انواع و کاربردهای نیمرساناهای مغناطیسی
مقدمه ای کامل و جامع و بسیار مناسب برای نوشتن پایان نامه
حاصل از ترجمه مقالات ISI با 138 رفرنس معتبر - 101 صفحه فایل word با فهرست مطالب، جدولها و شکلها و با رعایت تمام نکات نگارشی
_______________________________________________________________________________________
لینک عضویت در کانال تلگرامی دنیای فایل:
جهت اطلاع از آخرین و تمام فایلهای تحقیقاتی موجود، شما می توانید با کلیک بر روی لینک زیر و سپس کلیک بر روی join در پایین صفحه در کانال عضو شوید
https://telegram.me/joinchat/CYcguj_Bx3i5GIwnbs2zTw
_______________________________________________________________________________________
payannameht@gmail.com
۱-۱ مقدمه
مواد جامدبه سه دسته ی رسانا، نیمرسانا و عایق تقسیم می شوند. مهمترین موادی که امروزه در علم الکترونیک‚ انتقال و ذخیره سازی اطلاعات به کار گرفته می شود، نیمرساناها هستند که رسانندگی الکتریکی آنها بین فلزات و عایق ها قرار می گیرد؛ این رسانندگی به دما، روشنایی، میدان مغناطیسی و ناخالصی ها وابسته است و به این علت در کاربردهای -الکترونیکی مورد توجه فراوان قرار گرفته اند.
کلمات کلیدی: نیمه رسانای مغناطیسی نیمه رساناهای مغناطیسی
از کاربردهای مهم نیمرساناها می توان به دیسک درایوهای مغناطیسی و چیپ های نیمرسانا اشاره کرد که وظیفه ی آنها ذخیره سازی و پردازش اطلاعات است. امروزه تلاش های زیادی در زمینه ی افزایش سرعت و بالا بردن حافظه در اندازه های کوچک تر قطعات فوق صورت گرفته است. این تلاش ها سبب فشردگی در طراحی این گونه قطعات می شود؛ از طرفی هر یک از اجزای الکترونیکی، کاربردهای چند منظورهای پیدا خواهند کرد. با گسترش روزافزون کاربرد این قطعات، تحقیقات برای کوچک کردن اندازه، بالا بردن ظرفیت، افزایش سرعت و در نتیجه ی آن کاهش مصرف انرژی و افزایش خواص چند منظوره ی این قطعات انجام می شود.
وسایلی از قبیل مدارهای مجتمع و قطعاتی با فرکانس بالا که در پردازش اطلاعات کاربرد دارند فقط از بار الکترون استفاده می کنند، در حالیکه جهت ذخیره سازی اطلاعات در حافظه های مغناطیسی از اسپین الکترون در مواد فرومغناطیسی بهره می برند که البته در آینده تکنولوژی اطلاعات، اسپین و بار را به طور آمیخته در عملیات پردازش و ذخیره سازی اطلاعات وارد می شوند . بدین ترتیب پردازش و گردآوری اطلاعات می تواند در قطعات یکسانی صورت بپذیرد. چنین قطعاتی را قطعات اسپینترونیکی نامند . اسپین الکترون در نانو ساختارها، دارای طول همدوسی فاز قابل ملاحظه و زمان واهلش فاز طولانی است. از آنجائیکه در قطعات اسپینترونیک از اسپین بالا(صفر- مثبت) و اسپین پایین(یک- منفی) استفاده می شود، می توان دستگاههایی در ابعاد اتمی ساخت. همچنین قطعات اسپینترونیکی، میکروتراشه های کوانتومی با اندازه ی کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر را پایه گذاری می کنند (محاسبه گرهای کوانتومی). مزیت بالقوه وسایل اسپینترونیکی در سرعت بالا‚ بازده بیشتر و پایداری بهتر به منظور تحریک اسپین ها در انرژی های پایین است. در علم مواد تحقیق بر روی خواص فرومغناطیس در نیمرساناهای مغناطیسی و توسعه دادن سیستم های تابع نیمرسانا با دمای کوری که به راحتی از دمای اتاق فراتر رود یک چالش مهم است. برای DMS ها مستقل از طبیعت رسانندگی قوی یا ضعیف آنها، فرومغناطیس یک خصوصیت بزرگ را برای سازوکار اساسی آنها می رساند که ما را به “نظم بلند برد مغناطیسی” در این سیستم ها راهنمایی می کند. واضح است که سازوکار فرومغناطیسی نباید به حامل های حفره ی آزاد در لایه ی والانس وابسته باشد زیرا سیستم های DMS به شدت عایق، حفره ی آزاد ندارند. در DMS های فرومغناطیسی، جفت شدگی پادفرومغناطیسی موضعی بین حامل ها (به طور ¬مثال حفره ها در GaMnAs) و گشتاور مغناطیسی اتمهایMn سبب یک “نظم بلند برد فرومغناطیسی” از گشتاورهای موضعی Mn می شود.
