Кластерно-індукований феромагнетизм у кремнії, легованому марганцем
Анотація
Інтеграція магнітної функціональності в кремній залишається ключовим викликом для розробки спінтронних пристроїв. У цій роботі досліджено структурні, електричні та магнітні властивості кремнію, легованого марганцем, отриманого методом двоступеневої термічної дифузії, що забезпечує контрольоване введення та перерозподіл Mn у матриці Si. Магнітні вимірювання демонструють чітко виражену феромагнітну поведінку за кімнатної температури, що характеризується добре визначеною петлею гістерезису з ненульовою коерцитивною силою та залишковою намагніченістю. Температурна залежність намагніченості вказує на температуру Кюрі приблизно 360 K, що підтверджує стабільність магнітного впорядкування вище кімнатної температури. Вимірювання електричного транспорту показують систематичну зміну властивостей носіїв заряду зі зростанням температури дифузії, зокрема перехід від p-типу до n-типу провідності. Така поведінка пояснюється активацією донорних станів, пов’язаних із Mn, а також дефектних комплексів, що призводять до компенсації та надкомпенсації акцепторів бору. Виявлено сильну кореляцію між концентрацією носіїв заряду та магнітними властивостями, що свідчить про вирішальну роль вільних носіїв у медіації магнітних взаємодій. На основі сукупності експериментальних результатів спостережуваний феромагнетизм інтерпретується в межах кластер-індукованого механізму, де області, збагачені Mn, виступають як локалізовані магнітні центри, пов’язані через обмінні взаємодії, опосередковані носіями заряду, узгоджені з механізмом типу RKKY. Отримані результати демонструють, що двоступенева термічна дифузія є ефективним підходом для керування як електричними, так і магнітними властивостями кремнію, підкреслюючи його потенціал для застосування у кремнієвій спінтроніці.
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. Sinova, S.O. Valenzuela, J. Wunderlich, C.H. Back, and T. Jungwirth, “Spin Hall effects,” Reviews of Modern Physics, 87, 1213–1260 (2015). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1213
I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma, “Spintronics: Fundamentals and applications,” Reviews of Modern Physics, 76, 323–410 (2004). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.76.323
A. Hirohata, K. Yamada, Y. Nakatani, et al., “Review on spintronics: Principles and device applications,” J. Magn. Magn. Mater. 509, 166711 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166711
S. Manipatruni, D. Nikonov, and I. Young, “Beyond CMOS computing with spin and polarization,” Nat. Phys. 14, 338–343 (2018). https://doi.org/10.1038/s41567-018-0101-4
N.B. Hamzan, M. Lee, L.J. Chang, K.H. Yeoh, K.H. Chew, M. Tripathi, A.B. Dalton, et al., “Structural, electronic, and magnetic properties of MnSi and Mn₄Si₇ nanowires,” Journal of Alloys and Compounds, 962(5), 171097 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171097
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
L. Shen, X. Zhang, H. Wang, J. Lic, and G.Xiang, “Structural, Magnetic and Magneto-transport Properties of Mn-doped SiGe Thin Films,” J. Magnet. Magnetic Materials, 560(8), 169630 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169630
Y. Zhou, “Magnetic skyrmions: intriguing physics and new spintronic device concepts,” Natl. Sci. Rev. 6(2), 210-212 (2019). https://doi.org/10.1093/nsr/nwy109
M.K. Bakhadirkhanov, Kh.M. Iliev, K.S. Ayupov, and Kh.F. Zikrillaev, “Negative magneto-resistance in heavily compensated silicon,” Elektronnaya Obrabotka Materialov, 4, 86–89 (2003). (in Russian)
O.E. Sattarov, A. Mavlyanov, and 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
Sh.B. Utamuradova, A.Sh. Mavlyanov, Sh.A. Sobirova, and O.E. Sattarov, “Hybrid Secondary Structure of Manganese and Sulfur in Silicon,” Surface Engine and Applied Electroc. 61, 633-636 (2025). https://doi.org/10.3103/S1068375525700681
N.F. Zikrillaev, S.V. Koveshnikov, L. Trabzon, G.Kh. Mavlonov, B.K. Ismaylov, T.B. Ismailov, and F.E. Urakova, “Ferromagnetic Properties of Silicon Doped Manganese Atoms,” Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 61(1), 75 81 (2025). https://doi.org/10.3103/S1068375524700571
