GaMnAs热电特性的电子性质的纳米线

文摘

纳米线的磁掺杂研究中心是一个令人兴奋的候选人自旋物理和理论水平自旋电子学器件。所需的重掺杂可以预期产生重大影响纳米线的电子传递特性。在这里,我们使用热电动势和电导测量Ga的传输特性_0.95锰_0.05纳米线在温度变化很大的环境中。我们确定载体类型(孔)和浓度和找到一个急剧增加的热电动势低于120 K的温度,可以定性地描述了一个跳跃传导模型。然而,必须考虑异常大的热电动势表明额外的机制。

1。介绍

自组装半导体外延生长纳米线是有前途的场效应晶体管的构建块(1)、传感器(2),和太阳能电池3]。一个令人兴奋的新方向,在最近的研究里它又显示出它可能由于磁性锰掺杂物的成功融入外延生长砷化镓纳米线(NWs) [4- - - - - -11),是他们用概念自旋电子学设备(12]。掺杂技术正在迅速发展,它最近表明,离子束注入能产生单一的水晶,均匀掺杂GaMnAs NWs [13]。此外,最近的一项研究发现,居里温度的GaMnAs nanostrips可以增强200 K与纳米结构工程(14),表明nanowire-based设备在高温下运转的可能性相比,薄膜或散装。除了令人兴奋的可能应用,从最基本的角度来看,铁磁NWs将提供一个机会调查spin-Seebeck效应在减少维度(15]。更深入地理解如何旋转和声子两热反过来可能导致从根本上新的应用程序,如spin-based冷却和磁敏感热电技术。

在这里,我们调查的热电性质_0.95锰_0.05拥有核武器的国家。结合热电动势和电导(或电阻)测量可以提供信息载体密度当传统表征技术通过霍尔效应和场效应是不可能的16]。我们可以估计热电动势的空穴载流子密度的测量厘米⁻³在我们的西北。此外,我们发现一个戏剧性的上升阻力和热电动势的NW低于120 K (17- - - - - -19]。电阻与温度测量指向莫特变量的作用范围跳跃(VRH)运输与活化能62伏在100 K和跳跃的长度11 nm。我们表明,添加一个术语由于莫特变量范围跳跃(VRH)运输20.- - - - - -22)也可以定性描述这些Ga的热电动势观察上升_0.95锰_0.05拥有核武器的国家。然而,我们的模型表明,一个简单的parabolic-band图片不是完全足够,这意味着更复杂的行为。

2。实验方法

砷化镓的NWs 40 nm直径增长了MOVPE随后植入锰离子掺杂浓度的0.5 - 2.9%,对应与0.058化学计量学。模拟和透射电子显微镜(TEM)表明,NWs质量高晶体植入后,Mn相当均匀分布。在这项工作中,我们专注于更高的掺杂电线。西北增长和植入技术详细讨论之前(13]。

准备设备的热电特性,NWs收集与洁净室生长基质纸,然后刷到Si / SiO₂芯片与110 nm厚的氧化。厚厚的金属飞机被蒸发背面voltage-gating芯片的测量。我们光搜寻合适的NWs为处理和确定的位置NWs相对于预定义的SiO盟对齐标记₂芯片。联系人NWs通过标准的电子束光刻过程。简而言之,950 - a5 PMMA旋转到样品在5000 rpm 60年代在180°C和烤5分钟。接触图形曝光后,抵抗了MIBK:异丙醇= 1:3 30年代。NWs确保良好的欧姆接触,我们执行以下程序:样本处理盐酸/ H₂O解15秒钝化(NH紧随其后₄)₂ 解决方案在40°C 2分钟。然后Pd (10 nm)的金属接触者/锌(10 nm) / Pd(35海里),其次是发射(被蒸发23]。测量在詹尼斯Varitemp低温恒温器60 K到190 K。

3所示。结果和讨论

图1显示了扫描电子显微镜(SEM)图像的一个典型设备类似于一个测量。电流通过一个驱动芯片上的金属微带线来生成一个温差Δ在西北的长度。金属接触NWs可用于探测器在不同测量电压降或电导。金属接触也作为温度计,我们校准four-probe阻力的变化对低温恒温器的金属温度;看到温度计I和II在图1。金属的电阻温度计的变化随着低温恒温器的温度变化允许测定温度的金属纳米线接触点在0.1 K。类似设备几何图案的微带线加热器和温度计用于研究热电动势,例如,碳纳米管(24,25和其他材料26]。我们通常以线性响应机制,维护Δ。衬底温度显示,沿着线通常是Δ梯度生成K。金属backgate也可用于场效应,但是我们发现西北交通应用门电压明显没有回应。

我们首先讨论电子传输的NW作为温度的函数。在图2,我们将展示两个终端电导测量的电阻计算。从我们获得的接触电阻制造工序被发现从500Ω1 kΩ(4电线终端联系人),我们得出这样的结论:测量响应是由于导线本身(27]。NWs显示阻力大幅增加K,这增加下面的饱和烃-90 K。为了获得更好的理解传输机制到60 K,我们把ln ()与在图的插图2。这种跟踪表明,莫特变量的线性范围跳跃可能可能在玩20.,27]。偏离线性发生或K。从这跟踪的斜率,我们估计载体密度约厘米⁻³在100 K跳跃的长度11 nm。这允许Δ活化能的测定兆电子伏在100 K。对于大直径80纳米线,类似的行为被发现虽然跳传输被发现坚持下来K (27]。

