1134/S106378261408003X
Sh.B. Utamuradova, A.Sh. Mavlyanov, Sh.A. Sobirova, and O.E. Sattarov, “Hybrid Secondary Structure of Manganese and Sulfur in Silicon,” Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 61, 633-636 (2025). https://doi.org/10.3103/S1068375525700681
Авторське право (c) 2026 Олмас Е. Саттаров, Бахромджон А. Абдурахманов, Гійос А. Кушієв, Станіслав А. Тачілін, Темур Б. Ісмаїлов, Забарджат Н. Умарходжаєва
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
