Магнитный полупроводниковый материал



Магнитный полупроводниковый материал
Магнитный полупроводниковый материал

 


Владельцы патента RU 2465378:

Учреждение Российской академии наук Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН) (RU)

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к легированным марганцем и цинком антимонидам индия, которые могут найти применение в спинтронике, где электронный спин используется в качестве активного элемента для хранения и передачи информации, формирования интегральных и функциональных микросхем, конструирования новых магнито-оптоэлектронных приборов. Предлагается магнитный полупроводниковый материал, который включает индий, сурьму, марганец и цинк, представляет собой соединение антимонид индия InSb, легированное марганцем в количестве 0,12÷0,19 мас.% Мn и цинком в количестве 0,71÷1,12 мас.% Zn, и отвечает формуле InSb<Mn,Zn>. Изобретение позволяет получать материал, характеризующийся температурой Кюри 320 К, сочетающий полупроводниковые и ферромагнитные свойства. 2 ил., 2 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к легированным марганцем и цинком антимонидам индия, которые могут найти применение в спинтронике, где электронный спин используется в качестве активного элемента для хранения и передачи информации, формирования интегральных и функциональных микросхем, конструирования новых магнито-оптоэлектронных приборов.

Вышеуказанный антимонид индия относится к классу антимонидов элементов третьей группы Периодической системы.

Известны эпитаксиальные пленки InSb<Mn>, выращенные методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии, с критическими температурами Кюри Тс<20 К [Csontos M., Wojtowicz Т., Liu X., Dobrowolska M., Janko В., Furdyna J.K., Miha'ly G. Magnetic Scattering of Spin Polarized Carriers in InMnSb Dilute Magnetic Semiconductor // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. №22. P.227203-1-227203-4].

К недостаткам описанных выше эпитаксиальных пленок InSb<Mn> относится то, что они не могут быть использованы при создании элементов памяти, поскольку обладают низкой температурой Кюри, что исключает их применение в повседневных электронных приборах широкого спектра действия, работающих при комнатных температурах.

Ближайшими техническими решениями поставленной задачи является магнитный полупроводниковый материал, характеризующийся температурой Кюри 329÷355 К, который включает германий, кадмий, мышьяк и марганец, представляет собой тройное соединение арсенида германия и кадмия, легированное марганцем в количестве 1÷6 мас.%, и отвечает формуле CdGeAs2<Mn> [RU 2282685].

К недостаткам указанного материала относятся то, что основой описанного технического решения является тройное полупроводниковое соединение CdGeAs2 с довольно широкой областью гомогенности и склонностью к стеклообразованию, и, как следствие, возможными в дальнейшем непредсказуемыми колебаниями магнитных свойств материала.

Изобретение направлено на создание магнитного полупроводникового материала с температурой Кюри выше комнатной и с сочетанием полупроводниковых и ферромагнитных свойств.

Согласно изобретению технический результат достигается тем, что предлагается магнитный полупроводниковый материал, характеризующийся температурой Кюри 320 К, который включает индий, сурьму, марганец и цинк, представляет собой соединение антимонид индия InSb, легированное марганцем в количестве 0.12÷0.19 мас.% Мn и цинком в количестве 0.71÷1.12 мас.% Zn, и отвечает формуле InSb<Mn,Zn>.

По литературным данным [В.М.Рыжковский, В.И.Митюк. Неоднородные магнитные состояния в твердых растворах Mn2-xZnxSb (0,6≤х≤1,0) // Неорган. мат., 2010, т.46, №6, С.656-662] структура ферримагнитного соединения Мn2Sb с температурой Кюри Тс=550 К имеет слоевой характер с двумя структурно-неэквивалентными положениями магнитоактивного марганца. Легирование Mn2Sb цинком приводит к разрушению одной из магнитных подрешеток. При составах Mn2-xZnxSb (x<1.0) получают магнитные материалы с двумя температурами Кюри 550 и 320 К, при составе Mn2-xZnxSb (x=1.0) получают ферромагнетик с температурой Кюри Тс=320 К. На всем протяжении легирования температура Кюри, равная 320 К, является практически постоянной величиной.

