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.     

C掺杂ZnO稀磁半导体的磁特性研究

利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,研究C掺杂ZnO稀磁半导体的磁性质.发现ZnO∶C体系的磁性来源于C-p和Zn-d轨道之间的杂化,铁磁性产生的机制是以巡游电子为媒介的铁磁交换作用.富O环境下制备ZnO∶C样品能够更好地在室温下得到稳定的铁磁有序.     

稀磁半导体材料的研究进展

本文系统地对稀磁半导体（DMS）材料的发展历史进行了总结,介绍了DMS的分类、物理性质和制备方法,并DMS的研究方向进行了展望。     

“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.     

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．     

ZnO基稀磁半导体纳米薄膜材料的研究进展

目的 综述ZnO基稀磁半导体(DMS)纳米薄膜材料的研究进展概况,揭示本研究领域存在的某些问题,并在此基础上分析其发展前景.方法 参考58篇相关文献,对其结构和掺杂体系进行总结和比较.结果 从ZnO基DMS纳米薄膜材料的制备方法、掺杂其它元素两方面进行了综述,并指出了目前研究中存在的问题,即难以合成出高质量均匀掺杂的样品;磁性来源问题尚未形成统一的定论;探求影响磁学性质的本质的微观因素需要深入研究,以及制备样品的重复率不高.结论 具有室温铁磁性的DMS是自旋电子学应用的基础,它是利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件.其研究虽有长足发展,但是要制备出比较理想的ZnO基DMS纳米薄膜材料的技术目前看来还不够成熟,依然需要深入研究.     

ZnO基稀磁半导体薄膜性能研究进展

目前研究磁性半导体的主要方法是对半导体进行过渡金属元素(Mn,Co,Fe)掺杂,使之具备半导体和磁性材料的综合特性,在材料科学和未来自旋电子器件领域具有广阔的应用前景。本文对近几年来过渡金属离子掺杂的ZnO薄膜材料磁性能的研究进展作一综述。     

稀磁半导体Zn_(1-x)Co_xS光谱的理论解释

以Co2 + 自由离子的 3d电子径向波函数为基础 ,对Zn1-xCoxS中的电子云延伸效应进行了理论研究 .引入了电子云延伸效应系数κ ,得到了Zn1-xCoxS中Co2 + 离子的最优化 3d电子径向波函数 ,并由此得到了Zn1-xCoxS的光谱 .结果表明 :应用晶体场理论 ,考虑到电子云延伸效应的修正 ,对于研究稀磁半导体的光谱性质是方便有效的 .同时也从物理学本质上解释了电子云延伸效应 .     

稀土元素Gd掺杂氮化物半导体在自旋电子器件中的应用

本研究利用分子束外延的方法生长了Gd掺杂氮化物半导体。根据X线衍射和XAFS测定未有发现第二相的析出。观察到了来自InGdGaN的光致发光,发光峰随着InN的摩尔份数的变化而变化。这些材料在室温明显地观测到了磁滞曲线。Si共掺杂的GaGdN超晶格显示出了超大的磁矩,其原因可归于载流子诱发铁磁。最后,说明了这一材料在自旋发光二极管中的应用。     

掺Ni的AlN薄膜稀磁半导体的制备及磁性研究

采用射频磁控溅射的方法制备掺Ni的AlN薄膜Al1-xNixN(x=0.021、0.047、0.064、0.082),薄膜样品沿AlN(100)晶向生长.利用振动样品磁强计研究其磁性能,发现样品在室温下均具有铁磁性,随Ni掺杂量的增加,饱和磁矩先减小后增大,最大矫顽力达104Oe.结合X线光电子能谱分析,推断掺杂Ni原子进入AlN晶格取代了Al的位置,样品的铁磁性可以用Ni与相邻N原子之间的p-d杂化机制来解释.     

Zn1-xCrxO稀磁半导体薄膜的制备及磁性研究

采用磁控交替溅射方法和真空退火处理制备了Zn1-xCrxO薄膜,利用全自动X射线衍射仪和物理性质测量仪对样品的结构、晶粒尺寸及磁性等进行了测量和标度,得到了具有室温磁性的掺Cr的氧化锌基稀磁半导体.     

