Os semicondutores de gap largo do grupo III-Nitretos (GaN, AlN, InN e suas ligas ternárias e quaternárias) têm sido amplamente aplicados em optoeletrônica e na tecnologia de dispositivos eletrônicos. O desenvolvimento espetacular dessa área nos últimos anos produziu eficientes diodos emissores de luz na região do verde-azul-ultravioleta, diodos laser azul-violeta, detectores ultravioleta, etc. Mais recentemente, semicondutores magnéticos diluídos do grupo III-Nitretos, principalmente GaMnN, tem atraído muita atenção, já que é esperado que a temperatura de transição de fase paramagnética-ferromagnética nesse composto seja superior à temperatura ambiente [1], o que o tornaria um candidato ideal para utilização na spintrônica.
Nesse contexto, o composto GaN é bastante intrigante, já que ele apresenta uma alta densidade de deslocações carregadas e uma alta qualidade óptica, possibilitando a investigação dos efeitos de espalhamento na coerência eletrônica dos estados de spin. Apesar de possuir uma densidade de deslocações carregadas oito ordens de grandeza maior do que no GaAs, estudos recentes mostraram que o tempo de coerência do spin dos elétrons em camadas epitaxiais de GaN pode chegar a 20 ns na temperatura de 5 K, sendo ainda possível observar essa coerência na temperatura ambiente [2]. Esses resultados mostram uma oportunidade promissora para a utilização destes compostos em dispositivos multifuncionais, tal como em transistores baseados em spin, que combinam memória e funções lógicas, onde a amplitude e a fase da corrente polarizada de spins podem ser controladas tanto por campos elétricos como por campos magnéticos.
Muito do trabalho apresentado até agora na literatura refere-se á fase estável desses materiais, ou seja à fase hexagonal. Contudo, a fase cúbica, metaestável, aparece como uma alternativa vantajosa para a aplicação em dispositivos. O fato de que estruturas derivadas de GaN cúbico não apresentam modulação devido à polarização espontânea e efeitos piezoelétricos devido ao strain induzido torna o estudo de suas propriedades básicas muito importante para o entendimento das características dos dispositivos e a melhora do seu desempenho.
Como mencionado acima, os compostos III-Nitretos, além de apresentar excelentes propriedades que possibilitam a sua utilização em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, são ainda candidatos promissores para a utilização em dispositivos que podem fazer uso da spintrônica. Resultados recentes da literatura têm mostrado que semicondutores magnéticos diluídos III-Nitretos apresentam uma temperatura de transição de fase paramagnética-ferromagnética acima da temperatura ambiente [3-6]. Porém, o ferromagnetismo desses compostos não pode ser explicado usando-se os modelos convencionais, onde as interações de super-troca ou de dupla-troca são as responsáveis pelo ordenamento magnético de longo alcance. Aparentemente, nesses compostos, o ferromagnetismo é mediado por polarons magnéticos ligados [7]. Assim, o estudo desses compostos é fundamental não só para o desenvolvimento da spintrônica, mas também para se determinar as origens das suas propriedades magnéticas.
O objetivo principal desse tópico é a preparação de filmes de GaN com estrutura cristalina cúbica, através da epitaxia por feixe molecular e sua posterior implantação com íons magnéticos (Mn, Fe, Cr) e co-implantação com íons magnéticos e dopantes (C, Mg) com o intuito de produzir filmes com propriedades ferromagnéticas acima da temperatura ambiente. Para isso, as amostras com estrutura cristalina cúbica serão produzidas no laboratório de Optoeletrônica da Universidade de Paderborn. Serão crescidos os seguintes conjuntos de amostras:
Inicialmente, essas amostras deverão ser caracterizadas estruturalmente, através de difração de raios-X de alta resolução (XRD), opticamente através de medidas de fotoluminescência, fotoreflectância e espectroscopia Raman e eletricamente através de medidas de efeito Hall e magnetoresistência. As propriedades estruturais, ópticas e elétricas obtidas servirão como referência para a análise das amostras depois de implantadas e tratadas termicamente.
Com o intuito de obter filmes ferromagnéticos com temperatura de Curie acima da temperatura ambiente, as amostras serão implantadas com Mn, Fe, ou Cr e poderão ainda ser co-implantadas com um dos íons magnéticos e C ou Mg. A co-implantação visa aumentar a concentração de portadores no filme semimagnético. O processo de implantação será realizado no Laboratório de Implantação Iônica do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Antes do processo, será realizada uma simulação numérica para se determinar as melhores condições de implantação, ou seja, dose, energia e temperatura de implantação o que propiciará o melhor perfil de dopagem e a concentração desejada de dopantes.
