宽带II-VI族磁性半导体的铁磁特性研究

自旋电子学是凝聚磁学与微电子学的桥梁,从而将磁器件与微电子器件联系起来,而半导体自旋电子学是在自旋电子学基础上发展起来的一门新兴学科。近年来,由于磁性半导体的铁磁特性及磁光特性的研究迅速发展,使半导体自旋电子学的研究成为自旋电子学领域的一个重要分支,它着重于以磁性半导体为基本材料的新型电子器件的研究。本文主要介绍宽带Ⅱ-Ⅵ族半导体铁磁特性的研究进展及一些初步的研究工作。     

宽带Ⅱ-Ⅵ族磁性半导体的铁磁特性研究

自旋电子学是凝聚磁学与微电子学的桥梁,从而将磁器件与微电子器件联系起来,而半导体自旋电子学是在自旋电子学基础上发展起来的一门新兴学科.近年来,由于磁性半导体的铁磁特性及磁光特性的研究迅速发展,使半导体自旋电子学的研究成为自旋电子学领域的一个重要分支,它着重于以磁性半导体为基本材料的新型电子器件的研究.本文主要介绍宽带Ⅱ-Ⅵ族半导体铁磁特性的研究进展及一些初步的研究工作.     

稀磁半导体制备方法的研究进展

稀磁半导体(DMS)是一种新型功能材料,其结合了半导体和磁性材料的电学和磁学性质,具有优异的磁、磁光和磁电等性能,在未来的光电器件、自旋电子器件和计算机等领域具有广阔的开发应用前景。简述了我国稀磁半导体的研究成果及进展,重点讨论了稀磁半导体的制备合成方法,分析了各种制备方法的优缺点,包括分子束外延技术(MBE)、离子注入法、脉冲激光沉积(PLD)、助熔剂法、化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶和水热法等。同时分析了目前稀磁半导体遇到的问题和困难,探讨了其解决方法,展望了稀磁半导体潜在的应用前景。     

稀土掺杂GaN基稀磁半导体材料的研究进展

GaN基稀磁半导体材料具有高于室温的铁磁性和优异的光电性能,在半导体电子自旋器件领域有广阔的应用前景。系统地介绍了制备方法对稀土Gd掺杂GaN基稀磁半导体材料铁磁性的影响,讨论了Gd掺杂GaN基稀磁半导体材料中铁磁性的起源,介绍了除Gd以外的稀土离子掺杂GaN基稀磁半导体材料中的铁磁性,以及共掺杂对GaN基稀磁半导体材料的铁磁性能的影响。目前,GaN基稀磁半导体材料的铁磁性仍无法满足半导体电子自旋器件的要求。共掺杂工艺可以有效地解决稀土离子掺杂引入的较大晶格应变,促进自旋电子之间的交互作用,是一种改善GaN基稀磁半导体材料的铁磁性能的有效途径。     

自旋电子学及其器件

1988年Fert与Grunberg科研小组彼此独立地在铁/铬多层膜纳米结构中发现了高达50％的磁电阻效应,从此自旋电子学诞生了.目前,自旋电子学已经发展出磁读头、磁电隔高耦合器、磁随机存储器(MRAM)、微波探测器等器件,年产值近1000亿美元.同时,通过与其它学科的结合,半导体自旋电子学、有机自旋电子学等均成为物理研究的前沿.因此,大量中外院士与专家认为自旋电子学及器件很有可能成为世界第四次产业革命的导火索.     

半导体自旋电子学的研究与应用进展

自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科.自旋电子器件与普通半导体电子器件相比具有不挥发、低功耗和高集成度等优点.本文介绍了半导体自旋电子学的研究对象和内容,主要包括磁性半导体、自旋注入、自旋探测以及自旋输运等.本文综述了半导体自旋电子学目前的研究进展及其在自旋电子器件和量子信息处理中的应用.     

SiC稀磁半导体材料研究进展

稀磁半导体(DMS)材料同时利用了电子的电荷和自旋属性,具有优异的磁、磁光、磁电等性能,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。系统地概述了SiC基DMS材料的研究进展,介绍了材料的制备方式、结构、性质、铁磁性起源的机理以及器件潜在的应用前景。结合本实验小组的研究工作,重点阐述了材料的结构以及磁性机制。     

稀磁半导体异质结构的自旋极化输运性质

采用格林函数方法和群速近似研究在电场、磁场作用下电子渡越稀磁半导体异质结构的自旋过滤及自旋分离的特征。研究表明具有不同自旋指向的极化电子渡越同一稀磁半导体异质结构 ,不仅隧穿几率存在着显著的差异 ,而且渡越时间的差异可达几个数量级。这种差异随着外磁场的增强而加大 ,而随外电场的增强而减小。结果意味着稀磁半导体异质结构具有很好的自旋过滤效果 ,且极化电子渡越此类结构在时间上是分离的     

自旋电子学、自旋电子器件及GaAs中电子自旋弛豫研究

评述了自旋电子学及自旋电子器件的发展,自旋电子器件的应用,半导体自旋电子学的研究内容及目前的研究现状．给出了我们的有关GaAs中电子自旋偏振与相干弛豫的研究结果．     