过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展

简要介绍了ZnO基稀磁半导体（DMSs）材料的最新研究进展,指出了该领域的研究热点和存在的问题,提出了可能的解决方案,并在此基础上对DMSs的潜在应用前景进行了论述。     

掺杂Li对MnxCu1-xO稀磁半导体电学性质的影响

系统地研究了Li掺杂MnxCu1-xO稀磁半导体样品的制备。采用固相反应法,通过改变掺杂浓度、制备工艺等方法获取不同的样品,通过比较、拟合Nyquist图,找出最佳的掺杂方法,并利用交流阻抗谱法分析样品的结构及其电学性质。     

Zn1-xCoxO稀磁半导体的XAFS研究

利用XAFS技术研究溶胶-凝胶法制备的Zn（1-x）CoxO稀磁半导体材料结构随Co含量（x）的变化．结果表明在低含量的Co掺杂ZnO（x=0．02，0．05）时Co^2＋离子完全进入ZnO晶格中，替代了Zn^2＋离子，并且造成了Co^2＋离子周围局域结构的膨胀．当Co的含量x增加到0．10或更高时，只有一部分的Co^2＋离子进入晶格，剩余的Co^2＋和Co^3＋析出晶格形成Co3O4相．     

Coherent spin manipulation without magnetic fields in strained semiconductors

A consequence of relativity is that in the presence of an electric field, the spin and momentum states of an electron can be coupled; this is known as spin-orbit coupling. Such an interaction opens a pathway to the manipulation of electron spins within non-magnetic semiconductors, in the absence of applied magnetic fields. This interaction has implications for spin-based quantum information processing and spintronics, forming the basis of various device proposals. For example, the concept of spin field-effect transistors is based on spin precession due to the spin-orbit coupling. Most studies, however, focus on non-spin-selective electrical measurements in quantum structures. Here we report the direct measurement of coherent electron spin precession in zero magnetic field as the electrons drift in response to an applied electric field. We use ultrafast optical techniques to spatiotemporally resolve spin dynamics in strained gallium arsenide and indium gallium arsenide epitaxial layers. Unexpectedly, we observe spin splitting in these simple structures arising from strain in the semiconductor films. The observed effect provides a flexible approach for enabling electrical control over electron spins using strain engineering. Moreover, we exploit this strain-induced field to electrically drive spin resonance with Rabi frequencies of up to approximately 30 MHz.     

稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻

关于GaMnAs/AlAs/GaMnAs磁单结的隧道磁电阻有着广泛的研究,利用转移矩阵的方法研究了稀磁半导体超晶格中隧道磁电阻。数值模拟表明:系统会发生共振隧穿,并且共振峰会劈裂。系统的隧道磁电阻随着势垒宽度的增减逐渐减小。     

Analysis of magnetic mechanisms of 3d-doped ZnO diluted magnetic semiconductors by an abnormal peak on M-T curve

The crystallographic structures and magnetic properties of a Zn0.95Co0.05O thin film deposited on a C-sapphire substrate using a dual-beam pulsed laser deposition method were characterized. It was shown from crystallographic analysis that the film belongs to the wurtzite structure with the C-axis aligned with that of the substrate. Magnetic hysteresis loops were observed till up to room temperature. A small peak around 55 K was noticed on the magnetization vs. temperature curve. The corresponding temperature of the small peak is close to that of ‘the abnormal peak’ reported by X.M. Zhang et al. From the results obtained, no correlation was found between the abnormal peak and the quantum effects. The magnetic behaviors in the Zn0.95Co0.05O film cannot be explained by the ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors. The magnetic mechanisms in ZnO-based diluted magnetic semiconductors are also discussed.     

Manipulating spin and charge in magnetic semiconductors using superconducting vortices

The continuous need for miniaturization and increase in device speed drives the electronics industry to explore new avenues of information processing. One possibility is to use electron spin to store, manipulate and carry information. All such 'spintronics' applications are faced with formidable challenges in finding fast and efficient ways to create, transport, detect, control and manipulate spin textures and currents. Here we show how most of these operations can be performed in a relatively simple manner in a hybrid system consisting of a superconducting film and a paramagnetic diluted magnetic semiconductor (DMS) quantum well. Our proposal is based on the observation that the inhomogeneous magnetic fields of the superconducting film create local spin and charge textures in the DMS quantum well, leading to a variety of effects such as Bloch oscillations and an unusual quantum Hall effect. We exploit recent progress in manipulating magnetic flux bundles (vortices) in superconductors and show how these can create, manipulate and control the spin textures in DMSs.