《中国学术期刊文摘》(中文版)综述文摘选登

稀磁半导体的研究进展赵建华(中国科学院半导体研究所,半导体超晶格国家重点实验室,北京100083)主要介绍了III-V族稀磁半导体(Ga,Mn)As的研究进展,包括(Ga,Mn)As的生长制备、基本磁性质、磁输运特征、磁光性质、磁性起源、相关的异质结构和自旋注入等,同时还简单介绍了其他稀磁半导体如IV族、III-VI族和IV-VI族等稀磁半导体的研究进展,在文章的最后描述了理想的稀磁半导体应该具备的特征以及对未来的展望。     

“1111”型稀磁半导体的研究进展

我们成功地制备了载流子和自旋分离的"1111"型块材稀磁半导体(La,AE)(Zn,TM)AsO(AE=Ba,Sr;TM=Mn,Fe)居里温度TC可以达到40K.我们研究了载流子和局域磁矩对铁磁有序的调制作用,在(La1-xSrx)(Zn0.9Mn0.1)AsO(x=0.10,0.20,0.30)中,控制Mn的浓度为10%,改变Sr的掺杂浓度,当Sr的掺杂量为10%时,我们可以观测到～30 K的铁磁转变温度;而当Sr的掺杂量达到30%时,铁磁转变温度和有效磁矩都大幅度地降低.我们运用缪子自旋共振和中子散射等微观测量手段研究了该系列材料的自旋动力学,缪子自旋共振的测量表明铁磁有序转变发生在整个样品内,即样品是块材稀磁半导体;缪子自旋共振测量得到的"1111"型稀磁半导体静态局域场振幅as与居里温度TC的关系和(Ga,Mn)As,"111"型Li(Zn,Mn)As,以及"122"型(Ba,K)(Zn,Mn)2As2一致,表明这些体系拥有相同的磁性起源机制.我们对该系列稀磁半导体的研究有利于进一步揭示包括(Ga,Mn)As在内的稀磁半导体的磁性起源机制.     

IV-VI族稀磁半导体的磁化理论

简单介绍了IV-VI族稀磁半导体的特性。IV-VI族稀磁半导体的自发磁化、矫顽力和居里温度等性质可由载流子浓度调节。对制造技术导致的缺陷反应迟钝用常规制备方法就可以制备IV-VI族稀磁半导体。作为一种磁离子和载流子能被分别导入和控制的稀磁半导体,IV-VI族稀磁半导体有利于研究稀磁半导体中的铁磁特性。给出了IV-VI族稀磁半导体由独立磁离子杂质、相邻杂质相互作用、晶格反磁性和载流子自旋密度四部分作用组成的总磁化强度的各部分的数学表达式。     

过渡金属掺杂CuGaS2的磁学性质

应用基于自旋极化的第一性原理系统地对3d过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂CuGaS2的磁学性质进行理论计算.通过对过渡金属对CuGaS2掺杂,在铁磁状态下取代不同离子(Cu和Ga)结合能的比较,我们发现:过渡金属在CuGaS2中比较容易占据Ga的位置.通过对稀磁半导体(DMS)磁性稳定性的研究,可以发现到:在Cr、Mn掺杂的CuGaS2中,DMS表现为铁磁状态,其居里温度将可能高于(Ga,Mn)As,其他过渡金属掺杂时,DMS则表现为反铁磁状态.并验算了一条判断DMS磁性状态的简单规律.     

用XANES研究Ga_(1-x)Mn_xN稀磁半导体的Mn原子的局域结构

利用基于实空间多重散射的XANES研究了Ga1-xMnxN(x=0.01,0.25,0.10)稀磁半导体中Mn原子的局域结构.结果表明在低Mn含量(摩尔浓度)的Ga0.990Mn0.010N样品中,Mn原子替代了GaN中的Ga,以替位形式存在.当Mn含量增加到0.025时,部分Mn原子处于被4个Ga所包围的间隙位,并与替位Mn原子形成了MnGa-MnI二聚体.当Mn含量进一步增加到0.100时,样品中的Mn原子主要以Mn团簇形式存在.     