Após a implantação será realizado um processo intercalado de caracterização estrutural e óptica, através da técnica de XRD e espectroscopia Raman, e tratamento térmico das amostras, para que a sua estrutura cristalina, deteriorada pelo processo de implantação, possa ser recuperada. Serão determinados nesse processo os parâmetros que otimizam o tratamento térmico, ou seja, tempo e temperatura de tratamento. Recuperada totalmente ou pelo menos parcialmente a estrutura cristalina das amostras, serão investigadas as suas propriedades estruturais usando técnicas mais refinadas (EXAFS e TEM). Pretende-se com isso, determinar se os íons implantados ocupam, como desejado, sítios substitucionais na rede cristalina, ou se ao contrário, ocorreu a formação de aglomerados magnéticos ou mesmo a formação de compostos indesejados. A seguir, serão investigadas as suas propriedades ópticas e elétricas o que permitirá uma comparação com as características obtidas antes da implantação.
Finalmente, serão estudadas as propriedades magnéticas das amostras. Será utilizado para isso um magnetômetro baseado em um dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID – Superconducting Quantum Interference Device). Medir-se-a as curvas de magnetização em função do campo magnético aplicado e em função da temperatura e a susceptibilidade magnética das amostras, determinando assim as suas características magnéticas. Serão efetuadas também medidas de ressonância eletrônica de spin (ESR) para determinar o estado e o fator giromagnético da impureza magnética na rede. Espera-se com isso obter amostras de semicondutores magnéticos diluídos baseados em semicondutores de nitretos cúbicos do grupo-III com características ferromagnéticas acima da temperatura ambiente.
O principal objetivo desse tópico é a preparação de heterojunções de AlGaN/GaN, com estrutura cristalina cúbica, através da epitaxia por feixe molecular e o estudo das propriedades elétricas do gás de elétrons bidimensional (2DEG) formado na interface. Essas amostras também serão produzidas no laboratório de Optoeletrônica da Universidade de Paderborn.
As propriedades elétricas de um gás de elétrons bidimensional criado na interface AlGaN/GaN vêm sendo intensivamente estudadas, devido à grande potencialidade de se utilizar dispositivos baseados no GaN em aplicações eletrônicas. Resultados recentes obtidos para amostras com estrutura cristalina hexagonal mostraram que é possível obter sistemas com mobilidades de até 1.6 x 105 cm2/Vs [8,9]. Espera-se que sistemas com simetria cúbica apresentem propriedades ainda melhores, já que esses sistemas não possuem nem efeitos de polarização espontânea nem polarização devido a efeitos piezoelétricos, os quais, como se sabe, produzem deslocamento para o vermelho das transições ópticas e intensa redução da eficiência quântica em estruturas com simetria hexagonal. Além disso, a densidade de elétrons do gás bidimensional em heterojunções de AlGaN/GaN com simetria cúbica, ao contrário do que acontece em estruturas hexagonais, independe da espessura e da fração molar de Al da camada de AlGaN e pode ser controlada através de dopagem com Si.
Heterojunções de AlGaN/GaN com estrutura cristalina cúbica serão crescidas sobre subtratos de 3C-SiC (001). Como esses substratos possuem alta condutividade elétrica, camadas intermediárias isolantes, tais como GaN, SiC implantado com Ar, AlN etc deverão ser introduzidas entre o substrato e a camada ativa. Isso requer um estudo sistemático do crescimento e caracterização elétrica e óptica dessas estruturas. Tendo obtido amostras com o gás de elétrons desejado, as suas propriedades de magneto-transporte serão investigadas na presença de campos magnéticos intensos e baixas temperaturas.
Para se atingir a qualidade desejada das amostras descritas nos tópicos anteriores é necessário realizar uma caracterização óptica sistemática das estruturas crescidas. Para isso serão utilizadas as técnicas de fotoluminescência, fotoluminescência da excitação, fotoreflectância, Raman e micro-Raman. Nestas atividades pretendemos dar continuidade a um projeto de colaboração entre nosso grupo, os professores Eliermes A. Meneses e Fernando Cedeira do grupo de Propriedades Ópticas do Instituto de Física da UNICAMP e a equipe do Laboratório de Optoeletrônica da Universidade de Paderborn.
Como citado nos tópicos anteriores, para se obter filmes ferromagnéticos baseados em GaN será necessário otimizar-se tanto o processo de implantação como o posterior tratamento térmico. Já, para se obter heteroestruturas utilizadas para produzir transistores de alta mobilidade eletrônica será necessário otimizar-se o crescimento das diversas camadas. Nesses dois processos, a caracterização óptica, principalmente através da fotoluminescência e do micro-Raman, é de fundamental importância. Além disso, como já demonstrado através da intensa publicação do grupo (como por exemplo [10 – 12]), as técnicas ópticas tem sido intensamente utilizadas para a investigação de heteroestruturas de Nitretos cúbicos.