稀磁半导体与自旋电子学

自旋电子学是近些年来在半导体电子学和磁电子学基础上发展起来的一门新兴交叉学科。

丰富的物理内涵、明确的应用目标以及广阔的市场前景,自旋电子学已成为当今凝聚态物理和材料科学领域最为关注的方向之一。

其中,巨磁电阻的发现及在自旋器件上的应用是最有重大影响力的成果。

非易失性存储器和高密度磁存储器的诞生,不仅给基础研究注入了活力,更为市场带来了巨大的经济效益。

巨磁电阻研究的关键在于如何获得更为实用的低场室温磁电阻效应。

具有高自旋极化率的半金属材料,如掺杂锰氧化物,CrO2,Fe3O4等成为研究者的首选。

无论是提高半金属材料的内禀磁电阻,还是外禀磁电阻,都有着极大的研究和应用潜力。

研究表明,半金属颗粒复合体中,颗粒边界对低场磁电阻产生和增强有重要作用,调节颗粒边界势垒已成为颗粒体系中磁电阻增强的有效实验途径。

此外,掺杂锰氧化物中,3d/4d/5d 过渡族金属氧化物材料日益受到人们的关注。

在这类新型的磁电阻氧化物中,4d或5d金属离子较3d金属离子具有宽的d轨道和电子巡游特性,d电子与氧的2p电子存在较强的杂化作用。

自旋,轨道和晶格间的相互耦合,引起材料中大的电、磁响应以及巨磁电阻等丰富物理现象,为磁电阻材料研究范围的拓宽以及强关联电子体系中物理性质的探讨提供了新的实验依据。

另一方面,磁致冷技术的飞速发展使得凝聚态物理工作者越来越关注磁性材料的磁热效应。

传统的气体制冷存在众多的缺点,相比之下,磁制冷具有熵密度高、体积小、噪音小、无污染、高效低耗等独特优势。

磁制冷研究的关键在于获得室温附近大的磁热效应。

传统的金属钆（Gd）以及近年来报道的Gd5(Ge1-x Si x)4和La(Fe13-x Si x)等合金都是具有大磁熵变的磁性材料。

然而,这些材料中稀有金属的昂贵,化学性质的不稳定,居里温度单一,磁滞与热滞现象严重等因素,使得磁制冷技术的应用步履维艰。

值得注意的是,具有庞磁电阻的掺杂锰氧化物同样表现出了大的磁熵变效应,这一发现大大拓宽了磁制冷工质的研究范畴。

自旋电子学简介一、什么是自旋电子学？自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。

顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。

早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。

到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。

电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。

其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。

通过对电子电荷和电子自旋性质的研究，最近在电子学和信息技术领域出现了明显的进展。

这个进展的重要标志之一就是诞生了自旋电子学。

在传统的电子学中，数据处理集成电路所用的是半导体中电子的电荷，但并不是说电子的自旋自由度以前从没有用过，例如传统的数据存储介质，如磁盘，用的就是磁性材料中电子的自旋。

事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。

从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。

但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。

这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。

因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。

从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。

已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。

这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。

稀磁半导体的室温铁磁性研究进展摘要:由于具有室温铁磁性和在与电子自旋相关的电子器件上的潜在应用,稀磁半导体氧化物的研究引起了人们的高度关注。

实验上已经成功地制备了一系列具有室温铁磁性的氧化物稀磁半导体,其磁性特别是居里温度和磁性离子的磁矩与实验条件、制备方法、衬底选择等有密切的关系。

随着实验上稀磁半导体的制备成功,人们对其磁性机制也进行了大量的理论(计算)研究,然而至今也没有得出统一的结论。

稀磁半导体的铁磁性机制还需要大量的理论研究和实验论证,一旦投入应用,必将引发微电子革命,创造未来更加绚丽多彩的数字新生活。

1引入当前和未来是信息时代,今后对信息的处理、传输和存储的速度和规模的要求越来越高。

在信息处理和传输中扮演着重要角色是以半导体材料为支撑的大规模集成电路和高频率器件,在这些技术中它们都极大地利用了电子的电荷属性;而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储(如磁带、光盘、硬盘等)则是由磁性材料来完成的,它们极大地利用了电子的自旋属性。

