物理所合作研究基于I II V族半導(dǎo)體的新型稀磁體

半導(dǎo)體科學(xué)和技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)，隨著信息存儲(chǔ)密度迅猛增長(zhǎng)，為突破摩爾定律瓶頸需要發(fā)展新的信息存儲(chǔ)載體。在制作和研發(fā)工藝成熟的半導(dǎo)體中注入自旋，形成兼具電荷屬性和自旋特性的稀磁半導(dǎo)體，成為解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題最可能的突破口。

中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)極端條件實(shí)驗(yàn)室靳常青研究組近期在自旋極化的稀磁半導(dǎo)體研究中取得重要進(jìn)展。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一類新的基于I～I(xiàn)I~V半導(dǎo)體的稀磁體Li(Zn,Mn)As，在稀磁材料上成功實(shí)現(xiàn)了自旋和電荷分別注入和調(diào)控。

在半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)磁有序需要具備兩個(gè)基本物理?xiàng)l件，既要有局域磁矩，又要有引發(fā)局域磁矩長(zhǎng)程量子序的低濃度載流子。在幾類已知的稀磁半導(dǎo)體中，磁矩和載流子均由同一種摻雜元素提供，即自旋和電荷天然一體。比如廣為研究的基于III~V族的(Ga,Mn)As稀磁半導(dǎo)體，由于Mn2+和Ga3+具有不同價(jià)態(tài)，Mn對(duì)Ga的替代引入自旋的同時(shí)也提供了P型載流子。這種自旋和電荷的捆綁效應(yīng)嚴(yán)重制約了對(duì)材料電性和磁性的調(diào)控維度，實(shí)現(xiàn)自旋和電荷注入機(jī)制的分離成為稀磁半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)和研制的重大挑戰(zhàn)。LiZnAs具有和GaAs同樣的晶體結(jié)構(gòu)，電子能帶計(jì)算表明二者帶隙接近，具有可類比的半導(dǎo)體屬性。和GaAs不同之處在于，對(duì)LiZnAs在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋，載流子則通過(guò)改變Li的含量來(lái)進(jìn)行調(diào)控。這樣，LiZnAs半導(dǎo)體就可以實(shí)現(xiàn)自旋和電荷注入機(jī)制的分離，為稀磁半導(dǎo)體的磁性和電性的調(diào)控分別提供了前提。

靳常青研究組通過(guò)大量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)，Li(ZnMn)As在3%Mn摻雜量既可具有接近3個(gè)Bohr磁子的飽和磁矩(Mn2+高自旋態(tài)的最大飽和磁矩為5個(gè)Bohr磁子)，鐵磁居里溫度(Tc)可達(dá)50K。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Li(ZnMn)As具有低的矯頑力(～30Oe)，這為瞄準(zhǔn)應(yīng)用的低場(chǎng)調(diào)控自旋和電荷提供了可能。

(Ga,Mn)As稀磁半導(dǎo)體研制工藝苛刻，自旋注入只能在處于低溫的薄膜材料實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重限制了對(duì)材料宏觀物性的表征。比如，由于沒(méi)有可供進(jìn)行中子實(shí)驗(yàn)塊的體材料，(Ga,Mn)As稀磁半導(dǎo)體的磁性起源和機(jī)制依然存有很大爭(zhēng)議。由于具有和(Ga,Mn)As同樣的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，Li(ZnMn)As稀磁體的研制成功，為精細(xì)表征(Ga,Mn)As類稀磁體的磁性起源提供了重要條件。本工作的合作者，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)物理系的Uemura教授運(yùn)用μSR技術(shù)研究了Li(ZnMn)As的磁性，的確在低Mn摻雜觀察到體態(tài)的長(zhǎng)程磁有序。

靳常青研究組在2008年的鐵基超導(dǎo)熱中發(fā)現(xiàn)了以LiFeAs為代表的“111”型鐵基超導(dǎo)體【Solid State Communications 148, 538 (2008)】，本次發(fā)現(xiàn)Li(ZnMn)As稀磁體，為他們以上工作的擴(kuò)展。更為有趣之處在于，LiZnAs、LiFeAs、LiMnAs具有可匹配的晶格參數(shù)，這為設(shè)計(jì)基于磁性、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)，探索新的物理效應(yīng)和新的應(yīng)用特性提供了重要可能。

以上工作是與美國(guó)哥倫比亞大學(xué)物理系Uemura教授研究組共同開(kāi)展，其他合作者包括日本原子能研發(fā)集團(tuán)先端科學(xué)研究中心的Maekawa教授、清華大學(xué)物理系王亞愚教授、日本東京大學(xué)Uchida教授的研究團(tuán)隊(duì)。相關(guān)發(fā)表在近期Nature Communications 2:422 (2011)上，研究工作得到基金委重大國(guó)際合作項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、科技部量子調(diào)控項(xiàng)目的資助。