رشد سریع قطعات میکروالکترونیک و پردازش اطلاعات به واسطه ی تولید ابزارهایی صورت پذیرفته است که از رساناها و نیمرساناهای آلاییده، استفاده شده است که تنها از بار الکترون برای کاربردهای مورد نظر بهره برده می شود. در راستای رشد روزافزون این قطعات, پیشرفت در کوچک کردن اندازه این قبیل قطعات میکروالکترونیکی نیز وجود داشته است که به دلایلی با شکست مواجه شده است. به طورمشابه ذخیره ی اطلاعات دومین انقلاب میکروالکترونیکی بود که به ابزارهای حافظهی مغناطیسی وابسته است که از مولفه ی اسپین الکترون سود می برد که به علت محدودیت های سیستم ابرپارامغناطیسی وابسته به ویژگی های ابعاد نانو, پیشرفت و کوچک کردن آنها با مشکل مواجه شده است.
الکترون همانند تمام ذرات بنیادی دارای اسپین است که به صورت اسپین بالا و پایین جهتگیری می کند. وقتی اسپین تمامی الکترون ها همتراز شوند (همگی اسپین بالا یا پایین داشته¬ باشند)، اثر متقابل این همترازی شکل گیری گشتاور مغناطیسی خالص و بلندبرد است که در موادی همچون آهن و کبالت این پدیده دیده می شود. خاصیت مغناطیسی، ویژگی ذاتی فیزیکی است که به اسپین الکترون ها در یک ماده وابسته است. ویژگی جهت گیری خاصیت مغناطیسی در وسایل ثبت کننده مثل هارد دیسک رایانه ها کاربرد دارد. در این وسایل اطلاعات در حوزه های بسیار کوچکی از مواد اکسیدی مغناطیسی با کمک جهت گیری منظم عناصر مغناطیسی، ضبط و ذخیره می شود .
وسایل الکترونیکی رایج به ترابرد حامل های بار الکتریکی (مثل الکترون) در نیمرساناهایی مثل سیلیکون تکیه دارند. پردازش اطلاعات با به کارگیری مدارهایی شامل ترانزیستورها انجام می شود که با انتقال الکترون ها کار می کنند.