然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的,彼此之间相互独立。

这是因为在传统的电子线路中电子是自旋简并的,自旋向上和自旋向下的电流是相等的,因而无法把电子的电荷和自旋属性区分开来并加以利用。

在一些铁磁性物质中,交换劈裂使得费米面处自旋向上和自旋向下的电子态密度不相等,导致两种自旋电流的大小不等而出现总的自旋极化电流。

操纵和利用这种自旋电流的设想开辟了物理学研究的新领域:自旋电子学(Spintronics)。

它是研究自旋极化电子的输运特性(包括自旋极化、自旋相关散射与自旋驰豫)以及基于这些独特性质来设计、开发新型电子器件的一门新兴的交叉学科。

由于自旋电子学同时利用了电子的电荷和自旋属性,这无疑将会给未来的信息技术带来巨大的变革。

与传统的半导体器件相比,自旋电子器件具有速度快、体积小、能耗低、非易失性、功能强等优点。

常见的半导体材料具有带隙却不具有自旋劈裂和磁性,而常见的磁性材料有自旋劈裂和磁性却不具有半导体的带隙。

半导体材料中的自旋电子学研究自旋电子学是一种新兴的物理学领域，它利用自旋作为信息传输的载体，在构建新型电子器件和磁存储技术方面具有广泛应用前景。

半导体材料是自旋电子学研究的重要领域之一，自旋电子学的研究需要在半导体材料中探索自旋-电荷耦合的作用，进而设计和制备高效的自旋电子器件和磁储技术。

一、半导体中的自旋电子学研究背景自旋电子学是在传统的电子学研究的基础上发展而来的新型领域，其研究对象是电子自旋和自旋携带信息的传输和控制。

半导体材料是自旋电子学研究的重要研究领域之一，因为半导体材料具有良好的电子传输性质和可控制造性质，从而使其在自旋电子学研究中有广泛的应用。

传统的自旋电子学研究主要集中在金属材料中，但金属材料的自旋-轨道耦合很小，很难实现高效的自旋电子器件的制备。

而随着半导体复合材料的研究逐渐成熟，半导体中的自旋电子学研究日益受到人们的重视。

半导体中的自旋电子学研究可以在普通的半导体材料中实现强自旋电荷耦合，可用于许多自旋电子器件，如自旋输运、自旋逻辑门和自旋激发等器件的制备。

二、半导体中的自旋电子学实验半导体材料中的自旋电子学研究需要通过实验探讨自旋-电荷耦合的机制和特性。

实验的一般流程可分为三个部分：半导体样品的制备、自旋压电效应的测量和自旋输运的研究。

以下分别阐述这三个部分。

半导体样品的制备：实验中制作半导体样品采用的通常是Molecular Beam Epitaxy（MBE）技术，这种技术可实现单晶半导体薄膜的制备。

通过MBE技术可使半导体薄膜在砷化镓（GaAs）基底或氮化镓（GaN）基底上生长。

在合适的实验条件下，利用MBE技术可以得到生长良好的半导体薄膜。

自旋压电效应的测量：利用压电效应可以实现电子自旋和晶格的耦合，将压电效应引入半导体中可以探索自旋电子学的研究。

自旋压电效应是借助电场调节半导体材料中的导带和价带自旋矩阵元，从而实现电子自旋和晶格的耦合。

实验中通常采用示波器和磁场强度计来测量样品在不同电场下的自旋压电信号。

ZnＯ基稀磁半导体材料的研究进展集半导电性和磁性于一体的磁性半导体,可以同时利用电子的电荷和自旋,兼备常规半导体电子学和磁电子学的优越性,被认为是2l世纪最重要的电子学材料．在自旋电子领域展现出非常广阔的应用前景，引起了人们对其研究的浓厚兴趣.在非磁半导体材料中掺杂磁性元素，将有可能使其变成磁性的.因而，从材料的磁性角度出发，半导体材料可以划分为非磁半导体(nｏnmaｇnｅtic sｅmicondｕctor)、稀磁半导体(dilutｅd magneｔｉc ｓemicｏndｕctor)和磁半导体(magｎeｔic semｉｃoｎducｔor)三种类型(图１)．稀磁半导体在没有外场作用时与非磁半导体具有相同的性质；反之,则具有一定的磁性．ＤMS的禁带宽度和晶格常数随掺杂的磁性材料离子浓度和种类不同而变化,通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件.氧化物DMＳ掺杂元素主要有过渡族元素（TＭ)、Sc、Ti、Ｖ、Cr、Mn、Ｆe、Co、Ｎi、Cu等以及稀土元素(ＲＥ)等,过渡族元素和稀土元素具有很强的局域自旋磁矩，这些元素掺入到半导体材料中,替代半导体材料部分阳离子的位置形成稀磁半导体.在外加电场或者磁场的影响下,材料中的载流子行为发生改变,从而产生了一般半导体材料所没有的一些新物理现象.如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、大的激子分裂、超晶格量子阱以及磁致绝缘体－-金属转变等．可以开发全新的、更微型化的半导体自旋电子器件，如自旋场效应晶体管(Ｓpiｎ—FＥT）、自旋发光二极管(Ｓpin—LＥD),同时还可以将目前分立的信息存储、处理、显示集成为一体,对微电子器件产生革命性的影响．１ DMS发展概述ＤMS的研究可以上溯到上个世纪６0年代，当时所研究的磁性半导体材料大多是天然的矿石,如硫族铕化物在半导体尖晶石中可以产生周期性的磁元素阵列．但这类磁半导体的晶体结构和Si、ＧaAs等半导体材料有极大的不同.其晶体生长极为困难，很小的晶体通常要花费数周的准备和实施时间．同时，居里温度Tc在１00K以下,导电性能接近绝缘体.经过几十年的研究,由于ＤMS的居里温度Tｃ远低于室温以及较低的饱和磁化强度，DMS没有能够得到广泛的应用．进入２0世纪80年代,人们开始关注稀磁半导体.即用少量磁性元素与II—V Ｉ族非磁性半导体形成的合金。

