Estudio de las propiedades ópticas y eléctricas del compuesto Ga1-xMnxSb usado para aplicaciones en epintrónica

Abstract

En este trabajo se estudiaron las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas de películas delgadas de Ga1-xMnxSb fabricadas por el método DC Magnetron Co-Sputtering. La caracterización estructural reveló que las fases presentes en las muestras corresponden a: antimoniuro de Galio (GaSb), Antimonio (Sb), aleaciones de Manganeso y Antimonio tales como Mn2Sb y Mn2Sb2. La presencia de estas fases fue correlacionada con los parámetros de síntesis. El estudio de las propiedades ópticas mostró que la brecha de energía entre la banda de valencia y la de conducción (Eg) del material toma valores entre 0.58 eV y 0.89 eV en dependencia con los parámetros de síntesis y la concentración de Mn. También, se establecieron los comportamientos del índice de refracción (n), el coeficiente de absorción (α), coeficiente de extinción (κ) y las respectivas partes real (ε_1) e imaginaria (ε_2) de la función dieléctrica, con la longitud de onda en el rango entre 250 y 2500 nm. A través de medidas de resistividad (ρ) como función de la temperatura y medidas de efecto Hall se estableció que el material se comporta como un semiconductor tipo p y cuyas densidades de portadores (np) son estimadas entre los órdenes de 1015 a 1020 cm-3. Se estudió el efecto Hall anómalo mostrado cuando las fases Mn2Sb y Mn2Sb2 estaban presentes en el material. Adicionalmente y como una parte complementaria del trabajo se estudiaron las propiedades morfológicas por medio de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), en conjunto con medidas de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) que permitieron comparar las características principales del crecimiento del material y el efecto de la morfología de su superficie en las propiedades ópticas y eléctricas. Por otro lado, y de manera complementaria, se estudiaron las propiedades magnéticas a partir de medidas de Momento Magnético como función del campo magnético aplicado y en función de la temperatura estableciendo los campos coercitivos (Hc) y las magnetizaciones remanentes (Mr) cuando se presentan procesos de histéresis a temperatura ambiente. Se estimaron los valores máximos para la susceptibilidad magnética (χ), con lo cual se estableció la permeabilidad magnética (µ) y se asoció que el comportamiento magnético dependía de la presencia de fases cristalinas como Mn2Sb y Mn2Sb2.

Abstract. In this work the structural, optical, and electrical properties of Ga1-xMnxSb thin films, obtained by the DC Magnetron Co-Sputtering method, were studied. The structural characterization revealed that the phases present in the samples correspond to: Gallium antimonide (GaSb), Antimony (Sb), and Antimony Manganese (Mn) alloys such as Mn2Sb and Mn2Sb2. The presence of these phases was correlated with the synthesis parameters. The study of the optical properties showed that the gap energy (Eg) of material values between 0.58 eV and 0.89 eV depending on the synthesis parameters and the concentration of Mn. behaviors of the refractive index (n), the absorption coefficient (α), extinction coefficient (κ) and the respective real parts (ε1) and imaginary (ε2) of the dielectric function were stablished using transmittance and reflectance measurements varying the wavelength of the incident radiation between 250 and 2500 nm. Resistivity (ρ) (as a function of temperature (T)) and Hall effect measurements proved that the material behaves as a p-type semiconductor whose carrier densities (np) are estimated between the orders of 1015-1020 cm-3. The anomalous Hall effect took place in the samples when the Mn2Sb and Mn2Sb2 phases were present in the material. In addition and as a complementary part of this work, a study of the morphological properties was performed by scanning electron microscopy (SEM), together with measurements of Atomic Force Microscopy (AFM) these allowed the correlation between the main growth characteristics of the material and the effect of surface morphology in optical and electrical properties. Aditionally, the magnetic properties were studied by measuring Magnetic Moment as a function of applied magnetic field varying the measurement temperature as well, these were used to establish the coercive fields (Hc) and the remanent magnetization (Mr) when presented hysteresis processes at ambient temperature took place. the maximum values for the magnetic susceptibility (χ) were estimated, thereby establishing the magnetic permeability (μ). The magnetic behavior is associated of crystalline phases like Mn2Sb and Mn2Sb2.