S. Zhou, K. Potzger, G. Zhang, et al., “Structural and magnetic properties of Mn-implanted silicon,” Phys. Rev. B, 75, 085203 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.085203
T. Jungwirth, J. Sinova, J. Mašek, J. Kučera, and A.H. MacDonald, “Theory of ferromagnetic (III,Mn)V semiconductors,” Reviews of Modern Physics, 78, 809–864 (2006). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.78.809
H. Ohno, “Making nonmagnetic semiconductors ferromagnetic,” Journal of Science, 281, 951–956 (1998). https://doi.org/10.1126/science.281.5379.951
Z.M. Saparniyazova, M.K. Bakhadyrkhanov, O.E. Sattarov, N. Norkulov, and D.Zh. Asanov, “Interaction between multiply charged manganese nanoclusters and sulfur atoms in silicon,” Inorganic Materials, 48(4), 325–328 (2012). https://doi.org/10.1134/S0020168512030144
Sh. A. Mavlyanov, M.K. Khakkulov, O.E. Sattarov, N.A. Akbarova, and D.Z. Yakubov, “Photoconductivity and bandgap of binary impurity - Doped crystalline silicon,” Journal of Physics Conference Series, 2697(1), 012011 (2024). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2697/1/012011
O. Sattarov, B. Abdurakhmanov, D. Yakubov, E. Sabirov, and A. Normamatov, “Formation of electroneutral Ni–Mn complexes in silicon and their effect on material properties,” Proceedings of SPIE the International Society for Optical Engineering, 13803, 465-470 (2025). https://doi.org/10.1117/12.3076740
L. Shen, X. Zhang, J. Lu, et al. “The effect of vacancy defects on the conductive properties of SiGe,” Phys. Lett. A, 386, 126993 (2021). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2020.126993
D. Li, X. Zhang, and W. He, “Transition metal (TM=V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni)-doped GeSe diluted magnetic semiconductor thin films with high-temperature ferromagnetism,” Sci. China Mat. 67, 279 (2024). https://doi.org/10.1007/s40843-023-2657-2
S. Zhou, and X. Chen, “Defect-induced magnetism in SiC,” J. Phys. D: Appl. Phys. 52(39), 393001 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab2495
Y. Wang, Y. Liu, E. Wendler, R. Hubner, et al., “Defect-induced magnetism in SiC: Interplay between ferromagnetism and paramagnetism,” Phys. Rev. B, 92, 174409 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.174409
X.Y. Zhang, and Z.W. Liu, “Effect of Mn diffusion on magnetic properties of Si-based diluted magnetic semiconductors,” Journal of Magnet. and Magnetic Materials, 547, 168818 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168818
H. Wang, S. Sun, J. Lu, et al., “High Curie temperature ferromagnetism in Mn-doped SiGe thin films,” Adv. Funct. Mater. 30, 2002513 (2020). https://doi.org/10.48550/arXiv.2004.02676
M. Jamet, A. Barski, T. Devillers, et al., “High Curie temperature ferromagnetism in self-organized MnSi nanocolumns,” Nat. Mater. 5, 653–659 (2006). https://doi.org/10.1038/nmat1686
C.H. Ziner, S. Glutsch, and F. Bechstedt, “RKKY interaction in semiconductors: Effects of magnetic field and screening,” J. Phys. Rev. B, 70, 075205 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.075205
O.E. Sattarov, B.A. Abdurakhmanov, G.A. Kushiev, S.A. Tachilin, and T.B. Ismailov, “Room-temperature ferromagnetism and spin polarization in silicon doped with manganese,” East European Journal of Physics, (1), 396-400 (2026) https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-1-47
M. Bolduc, C. Awo-Affouda, A. Stollenwerk, M.B. Huang, F.G. Ramos, G. Agnello, and V.P. LaBella, “Above room temperature ferromagnetism in Mn-ion implanted Si,” Physical Review B, 71, 033302 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.033302
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, G.K. Mavlonov, S.B. Isamov, O.E. Sattarov, 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
M.K. Bakhadirkhanov, G.H. Mavlonov, X.M. Iliev, and C.A. Tachilin, “Specific features of magnetoresistance in overcompensated manganese-doped silicon,” Semiconductors, 48(8), 986 (2014). https://doi.org/10.1134/S106378261408003X
Авторське право (c) 2026 Олмас Е. Саттаров, Станіслав А. Тачілін, Ільхомов А. Ільосбек, Нематілло Н. Маматкулов, Алішер Р. Тошев
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).
