магнитный полупроводниковый материал

Формула изобретения

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>, при этом в указанном тройном соединении атомами марганца замещаются как атомы кадмия, так и атомы германия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к легированным марганцем тройным арсенидам германия и кадмия, 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 магнитооптоэлектронных приборов.

Вышеуказанные тройные арсениды германия и кадмия относятся к классу арсенидов элементов второй и четвертой группы Периодической системы.

Известен арсенид галлия, легированный марганцем [Hideo Ohno. Properties of ferromagnetic III-Y semiconductors. Journal of magnetism and magnetic materials. 1999. V.209. P.110-129], с температурой магнитного упорядочения (температура Кюри) Т _C 110 К. Это вещество характеризуются тем, что оно кристаллизуются в кубической сингонии с кристаллической структурой типа цинковой обманки. Вышеуказанный арсенид может быть получен многократным прокаливанием соответствующих количеств исходных веществ в вакуумированных кварцевых ампулах.

К недостаткам описанного выше легированного арсенида галлия относится то, что он не может быть использован при создании элементов памяти, поскольку обладают низкой температурой Кюри, что исключает его применение в повседневных электронных приборах широкого спектра действия, работающих при комнатных температурах.

Ближайшим техническим решением поставленной задачи является магнитный полупроводник - тройной фосфид германия и кадмия, имеющий температуру Кюри Т_C=320 К. [Новый магнитный полупроводник Cd_1-xMn_xGeP ₂. Г.А.Медведкин, Т.Ишибаши, Т.Ниши, К.Сато. ФТП, 2001, т.35, в.3, с.305-309].

К недостаткам указанного материала относятся:

- недостаточно высокая температура Кюри;

- неоднородное распределение элементов;

- невозможность изготовления объемных образцов.

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 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>, при этом в указанном тройном соединении атомами марганца замещаются как атомы кадмия, так и атомы германия.

Указанный интервал концентрации марганца обусловлен тем, что при содержании Mn менее 1 мас.% полученный материал не обладает ферромагнитными свойствами, необходимыми при создании элементов памяти, а при содержании Mn более 6 мас.% материал становится многофазным и неоднородным по электрофизическим свойствам.

Тройной арсенид германия и кадмия, легированный марганцем в количестве 1÷6 мас.%, получают путем взаимодействия стехиометрических количеств исходных компонентов в вакуумированной кварцевой ампуле, покрытой пленкой углерода. Ампулу откачивают до остаточного давления 2·10 ^-3 Па, герметизируют и помещают в печь, температуру которой медленно (20 град/час) повышают до 770°С. Ампулу выдерживают при этой температуре 180 час, затем быстро охлаждают до комнатной температуры со скоростью 5÷15 град/с. Выход тройного арсенида германия и кадмия, легированного марганцем, составляет 99.9%.

Параметры полученного материала контролировали посредством электронно-микрозондового, дифференциально-термического и рентгенофазового анализов. Данные анализов свидетельствуют о том, что полученный тройной арсенид германия и кадмия, легированный марганцем, однофазен.

На фиг.1 представлены кривые температурной зависимости намагниченности тройного арсенида германия и кадмия, легированного 1÷6 мас.% Mn.

На фиг.2 представлена зависимость параметра а элементарной ячейки от содержания марганца в CdGeAs₂<Mn>.

Ниже приведены примеры предложенных составов заявленного материала.

Пример 1. Навески 0,317 г кадмия, 0,210 г германия, 0,463 г мышьяка и 0,01 г марганца, что соответствует составу арсенида германия и кадмия с 1 мас.% марганца. Полученный образец имеет температуру Кюри Т_C=329 К.

Пример 2. Навески 0,297 г кадмия, 0,210 г германия, 0,463 г мышьяка и 0,03 г марганца, что соответствует составу арсенида германия и кадмия с 3 мас.% марганца. Полученный образец имеет температуру Кюри Т_C =355 К.

Пример 3. Навески 0,267 г кадмия, 0,210 г германия, 0,463 г мышьяка и 0,06 г марганца, что соответствует составу арсенида германия и кадмия с 6 мас.% марганца. Полученный образец имеет температуру Кюри Т_C=355 К.

Магнитные и электрофизические характеристики CdGeAs₂<Mn> приведены в таблице.

Таблица.
Содержание Mn в CdGeAs2<Mn> масс.%	Температура Кюри (ТC) К	Температура перехода полупроводник - металл (Т ) К
1	329	400
3	355	330
6	355	310

Как видно из таблицы и фиг.1, заявленный материал является ферромагнетиком с температурой Кюри Т_C=329÷355 К, при этом обладает полупроводниковыми свойствами до достаточно высоких температур.

Из фиг.2 следует, что зависимость параметра а элементарной ячейки от состава твердых растворов CdGeAs ₂<Mn> не подчиняется закону Вегарда. С возрастанием концентрации Mn вначале параметр а уменьшается, а затем увеличивается вплоть до неоднофазной области. Такой характер зависимости свидетельствует о том, что марганец до содержания 3 мас.% преимущественно замещает кадмий, а затем начинает замещать германий вплоть до концентрации 6 мас.%. Можно утверждать, что заявленные составы твердых растворов CdGeAs₂<Mn> в области концентраций марганца 3÷6 мас.% соответствуют химической формуле Cd_1-x Ge_1-yMn_x+yAs₂.

Уникальное сочетание полупроводниковых и ферромагнитных свойств делает его перспективным материалом для широкого практического использования.