稀磁半导体材料的结构与性质

半导体材料硅的基本性质

一．半导体材料

1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：

图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围

1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：

元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。

化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。

1) 二元化合物

GaAs — 砷化镓

SiC — 碳化硅

2) 三元化合物

AlGa11As — 砷化镓铝

AlIn11As — 砷化铟铝

1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：

本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。

非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。

1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：

施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。

受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。

图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅

1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。

由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。

掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。

由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。

二．硅的基本性质

1.1 硅的基本物理化学性质

硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。

性质 符号 单位 硅（Si）

稀土永磁材料的性能与结构

稀土永磁材料是一类特殊的磁性材料，其以稀土元素为主要成分，具有较高的磁能积和矫顽力，被广泛应用于电动机、发电机、磁制冷、声学设备等领域。它们的性能与结构密切相关，在下面我将详细介绍稀土永磁材料的性能及其与结构之间的关系。

首先，稀土永磁材料的性能受到其晶体结构的影响。稀土永磁材料多为金属间化合物，其晶体结构可以分为三类：纳结构、逆磁结构和超晶格结构。纳结构材料是最常见的一类稀土永磁材料，其具有多晶结构，晶粒间有较小的间隙，能够允许磁矩的旋转，使其具有较高的剩磁和矫顽力。逆磁结构材料中，稀土元素的磁矩方向与其他元素的磁矩方向相反，这种结构能够减小晶格中的磁偶极作用，从而提高材料的磁软化和磁稳定性。超晶格结构材料则是利用稀土元素和非稀土元素形成晶格交错的结构，能够通过调整不同元素的比例来改变材料的磁性能。

其次，稀土永磁材料的性能与晶体结构中的微观缺陷和磁畴的形成和排列密切相关。稀土永磁材料中晶格中常常存在晶格扭曲、格点位移等微观缺陷，这些缺陷会影响到晶体的磁性能。另外，磁畴是稀土永磁材料中磁矩排列有序的区域，其中磁矩之间具有较强的相互作用。稀土永磁材料在加工过程中通常会出现磁畴的尺寸减小、磁畴的磁相互关联以及磁畴壁的移动等现象，这些变化会影响到材料的磁饱和磁化强度和矫顽力。

此外，氧化物包裹和稀土合金形成等结构工程也会对稀土永磁材料的性能产生显著影响。稀土永磁材料常常由于氧化等原因引起的微观缺陷，导致对磁矩的影响更大。通过掺杂适量的氧化物衍生出的包裹薄膜可以有效地减小这些缺陷对磁性能的影响。此外，稀土合金形成也可以通过引入其他元素来改变晶体结构和磁性能，例如，通过在稀土永磁材料中引入铁、锰等不同元素形成稀土合金，可以改变材料的磁性能。

总之，稀土永磁材料的性能与结构紧密相关。晶体结构、微观缺陷和磁畴的形成及排列方式等因素对材料的磁饱和磁化强度、矫顽力和磁稳定性等性能产生显著影响。这些影响因素的进一步研究有助于开发出更具优异性能的稀土永磁材料，并拓展其在新能源、高效电机和磁记录等领域的应用。

中国西部科技２０１３年１１月第１２卷第１１期总第２９２期　４１　

Ｚｎ０基稀磁半导体的第一性原理研究进展　

吴瑞强　马勇　张楠　

（重庆市光电功能材料重点实验室，重庆师范大学光学工程重点实验室，重庆４０１３３１）　

摘要：综述了ＺｎＯ基稀磁半导体的应用意义及其近些年以来的研究进展。从晶体结构、材料的第一性原理研究现状和待　

解决的问题几个方面阐述了以ＺｎＯ基稀磁半导体的基本特点，并展望了今后的研究重点及发展方向。　关键词：第一性原理；ＺｎＯ；稀磁半导体；居里温度；研究进展　

Ｄ０ｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉ　ＳＳｒ１．１６７１—６３９６．２０１３．１　１．Ｏ１　７　

