徐建

【摘 要】I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了電荷和自旋注入的分離調(diào)控，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文從傳統(tǒng)稀磁半導(dǎo)體出發(fā)，詳述I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體的研究進(jìn)展，并對(duì)今后發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】傳統(tǒng)稀磁半導(dǎo)體；I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)： O472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）17-0068-002

Research Progress of Diluted Magnetic Semiconductors Based on Group I-II-V

XU Jian

（College of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 401331，China）

【Abstract】I-II-V based novel diluted magnetic semiconductors achieve the separation and regulation of charge and spin injection，It has become the focus of research in semiconductor field.This paper is based on the traditional diluted magnetic semiconductors，The research progress of I-II-V based new diluted magnetic semiconductors is described，and the future development of diluted magnetic semiconductors is prospected.

【Key words】Conventional diluted magnetic semiconductors；New diluted magnetic semiconductor Based on group I-II-V；Electronic structures；Ferromagnetism；Research progress

0 引言

半導(dǎo)體材料與我們?nèi)粘Ｉ钜呀?jīng)密不可分，半導(dǎo)體的電荷特性被成功的應(yīng)用在集成電路、高頻和大功率器件上，進(jìn)行加工信息和臨時(shí)存儲(chǔ)。而磁性材料中電子的自旋特性則主要用于硬盤(pán)、磁帶、磁光盤(pán)這類(lèi)高容量信息存儲(chǔ)器件。由于現(xiàn)在信息存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們需要一種新的信息載體突破Moore定律，才能給社會(huì)帶來(lái)更大的效益。如果能制備出能夠同時(shí)操作電子自旋和電子電荷兩個(gè)自由度的半導(dǎo)體來(lái)進(jìn)行信息的加工處理和儲(chǔ)存，就可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。稀磁半導(dǎo)體不僅具有磁性還具有半導(dǎo)體性質(zhì)，可以用來(lái)同時(shí)操控電子的自旋和電荷自由度。所以對(duì)于稀磁半導(dǎo)體的研究無(wú)論在理論上還是實(shí)驗(yàn)上都非常有意義。

對(duì)傳統(tǒng)的稀磁半導(dǎo)體雖然進(jìn)行了大量的研究，并取得可喜的研究成果，但是其還是存在一些難以克服的問(wèn)題。首先，由于材料中電荷與自旋同時(shí)引入，這種捆綁限制了電性和磁性的調(diào)控機(jī)制，進(jìn)而無(wú)法直接進(jìn)行電子摻雜，也就無(wú)法構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單位P-N結(jié)。其次，由于摻雜的不等價(jià)代替換導(dǎo)致磁性離子的溶解度受限，使其制備工藝非常苛刻，只能形成亞穩(wěn)態(tài)薄膜結(jié)構(gòu)，制約了材料的宏觀表征，使其磁性機(jī)理尚存爭(zhēng)議的問(wèn)題。I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了自旋和電荷的分別注入機(jī)制，成為了解決這些問(wèn)題的最可能的突破口。

1 I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀

在理論方面，2007年Masek等[1]利用LDA+U的計(jì)算方法得到Li（Zn，Mn）As中的由于Mn2+與Zn2+的等價(jià)替換，使Mn的平均溶解度提高，載流子的濃度可以通過(guò)Li的計(jì)量數(shù)調(diào)控，并且發(fā)現(xiàn)其居里溫度比當(dāng)時(shí)的稀磁半導(dǎo)體（Ga，Mn）As更接近室溫。2012年Sato[2]等利用Korringa—Kohn—Rostoker方法的相干近似理論計(jì)算并進(jìn)行優(yōu)化得到了Mn摻雜的LiZnAs，LiZnP，LiZnN體系的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Li空位阻礙了體系的亞穩(wěn)態(tài)分解，增強(qiáng)了Mn離子間的鐵磁交換作用可以提高體系居里溫度。對(duì)于Cr摻雜LiZnAs系統(tǒng)他們猜想由于強(qiáng)鐵磁雙交換占主導(dǎo)地位，使其可能具有更高的居里溫度。2014年王愛(ài)玲[3]利用第一性原理計(jì)算了Mn摻雜LiZnAs半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)材料的磁性和電性可分別通過(guò)Mn的摻入和Li的計(jì)量數(shù)的改變進(jìn)行調(diào)控。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著Mn的摻雜增大了體系光學(xué)帶隙，改變Li的含量也使其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。2015年鄧軍權(quán)等[4]采用第一性原理計(jì)算方法對(duì)新型稀磁半導(dǎo)體Cu摻雜LiMgN體系進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，Cu的摻入也使體系產(chǎn)生了凈磁矩，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)Li的含量來(lái)實(shí)現(xiàn)電性和磁性的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了自旋和電荷注入機(jī)制的分離。同時(shí)發(fā)現(xiàn)其光學(xué)性質(zhì)也受Cu的摻入和Li的含量調(diào)控。