自旋电子学及其器件应用

介绍了近年来自旋电子学研究概况及器件应用，并展望了半导体自旋新器件的研究和发展。     

基于第一性原理的锰掺杂二维二硫族化物的电磁学特性研究

二维材料和自旋电子学已经成为当今电子学的研究热点之一。文中基于第一性原理计算方法,对Mn掺杂的单层MoS_2,MoSe_2,MoTe_2和单层WS_2的电磁学特性进行研究。结合态密度和自旋电荷密度的分析,发现由于局域Mn自旋和硫族原子的离域p自旋之间的反铁磁交换作用,Mn分别替位掺杂在Mo和W位置上会产生长程铁磁序。同时对其他过渡金属掺杂的二维硫化物的磁序进行了研究,发现过渡金属替位掺杂只存在铁磁交换作用,且无法产生长程的铁磁序。文中的研究成果预示了锰掺杂二维二硫族化物作为二维稀磁半导体的潜力,可以为相关研究提供理论支撑。     

基于自旋阀结构的磁传感器的研究

自旋阀结构的发现为磁电子学以及磁传感器的研究揭开了新的一页。基于自旋阀结构的磁传感器由于具有灵敏度高、功耗小、高集成度等优点,因此在传感器工业中具有广泛的应用前景。本文介绍了基于自旋阀结构的磁传感器的研究方法。首先介绍了自旋阀结构及其特性,然后介绍了基于自旋阀结构的磁性薄膜的制备方法和结构优化,其次介绍了基于自旋阀薄膜的磁传感器芯片的制造工艺,最后介绍了基于惠斯通电桥结构的自旋阀磁传感器芯片。     

过渡金属掺杂CdO基稀磁半导体材料的研究进展

对近年来稀磁半导体材料的应用前景及过渡金属掺杂CdO材料的室温铁磁性研究进展进行了简单阐述。重点对不同过渡金属掺杂剂及其浓度对CdO磁性能的影响进行了介绍,并从近几年国内外研究中未掺杂、过渡金属掺杂、过渡金属共掺杂以及不同制备方法对CdO磁性能的影响及其磁性来源等方面进行了评述。概述了未掺杂和不同浓度Mn、Co单元素掺杂CdO材料对室温铁磁性的影响,并总结了近年来过渡金属掺杂CdO材料在稀磁半导体领域的研究进展。对比了不同过渡金属掺杂CdO基稀磁半导体材料的磁性能及磁性来源,并得出共掺杂工艺对提升CdO基稀磁半导体材料室温铁磁性有明显效果,最后对该领域的未来发展方向进行了展望。     

Al_xGa_(1-x)N/GaN异质结构中二维电子气的自旋性质

Ⅲ族氮化物材料有很长的电子自旋弛豫时间以及很高的居里温度,成为近年来半导体自旋电子学研究的重要材料体系之一。介绍了目前两种最主要的研究AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气(2DEG)自旋性质的物理效应:磁电阻的舒伯尼科夫-德哈斯拍频振荡和弱反局域效应,回顾了AlxGa1-xN/GaN异质结构中2DEG自旋性质的研究进展。AlxGa1-xN/GaN异质结构材料中有很强的极化电场,诱导产生很高浓度的2DEG,能够产生相当大能量的自旋分裂,并且这种自旋分裂可以被栅压所调控,因此在自旋场效应晶体管方面有很好的应用前景。然而要实现GaN基自旋电子学器件的应用,GaN中自旋注入效率是目前所面临的问题。     

过渡金属掺杂ZnO形成稀磁半导体的研究进展

由于稀磁半导体(DMS)潜在的应用前景,近年来许多研究小组开始了对过渡金属(TM)掺杂ZnO形成稀磁半导体的研究。综述了TM掺杂ZnO的制备以及TM掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响,特别是对磁学性质的影响。     

电子全息在自旋电子学及半导体多量子阱材料研究中的应用

随着现代信息科学技术的发展，自旋阀、磁隧道结等自旋电子学材料及半导体量子阱等光电材料日益受到人们的关注。由于电子显微学方法在衍射、成像及谱学方面具备综合优势，近来已被广泛用于自旋电子学和量子阱光电材料研究领域，以揭示其显微结构和优异物理性能之间的内在联系。其中，普通的电子显微学方法，如透射电子显微术，特别是高分辨电子显微学等是研究这类低维超薄膜晶体结构及其界面关系的有力工具。     

ZnO纳米线及其器件研究进展

介绍了氧化锌(ZnO)纳米线(NW)的性质,总结了ZnONW的气相法、液相法、模板生长法、自组装法等制备原理和方法,详细阐述了ZnONW基光电、压敏和气敏等纳米器件的研究现状,如在发光二极管、太阳能电池、紫外激光器、纳米发电机、气敏传感器的应用现状。分析了目前ZnONW器件实用化进程中难以解决的p型掺杂等方面的问题及其在荧光探针、稀磁半导体材料和自旋电子器件等方面的研究和应用趋势,指出今后的研究及发展方向主要将集中在ZnO缺陷形成及作用机理的研究,ZnONW荧光探针的制备及其在生物医学上的应用,不同结构的ZnO超晶格和多量子阱的制备及其在自旋电子器件中的应用。     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

过渡金属掺杂GaN基稀磁半导体的研究进展

阐述稀磁半导体、GaN基稀磁半导体、过渡金属掺杂GaN基稀磁半导体的研究进展,探讨过渡金属掺杂GaN薄膜,可有效增强稀磁半导体的磁性及光电性。     

Ⅲ-Ⅴ族磁半导体材料的研究与进展

Mn、Fe等过渡金属元素的 - 族稀磁半导体 ( DMS)材料和铁磁 /半导体异质结材料由于具备半导体和磁性材料的综合特性 ,可望广泛应用于未来的磁 (自旋 )电子器件 ,从而使传统的电子工业面临一场新的技术革命。本文将对上述研究领域进行评述