氧化物稀磁半导体的研究进展摘要：稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。

本文论述了氧化物稀磁半导体的研究进展。

关键词：稀磁半导体；ZnO；磁学性质；光学性质在各种类型的半导体材料中，氧化物半导体材料因为具有宽带隙的特点，所以能够实现n型载流子重掺杂，有利于强铁磁交换耦合在局域自旋之间进行，是实现高居里温度的最有希望的宿主化合物之一。

而氧化物半导体材料被过渡族金属掺杂后成为极具潜力的自旋电子材料之一。

一、氧化物稀磁半导体制备条件对磁性的影响氧化物稀磁半导体的制备工艺参数对材料性能有着重要的影响，制备方法的选取、不同基底和过渡层的选取、制备过程中基底温度和氧分压的微小变化等因素都可能影响到材料的最终性能。

制备温度越低，越不利于掺杂物的充分反应，易出现杂质，尤其是对于块状样品，制备温度会影响到掺杂物在整个样品中的均匀性；而过高的沉积或烧结温度又会使掺杂物有团聚的倾向，容易形成反铁磁耦合，从而降低饱和磁化强度。

氧化物稀磁半导体样品制备过程中氧分压的大小，以及随后进行的样品退火处理都会对氧化物稀磁半导体的磁性产生影响。

氧化物稀磁半导体磁性的起源与氧空位的存在有很大关系。

增加氧空位的方法有2种：①退火，包括真空退火和在H2气氛中退火，但在完全为H2的气氛中退火并不安全。

②改变制备过程中氧分压的大小。

在高真空中退火的Cr-ZnO，分别在空气中退火和真空中退火的Fe-TiO2，在Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Fe-ZnO，通过改变制备过程中氧分压的Mn-ZnO，以及在高真空或Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Cu-TiO2等都说明，不论以何种方式增加氧空位后，磁性都呈现一个从无到有或从弱到强的趋势。

不管是退火还是控制制备过程中的氧分压，都有一个共同的特点，即随着氧空位的增加(真空退火或氢气气氛中退火，或减少制备过程中的氧气含量)磁性呈现增强的趋势。

自旋电子学及其在半导体中的应用摘要：自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用，是一门结合磁学与微电子学的新兴交叉学科。

其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。

本文简单介绍了自旋电子学的概念及其内容综述了自旋电子学目前的研究，尤其是半导体自旋电子学，集中讨论了使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，最后对自旋电子器件的应用进行了展望。

关键词：自旋电子学自旋阀磁隧道结半导体自旋电子学一．名词解释1.自旋电子学[1](spintronics)也称为磁电子学，是一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科，它研究具有某一自旋状态(自旋向上或自旋向下)的电子的输运特性，是当前凝聚态物理的热点领域之一。

众所周知，电子除了带有电荷的特性外，还具有自旋的内禀特性，对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。

2.半导体自旋电子学[2]电子同时具有电荷和自旋两种属性，电子的电荷属性在半导体材料中获得极大的应用，推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。

使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，成为人们最关注的问题。

最初人们企图用铁磁金属与半导体材料直接欧姆接触，把极化自旋流注入到半导体材料中去，但是由于肖特基势垒太高，注入效率极低。

为了克服肖特基势垒，只有两个办法：寻找磁性半导体材料或利用隧道效应。

二．自旋电子学的起源1857年Thomson发现了在多晶结构的Fe中，具有各向异性磁电阻效应[3](anisotropy magnetore．sistance，AMR)，而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略电子的自旋。

20世纪50年代人们在研究超导体时，将电子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒子是费米面附近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库柏对，建立了著名的BCS理论，但是BCS理论虽然将电子的自旋自由度引入到输运过程中，但是在库柏对中，电子是成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋的电子在输运中的差别。