材料化學(xué)綜述

如磁阻傳感器(MR)，一種包含金屬鐵磁體的多層材料。顯示出巨磁阻(GMR)和隧道磁阻特性(TMR)，是今天眾所周知的磁電子學(xué)器件，而它是基于上述兩個自由度之間相互作用的根底之上的[3]。與此同時它也為DMS的研究開拓了新的研究領(lǐng)域，這是因為自旋電子器件一般需要使用在常溫下保持磁性的半導(dǎo)體，但大局部DMS的居里溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫，從而在常溫的環(huán)境下失去磁性。[4]具有室溫鐵磁性的DMS是自旋電子學(xué)應(yīng)用的根底，它是利用載流子的自旋和電荷自由度構(gòu)造將磁、電集于一體的半導(dǎo)體器件。因而實現(xiàn)自旋電子器件應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)在于提高材料的居里溫度。[5]制備出更多種類的材料和尋找出更廣范更適合摻雜的元素來提高稀磁半導(dǎo)體材料的居里溫度是當(dāng)前的首要問題。[6]目前研究的焦點(diǎn)還有，稀磁半導(dǎo)體磁性的來源、DMS材料的實用化與DMS器件設(shè)計與研發(fā)等問題。針對這些問題，物理學(xué)、化學(xué)和半導(dǎo)體材料學(xué)界開展了大量的研究工作[7].2DMS的特點(diǎn)及分類當(dāng)前用于制備稀磁半導(dǎo)體的基質(zhì)包括Ⅱ一Ⅵ族、Ⅳ一Ⅵ族、Ⅱ一V族及Ⅲ一V族化合物，通過Mn[8]。DMS在沒有外磁場的情況下，顯示的是普通半導(dǎo)體的性質(zhì)，但在外場下就可顯示出一定的磁性，具有半導(dǎo)體和磁性材料的雙重性質(zhì)。另外稀磁半導(dǎo)體最為重要的特點(diǎn)是其禁帶寬度和品格常數(shù)隨摻入的磁性離子濃度的不同而變化，通過能帶剪裁工程可使這些材料應(yīng)用于各種器件。稀磁半導(dǎo)體中的磁離子對外磁場有強(qiáng)烈的響應(yīng)，如同外磁場的放大器，增強(qiáng)因子可達(dá)10量級，使DMS在中等適度磁場下就出現(xiàn)巨大的磁光效應(yīng)等一系列與普通半導(dǎo)體完全不同的新的物理特性。過去對稀磁半導(dǎo)體的研究主要采用Mn、Fe、Co等過渡族金屬作為磁性陽離子來代替局部半導(dǎo)體元素，但由于其居里溫度低于室溫以及飽和磁化強(qiáng)度較低[9]，極大地限制了該類材料的應(yīng)用。稀土元素由于其不滿的4f層電子，摻雜到其他材料中，可獲得優(yōu)異的光、磁、超導(dǎo)等物理特性，同時Gd等稀土元素原子磁矩較大，作為磁性陽離子摻雜于Ⅳ一Ⅵ族半導(dǎo)體中替代Ⅳ族陽離子，可望開發(fā)出性能優(yōu)異的新型稀磁半導(dǎo)體。

3DMS的物理性質(zhì)3.1磁學(xué)性質(zhì)絕大多數(shù)化合物半導(dǎo)體都是抗磁性的，但在用過渡族或稀土族金屬離子局部、無規(guī)那么地替代了化合物中非磁性陽離子后，在磁性質(zhì)上發(fā)生了根本變化。磁學(xué)性質(zhì)主要取決于材料中磁性離子之間的交換作用(d—d交換作用)，例如，含Mn的DMS材料中的Mn2+-Mn2+的d-Ⅱ一Ⅵ族DMS材料在一定溫度和磁離子濃度范圍內(nèi)會出現(xiàn)3種磁相(順磁相、自旋玻璃相和反鐵磁相)，=3\*ROMANIII—V族DMS材料中那么表現(xiàn)出2種相(順磁相和鐵磁相)。例如，用低溫分子束外延制備的In1-x一MnxAs薄膜在低溫下呈現(xiàn)出截流子感生鐵磁有序，(CA，Mn)Se、(CA，Mn)Te、(Hg，Mn)Se、(Hg，Mn)Te等顯示的磁學(xué)性質(zhì)豐富了磁輸運(yùn)的內(nèi)容。DMS在一定條件下可以發(fā)生的磁相變----順磁一自旋玻璃的相變，可以從磁光法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的測量上明顯地觀察到[10]。4稀磁半導(dǎo)體的表征4.2磁性表征超導(dǎo)量子干預(yù)儀(SQUID)測量得出室溫下樣品的磁滯回線以及磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線。測量M-H曲線時，磁場掃描范圍-0．2—0．2T；測量曲線時，保持磁場強(qiáng)度是0．01T(0．05T)，溫度變化范圍從5—300K(5～350K)4.3結(jié)構(gòu)和性能表征采用日本RIGAKU公司生產(chǎn)的D／max2000vpc型x射線衍射儀(XRD)分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，x射線是CuKα1射線，波長為0．15406nm，掃描范圍2在10○～120○之間，掃描步長為0．02○—VGScientific公司生產(chǎn)的ESCALAB250型x射線光電子能譜(XPS)檢測和分析薄膜成分，分析室真空度優(yōu)于2×10～Pa，X射線源為MgKa(1253．6eV)，能量掃描范圍為1～1100eV，得到的譜圖以Ag3d5／2的結(jié)合能368eV為基準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。采用日本島津公司V-3150紫外可見光分度計(UV--800nm。5應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望5.1改變組分獲得所需的光譜效應(yīng)通過改變磁性離子的濃度可得到所需要的帶隙，從而獲得相應(yīng)的光譜效應(yīng)。由于其響應(yīng)波長可覆蓋從紫外線到遠(yuǎn)紅外線的寬范圍波段，這種DMS是制備光電器件、光探測器和磁光器件的理想材料。在Ⅲ一V族寬帶隙稀磁半導(dǎo)體GaN中摻入不同的稀土磁性元素可發(fā)出從可見光到紅外的不同波長的光，加上GaN本身可發(fā)紫外光，因此摻稀土GaN材料可發(fā)出從紫外到紅外波段的光，如在GaN中摻Er可發(fā)綠光，而摻Pr可發(fā)紅光等。

