I—II—V族基新型稀磁半導體的研究進展

徐建

【摘 要】I-II-V族基新型稀磁半導體實現了電荷和自旋注入的分離調控，成為半導體領域的研究熱點。本文從傳統稀磁半導體出發，詳述I-II-V族基新型稀磁半導體的研究進展，并對今后發展進行了展望。

【關鍵詞】傳統稀磁半導體；I-II-V族基新型稀磁半導體；研究進展

中圖分類號： O472 文獻標識碼： A 文章編號： 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

半導體材料與我們日常生活已經密不可分，半導體的電荷特性被成功的應用在集成電路、高頻和大功率器件上，進行加工信息和臨時存儲。而磁性材料中電子的自旋特性則主要用于硬盤、磁帶、磁光盤這類高容量信息存儲器件。由于現在信息存儲技術的不斷發展，我們需要一種新的信息載體突破Moore定律，才能給社會帶來更大的效益。如果能制備出能夠同時操作電子自旋和電子電荷兩個自由度的半導體來進行信息的加工處理和儲存，就可以很好的解決這個問題。稀磁半導體不僅具有磁性還具有半導體性質，可以用來同時操控電子的自旋和電荷自由度。所以對于稀磁半導體的研究無論在理論上還是實驗上都非常有意義。

對傳統的稀磁半導體雖然進行了大量的研究，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題。首先，由于材料中電荷與自旋同時引入，這種捆綁限制了電性和磁性的調控機制，進而無法直接進行電子摻雜，也就無法構成半導體器件的基本單位P-N結。其次，由于摻雜的不等價代替換導致磁性離子的溶解度受限，使其制備工藝非?？量?，只能形成亞穩態薄膜結構，制約了材料的宏觀表征，使其磁性機理尚存爭議的問題。I-II-V族基新型稀磁半導體實現了自旋和電荷的分別注入機制，成為了解決這些問題的最可能的突破口。

1 I-II-V族基新型稀磁半導體的研究現狀

在理論方面，2007年Masek等[1]利用LDA+U的計算方法得到Li（Zn，Mn）As中的由于Mn2+與Zn2+的等價替換，使Mn的平均溶解度提高，載流子的濃度可以通過Li的計量數調控，并且發現其居里溫度比當時的稀磁半導體（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算并進行優化得到了Mn摻雜的LiZnAs，LiZnP，LiZnN體系的電子結構，發現Li空位阻礙了體系的亞穩態分解，增強了Mn離子間的鐵磁交換作用可以提高體系居里溫度。對于Cr摻雜LiZnAs系統他們猜想由于強鐵磁雙交換占主導地位，使其可能具有更高的居里溫度。2014年王愛玲[3]利用第一性原理計算了Mn摻雜LiZnAs半導體發現材料的磁性和電性可分別通過Mn的摻入和Li的計量數的改變進行調控。同時發現隨著Mn的摻雜增大了體系光學帶隙，改變Li的含量也使其光學性質發生了變化。2015年鄧軍權等[4]采用第一性原理計算方法對新型稀磁半導體Cu摻雜LiMgN體系進行了研究發現，Cu的摻入也使體系產生了凈磁矩，且可以通過調節Li的含量來實現電性和磁性的調控，實現了自旋和電荷注入機制的分離。同時發現其光學性質也受Cu的摻入和Li的含量調控。

實驗研究方面靳常青等實驗組[5]首先用直接單質合成的方法成功進行了合成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。研究發現材料在3%Mn摻雜量時即可具有接近3個Bohr磁子的飽和磁矩，并且具有低的矯頑力（～30 Oe），這為瞄準應用的低場調控自旋和電荷提供了可能。電性質及輸送研究發現了該系列材料無論是Li過量摻雜還是Li不足摻雜，樣品的電阻率都會降低，表現出半導體行為。這說明引入過多的Li或者使得不足Li兩種情況都會引入載流子。實驗組還進行了μSR測量，通過測量磁有序體積發現此樣品的摻雜是均勻的，還得到其鐵磁轉變溫度。實驗結論得到當Mn濃度增加至15%，其居里溫度可達50K。后面該實驗組[6]通過P替代之前的有毒物質As，利用固體合成法制備了塊狀Li（Zn，Mn）P樣品進行研究發現，該體系不僅實現了電荷與自旋注入機制的分離；并且在固定Li含量不變時，隨著樣品中Mn含量的增加其居里溫度也持續上漲。實驗得到了3% Mn濃度摻雜的Li（Zn，Mn）P具有接近2個Bohr磁子的飽和磁矩，同時材料具有很小的矯頑力（～50 Oe），這同樣為低場調控自旋和電荷的潛在應用提供了可能。另外，浙江大學寧凡龍研究組[7]利用核磁共振實驗證實了Li（Zn，Mn）P中的鐵磁來源于Mn磁矩的長程有序排，并且對Li（Zn，Mn）P的弛豫時間測量，發現這個體系中傳導電子和局域電子的自旋漲落行為，說明了巡游電子對于自旋的調制作用。雖然目前實驗研究證明其居里溫度只能達到34K，但是其載流子濃度要比之前的Li（Zn，Mn）As的載流子少3個數量級。通過理論和實驗可以得到增加載流子濃度有利于提升居里溫度，因此對于Li（Zn，Mn）P的研究還是有很大潛力，可以通過材料的優化，提高它的居里溫度。2014年，王權等[8]通過Li1.1（Zn1-xCrx）As的合成以及物理性質的研究。發現Li1.1（Zn1-xCrx）As與III-V族GaAs結構類似，都是立方晶體結構，空間群為F-43m。實驗證實，過量的Li產生了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，矯頑力達到了714 Oe，有效磁矩約為2～3μB/Cr；這為后面Cr摻雜系統通過精確控制載流子/自旋載體研究個體對鐵磁有序的影響提供了引導作用。endprint

2 現狀與展望

理想的稀磁半導體應具有高于室溫的居里溫度，雖然I-II-V族基新型稀磁半導體實現了自旋與電荷的分離調控，但是通過研究發現其居里溫度遠低于室溫，因此對于I-II-V族基新型稀磁半導體我們還是面臨一系列的挑戰。例如對于材料的制備，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體完全兼容，及以后如何將材料投入到應用中去。如若后面能攻克這些難題，I-II-V族基新型稀磁半導體的應用將大大的影響人們的生活，也將推動半導體材料研究的進展。

【參考文獻】

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[3]王愛玲，毋志民，王聰，等.新型稀磁半導體Mn摻雜LiZnAs的第一性原理研究[J].物理學報，2013，62（13）：137101-137101.

[4]鄧軍權，毋志民，楊武慶，等.新型稀磁半導體Cu摻雜LiMgN的電子結構和光學性質[J].科學通報，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