图3显示了测量热电动势,它被定义为=−Δ/Δ,Δ是测量纳米线的电压降。测量热电动势的积极的迹象表明,运输航空公司漏洞。这个预计Mn-doped砷化镓由于置换Mn砷化镓的受体。显著增加的热电动势料温度低于120 K,这是电阻的温度也开始急剧增加。为了理解为什么热电动势上升到~ 800的相当大的价值μV / K,我们首先考虑的热电动势顺政权(不考虑跳传输)组成的以下两项: 第一项就是半古典的莫特关系扩散运输(16), 在这里,电导率,玻耳兹曼常量,是电子电荷,普朗克常数,是承运人密度。这个洞GaMnAs的有效质量,在那里是自由电子的质量28]。第二项是交换机制 在哪里费米能级的态密度,是运营商和磁之间的交换积分中心,非磁性散射势,是交换之间的比例对电阻率与总电阻率的贡献。在这里,是一个material-dependent参数温度和较弱磁性杂质的依赖,以及薄膜发现吗K (21]。我们利用这些功能形式获得适合的数据超过120 K,热电动势相对平坦的地方,见图3(蓝色点缓冲曲线)。我们发现给最适合的参数曲线厘米⁻³和mV / K,K基于薄膜固定值。由于数量有限的数据点,我们相信我们估计密度是正确的在一个数量级。这是类似与所观察到纳米线(27),在我们的准确性,符合上述估计得到的电阻与温度曲线。注意的价值是异常巨大,这一点我们将在下面回归。这些结果说明热电动势提供了一个强大的方法提取载波信号和密度,当传统的霍尔效应和场效应技术是不可能的。

低于120 K,很明显,必须考虑热电动势额外贡献来解释观察到的数据。提示的温度依赖性的阻力,我们可以考虑添加一个术语由于跳跃传导。我们看到下面这跳跃的贡献,,可以定性描述观察到的实验行为。我们从一个跳跃的形式开始21] 在哪里没有显著的温度依赖性,并包括一个额外的因素,占电子相关性。没有,(4)表示,在简单的单粒子的情况下,不相互影响的交通,一个设备或材料的热电动势实际上测量的平均能量(这里假定为活化能Δ)运输。通过绘制实验数据和1 /采取的相关因素,,我们可以提取Δ活化能兆电子伏,在良好的协议的,见图4。在此基础上,我们可以计算完整的理论跟踪包括跳跃机制如图3(green-dashed线)。我们看到的这种跳跃机制可以描述观察到的热电动势。在100 K,理论跟踪似乎超出了实验数据。这是符合这一事实ln ()与跟踪开始偏离线性95 K左右。

比较热电动势的结果得到的电阻,我们看到的活化能62伏在100 K从莫特VRH理论推导出27]。为了(4)给一个类似提取活化能,我们必需的。这意味着强烈的相关性影响发挥更重要的作用。这一事实远远大于一个并不令人惊讶的如果我们考虑异常大的测量热电动势。的确,巨大的热电动势一直在强烈相关半导体如FeSb [29日),大型热电动势被假定是由于铁3 d-states和某人5 p-states组合成一个连贯的,机动性高状态。我们注意到2 d GaMnAs电影相比,该展览hole-mediated铁磁耦合,这些GaMnAs纳米线明显跳跃政权,空穴浓度相对较低,大跳的长度。这些观察表明受体赔偿Mn间隙杂质antisites,这是由离子束注入过程。将需要更多的分析来理解这两个贡献的相对重要性。很明显,我们的结果(i)突出的重要作用,热电动势的测量可以作为描述工具补充电导测量,和(2),我们严重Mn-doped纳米线比明显表现出更复杂的电子行为从电导测量,留下多少余地进一步调查。

4所示。结论

在这项工作中,我们研究了热电动势和Ga的电导_0.95锰_0.05纳米线。我们利用热电动势的测量来估计空穴载流子浓度,当霍尔效应和场效应是不可能的。我们发现从热电动势和电导测量孔密度厘米⁻³。此外,我们观察到显著增加低温热电动势和阻力。电阻与温度显示,西北是政权的变量范围跳传输。热电动势,我们推断出额外的相关现象必须发生。这些基本的研究提供关键洞察传输机制可能是下一代GaMnAs和铁磁NWs中找到。

确认

作者承认nmC@LU的支持,瑞典能源理事会(Energimyndigheten)批准号32920 - 1,瑞典研究理事会的战略基础,克努特和爱丽丝•瓦伦堡基础。报告的作者之一,w . Paschoal Jr .)感激地承认金融支持帕拉州教育部长(SEDUC)和帕拉(EGPA)的巴西政府学校。

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