Short Communication Review on Available Theoretical Models for Room Temperature Ferromagnetism in Dilute Magnetic Semiconductors

Abstract

Розбавлені магнітні напівпровідники привертають увагу наукового співтовариства завдяки широкому спектру застосувань, таким як пристрої для спінтроніки, наномагнітні пристрої пам'яті, наносенсори і т.д. Дослідники зібрали велику кількість експериментальних даних за останні кілька десятиліть з різними уявленнями про походження феромагнетизму у розбавлених магнітних напівпровідниках. Деякі дослідники виявили феромагнетизм за кімнатної температури (RTFM) через металеві групи; в той час як інші виявили його через заміну легованих перехідних металів у середовищі матриці і назвали їх напівмагнітними напівпровідниками. Деякі з них також виявили парамагнітну поведінку при кімнатній температурі, однак досягали RTFM після відпалу у вакуумі/H2/повітрі або будь-якому іншому середовищі. Теоретичні моделі, такі як моделі Рудермана-Кіттеля-Касуя-Йосіда, Зенера та зв'язаного магнітного полярону (BMP), також були розроблені для дослідження феромагнетизму, але певною мірою залишається незрозумілим, за який механізм взаємодії відповідає спостережуваний внутрішній тип RTFM. Теоретичне моделювання є одним з першочергових імперативних аналізів у дослідженні. Це допомагає зрозуміти походження феромагнетизму у розбавлених магнітних напівпровідниках. Крім того, моделювання може запропонувати визначальний шлях для вироблення ефективного підходу до виготовлення цих матеріалів. У даній роботі розглянуто різні теоретичні моделі, а саме модель RKKY, модель Зенера, середньопольова модель Зенера і модель BMP, що пояснюють RTFM в розбавлених магнітних напівпровідниках. Дослідження показує, що серед різних моделей магнітне впорядкування є найбільш залежним у знаходженні RTFM, тому досить успішно можна пояснити феромагнітні обмінні зв'язки на тлі локальних моментів перехідних металів в розбавлених магнітних напівпровідниках.

Dilute magnetic semiconductors have been attracting scientific community due to their wide array of applications like spintronics devices such as nano-magnetic memories, nano-sensors, etc. The researchers have gathered a large amount of experimental data over the past few decades with varied perceptions into the origin of ferromagnetism in dilute magnetic semiconductors. Some investigators found the room temperature ferromagnetism (RTFM) because of metallic groups; whereas others revealed the same because of the substitution of doped transition metals (TM) into the host milieu and called it as semi-magnetic semiconductors. Some of them also found paramagnetic behaviors at room temperature, however, achieved RTFM after annealing in vacuum/H2/air or any other medium. Theoretical models like Ruderman-KittelKasuya-Yosida (RKKY), Zener, bound magnetic polaron (BMP) were also developed to investigate the same, but to some extent, confusion remains about which interaction mechanism is responsible for observed intrinsic type of RTFM. The theoretical modeling is among utmost imperative analysis in the research progression. It helped to understand the conceptual and quantifiable knowledge of the origin of ferromagnetism in the dilute magnetic semiconductors. Furthermore, it may offer the essential path to cultivate an efficacious approach for the manufacturer of these materials. The present paper epitomizes various theoretical models viz RKKY model, Zener model, mean-field Zener model and BMP model that elucidate the RTFM in dilute magnetic semiconductors. The study reveals, among various BMP models, magnetic ordering is most reliant in the finding the RTFM, and quite successful to explicate ferromagnetic exchange coupling amid the TM local moments in dilute magnetic semiconductors.