[論文レビュー] Ferromagnetism in semiconductors and oxides: prospects from a ten years' perspective

T. Dietl|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2011

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 845

ひとこと要約

この論文は、過去10年間における希薄磁性半導体（DMS）および希薄磁性酸化物（DMO）における強磁性の進化をレビューし、p-d ゼナーモデルがIII-VおよびII-VI系における空孔媒介強磁性を理解するための頑健なフレームワークのままであると主張している。非一様な磁性陽イオン分布および欠陥に起因するスピン集合体が高温強磁性の主な起因であると特定し、長年の論争を解消し、スピントロニクス応用のための制御されたナノコンポジット設計を可能にするために、先進的なナノキャラクタリゼーションの導入を提唱している。

ABSTRACT

Over the last decade the search for compounds combining the resources of semiconductors and ferromagnets has evolved into an important field of materials science. This endeavour has been fuelled by continual demonstrations of remarkable low-temperature functionalities found for ferromagnetic structures of (Ga,Mn)As, p-(Cd,Mn)Te, and related compounds as well as by ample observations of ferromagnetic signatures at high temperatures in a number of non-metallic systems. In this paper, recent experimental and theoretical developments are reviewed emphasising that, from the one hand, they disentangle many controversies and puzzles accumulated over the last decade and, on the other, offer new research prospects.

研究の動機と目的

• 過去10年間における希薄磁性半導体（DMS）および酸化物（DMO）における強磁性の進捗と未解決の論争を評価すること。
• 遷移金属ドーパントを含まない系においても観察される高温強磁性の起源を明確にすること。
• p-d ゼナーモデルが空孔ドーピングされたIII-VおよびII-VI半導体における強磁性秩序を記述する際の妥当性と限界を評価すること。
• 磁性イオンのクラスタリングおよび欠陥に起因するスピン中心が強磁性行動を媒介する役割を特定すること。
• 磁性ナノクリスタルの横方向および縦方向の制御された分布を持つ磁性ナノコンポジットを設計するための今後の研究方向を提示すること。

提案手法

• Kohn-Luttingerの6バンドk·pハミルトニアンとスピン軌道結合を用いたp-d ゼナーモデルの適用により、(Ga,Mn)Asおよびp-(Zn,Mn)Teにおける空孔媒介強磁性を記述すること。
• 平均場近似を用いて、Curie温度（T_C）および歪み下での磁気異方性といった熱力学的性質を計算すること。
• 磁性陽イオンおよび磁性ナノ粒子の非均一分布を検出するために、先進的なナノキャラクタリゼーション技術を活用すること。
• 価電子帯の空孔と非磁性欠陥または不純物に局在化したスピンとの間のゼナーモデル型交換結合の理論的分析。
• モットまたはアンドリュースンの金属-絶縁体転移に近い系における二重交換およびスティーナー型メカニズムの検討。
• 欠陥凝集体、磁性クラスタ、または残留ナノ粒子を含むモデルの予測と、実験的磁化データを比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p-d ゼナーモデルは、p型 (Ga,Mn)Asおよび関連DMSにおけるCurie温度および磁気異方性をどの程度正確に記述できるか？
• RQ2 遷移金属ドーパントが存在しないにもかかわらず観察される、形式的に非磁性の酸化物および半導体における高温強磁性の起源は何か？
• RQ3 非一様な磁性陽イオン分布および欠陥に起因するスピン中心は、観察された強磁性的挙動にどのように寄与するか？
• RQ4 最新のナノキャラクタリゼーションツールを用いて、磁性ナノ粒子または欠陥凝集体の存在を実験的に検証できるか？
• RQ5 磁性ナノクリスタルの分布を制御的に設計することで、DMSおよびDMOにおける室温強磁性を達成する見込みは何か？

主な発見

• p-d ゼナーモデルは、III-VおよびII-VI系DMSにおける強磁性を理解するための有効で予測可能なフレームワークのままであり、歪み下でのT_Cおよび磁気異方性をうまく記述している。
• DMSおよびDMOにおける高温強磁性は、d電子交換に起因するものではなく、非一様な磁性陽イオン分布および欠陥に起因するスピン中心に起因している可能性が高い。
• 合成またはプロセッシング中に導入された可能性のある磁性ナノ粒子が、形式的に非磁性の材料における強磁性的挙動を説明できる可能性がある。
• 多くの高温T_C系において、磁性および輸送特性の明確な相関が認められないため、強磁性は拡散電子によって媒介されているのではなく、局在スピン集合体によって媒介されていると考えられる。
• このような相関の欠如は、二重交換やスティーナー型メカニズムが、これらの系における主要な強磁性経路である可能性が低いことを示唆している。
• 300 Kを超えて動作する磁気トンネル接合などの機能的スピントロニクスデバイスの実現は、DMSおよびDMOにおける内在的スピン輸送および長距離強磁性秩序の強力な証拠となるだろう。