Указанный интервал концентрации марганца обусловлен тем, что при легировании материала InSb<Mn,Zn> марганцем в количестве менее 0.12 мас.% заявленный материал имеет намагниченность, близкую нулю, а в образцах с содержанием более 0.19 мас.% Мn получают магнитный материал с двумя температурами Кюри - 320 и 550 К.

Указанный интервал концентрации цинка обусловлен его особенностью растворения в антимониде индия: одна треть атомов цинка замещает индий, а две трети располагаются в междоузлиях. С учетом того, что в заявленном материале цинк должен образовывать в матрице индия еще и наноразмерные включения MnZnSb, в исходный материал состава InSb+0.19 мас.% Мn добавляют 1.12 мас.% Zn, а в исходный материал состава InSb+0.12 мас.% Мn добавляют 0.71 мас.% Zn.

Т.о. антимонид индия InSb легируется марганцем в количестве 0.12÷0.19 мас.% и цинком в количестве 0.71÷1.12 мас.%.

При содержании Мn и Zn менее указанных пределов наблюдается уменьшение удельного магнитного момента (σ) до нуля.

При содержании Мn и Zn более указанных пределов получают магнитный материал с двумя температурами Кюри - 320 и 550 К.

Антимонид индия, легированный марганцем и цинком, получают путем прямого сплавления монокристаллического антимонида индия с добавками марганца и цинка в вакуумированной кварцевой ампуле. Ампулу откачивают до остаточного давления 2·10-3 Па, герметизируют и помещают в печь, температуру которой медленно, 20 град/час, повышают до 780°С. Ампулу выдерживают при этой температуре 48 часов, затем быстро охлаждают до комнатной температуры со скоростью 5÷15 град/секунду. Выход антимонида индия, легированного марганцем и цинком, составляет 99.9%.

Параметры полученного материала контролировали посредством электронно-зондового микроанализа, рентгенофазового анализа и методами магнитной диагностики. Данные анализов свидетельствуют о том, что полученный антимонид индия, легированный марганцем и цинком, магнитно однофазен.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями.

Фиг.1. «Кривые температурной зависимости удельного магнитного момента (σ·103, Гс·см3/г) образцов составов InSb+0.19 мас.% Mn+1.12 мас.% Zn (1) и InSb+0.27 мас.% Mn+1.12 мас.% Zn (2)».

Фиг.2. «Дифрактограмма материала InSb+0.19 мас.% Mn+1.12 мас.% Zn».

В Таблице 1 приведены «Результаты расчета дифрактограммы материала InSb+0.19 мас.% Mn+1.12 мас.% Zn».

В Таблице 2 приведены «Магнитные и электрофизические характеристики материала InSb<Mn,Zn>».

Фиг.1 демонстрирует тот факт, что заявленный материал состава InSb+0.19 мас.% Mn+1.12 мас.% Zn является оптимальным для проявления ферромагнитной фазы с температурой Кюри Тс=320 К (кривая 1), а в материале с повышенным содержанием Mn наблюдаются две температуры Кюри 320 и 550 К (кривая 2).

Фиг.2 демонстрирует тот факт, что в заявленном материале состава InSb+0.19 мас.% Mn+1.12 мас.% Zn легирующие добавки марганца и цинка в соединении антимонида индия растворены настолько, что не приводят к выявлению рентгеновским методом посторонних фаз.

Таблица 1.
№ линии (Фиг.2) d(hkl), эксп. I отн., эксп. d(hkl), табл I отн., табл.. hkl
1 3,754 100 3,74 100 111
2 2,286 100 2,29 80 220
3 1,952 70 1,953 55 311
4 1,620 30 1,620 16 400
5 1,485 30 1,486 20 331

Из данных Таблицы 1 следует, что растворение легирующих добавок марганца и цинка практически не влияют на структурные параметры антимонида индия.

Ниже приведены примеры предложенных составов заявленного материала, а также пример с превышением заявленного содержания марганца. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенное техническое решение.

Пример 1.

Навески 15.0448 г антимонида индия, 0.0182 г марганца, 0.1077 г цинка, что соответствовало составу антимонида индия с 0.12 мас.% Мn и 0.71 мас.% Zn, сплавляли в вакуумированной кварцевой ампуле. Ампулу откачивали до остаточного давления 2·10-3 Па, герметизировали и помещали в печь, температуру которой медленно, 20 град/час, повышали до 780°С. Ампулу выдерживали при этой температуре 48 час, затем быстро охлаждали до комнатной температуры со скоростью 5÷15 град/секунду. Выход антимонида индия, легированного марганцем и цинком, составлял 99.9%.