用XANES研究Ga1-xMnxN稀磁半导体的Mn原子的局域结构

利用基于实空间多重散射的XANES研究了Ga1-xMnxN(x=0.01,0.25,0.10)稀磁半导体中Mn原子的局域结构.结果表明在低Mn含量(摩尔浓度)的Ga0.990Mn0.010N样品中,Mn原子替代了GaN中的Ga,以替位形式存在.当Mn含量增加到0.025时,部分Mn原子处于被4个Ga所包围的间隙位,并与替位Mn原子形成了MnGa-Mn1二聚体.当Mn含量进一步增加到0.100时,样品中的Mn原子主要以Mn团簇形式存在.     

过渡金属掺杂的I-III-VI_2黄铜矿电磁性质的第一性原理研究

应用自旋极化的第一性原理对过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和N i)掺杂的CuGaSe2和CuGaS2进行研究.计算结果表明:Cr和Mn掺杂的I-III-VI2稀磁半导体(DMS)表现为铁磁性质,而V、Fe、Co和Ni掺杂时表现为反铁磁性质.对稀磁半导体的磁矩研究,其结果符合一条简单的规律:当磁性离子3d的t2g轨道完全被占据时,磁性离子的磁矩比理论的期望值小;当磁性离子3d的t2g轨道处于全空时,磁性离子的磁矩比理论的期望值大;而当磁性离子3d的t2g轨道处于部分被占据时,磁性离子的磁矩与理论值的差距主要取决于晶体的对称性和磁性离子的状态.     

过渡金属掺杂的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2黄铜矿电磁性质的第一性原理研究

应用自旋极化的第一性原理对过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和N i)掺杂的CuGaSe2和CuGaS2进行研究.计算结果表明:Cr和Mn掺杂的I-III-VI2稀磁半导体(DMS)表现为铁磁性质,而V、Fe、Co和Ni掺杂时表现为反铁磁性质.对稀磁半导体的磁矩研究,其结果符合一条简单的规律:当磁性离子3d的t2g轨道完全被占据时,磁性离子的磁矩比理论的期望值小;当磁性离子3d的t2g轨道处于全空时,磁性离子的磁矩比理论的期望值大;而当磁性离子3d的t2g轨道处于部分被占据时,磁性离子的磁矩与理论值的差距主要取决于晶体的对称性和磁性离子的状态.     

宽带隙半导体SiC非磁性掺杂研究取得进展

长期以来,过渡元素（Fe,Mn,Co等）掺杂稀磁宽带隙半导体的磁性来源问题一直存在着很大争议．主流观点认为,由于样品制备条件的差异,大多数过渡元素掺杂宽带隙半导体的磁性来源于磁性杂质的干扰或磁性原子在基体形成团簇所致,而不是掺杂材料的本征特性．因此,通过掺杂非磁性元素可以有效地避免磁性杂质的引入,排除磁性杂质的干扰,可以为探讨稀磁半导体的磁性来源提供理想的实验体系．这对深入认识宽带隙半导体中自旋长程有序的机制有着重要学术意义．     

III-V稀磁半导体研究进展

低温分子束外延技术的应用，使高浓度掺杂的Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体得以成功制备，与现代半导体器件兼容．本概要地回顾了磁性半导体的发展历史，介绍了目前的实验，应用及理论进展．     

