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Room-temperature ferromagnetic semiconductor Fe-doped β-Ga2O3 thin films with high saturation magnetization and low coercivity
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2024-09-11 , DOI: 10.1039/d4nr02869d Dan Gong 1 , Xi Zhang 1 , Xu Dai 1 , Yongjia Tan 2 , Yong Peng 2 , Gang Xiang 1
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2024-09-11 , DOI: 10.1039/d4nr02869d Dan Gong 1 , Xi Zhang 1 , Xu Dai 1 , Yongjia Tan 2 , Yong Peng 2 , Gang Xiang 1
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Emergent ferromagnetism in β-Ga2O3 with an ultra-wide bandwidth and high electrical breakdown strength offers exciting opportunities for fabricating robust spintronic devices. One pertinent obstacle in the material has been the low saturation magnetization, which precludes its practical application in magnetic devices. In this work, large-scale Fe-doped β-Ga2O3 diluted magnetic semiconductor (DMS) films are synthesized using a polymer-assisted deposition method, and the effect of Fe doping on their structural and magnetic properties is investigated. Remarkably, the optimal sample exhibits a high saturation magnetization (70 emu cm−3 at 300 K), much larger than those in previously reported stable oxide DMS films, as well as a low coercivity (12 Oe at 300 K). Further analysis shows that our samples manifest a typical bound magnetic polaron (BMP) model and the high saturation magnetization originates from the strong ferromagnetic coupling between the BMPs which is enhanced by Ga vacancies. The Fe-doped β-Ga2O3 thin films with high saturation magnetization and low coercivity may provide a promising platform for related semiconductor spintronics.
中文翻译：
室温铁磁半导体掺杂 Fe 的 β-Ga2O3 薄膜，具有高饱和磁化强度和低矫顽力
β-Ga2O3 中的新兴铁磁性具有超宽带宽和高电击穿强度，为制造稳健的自旋电子器件提供了令人兴奋的机会。该材料中的一个相关障碍是低饱和磁化强度，这使其无法在磁性器件中实际应用。本工作采用聚合物辅助沉积方法合成了大规模 Fe 掺杂 β-Ga2O3 稀磁性半导体 （DMS） 薄膜，并研究了 Fe 掺杂对其结构和磁性能的影响。值得注意的是，最佳样品表现出高饱和磁化强度（300 K 时 70 emu cm-3），远大于以前报道的稳定氧化物 DMS 薄膜，以及低矫顽力（300 K 时为 12 Oe）。进一步分析表明，我们的样品表现出典型的束缚磁极化子 （BMP） 模型，高饱和磁化强度源于 BMP 之间的强铁磁耦合，而 Ga 空位增强了这种耦合。Fe 掺杂的 β-Ga2O3 薄膜具有高饱和磁化强度和低矫顽力，可为相关半导体自旋电子学提供有前途的平台。
更新日期：2024-09-11
中文翻译：
室温铁磁半导体掺杂 Fe 的 β-Ga2O3 薄膜，具有高饱和磁化强度和低矫顽力
β-Ga2O3 中的新兴铁磁性具有超宽带宽和高电击穿强度，为制造稳健的自旋电子器件提供了令人兴奋的机会。该材料中的一个相关障碍是低饱和磁化强度，这使其无法在磁性器件中实际应用。本工作采用聚合物辅助沉积方法合成了大规模 Fe 掺杂 β-Ga2O3 稀磁性半导体 （DMS） 薄膜，并研究了 Fe 掺杂对其结构和磁性能的影响。值得注意的是，最佳样品表现出高饱和磁化强度（300 K 时 70 emu cm-3），远大于以前报道的稳定氧化物 DMS 薄膜，以及低矫顽力（300 K 时为 12 Oe）。进一步分析表明，我们的样品表现出典型的束缚磁极化子 （BMP） 模型，高饱和磁化强度源于 BMP 之间的强铁磁耦合，而 Ga 空位增强了这种耦合。Fe 掺杂的 β-Ga2O3 薄膜具有高饱和磁化强度和低矫顽力，可为相关半导体自旋电子学提供有前途的平台。
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