Magneettiset puolijohteet (DMS) ovat puolijohdemateriaaleja, joihin on saostettu magneettisia epäpuhtauksia.
Tällä tavalla voidaan valmistaa erikoisia puolimetallisia aineita, joissa elektroniset ja magneettiset ominaisuudet kytkeytyvät.
Näillä materiaaleilla on suuret käyttömahdollisuudet niin sanotuissa spintroniikkasovellutuksissa, joiden myötä pystytään mahdollisesti luomaan uusia entistä tehokkaampia elektronisia laitteita.
DMS-materiaaleilla on yleensä matala Curie-lämpötila, mikä on ongelma kaupallisia sovellutuksia ajatellen.
Ferromagneettisten eli spontaanisti magnetoituvien aineiden magnetisaatio katoaa tämän kriittisen lämpötilan yläpuolella, ja siksi olisi tärkeää löytää materiaali, jolle Curie-piste on selvästi yli huoneen lämpötilan.
(Ga,Mn)N saattaa olla tällainen materiaali mutta sekä kokeelliset että teoreettiset arviot sen Curie-lämpötilalle vaihtelevat suuresti.
Tässä työssä mallinnetaan (Ga,Mn)N-materiaalia ottaen eritoten huomioon Mn-ionien klusteroituminen, jolla on suuri vaikutus Curie-lämpötilaan.
Mallinnus tehdään kaksivaiheisesti: Mn-ionien ja -klustereiden magneettiset kytkentävoimakkuudet lasketaan spintiheysfunktionaaliteorian, kvanttimekaanisen ab initio -menetelmän puitteissa.
Saatujen kokonaisenergia-arvojen perusteella parametrisoidaan modifioitu klassinen Heisenbergin malli statistisen simulaation mahdollistamiseksi ja Curie-lämpötilat lasketaan analysoimalla systeemejä äärellisessä lämpötilassa Monte Carlo -menetelmin.
Nämä laskut tehdään systeemeille, joissa klustereiden kokojakauma vastaa joko täysin satunnaista järjestystä tai termistä tasapainoa.
Koska klusterointi on laskelmien mukaan energeettisesti suotuisaa, tasapainojakaumassa on huomattavasti enemmän kookkaita klustereita kuin satunnaisesti järjestyneessä tapauksessa.
Kvanttimekaanisten laskujen perusteella dimeerien ja trimeerien magneettinen kytkentä toisiin klustereihin on voimakasta.
Monomeereille tämä kytkentä on heikompaa, ja tetrameerit vuorovaikuttavat Mn-klustereista selvästi heikoiten.
Kaikissa tapauksissa kytkentä on kuitenkin ferromagneettista.
Lisäksi kun Mn-ionien lukumäärä on kiinnitetty, klusterointi kasvattaa klusterien keskimääräisiä etäisyyksiä ja siten heikentää niiden välisiä kytkentöjä.
Yhdessä nämä efektit aiheuttavat sen, että klusterointi voimakkaasti laskee Curie-lämpötilaa.
Ferromagnetismi on säilytettävissä jopa huoneen lämpötilassa suurilla Mn-konsentraatiolla, jos Mn-ionit järjestyvät satunnaisesti muodostamatta suuria klustereita.
Näin ollen kasvatusolosuhteilla ja lämpökäsittelyillä voi olla dramaattinen vaikutus (Ga,Mn)N:n Curie-lämpötilaan.
Submit a publication
Browse
Statistics