پژوهش های موثر به روی وسایل اسپینترونیکی پس از کشف اثر قدرتمندی به نام مغناطومقاومت غول آسا ( GMR) در سال ۱۹۸۸ میلادی توسط دانشمندان آلمانی و فرانسوی آغاز شد . این اثر از اثرات دقیق الکترون اسپین در لایه های بسیار نازک مواد مغناطیسی ناشی می شود که سبب تغییرات بزرگی در مقاومت الکتریکی این مواد در زمان اعمال یک میدان مغناطیسی می شود و …
فهرست مطالب
فصل اول: معرفی نیمرساناهای مغناطیسی ۱
۱-۱- مقدمه ۱
۱-۲- تاریخچه ی نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده ۶
۱-۳- مراجع ۱۳
فصل دوم: مبانی نظری نیمرساناهای مغناطیسی ۱۵
۲-۱- سازوکارهای فرومغناطیسی ۱۵
۲-۲- تئوری نیمرساناهای مغناطیسی ۱۹
۲-۳- مغناطومقاومت ۲۲
۲-۳-۱- وابستگی میدان مغناطیسی به پراکندگی ناشی از ناخالصی های غیرمغناطیسی ۲۳
۲-۳-۲- برهمکنش بین الکترون های سرگردان و ترازهای d جایگزیده ۲۴
۲-۳-۳-اصلاح شعاع استتار توماس- فرمی به سبب اثر تبادلی ۲۴
۲-۳-۴- اثرهای برهمکنش الکترون- الکترون ۲۴
۲-۳-۵-اثر پراکندگی فونون در MR 25
2-4-انواع برهمکنش در نیمرساناها ۲۵
۲-۴-۱-برهمکنش تبادلی مستقیم ۲۶
۲-۴-۲-برهمکنش اَبَرتبادلی ۲۷
۲-۴-۳-برهمکنش تبادلی غیر مستقیم ۲۷
۲-۴-۴- برهمکنش تبادلی سرگردان ۲۸
۲-۵- هامیلتونی برهمکنش ها ۲۹
۲-۵-۱-هامیلتونی جفت شدگی زیمن ۲۹
۲-۵-۲-هامیلتونی جفت شدگی اسپین- مدار(L.S) 30
2-5-3-برهمکنش فوق ظریف ۳۲
۲-۵-۴- برهمکنش میدان بلوری (دفع تکانه ی زاویه ای مداری) ۳۳
۲-۵-۵- هامیلتونی برهمکنش تبادلی ۳۳
۲-۶-اثرات چگالی حالت های انرژی در برهمکنش ها ۳۴
۲-۷- پتانسیل و انرژی جنبشی برهمکنش های تبادلی ۴۱
۲-۷-۱-ابَرتبادلی ها ۴۲
۲-۷-۲-مدل های RKKY و sp-d زنر ۴۴
۲-۷-۳- تبادل دوگانه ۴۵
۲-۷-۴-فرومغناطیس استونر ۴۶
۲-۸- مراجع ۴۸
فصل سوم: انواع نیمرساناهای مغناطیسی ۵۰
۱-۳- معرفی نیمرساناهای مغناطیسی ۵۰
۳-۲- مطالعه و بررسی نیمرساناهای مغناطیسی ۵۵
۳-۲-۱- (Ga,Mn)As 55
3-2-2- (Ga,Mn)P 59
3-2-3- (Ga,Mn)N 62
3-2-4- (Cd,Mn)GeP2 65
3-2-5- نیمرساناهای اکسیدی ۶۶
۳-۲-۵-۱- DMS بر پایه¬ی TiO2 66
3-2-5-2- DMS بر پایه¬ی SnO2 68
3-2-5-3- ZnO با ناخالصی Co 69
3-2-5-4- ZnO با ناخالصی Mn 72
3-3- مراجع ۷۶
فصل چهارم: کاربردهای نیمرساناهای مغناطیسی ۸۳
۱-۴- وسایل اسپینترونیکی ۸۳
۲-۴- وسایل اسپینترونیکی و حافظه ی مغناطیسی ۸۵
۲-۴-۱- ترانزیستور اثر میدانی اسپینی ۸۹
۲-۴-۲- دیود گسیلنده ی نور اسپینی ۹۱
۳-۲-۴- سوییچ مغناطیسی ۹۲
۳-۳- مراجع ۹۴
فهرست جدول ها
جدول۱-۱: نیمرساناهای مغناطیسی با دمای کوری بالاتر از دمای اتاق ۱۲
فهرست شکل ها
شکل۱-۱: a)رسانا ‚ b) نیمرسانا ‚ c) عایق ۲
شکل۱-۲: چگونگی شکل گیری نیمرساناهای مغناطیسی ۴
شکل۱-۳: دمای کوری پیش بینی شده توسط مدل زنر ۱۱
شکل۲-۱: دمای کوری محاسبه شده به عنوان تابعی از گاف انرژی ۲۱
شکل۲-۲: تبادل دوگانه: به سبب پهن شدگی باند t ناخالصی با افزایش چگالی Mn ،c ، اگر انرژی فرمی در نوار قرار گیرد حالت ها به انرژی پایین تر منتقل می شوند که منجر به افزایش انرژی می شود. . ۳۵
