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稀磁半导体材料的研究进展及应用前景吕艳 1 前言 稀磁半导体概述稀释磁性半导体(Diluted ic Semiconductors ,DMS) ,也称半磁半导体是指在 III- V族、 II- VI族、 II- V族或 IV- VI族化合物中,由磁性过渡族金属离子或稀金属离子部分替代非磁性阳离子所形成新的一类半导体材料。理想的稀磁半导体应具有以下特点:居里温度 cT >500K .铁磁性与形成载流子的杂质能带的自旋分裂相关联:可以选择 n型和 P型掺杂;具有高的迁移率和自旋散射长度; 具有磁光效应和反常霍尔效应[1]。由于稀磁半导体材料所具备的半导体和磁性材料的综合特性,使其可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。什么 DMS 材料能引起人们很大的兴趣?概括起来有以下方面原因,。且广泛地应用于光电器件,仪表,通讯,航天等领域。如果能把这二大类材料的优点集中在同一种材料上,既具有半导体性,又有磁性,兼有两者共同的优点,其虚用面将更广泛。2. 由于稀磁性半导体(DMS)A Ⅱ t- aB Ⅱ是三元组份。其中,带有磁佳的锰离子的组份是可调的,其材料的物理参数也随组份的改变而不同。由于掺入了 Mn,Mn“离子就取代了AⅡ族离子,Mn“分布在I族阳离子的品格上,在低温下,引起自由自旋。 AⅡBⅥ晶格,使它具有较高的有效的电荧光性质。 4. Mn的存在可引起 s,p价电子层和 d电子层的电子与 Mn”的交换作用,产生电子能级(价电子和杂质电予能级)的分裂。Mn“在晶体中的自由自旋性质的增强将会引起新的效应,像巨大的法拉第旋转。 A一MnB Ⅵ的晶格参数和能带宽度随组份 x的可变性,使它有可能成为优良的量子阱超晶格材料。以前 DMS 的研究主要集中在磁性离子引入半导体材料后出现的独特的磁学、电学和磁光性能方面。而当自旋电子学这一全新领域得到飞速发展后,在更广义的情况下,这个新的领域即自旋电子学(Spin —electronic sorpintronics) [2]。它包括那些既不需要外磁场也不需要其他磁性材料而利用自旋的器件。如磁阻传感器(MR) ,一种包含金属铁磁体的多层材料。显示出巨磁阻(GMR) 和隧道磁阻特性(TMR) ,是今天众所周知的磁电子学器件,而它是基于上述两个自由度之间相互作用的基础之上的[ 3]。与此同时它也为 DMS 的研究开拓了新的研究领域, 这是因为自旋电子器件一般需要使用在常温下保持磁性的半导体,但大部分 DMS 的居里温度都远远低于室温,从而在常温的环境下失去磁性。[4]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。因而实现自旋电子器件应用的关键技术在于提高材料的居里温度。[5]制备出更多种类的材料和寻找出更广范更适合掺杂的元素来提高稀磁半导体材料的居里温度是当前的首要问题。[6]目前研究的焦点还有,稀磁半导体磁性的来源、DMS 材料的实用化与 DMS 器件设计与研发等问题。针对这些问题,物理学、化学和半导体材料学界开展了大量的研究工作[7]. 2 DMS 的特点及分类当前用于制备稀磁半导体的基质包括Ⅱ一Ⅵ族、Ⅳ一Ⅵ族、Ⅱ一V族及Ⅲ一 V