實(shí)驗(yàn)研究方面靳常青等實(shí)驗(yàn)組[5]首先用直接單質(zhì)合成的方法成功進(jìn)行了合成Li（Zn，Mn）As塊狀材料，其為中子散射等其他多種宏觀性表征提供了條件。研究發(fā)現(xiàn)材料在3%Mn摻雜量時(shí)即可具有接近3個(gè)Bohr磁子的飽和磁矩，并且具有低的矯頑力（～30 Oe），這為瞄準(zhǔn)應(yīng)用的低場(chǎng)調(diào)控自旋和電荷提供了可能。電性質(zhì)及輸送研究發(fā)現(xiàn)了該系列材料無(wú)論是Li過(guò)量摻雜還是Li不足摻雜，樣品的電阻率都會(huì)降低，表現(xiàn)出半導(dǎo)體行為。這說(shuō)明引入過(guò)多的Li或者使得不足Li兩種情況都會(huì)引入載流子。實(shí)驗(yàn)組還進(jìn)行了μSR測(cè)量，通過(guò)測(cè)量磁有序體積發(fā)現(xiàn)此樣品的摻雜是均勻的，還得到其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)論得到當(dāng)Mn濃度增加至15%，其居里溫度可達(dá)50K。后面該實(shí)驗(yàn)組[6]通過(guò)P替代之前的有毒物質(zhì)As，利用固體合成法制備了塊狀Li（Zn，Mn）P樣品進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該體系不僅實(shí)現(xiàn)了電荷與自旋注入機(jī)制的分離；并且在固定Li含量不變時(shí)，隨著樣品中Mn含量的增加其居里溫度也持續(xù)上漲。實(shí)驗(yàn)得到了3% Mn濃度摻雜的Li（Zn，Mn）P具有接近2個(gè)Bohr磁子的飽和磁矩，同時(shí)材料具有很小的矯頑力（～50 Oe），這同樣為低場(chǎng)調(diào)控自旋和電荷的潛在應(yīng)用提供了可能。另外，浙江大學(xué)寧凡龍研究組[7]利用核磁共振實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Li（Zn，Mn）P中的鐵磁來(lái)源于Mn磁矩的長(zhǎng)程有序排，并且對(duì)Li（Zn，Mn）P的弛豫時(shí)間測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這個(gè)體系中傳導(dǎo)電子和局域電子的自旋漲落行為，說(shuō)明了巡游電子對(duì)于自旋的調(diào)制作用。雖然目前實(shí)驗(yàn)研究證明其居里溫度只能達(dá)到34K，但是其載流子濃度要比之前的Li（Zn，Mn）As的載流子少3個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)可以得到增加載流子濃度有利于提升居里溫度，因此對(duì)于Li（Zn，Mn）P的研究還是有很大潛力，可以通過(guò)材料的優(yōu)化，提高它的居里溫度。2014年，王權(quán)等[8]通過(guò)Li1.1（Zn1-xCrx）As的合成以及物理性質(zhì)的研究。發(fā)現(xiàn)Li1.1（Zn1-xCrx）As與III-V族GaAs結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都是立方晶體結(jié)構(gòu)，空間群為F-43m。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，過(guò)量的Li產(chǎn)生了p型載流子，10% Cr替代了Zn引入自旋磁矩，在溫度下Tf=218K形成自旋玻璃態(tài)，矯頑力達(dá)到了714 Oe，有效磁矩約為2～3μB/Cr；這為后面Cr摻雜系統(tǒng)通過(guò)精確控制載流子/自旋載體研究個(gè)體對(duì)鐵磁有序的影響提供了引導(dǎo)作用。endprint

2 現(xiàn)狀與展望

理想的稀磁半導(dǎo)體應(yīng)具有高于室溫的居里溫度，雖然I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了自旋與電荷的分離調(diào)控，但是通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其居里溫度遠(yuǎn)低于室溫，因此對(duì)于I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體我們還是面臨一系列的挑戰(zhàn)。例如對(duì)于材料的制備，我們需要考慮制備的材料是否具有室溫鐵磁性，還需要考慮鐵磁體能否與半導(dǎo)體完全兼容，及以后如何將材料投入到應(yīng)用中去。如若后面能攻克這些難題，I-II-V族基新型稀磁半導(dǎo)體的應(yīng)用將大大的影響人們的生活，也將推動(dòng)半導(dǎo)體材料研究的進(jìn)展。

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[3]王愛(ài)玲，毋志民，王聰，等.新型稀磁半導(dǎo)體Mn摻雜LiZnAs的第一性原理研究[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（13）：137101-137101.

[4]鄧軍權(quán)，毋志民，楊武慶，等.新型稀磁半導(dǎo)體Cu摻雜LiMgN的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)[J].科學(xué)通報(bào)，2015，9：007.

[5]Deng Z，Jin C Q，Liu Q Q，et al.Li （Zn，Mn）As as a new generation ferromagnet based on a I–II–V semiconductor[J]. Nature communications，2011，2：422.

[6]Deng Z，Zhao K，Gu B，et al.Diluted ferromagnetic semiconductor Li（Zn，Mn）P with decoupled charge and spin doping[J].Physical Review B，2013，88（8）：081203.

[7]Ding C，Qin C，Man H，et al.NMR investigation of the diluted magnetic semiconductor Li（Zn1-xMnx）P（x=0.1）[J]. Physical Review B，2013，88（4）：041108.

[8]Wang Q，Man H，Ding C，et al.Li1.1（Zn1-x Cr x）As：Cr doped I–II–V diluted magnetic semiconductors in bulk form[J].Journal of Applied Physics，2014，115（8）：083917.endprint