شکل۲-۳: ابر تبادلی: چگالی حالت های موضعی را برای دو نا خالصی با گشتاورهای Si=up↑ وSj=down↓ نشان می دهد. ۳۷
شکل۲-۴: چگالی حالت های نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده با %۵ ناخالصی Mn:(a) (Ga,Mn)N ، (b) (Ga,Mn)P، (c) (Ga,Mn)As و (d) (Ga,Mn)Sb. 38
شکل۲-۵: تبادل جنبشی p-d: حالتهای d اکثریت که در پایین قرار دارند با تراز p ظرفیت اکثریت پیوند هیبریدی می کنند و موجب سوق آنها به سمت انرژی های بالا طبق خط چین می شوند. ۳۹
شکل ۲-۶: دمای کوری میدان متوسط (Ga,Mn)As ارزیابی شده در تقریب های LDA و LDA+U(با U=4ev). 40
شکل۲-۷: مثال تصویری از ابَرتبادل پادفرومغناطیسی بین اسپین Mn جایگزیده به واسطه ی تراز آنیونی کاملا اشغال شده. ۴۴
شکل۲-۸: نمایش تصویری از فرومغناطیس به واسطه ی حامل ها در نوع p نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده که در ابتدا توسط زنر پیشنهاد شد. ۴۵
شکل۲-۹: نمایش تصویری از سازوکار استونر بر شمرده شده برای مواد فرومغناطیسی با گشتاورهای مغناطیسی سیار. ۴۸
شکل ۳-۱: تصاویر مربوط به سه دسته از مواد است: a) مغناطیسی، b) نیمرساناهای مغناطیسی رقیق شده و c) مواد نیمرسانای غیر مغناطیسی. ۵۲
شکل ۳-۲: وابستگی مغناطش به میدان مغناطیسی در دمای K5 برای لایههای (Ga,Mn)As با ۰۳۵/۰x=.. میدان موازی سطح اعمال شده است. شکل ضمیمه وابستگی پسماند مغناطیسی به دما را در این نمونه ها نشان می¬دهد. ۵۶
شکل ۳-۳: field cooled magnetization در (Ga,Mn)P بر اساس تابعی از دما. ۶۰
شکل ۳-۴: حلقه¬ی مغناطش برای (Ga,Mn)P در دمای K300 در نمودار بالا و K250 در نمودار پایین. ۶۰
شکل ۳-۵: نمودار مغناطش بر حسب میدان مغناطیسی برای ماده ی (Ga,Mn)P:C، تهیه شده با روش MBE با ۴/۹ درصد ناخالصی Mn در زمان رشد. ۶۱
شکل ۳-۶ : وابستگی دمایی مغناطش در KOe1 برای لایه ی رشد داده شده ی GaMnN به روش MBE با ۹ درصد ناخالصی Mn. 64
شکل ۴-۱: ترانزیستور اثر میدانی فلز- اکسید. ولتاژ دروازه چگالی الکترون ها را تغییر می دهد. ۸۴
شکل ۴-۲: نمایی از شیر اسپینی که بیان کننده ی ترابردی موازی با یک ساختار لایه ای ساندویچ مانند فلز مغناطیسی برای جهت گیری همجهت (مقاومت کم) و غیر همجهت (مقاومت زیاد) است . ۸۶
شکل ۴-۳: a) نمایی از یک هدخوان مغناطیسی GMR (سبز رنگ) که اطلاعاتی که شامل مناطق مغناطیسی است، ضبط می-کند.b) نمایی از یک MRAM ساخته شده از تکه های GMR که در یک زنجیره به هم متصل شده اند. ۸۸
شکل ۴-۴: درخت فنآوری برای قطعاتی بر پایه ی اسپین. ۸۹
شکل ۴-۵: نمایی از Datta/Das spin-FET. 90
شکل ۴-۶ : نمایی از یک spin-LED در حال تزریق حفره های قطبیده ی اسپینی در یک دیود p-n گسیلنده نور با استفاده از نیمرسانای فرومغناطیسی (Ga,Mn)s. 91
شکل ۴-۷ : نمایی از یک spin-LED . 92
شکل ۴-۸ : نمایی از یک سوییچ مغناطیسی. ۹۳
انواع و کاربردهای نیمرساناهای مغناطیسی
