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    我国学者在室温磁性半导体研究中取得重要进展

    日期 2016-12-16   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:51471091,51271095,11332013)等资助下,清华大学材料学院陈娜副研究员与合作者的研究成果以“A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass(源于铁磁金属玻璃的室温磁性半导体)”为题于2016年12月8日在Nature Communication发表。论文链接http://www.nature.com/articles/ncomms13497

      以控制电荷自由度为基础的半导体材料与器件是现代信息技术的基石。如果能让半导体有磁性,则不仅可以控制电荷自由度,还可以控制电子的自旋,有可能实现信息的加工处理、存储乃至输运,进而提供一种全新的导电方式和器件概念。Science杂志在2005年提出125个重要科学问题,其中“有没有可能创造出室温能够工作的磁性半导体材料”就是专门针对这种新型自旋电子学材料。然而,长久以来,磁性半导体的研究对象主要为稀磁半导体,通过在非磁性半导体中添加过渡族磁性金属元素使半导体获得内禀磁性。但是迄今为止报道的大多数稀磁半导体居里温度低于室温,特别是实现了低温原型器件功能的热点材料之一III-V族稀磁半导体砷化镓(锰)((Ga,Mn)As)的最高居里温度仅为200 K,无法满足电子器件在室温下工作的需求。

      最近,清华大学材料学院非晶合金研究组陈娜副研究员与合作者通过诱导磁性金属玻璃发生金属-半导体转变的方式,开发出居里温度高于600 K的p型磁性半导体。他们通过在居里温度远高于室温的磁性金属玻璃中引入诱发半导体电性的元素,使得磁性金属导电行为发生从金属到半导体的转变,在保留原有高温内禀磁性的同时获得半导体特性,开发出高居里温度的新型钴铁钽硼氧(CoFeTaBO)磁性半导体。该磁性半导体为p型,带隙约为2.4eV,具有室温光致发光现象和室温铁磁性。基于该p型磁性半导体与n型单晶硅集成实现了p-n异质结和p-n-p结构的制备,表明该新型磁性半导体可以和现有硅基半导体进行工业兼容。与此同时,对于载流子调制磁性的磁性半导体而言,其电学和磁学性能相互关联;而基于此新型磁性半导体制备的电控磁器件通过外加门电压调控其载流子浓度,实现了室温磁性的显著调控,进一步证实该p型磁性半导体的本征电磁耦合特性。

     

      图(a)磁性半导体操控电荷和自旋示意图;(b)居里温度高于600K的p型磁性半导体,直接带隙约为2.4 eV;(c)基于该磁性半导体的室温电控磁器件表明其磁性为载流子调制。



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