Semicondutores Magnéticos Diluídos. Mauricio Pamplona Pires IF - UFRJ

Transcrição

1 Semicondutores Magnéticos Diluídos Mauricio Pamplona Pires IF - UFRJ

2 Resumo Magnetismo e spintrônica O que são semicondutores magnéticos? Fabricação Crescimento epitaxial Implantação Dispositivos

3 Corrente Fluxo de elétrons Controle da carga Elétron massa, carga e spin

4 Dispositivos eletrônicos convencionais ignoram o spin do elétron. Novos dispositivos controlariam o spin do elétron ao invés da corrente Dipositivos mais rápidos e menor potência dissipada O spin pode ser manipulado mais rápido e com menos energia Aumento da velocidade de processamento Aumento da densidade dos dispositivos

5 O que é Magnetismo? Few subjects in science are more difficult to understand than magnetism. Enciclopédia Britânica 1987

6 Dick Tracy 1935 A nação que dominar o magnetismo dominará o mundo. X-Men Magneto

7 Magnetismo Fenômeno coletivo, estável apesar de temperaturas elevadas. Ordem magnética: impacto sobre propriedades dos materiais como transporte e propriedades óticas. De onde vem?...

8 Momento de Dipolo Magnético

9 Histórico Magnetismo Básico Nanomagnetismo Próxima Momento de Dipolo Magnético Momento Magnético Total µ T = -g µ B j { g = 1 somente orbital g = 2 somente spin Magnetização µ M = V s 1, 2 = ms = 1 1, 2 2 e g = 2,00232

10 Origem dos momentos magnéticos Tipo de interação entre os momentos Magnetismo Fraco Diamagnetos Paramagnetos Magnetismo Forte Materiais Ordenados: Classificação Ferromagnetos Ferrimagnetos Antiferromagnetos

11 Não possuem momento permanente Diamagnetos Origem: variação do momento orbital dos elétrons (Lei de Lenz) induzida pela ação de um campo magnético M χ = < H Resposta se opõe ao campo ( ) 0 µ Todo material apresenta diamagnetismo Resulta do efeito de um campo VARIÁVEL sobre os elétrons

12 Paramagnetismo Possuem momento magnético permanente Não há interação entre momentos χ>0 porém pequena ( ) (tende a alinhar com o campo) Temperatura X Campo Magnético M θ H=0, M=0 H 0 H

13 momento dipolo magnético Paramagnetismo? Ferromagnetismo

14 Histerese e Processos de Magnetização M r : remanência Magnetização resultante quando o campo é retirado após saturação M M S Magnetização de Saturação Ferromagneto Macio H C : coercividade Campo reverso que reduz a magnetização a zero H Ferromagneto Duro

15 Ferromagnetismo : Campo Molecular Hipótese de Weiss Cada momento de dipolo magnético sofre a ação de um campo magnético efetivo criado pelos vizinhos Campo molecular médio Magnetização espontânea (M S ) H H e tot = λ M = H + H = H + λ M a e χ Ordenado Desordenado χ M C = = onde TC = H T Tc Lei de Curie-Weiss λc T C T

16 Aplicações Materiais magnéticos MACIOS: Fe, Permaloy Alta permeabilidade: bons condutores de fluxo magnético Guias de fluxo Blindagem 1 Gb/in2 Cabeça indutiva: leitura e gravação (1986 ~ 94)

17 Aplicações

18 Semicondutores magnéticos diluídos Ga x Mn 1-x As In x Mn 1-x As Interação entre átomos de Mn mediado por portadores Proprieades magnéticas podem ser influenciadas pelos mesmos fatores que modificam as propriedades elétricas

19 Tabela periódica dos elementos III IV V

20 Temperatura crítica Pouco compreendida T c vs. baixas densidades de portadores

21 LPE VPE Crescimento de Camadas Epitaxiais MBE Molecular Beam Epitaxy MOCVD - Metal Organic Chemical Vapour Deposition

22 Reator MBE No final dos anos de 60 foi desenvolvido também na Bell-Labs, por Cho a técnica chamada epitaxia por feixe molecular.(molecular Beam Epitaxy MBE). Este tem sido o mais sofisticado método de crescimento. O princípio deste crescimento reside na evaporação de fontes sólidas altamente purificadas em alto vácuo (10-10 torr sem crescimento e 10-8 a 10-6 torr durante o crescimento), produzindo feixes moleculares irecionados sobre a superfície aquecida do substrato. Cho, A. Y. e Arthur J. R.; Molecular Beam Epitaxy, Progress in Solid State Chemistry, 10, 3, (1975).