１　引言　随着社会发展人类已经进入了信息时代，为实现更高的　

信息处理速度，更快的传输速度，人们需要不断开发性能更　

加优异的功能器件，然而传统的半导体器件制作和研发工艺　虽然已经很成熟，但它们只是利用了电子的自旋属性，如果　能在半导体中注入自旋，同时操纵和利用电子的电荷和自　

旋，无疑将在信息技术领域掀起一场新的革命。稀释磁性半　

导体，又称稀磁半导体（Ｄｉｌｕｔｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，　ＤＭＳ）…，是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分　替代ＩＩ一Ⅵ族或ＩＩＩ．Ｖ族等半导体中的非磁性元素后所形成的　

一类新型半导体材料【　，如图１所示给出了磁性、稀磁性及　

非磁性半导体的磁性结构示意。稀磁半导体集电子电荷和自　旋两个自由度于一身，同时具备磁性材料和半导体材料的特　性，在自旋电子学以及光电子领域已经展现出非常广阔的应　

用前景［３＇４］。因此，无论在理论上，还是在应用上，ＤＭＳ材　

料都是一个值得深入研究的课题。　

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ｆ－’　ｔｂ】《ｃ）　图１磁’ｌ生（ａ）、稀磁（ｂ）及非磁（Ｃ）结构示意　近些年，Ｄｉｅｔｌ［　】和Ｓａｔｏ［。】等人的理论计算表明ＺｎＯ掺杂　

可能获得室温铁磁性，同时ＺｎＯ半导体作为母体材料的稀　磁半导体可能实现较高的掺杂浓度，而且有着制备方法多　样、原料廉价丰富、环境友好等优点，因而ＺｎＯ半导体成　

稀土材料在半导体技术中的应用与发展趋势

引言

半导体技术是现代信息技术的基础，广泛应用于电子产品、通信设备、能源和照明等领域。稀土材料作为一类特殊的化学元素，具有优异的光电性能和磁性能，因此在半导体技术中有着重要的应用。本文将讨论稀土材料在半导体技术中的应用，并探讨其发展趋势。

稀土材料的基本特性

稀土材料是指由15个稀土元素组成的化合物，它们具有特殊的的电子结构和磁相互作用。稀土材料具有以下基本特性：

1. 光电性能：稀土材料具有丰富的能级结构，可以发射和吸收特定波长的光，因此可以用于光电器件的制造。

2. 磁性能：部分稀土材料具有强磁性，可以用于磁性存储和传感器等领域。

3. 导电性能：稀土材料的离域电子结构决定了其良好的导电性能，可以应用于导电薄膜和传导材料等领域。

稀土材料在半导体技术中的应用

稀土材料在半导体技术中有着广泛的应用，本节将着重介绍其在光电器件和磁性存储方面的应用。

光电器件中的应用

稀土材料在光电器件中的应用主要体现在发光二极管（LED）、激光器和光电探测器等方面。

LED

稀土材料可以作为发射层的材料，通过改变稀土的种类和掺杂浓度可以发射不同波长的光。稀土材料能够发射可见光和红外光，因此可以用于制造白光LED和红外LED，广泛应用于照明和通信等领域。

激光器

稀土材料在激光器中作为激活剂被广泛应用。稀土材料能够产生高纯度、高效率的激光光源，不仅可用于科学研究，还应用于医学、材料加工和通信等领域。 光电探测器

稀土材料在光电探测器中作为敏感材料具有重要应用。稀土材料对特定波长的光具有高度敏感性，能够将光信号转化为电信号，因此可以用于制造高性能的光电探测器。

磁性存储中的应用

稀土材料在磁性存储器件中具有重要的应用。稀土材料具有强磁性，可以用于制造高密度的磁性存储器设备，如硬盘驱动器和磁卡等。

稀土材料在半导体技术中的发展趋势

稀土材料在半导体技术中的应用正不断发展和创新，其发展趋势主要体现在以下几个方面：