Transition Metal and Rare Earth Doped Sb2Te3 and Bi2Te3 Diluted Magnetic Semiconductors

过渡金属和稀土掺杂 Sb2Te3 和 Bi2Te3 稀磁半导体

基本信息

项目摘要

Technical: This project seeks new knowledge and greater understanding of the ferromagnetic state in Sb2Te3 and Bi2Te3. Little is known about the magnetic properties upon doping these materials. The approach of this project is to investigate: (i) the upper limits of incorporation of transition metal (TM) magnetic impurities in thin films of Sb2Te3 and Bi2Te3, (ii) the nature of the TM impurity centers in the host lattice, and (iii) the influence of charge carrier density on the magnetic state of the structure. Ultrafast spin dynamics studies will be used to assess fundamental interaction parameters such as the exchange integrals Jsp,d and Jd,d that govern the coupling energy between the TM ions and carriers, and between TM ions themselves. Additionally, studies of the influence of rare earths and their partially filled f-orbitals on stimulating magnetic interactions in Sb2Te3 and Bi2Te3 will be explored. It is expected, that since the orbital moment is not quenched, the s, p-f exchange interactions may be stronger which could lead to higher Curie temperature provided enough of the rare earth ions can be incorporated in the thin film matrix and antiferromagnetic superexchange is not too strong. Non-Technical: The project addresses basic research issues in a topical area of materials science having high technological relevance. The research will contribute basic materials science knowledge at a fundamental level to new understanding and capabilities for potential next generation electronic/spintronic devices. An important feature of the program is the integration of research and education through the training of students in a fundamentally and technologically significant area. The project provides a rich training ground (MBE growth, structural, transport, and magnetic characterization) for graduate and undergraduate students in areas that have technological significance. Aspects of this research are presented to graduate students as part of regularly scheduled colloquia and the topic of spintronics is incorporated to enliven the curriculum of an introductory physics course. The project is cofunded by the DMR Electronic Materials and Condensed Matter Physics Programs.
技术:该项目寻求对 Sb2Te3 和 Bi2Te3 铁磁态的新知识和更深入的了解。关于掺杂这些材料后的磁性能知之甚少。该项目的方法是研究:(i) Sb2Te3 和 Bi2Te3 薄膜中过渡金属 (TM) 磁性杂质掺入的上限,(ii) 主晶格中 TM 杂质中心的性质,以及 ( iii)载流子密度对结构磁状态的影响。超快自旋动力学研究将用于评估基本相互作用参数,例如控制TM离子和载流子之间以及TM离子本身之间的耦合能量的交换积分Jsp,d和Jd,d。此外,还将探索稀土及其部分填充的 f 轨道对刺激 Sb2Te3 和 Bi2Te3 中磁相互作用的影响的研究。预计,由于轨道矩没有淬灭,s、p-f 交换相互作用可能会更强,这可能导致更高的居里温度,前提是有足够的稀土离子可以并入薄膜基质中,并且反铁磁超交换也不会太强。强的。非技术性:该项目解决具有高度技术相关性的材料科学主题领域的基础研究问题。该研究将从根本上为潜在的下一代电子/自旋电子器件的新理解和能力贡献基础材料科学知识。该计划的一个重要特点是通过在基础和技术重要领域对学生进行培训,将研究和教育结合起来。该项目为具有技术意义的领域的研究生和本科生提供了丰富的训练场地(MBE 生长、结构、传输和磁性表征)。这项研究的各个方面作为定期座谈会的一部分向研究生展示,并且自旋电子学主题也被纳入物理入门课程的课程中。该项目由 DMR 电子材料和凝聚态物理项目共同资助。

项目成果

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