黄铜矿半导体DMS的第一原理计算

为了寻找新的高Tc的稀磁半导体(DMS)，利用自旋局域密度泛函的第一性原理对3d过渡金属(TM=Ⅴ、Cr、Mn、Fe、Co或Ni)掺杂的Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2(CdGeP2和ZnGeP2)以及Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2(CuGaS2和CuGaSe2)黄铜矿半导体的电磁性质进行系统计算．结果发现：Ⅴ或Cr掺杂的Ⅱ-Ⅳ-V2将出现铁磁(FM)状态，而Mn、Fe或Co掺杂的Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2将出现反铁磁(AFM)状态，Ni掺杂时，DMS的磁性非常不稳定；在TM掺杂的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2的DMS中，Cr、Mn掺杂的CuGaS2和CuGaSe3将表现为FM状态，而当V、Fe、Co或Ni掺杂时，Cu(Ga，TM)S2和Cu(Ga，TM)Se2则表现了AFM性质．Cr掺杂的Ⅰ-Ⅳ-Ⅴ2以及Ⅰ-Ⅳ-Ⅵ3黄铜矿半导体将可能出现较高的居里温度(Tc)。     

Au 钝化Si(100)表面的电子特性

近年来 ,在半导体衬底 (如 Si,Ga As)上生长磁性薄膜 ,在基础研究及应用领域引起人们的极大兴趣 .然而 ,由于半导体元素 (如 As,Ga,Si等 )与磁性薄膜层的相互扩散 ,很难得到高质量的薄膜 .在 Si( 1 0 0 )表面吸附 Fe时 ,有 Si扩散到 Fe层生成硅化物 (如 Fe Si,Fe3 Si,α- Fe Si2 ,3 等 ) ,这一现象严重影响了薄膜的磁性 .为了解决这一问题 ,近年来 ,人们开始利用半导体表面钝化技术来阻止这一扩散过程 .就 Si( 1 0 0 )表面而言 ,目前在实验上提出用 S,Se和 B钝化 ,但这些方法导致表面变得粗糙 ,而且不能清楚地反映阻止硅化物形成的…     

烧结温度对Co掺杂ZnO稀磁半导体性能的影响

通过溶胶—凝胶法制备了Co掺杂ZnO稀磁半导体纳米颗粒,利用X射线衍射仪、透射电子显微镜和振动样品磁强计等测试手段对Co掺杂ZnO稀磁半导体样品进行了结构和磁性表征.结果表明,随着烧结温度的升高,样品的固溶度逐渐增加.当样品的烧结温度为800℃时,样品为单相的ZnO结构.磁性测试结果表明,Co掺杂ZnO稀磁半导体在室温下具有铁磁性.     

ZnO基稀磁半导体的研究进展

现在的信息技术主要利用电子的电荷自由度去处理和传输信息,利用电子的自旋自由度去存储信息.而稀磁半导体同时利用了电子的电荷属性和自旋属性进行信息处理和存储,使其成为了一类新型的半导体.稀磁半导体具有很多特殊的性质,在高密度存储器、半导体集成电路、半导体激光器和量子计算机等领域将会有广阔的应用前景.本文主要介绍了近年来世界各国研究小组采用不同方法合成的ZnO基稀磁半导体,对其磁性进行了系统研究,分析了铁磁性产生的机理.     

Mn掺杂的TiO2粉体的结构和磁性

采用溶胶-凝胶法制备了过渡金属Mn掺杂的TiO2基稀磁半导体粉末.XRD结果表明,所有样品均为锐铁矿结构,不存在任何杂相,且随掺杂浓度的增大,品格常数单调减小,表明Mn替代Ti进入晶格形成稀磁半导体结构.采用VSM检测样品磁性,x=0.06,0.08的样品显示为室温顺磁性,x=0.12的样品在刚加外磁场时,饱和磁化强度随磁场强度的变化类似铁磁材料的情形,但与铁磁材料不同的是随着H的增加,M并没有趋于饱和,而是像顺磁材料那样M随H的增加而线性增加.     