Полученный образец InSb<Mn,Zn> имел минимальную экспериментально обнаруживаемую намагниченность.

Пример 2.

Навески 14,9706 г антимонида индия, 0,0294 г марганца, 0,1707 г цинка, что соответствует составу антимонида индия с 0,19 мас.% марганца и 1,12 мас.% цинка. Полученный образец InSb<Mn,Zn> имеет одну температуру Кюри 320 К.

Пример 3 (за пределом заявленного содержания марганца).

Навески 14,9597 г антимонида индия, 0,0403 г марганца, 0,1707 г цинка, что соответствует составу антимонида индия с 0,27 мас.% марганца и 1,12 мас.% цинка. Полученный образец InSb<Mn, Zn> имеет две температуры Кюри 320 К и 550 К.

Магнитные и электрофизические характеристики InSb<Mn,Zn> по Примерам 1, 2 и 3 приведены в Таблице 2.

Таблица 2.
Содержание марганца в InSb<Mn, Zn>, мас.% Содержание цинка в InSb<Mn, Zn>, мас.% Температура Кюри Тс, К Концентрация дырок р, число электронных вакансий в см3
0.12 0.71 320±2 2.7·1019
0.19 1.12 320±2 3.0·1019
0.27 1.12 320±2;550±2 3.3·1019

Уникальное сочетание полупроводниковых и ферромагнитных свойств InSb<Mn,Zn> делает его перспективным материалом для широкого практического использования.

Магнитный полупроводниковый материал, характеризующийся температурой Кюри 320 К, который включает индий, сурьму, марганец и цинк, представляет собой соединение антимонид индия InSb, легированное марганцем в количестве 0,12÷0,19 мас.% Мn и цинком в количестве 0,71÷1,12 мас.% Zn, и отвечает формуле InSb<Mn,Zn>.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листа из электротехнической стали. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при магнитографической дефектоскопии и феррографии. .
Изобретение относится к коллоидной химии и может быть использовано для получения высокотемпературных, с различной вязкостью, стабильных против окисления, высоковакуумных магнитных жидкостей с высокой намагниченностью.
Изобретение относится к составам текучих композиций, реагирующих на действие магнитного поля резким изменением их реологических свойств, и может найти применение в машиностроении, приборостроении, в частности, для финишной обработки оптических поверхностей в магнитном поле.

Изобретение относится к производству магнитодиэлектрических материалов, в частности к изготовлению стыковых прокладок рельсовых цепей. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению металлополимерных композиционных материалов. .

Изобретение относится к листу электротехнической стали, содержащему стальную полосу (1) для листа электротехнической стали и изолирующую пленку (2), сформированную на поверхности стальной полосы (1) и содержащую фосфат металла и органическую смолу.
Изобретение относится к производству тектурированной Si стали, содержащей Сu. .

Изобретение относится к изготовлению текстурованных магнитных полос, которые используются в производстве магнитных сердечников электрических трансформаторов. .

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в технологии получения монокристаллов фосфида индия методом Чохральского из-под слоя борного ангидрида под давлением инертного газа.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в технологии получения монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений А3В 5 методом Чохральского, в частности при выращивании монокристаллов фосфидов галлия и индия и арсенида галлия из-под слоя борного ангидрида.

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений типа AIIIBV. .

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений АIIIВV. .

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов методом вертикальной направленной кристаллизации и может быть использовано в технологии выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений для получения объемных монокристаллов с высокой степенью совершенства структуры.

Изобретение относится к получению полупроводниковых соединений А3В5, используемых для изготовления подложек GaN, GaAs, GaP и др. .

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 0,59-0,87 мкм.

Изобретение относится к технологии производства материалов электронной техники и может найти широкое применение в технологии получения полупроводниковых соединений, преимущественно группы А3В5.

Изобретение относится к переработке сурьмяного сырья и может быть использовано в производстве пиро- и пьезоэлектрических приборов и деталей, например солнечных батарей, полупроводниковых источников света, люминесцентных стекол, полупроводниковых матриц для газовых сенсоров.
Наверх