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物理所合作研究發現基於III-V族半導體的新型稀磁體

2011-9-20

物理所合作研究發現基於III-V族半導體的新型稀磁體

      半導體科學和技術構成現代資訊社會的基礎,隨著資訊存儲密度迅猛增長,為突破摩爾定律瓶頸需要發展新的資訊存儲載體。在製作和研發工藝成熟的半導體中注入自旋,形成兼具電荷屬性和自旋特性的稀磁半導體,成為解決這個關鍵問題最可能的突破口。

      中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)極端條件實驗室靳常青研究組近期在自旋極化的稀磁半導體研究中取得重要進展。他們通過實驗發現了一類新的基於III-V半導體的稀磁體Li(Zn,Mn)As,在稀磁材料上成功實現了自旋和電荷分別注入和調控。

      

      圖1:(a) LiZnAs、(b) LiMnAs、(c)LiFeAs的晶體結構

      

      圖2:Li1.1(Zn,Mn)As的磁性隨Mn摻雜量的演化,在3%Mn含量即具有2.8Bohr磁子的飽和磁矩,矯頑場約為30Oe

      

      圖3.Li1.1(Zn0.95Mn0.05)As的μSR實驗結果,磁有序含量隨溫度變化,在低溫程完全磁有序

      在半導體中實現磁有序需要具備兩個基本物理條件,既要有局域磁矩,又要有引發局域磁矩長程量子序的低濃度載流子。在幾類已知的稀磁半導體中,磁矩和載流子均由同一種摻雜元素提供,即自旋和電荷天然一體。比如廣為研究的基於III-V族的(Ga,Mn)As稀磁半導體,由於Mn2+和Ga3+具有不同價態,Mn對Ga的替代引入自旋的同時也提供了P型載流子。這種自旋和電荷的捆綁效應嚴重制約了對材料電性和磁性的調控維度,實現自旋和電荷注入機制的分離成為稀磁半導體材料設計和研製的重大挑戰。LiZnAs具有和GaAs同樣的晶體結構,電子能帶計算表明二者帶隙接近,具有可類比的半導體屬性。和GaAs不同之處在於,對LiZnAs在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋,載流子則通過改變Li的含量來進行調控。這樣,LiZnAs半導體就可以實現自旋和電荷注入機制的分離,為稀磁半導體的磁性和電性的調控分別提供了前提。

      靳常青研究組通過大量系統的實驗工作發現,Li(ZnMn)As在3%Mn摻雜量既可具有接近3個Bohr磁子的飽和磁矩(Mn2+高自旋態的最大飽和磁矩為5個Bohr磁子),鐵磁居裡溫度(Tc)可達50K。進一步研究發現,Li(ZnMn)As具有低的矯頑力(∼30Oe),這為瞄準應用的低場調控自旋和電荷提供了可能。

      (Ga,Mn)As稀磁半導體研製工藝苛刻,自旋注入只能在處於低溫的薄膜材料實現,嚴重限制了對材料宏觀物性的表徵。比如,由於沒有可供進行中子實驗塊的體材料,(Ga,Mn)As稀磁半導體的磁性起源和機制依然存有很大爭議。由於具有和(Ga,Mn)As同樣的半導體結構,Li(ZnMn)As稀磁體的研製成功,為精細表徵(Ga,Mn)As類稀磁體的磁性起源提供了重要條件。本工作的合作者,美國哥倫比亞大學物理系的Uemura教授運用μSR技術研究了Li(ZnMn)As的磁性,的確在低Mn摻雜觀察到體態的長程磁有序。

      靳常青研究組在2008年的鐵基超導熱中發現了以LiFeAs為代表的“111”型鐵基超導體【Solid State Communications 148, 538 (2008)】,本次發現Li(ZnMn)As稀磁體,為他們以上工作的擴展。更為有趣之處在於,LiZnAs、LiFeAs、LiMnAs具有可匹配的晶格參數,這為設計基於磁性、半導體和超導體的異質結,探索新的物理效應和新的應用特性提供了重要可能。

      以上工作是與美國哥倫比亞大學物理系Uemura教授研究組共同開展,其他合作者包括日本原子能研發集團先端科學研究中心的Maekawa教授、清華大學物理系王亞愚教授、日本東京大學Uchida教授的研究團隊。相關發表在近期Nature Communications 2:422 (2011)上,研究工作得到基金委重大國際合作專案、重大研究計畫培育專案、科技部量子調控專案的資助。

      來源:科學院

      


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