Study of the local order around magnetic impurities in semiconductors for spintronics
Étude de l'ordre locale autour d'impuretés magnétiques dans les semiconducteurs pour l'électronique de spin
Abstract
The semiconductors doped with magnetic ions (DMS) are promising materials for applications in the emerging field of spintronics. To address this challenge, a relatively high amount of magnetic impurities should enter the host crystal structure without phase separation, thus a detailed characterization at the nano-scale is mandatory. X-ray absorption fine structure spectroscopy is a technique well suited for probing the short-range order, so as to understand the underlying mechanisms responsible for the special physical properties of these materials. The starting point of this study is the well known GaAs doped with Mn where the creation of Mn interstitial defects reduce the ferromagnetic transition temperature (T_C) and post-growth treatments are necessary as a remedy. A new promising material is Fe-doped GaN showing interesting magnetic properties when doped around the solubility limit of Fe. In this case the key issue is the transition from Fe substitutional to the precipitation of Fe-rich nano-crystals at the conditions of spinodal decomposition. In fact, it is observed that T_C is considerably increased exploiting the spinodal decomposition as in the case of Mn in Ge, where Mn-rich ferromagnetic nanocolumns are formed in the crystalline host with a disordered local structure. Finally, first data are reported on the Mn incorporation in GaAs and InAs nanowires that are expected to play a key role in fabricating one dimensional DMS devices.
Les semiconducteurs dopés avec des ions magnétiques (DMS) sont des matériaux prometteurs pour des applications dans le domaine émergent de la spintronique. Pour relever ce défi, une grande quantité d'impuretés magnétiques devraient entrer dans le cristal de la structure d'accueil sans séparation de phase, donc une caractérisation détaillée à l'échelle nanométrique est obligatoire. La spectroscopie d'absorption des rayons X est une technique bien adaptée pour sonder l'ordre locale, de manière à comprendre les mécanismes responsables de la spécificité des propriétés physiques de ces matériaux. Le point de départ de cette étude est le bien connu GaAs dopés avec Mn où la présence de défauts de Mn interstitiel réduit la température de transition ferromagnétique (T_C) et des traitements après croissance sont nécessaires en tant que remède. Un nouveau matériau prometteur c'est le GaN dopé Fe, présentant des propriétés magnétiques intéressantes quand dopé autour de la limite de solubilité du Fe. Dans ce cas, la question clé est la transition du Fe substitutionel à la précipitation en nano-cristaux riches en Fe, en passant par des conditions de décomposition spinodale. En effet, on observe que la T_C est augmentée considérablement par l'exploitation de la décomposition spinodale comme le montre le cas du Mn dans le Ge où il y a la création de nano-colonnes ferromagnétiques riches en Mn présentant un caractère de structure locale désordonnée dans un hôte cristallin. Enfin, les premières données de l'incorporation du Mn dans les nano-fils de GaAs et InAs sont enregistrées. Ces systèmes sont appelés à jouer un rôle clé dans la fabrication de dispositifs DMS à une dimension.
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