碳掺杂二氧化钛的稀磁特性

作为新型材料的稀磁半导体(DMS)在大规模集成电路、高频率器件和光电子器件等方面得到广泛的运用.这主要源于稀磁半导体(DMS)同时具备半导体的电学性质和磁性材料的磁学性质.采用放电等离子烧结(SPS)制备了碳纳米管掺杂的锐钛矿相二氧化钛和未掺杂锐钛矿相二氧化钛样品,样品的结构、形貌、成分、氧空位和磁性等物理性质分别通过XRD,TEM,Raman,XPS,PL,VSM等表征手段进行了分析.综合实验结果,发现氧空位的存在和室温铁磁性正相关.     

用XANES研究Ga1-xMnxN稀磁半导体的Mn原子的局域结构

利用基于实空间多重散射的XANES研究了Ga（1-x）MnxN（x=0．01，0．25，0．10）稀磁半导体中Mn原子的局域结构．结果表明在低Mn含量（摩尔浓度）的Ga0.990Mn0．010N样品中，Mn原子替代了GaN中的Ga，以替位形式存在．当Mn含量增加到0．025时，部分Mn原子处于被4个Ga所包围的间隙位，并与替位Mn原子形成了MnGa-Mn1二聚体．当Mn含量进一步增加到0．100时，样品中的Mn原子主要以Mn团簇形式存在．     

Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95合金的结构、磁致伸缩和M(o)ssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95 (T = Mn, Fe, Co, B, Al, Ga)合金中ⅢA族金属和过渡金属元素T替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、自旋重取向的影响. 结果发现, 不同金属T替代Fe, Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95合金具有相同的MgCu2型立方Laves相结构. ⅢA族金属B, Al, Ga替代使磁致伸缩(s下降幅度较大, 同时发现Al, Ga替代使磁致伸缩容易饱和, 表明Al, Ga替代可降低 Tb0.3Dy0.7(Fe1-xTx)1.95合金的磁晶各向异性, 而过渡金属Mn, Co替代Fe使Tb0.3Dy0.7(Fe1-xTx)1.95合金磁致伸缩λs 下降幅度较小; 不同替代金属元素, 对内禀磁致伸缩(111有不同的影响. M(o)ssbauer 效应表明, Al, Ga 替代使 Tb0.3Dy0.7- (Fe0.9T0.1)1.95合金的易磁化方向在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴, 即自旋重取向, B, Mn, Co替代未使易磁化轴发生明显转动.     

掺杂浓度对稀磁性半导体(Ga,Fe)As的晶格常数及磁性质的影响

运用第一性原理下的LMTO ASA方法计算了稀磁半导体Ga1-xFexAs(x=1,1/4,1/8)在不同磁状态下的总能量,由能量最低原理我们得到其相应的晶格常数及磁状态.     

Tb_(0.3)Dy_(0.7)(Fe_(0.9)T_(0.1))_(1.95)合金的结构、磁致伸缩和Mssbauer研究

系统研究了室温下Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95(T=Mn,Fe,Co,B,Al,Ga)合金中ⅢA族金属和过渡金属元素T替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、自旋重取向的影响.结果发现,不同金属T替代Fe,Tb0.3Dy0.7(Fe0.9T0.1)1.95合金具有相同的MgCu2型立方Laves相结构.ⅢA族金属B,Al,Ga替代使磁致伸缩λs下降幅度较大,同时发现Al,Ga替代使磁致伸缩容易饱和,表明Al,Ga替代可降低Tb0.3Dy0.7(Fe1?xTx)1.95合金的磁晶各向异性,而过渡金属Mn,Co替代Fe使Tb0.3Dy0.7(Fe1?xTx)1.95合金磁致伸缩λs下降幅度较小;不同替代金属元素,对内禀磁致伸缩λ111有不同的影响.M?ssbauer效应表明,Al,Ga替代使Tb0.3Dy0.7-(Fe0.9T0.1)1.95合金的易磁化方向在{110}面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴,即自旋重取向,B,Mn,Co替代未使易磁化轴发生明显转动.