23 Reator MBE

24 Reator MBE

25 Reator MOCVD Uma outra técnica distinta chama-se deposição química por fase vapor (Chemical Vapour Deposition CVD). Uma variante desta técnica é a epitaxia por fase gasosa de organo-metálicos (Metal Organic Vapour Phase epitaxy MOVPE, ou Metal Organic Chemical Vapour Deposition MOCVD). O princípio de crescimento do MOVPE baseia-se num fluxo laminar sobre o substrato aquecido por rádio freqüência ou lâmpadas infra-vermelhas. Embora o MOVPE tenha sido desenvolvido no fianl dos anos 60, ele só apareceu como alternativa a partir do começo da década de 80. Houve, nesta última década, o desenvolvimento e a purificação das fontes organometálicas para o uso no processo MOVPE. Manasevit, H., Applied Physics Letters, 12, 156 (1968).

26 Reator MOCVD (PUC-Rio) Temperatura Pressão Gases: AsH 3 PH 3 TMGa TMIn TMAl, CBr 4, DMZn, SiH 3, (MeCp) 2 Mn Fluxos bis(methylcyclopentadienyl)manganese

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29 LPE MBE MOVPE Vantagem Simples Barata Alta taxa de crescimento Segura Baixa manutenção Simples Uniforme Excelente morfologia Interface abrupta Controle in-situ Alta pureza Crescimento de nanoestruturas Fexível Interface abrupta Excelente morfologia Alta pureza Escalabilidade Crescimento de nanoestruturas Desvantagem Baixa produtividade Baixa pureza Não pode crescer poços quânticos Filme não uniforme Interfaces não abruptas Alto custo Alta manutenção Defeitos ovais Segurança Fontes caras Crescimento complicado

30 Onde? MOCVD Rio de Janeiro MBE São Paulo Campinas Belo Horizonte

31 GaP In x Ga 1-x P AlAs Ga x Al 1-x As GaAs InP In x Ga 1-x As InAs In x Al 1-x As

32 Crescimento de (III) Mn As Condições normais de crescimento : Incorporação < 0.1% Segregação e separação de fase T c pode depender de muitos fatores... Onde está o átomo de Mn irá ser importante na propriedade magnética do material

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34 Implantação de Mn em GaAs Marcelo Sant Anna (Professor-UFRJ) Germano Penello (IC) Laboratório de Colisões Atômicas e Moleculares MnO - Imã Acelerador de 1.7 MV NEC Tandem

35 Mn + Substrato de GaAs Feixe de 1000 íons a 0º (200KeV) Feixe de 1000 íons a 0º (400KeV)

36 Adaptações no acelerador Porta amostra Espaçador para a linha do acelerador (bomba adicional) Câmara para os testes iniciais

37 Implantação iônica (1ª no LaCAM) Feixe de Mn+ Braço móvel Porta amostra Feixe de Mn + Medidor de Pressão

38 Produzindo o feixe de Mn + Preparação da pastilha: 1. MnO 2 + W ( 70% + 30%); 2. Prensamos essa mistura em um cadinho de cobre; MnO - Acelerador Imã Mn + Cadinho Substrato de GaAs Cs + N 2 Mn + Mn - Mn MnO + MnO - O...

39 Problemas e Modificações: Contaminação do feixe 65 Cu - Antes MnO - Depois corrente de feixe (u.a.) CuO - 63 CuO - 63 Cu - MnO - MnH - Total corrente de feixe (u.a.) MnO 2 - Feixe limpo! Total Selecionando o MnO - por campo magnético 1E V seletor de velocidade (u.a.) 1E V seletor de velocidade (u.a.) Cadinho de cobre: Cadinho de prata:

40 Dose: Qual a situação hoje:? Na literatura as doses variam entre ~ cm horas para produzir uma amostra com cm -2

41 Que fazer com estas amostras? GaAs p i n Dopagem Propriedades magnéticas? Implantação + annealing

42 Reator MOCVD (PUC-Rio) Muitas possibilidades: Crescimento epitaxial Camadas com espessura controlada Possibibidades de crescimento de nanoestruturas: Dopagem delta Pontos quânticos Fios quânticos

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46 GMR- Giant Magnetoresistive Effect (1988) Pequenas mudanças no campo provocam grandes variações no resistência

47 Transição para-ferro pode ser controlada Ohno et al, Nature (2000)

48 R. Fiederling et al, Nature (1999)

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