Negative magnetoresistance in silicon doped with manganese

Table 1. 
Characteristics of samples obtained by different diffusion methods and anomalous Hall 
effect in silicon
 
Method 
diffusion 
No 
The 
resulting 
samples 
Type 

, 
Ohm

c
m 
Usual R
X
, 
cm
3
/Cl 
Anomalous 
Mn
I
R

, 
cm
3
/Cl 
μ,
cm
2
/V

s 
I party 
1 
Si
р
2

10
2
4.
26∙10
4
- 
213 
2 
Si
р
3

10
2
7.
5∙10
4
2,5

10
4
167 
3 
Si
р
8

10
2
2∙10
5
1.28

10
5
90 
4 
Si
р
8

10
3
2∙10
6
1.49

10
6
63 
5 
Si
р
1.2

10
4 
3∙10
6
2.06

10
6
78 
6 
Si
р
2

10
4
5∙10
6
3.4

10
6
80 
7 
Si
р
4

10
4
10
7
7

10
6
75 
8 
Si
р
1.2

10
5 
3∙10
7
1.11

10
7
158 
9 
Si
р
2

10
5
7.5

10
7
- 
250 
10 
Si
n 
3

10
3
3.64

10
6 
- 
1214 
11 
Si
n 
5

10
4 
6

10
7 
- 
1192 
12 
Si
n 
1.2

10
5
1.4

10
8 
- 
1160 
II party 
1 
Si
р
3

10
2
7.5

10
4 
- 
240 
2 
Si
р
6

10
3 
1.5

10
6 
- 
268 
3 
Si
р
7

10
4 
1.75

10
7 
- 
236 
4 
Si
n 
4.5

10
3
5.4

10
7 
- 
1240 
5 
Si
n 
6

10
4
7.2

10
7 
- 
1208 
Magnetoresistance (MR) in p-Si samples with magnetic [Mn]4 nanoclusters was 
investigated at room temperature in transverse (B I) direction of magnetic field. The 
magnetic field strength varied in the range B=0÷2 Tl, i.e. the condition of weak magnetic 
field was fulfilled. The results of magnetoresistance in silicon with magnetic nanoclusters 
of manganese atoms are shown in Fig. 4. 
As can be seen from the figure, with increasing concentration of nanoclusters, the 
negative magnetoresistance (NMR) value increases significantly. In the samples with 
nanoclusters concentration N=1015 cm-3 at room temperature, at E=100 V/cm a giant 
NMR Δρ/ρ~300 % is obtained, and magnetic field sensitivity is α=150 %/Tl. These results, 
not only clearly demonstrate that the occurrence of NMR and its nature in such samples is 
directly related to the presence of nanoclusters of manganese atoms in the lattice, but also 
to the possibility of controlling the value of NMR in a wide range by changing the 
concentration of nanoclusters. 
It was found that with increasing concentration of nanoclusters 
in the range of 2·1013 ÷ 
1015 cm-
3, under the same experimental conditions, the value of OMC increases by 8÷10 
times, and the sensitivity of the magnetic field increases from α=28 %/Tl to α=150 %/Tl.
E3S Web of Conferences 
401
, 05094 (2023)
CONMECHYDRO - 2023
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340105094
6

---

Fig. 4.
MR dependence on magnetic field in samples with different concentration of magnetic 
nanoclusters at T=300 K, E=100 V/cm: 1 
–
N(Mn)4 = 2·1013 cm
-3, 2 
–
N(Mn)4=2·1014 c
m-3, 3 
–
N(Mn)4 = 5·1014 cm
-3, 4 
–
N(Mn)4 =1015 cm
-3
4 Conclusions 
To summarize the results of the research presented in this paper, the following conclusions 
can be drawn from the individual results, which have an important value in their own right: 
1. The technology of formation of nanoclusters of impurity manganese atoms with 
controlled structure and properties in the silicon lattice has been developed, which is one of 
the most actual and perspective solved problems of modern nanoelectronics, as the creation 
of magnetic nanoclusters - magnetic quantum dots in the silicon lattice not only allows to 
manage the fundamental parameters of silicon, its magnetic properties, but also reveals a 
number of new physical phenomena still unknown to us. 
2. The electrophysical and magnetic properties of silicon with nanoclusters of 
manganese atoms are investigated and anomalously high NMR ( ) is found at room 
temperature.
3. The regularity of NMR value change from nanoclusters concentration and 
electrophysical parameters of samples with nanoclusters were determined. It is shown that 
with increasing concentration of nanoclusters NMR value significantly increases, and for 
detection of maximum NMR it is necessary to use silicon of p-
type with ρ=(3÷10)·103 
Ohm∙cm at room temperature.
E3S Web of Conferences 
401
, 05094 (2023)
CONMECHYDRO - 2023
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340105094
7

---