Основные типы магнитных состояний вещества

 
Вопросы для самопроверки 
1. Какие типы магнитных полупроводников существуют и в чем их особенности? 
2. Чем объясняется широкое использование Mn в качестве компонента магнитных 
полупроводников? 
3. Каковы основные характеристики бинарных полупроводниковых соединений Mn? 
4. Что такое разбавленные магнитные полупроводники и какими свойствами они 
характеризуются? 
2.5. Диэлектрики 
Среди диэлектрических материалов, используемых в спинтронике, можно выделить две 
большие группы – немагнитные диэлектрики для туннельных спинтронных структур и 
магнитные диэлектрики. 
Группу туннельных диэлектриков представляют широко используемые в твердотельной 
электронике оксиды и Si
3
N
4
. Их основные электронные свойства при комнатной температуре 
представлены в табл. 2.6. 
 
Таблица 2.6. Электронные свойства туннельных диэлектриков 
Материал 
Параметр 
SiO
2
 
Al
2
O
3
 
MgO 
ZrO
2 
HfO
2
 
Si
3
N
4
Ta
2
O
5
 
Ширина запрещенной зоны, эВ 
9,0 
8,8 
7,7 
7,8 
5,7 
5,3 
4,5 
Статическая диэлектрическая 
проницаемость, отн. ед. 
3,9 
9,0 
6–7 
25 
25 
7,0 
26 
Потенциальный барьер на 
границе с кремнием, эВ 
3,2 
2,8 
1,5 
1,4 
1,5 
Эффективная масса электронов, 
m
0 
 
0,4 
0,42 
0,38 
0,3 
0,35–
0,40 
0,5 
0,5 

---

61 
В приборах кремниевой электроники наибольшее распространение получили SiO
2
, 
Al
2
O
3
и Si
3
N
4
, однако с уменьшением размеров элементов кремниевых интегральных 
микросхем до единиц и десятков нанометров и требованием более высокой диэлектрической 
проницаемости материала лучшее сочетание структурных и электронных свойств 
обеспечивают диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью (HfO
2
, ZrO
2
, Ta
2
O
5 
и другие) – так называемые high-k-диэлектрики. Среди них особо перспективным в качестве 
подзатворного диэлектрика и диэлектрика в туннельных структурах является HfO
2
. Он имеет 
высокую термодинамической стабильности в контакте с кремнием, что обеспечивает 
формирование сплошных пленок из этого материала толщиной 10 нм и менее с высокой
удельной зарядовой емкостью, низкими токами утечки и достаточной для практических 
применений туннельной прозрачностью.
С точки же зрения исключительно туннельных свойств, наиболее подходящим 
представляется MgO. Структура его электронных энергетических зон хорошо согласуется с 
зонной структурой ферромагнитных сплавов, таких как CoFe, CoFeB, что минимизирует 
рассеяние спин-поляризованных носителей заряда на их границах и токи утечки в 
туннельных структурах на основе этого диэлектрика.
Магнитные диэлектрики представлены обширной гаммой трехэлементных оксидов с 
участием ионов железа – ферритов. В состав типичного феррита входят анионы кислорода 
O
2−
, катионы Fe
3+
и катионы металлов Me
k+
. Упорядоченное расположение катионов Fe
3+
и 
Me
k+
в кристаллической решетке придаёт им ферромагнитные и ферримагнитные свойства, 
характеризуемые 
высокими 
значениями 
магнитной 
проницаемости, 
остаточной 
намагниченности и температурами Кюри выше комнатной. Диэлектрические свойства 
ферритов принято характеризовать их удельной электропроводностью (проводимостью), 
которая, как правило, несколько выше, чем у диэлектриков, используемых в 
полупроводниковой электронике для создания изолирующих и пассивирующих слоев. В 
зависимости от атомарного состава и типа кристаллической решетки различают 
ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты и гексаферриты.
Ферриты-шпинели имеют структуру шпинели с общей формулой MeFe
2
O
4
, где Me = 
Ni
2+
, Co
2+
, Fe
2+
, Mn
2+
, Mg
2+
, Li
+
, Cu
2+
. Их элементарная ячейка представляет собой куб, 
образуемый 8 молекулами MeOFe
2
O
3
и состоящий из 32 анионов O
2−
, между которыми 
имеется 64 тетраэдрических (А) и 32 октаэдрических (В) промежутков, частично занятых 
катионами Fe
3+
и Me
2+
. В зависимости от того, какие ионы и в каком порядке занимают 
промежутки А и В, различают прямые шпинели (немагнитные) и обращенные шпинели 
(ферримагнитные). В обращенных шпинелях половина ионов Fe
3+
находится в 
тетраэдрических промежутках, а октаэдрические промежутки занимает вторая половина 
ионов Fe
3+
и ионы Me
2+
. При этом намагниченность октаэдрической подрешётки больше 

---

62 
тетраэдрической, что и приводит к возникновению ферримагнетизма. Основные магнитные 
свойства ферритов-шпинелей приведены в табл. 2.7.