Unraveling the nature of carrier-mediated ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors

Abstract

After more than a decade of intensive research in the field of diluted magnetic semiconductors (DMS), the nature and origin of ferromagnetism, especially in III–V compounds, is still controversial. Many questions and open issues are under intensive debates. Why after so many years of investigations, Mn-doped GaAs remains the candidate with the highest Curie temperature among the broad family of III–V materials doped with transition metal (TM) impurities? How can one understand that these temperatures are almost two orders of magnitude larger than that of hole-doped (Zn,Mn)Te or (Cd,Mn)Se? Is there any intrinsic limitation or is there any hope to reach room-temperature ferromagnetism in the dilute regime? How can one explain the proximity of (Ga,Mn)As to the metal–insulator transition and the change from Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) couplings in II–VI compounds to double-exchange type in (Ga,Mn)N? In spite of the great success of density functional theory-based studies to provide accurately the critical temperatures in various compounds, till very lately a theory that provides a coherent picture and understanding of the underlying physics was still missing. Recently, within a minimal model, it has been possible to show that among the physical parameters, the key one is the position of the TM acceptor level. By tuning the value of that parameter, one is able to explain quantitatively both magnetic and transport properties in a broad family of DMS. We will see that this minimal model explains in particular the RKKY nature of the exchange in (Zn,Mn)Te/(Cd,Mn)Te and the double exchange type in (Ga,Mn)N and simultaneously the reason why (Ga,Mn)As exhibits the highest critical temperature among both II–VI and III–V DMS's. Après plus d'une décennie de recherches intensives dans le domaine des semiconducteurs magnétiques dilués (DMS), la nature et l'origine du ferromagnétisme, en particulier dans les composés III–V, restent controversées. De nombreuses questions et problèmes ouverts sont toujours sujets à d'intenses débats. Pourquoi, parmi la grande famille des matériaux III–V, et pour une concentration donnée en métal de transition, le composé (Ga,Mn)As reste-t-il le candidat présentant encore la température critique la plus élevée ? Comment peut-on comprendre que ces températures soient presque de deux ordres de grandeur supérieures à celles observées dans (Zn,Mn)Te dopé en trous ou (Cd,Mn)Se ? Subsiste-t-il pour ces matériaux dilués un espoir d'observer un ordre ferromagnétique au-delà de la température ambiante, ou est-il fatalement anéanti par des limitations physiques intrinsèques ? Comment expliquer que (Ga,Mn)As soit si proche de la transition métal–isolant ? Comment comprendre la nature des couplages magnétiques passant typiquement de RKKY dans les composés II–VI à double échange dans (Ga,Mn)N ? Des études, basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, ont pu fournir avec précision les températures critiques dans divers composés. Cependant, un modèle théorique en mesure de fournir une vision unifiée et une compréhension de la physique sous-jacente manquait toujours. Très récemment, dans le cadre d'un modèle minimal, il a été possible de montrer que, parmi les paramètres physiques, la clé réside dans la position du niveau accepteur de l'impureté magnétique. En adaptant ce dernier, il devient en effet possible d'appréhender la diversité des propriétés magnétiques et aussi de transport dans une large famille de DMS. Nous verrons alors que le modèle minimal explique non seulement la nature RKKY des couplages magnétiques dans (Zn,Mn)Te/(Cd,Mn)Te ou leur caractère de double échange dans (Ga,Mn)N, mais aussi la raison pour laquelle (Ga,Mn)As présente les températures de Curie les plus élevées parmi les DMS II–VI et III–V.