[論文レビュー] Room temperature ferromagnetism in transparent and conducting Mn-doped $SnO_{2}$ thin films

Sushant Gupta, V. Ganesan+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

ZnO doping and properties参考文献 76被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、スプレー焼成法を用いて作製した透明で導電性を示すマンガンドープSnO₂薄膜において、室温で強磁性を示すことを実証した。薄膜は高い電気的導電性と可視光域透過率（50–65%）を示し、キュリー温度は350 Kを超えることから、二次相の寄与なしに酸化物ベースのスピントロニクス素子に応用可能な可能性を示している。

ABSTRACT

The magnetization as a function of magnetic field showed hysteretic behavior at room temperature. According to the temperature dependence of the magnetization, the Curie temperature $(T_{C})$ is higher than 350 K. Ferromagnetic Mn-doped tin oxide thin films exhibited low electrical resistivity and high optical transmittance in the visible region (400-800 nm). The coexistence of ferromagnetism, high visible transparency and high electrical conductivity in the Mn-doped $SnO_{2}$ films is expected to be a desirable trait for spintronics devices.

研究の動機と目的

• 透明で導電性を示すマンガンドープSnO₂薄膜における室温強磁性の実現を目的とする。
• スズ酸化物を基体とする希薄磁性半導体において、強磁性、高電気的導電性、光学的透過性の共存を調査することを目的とする。
• 構造的および磁気的特性の分析を通じて、観察された強磁性の原因が二次相に起因するものでないことを除外することを目的とする。
• ドーピングされたSnO₂薄膜における欠陥化学、特にH⁺欠陥と電気的および磁気的性質との相関関係を明らかにすることを目的とする。

提案手法

• マンガン濃度が0〜15 at.%の範囲で変化するMnドープSnO₂薄膜を、450 °Cでガラス基板上にスプレー焼成法を用いて堆積した。
• X線回折（XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて、テトラゴナルルチル相の存在と二次相の不在を確認した。
• ウィリアムソン＝ホール法を用いて、XRDデータから結晶子サイズおよび微小ひずみを分析した。
• 電気的抵抗率およびホール測定を実施し、キャリア濃度と移動度を決定した。これにより、H⁺欠陥に起因するイオン化不純物散乱が支配的であることが判明した。
• 吸収係数データからTaucプロット法を用いて光学バンドギャップを計算した。
• 磁気ヒステリシスループを室温および温度依存的に測定し、キュリー温度（T_C）と強磁性挙動を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マンガンドーピングは、透明なSnO₂薄膜に安定的かつ高融点の強磁性を誘発できるか？
• RQ2 MnドープSnO₂における強磁性の起源は、欠陥媒介メカニズムか、二次相か？
• RQ3 マンガンドーピングはSnO₂薄膜の電気的導電性および光学的透過性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 MnドープSnO₂薄膜のキュリー温度は何か？室温を超えるか？
• RQ5 H⁺欠陥は、ドーピング薄膜の電気的および磁気的性質にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• MnドープSnO₂薄膜は、室温で明確な磁気ヒステリシスループを示し、強磁性挙動が確認された。
• 薄膜のキュリー温度（T_C）は350 Kを超えており、強力な室温強磁性を示していることが判明した。
• 電気的抵抗率は低く、キャリア濃度および移動度はH⁺欠陥に起因するイオン化不純物散乱が支配的であるn型半導体の挙動と整合的であった。
• 可視光域（400–800 nm）における光学的透過率は50%〜65%の範囲にあり、高い透過性が示された。
• XRDおよびTEM分析により、MnO、Mn₂O₃、Mn₃O₄、SnMn₂O₄などの二次相が存在しないことが確認され、相誘起強磁性の可能性は除外された。
• マンガンドーピングの増加に伴い光学バンドギャップが赤方偏移したが、これはspキャリアとMn d電子間の強い交換相互作用に起因するとされた。