1994年Wilson等副在摻Er的GaN薄膜中首次觀察到1．54微米的紅外光熒光。1998年Steckl[11]。摻Er的GaN的另一個重要特性是其溫度猝滅效應(yīng)很弱，這對于制備室溫發(fā)光器件非常重要。后來紅光和藍(lán)光器件相繼研制成功，這些都可以作為光通信和光電集成的光源。

5.2sp-d交換作用的應(yīng)用

利用DMS的巨法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可制備非倒易光學(xué)器件，也可用于制備光調(diào)諧器、光開關(guān)和傳感器件。(2)DMS的磁光效應(yīng)為光電子技術(shù)開辟了新的途徑。利用其磁性離子和截流子自旋交換作用(sp-d作用)所引起的巨g因子效應(yīng)，可制備一系列具有特殊性質(zhì)的稀磁半導(dǎo)體超晶格和量子阱器件。這種量子阱和超晶格不僅具有普通量子阱和超晶格的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，而且還具有稀磁半導(dǎo)體的磁效應(yīng)，因此器件具有很多潛在的應(yīng)用價值。利用磁性和半導(dǎo)體性實現(xiàn)自旋的注入與輸運(yùn)，可造出新型的自旋電子器件，如自旋過濾器和自旋電子基發(fā)光二極管等。深入研究自旋電子學(xué)。推動DMS的實用化自旋電子學(xué)是目前固體物理和電子學(xué)中的一個熱點(diǎn)，其核心內(nèi)容是利用和控制固體，尤其是半導(dǎo)體中的自旋自由度。近年來以稀磁半導(dǎo)體為代表的自旋電子學(xué)的研究相當(dāng)活潑，各國科研機(jī)構(gòu)和各大公司都投入了巨大財力和人力從事此領(lǐng)域的研究。利用具有磁性或自旋相關(guān)性質(zhì)的DMS基材料可制出一類新型器件——既利用電子、空穴的電荷也利用它們的自旋。這些新材料和人造納米結(jié)構(gòu)，包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)(HS)、量子阱(Qw)和顆粒結(jié)構(gòu)一直是一些新型功能的“沃土〞——。[12]5.3室溫DMS的研究

為了應(yīng)用方便，需要開發(fā)高居里溫度(Te)的DMS材料(高于室溫)。室溫下具有磁性為磁性半導(dǎo)體的應(yīng)用提供了可能。擴(kuò)展更多的摻雜磁性元素或生長更多種類材料來提高DMS材料的居里溫度是當(dāng)前的首要問題。近來Hori等成功摻入5％Mn在GaN中，獲得了高于室溫的Tc；報道說明(Zn，Co)O的居里溫度可到達(dá)90-380K。Dietl等采用Zener模型對閃鋅礦結(jié)構(gòu)的磁半導(dǎo)體計算說明，GaMnN和ZnMnO具有高達(dá)室溫的居里溫度，該計算結(jié)果對實驗研究提供了很好的理論依據(jù)。[13]但是，如何將磁性和半導(dǎo)體屬性有機(jī)地結(jié)合起來仍然是值得進(jìn)一步研究問題。[14]

6結(jié)語稀磁半導(dǎo)體材料具有極高的應(yīng)用價值，其研究已愈來愈受到人們的重視，各國已開展了大量的實驗工作，研究重點(diǎn)已由先前的純理論研究慢慢轉(zhuǎn)向?qū)⒏籽芯颗c應(yīng)用研究相結(jié)合。[15][16]參考文獻(xiàn)[1]CoeyJMD．[J]．CurtOpinSolidStateMaterSci.2006，10：83．

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