物理所合作研究发现基于I IIV族半导体的新型稀磁体
徐建
【摘 要】I-II-V族基新型稀磁半导体实现了电荷和自旋注入的分离调控，成为半导体领域的研究热点。本文从传统稀磁半导体出发，详述I-II-V族基新型稀磁半导体的研究进展，并对今后发展进行了展望。
【关键词】传统稀磁半导体；I-II-V族基新型稀磁半导体；研究进展
中图分类号： O472 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0068-002
Research Progress of Diluted Magnetic Semiconductors Based on Group I-II-V
XU Jian
（College of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 401331，China）
【Abstract】I-II-V based novel diluted magnetic semiconductors achieve the separation and regulation of charge and spin injection，It has become the focus of research in semiconductor field.This paper is based on the traditional diluted magnetic semiconductors，The research progress of I-II-V based new diluted magnetic semiconductors is described，and the future development of diluted magnetic semiconductors is prospected.
【Key words】Conventional diluted magnetic semiconductors；New diluted magnetic semiconductor Based on group I-II-V；Electronic structures；Ferromagnetism；Research progress
0 引言
半導体材料与我们日常生活已经密不可分，半导体的电荷特性被成功的应用在集成电路、高频和大功率器件上，进行加工信息和临时存储。而磁性材料中电子的自旋特性则主要用于硬盘、磁带、磁光盘这类高容量信息存储器件。由于现在信息存储技术的不断发展，我们需要一种新的信息载体突破Moore定律，才能给社会带来更大的效益。如果能制备出能够同时操作电子自旋和电子电荷两个自由度的半导体来进行信息的加工处理和储存，就可以很好的解决这个问题。稀磁半导体不仅具有磁性还具有半导体性质，可以用来同时操控电子的自旋和电荷自由度。所以对于稀磁半导体的研究无论在理论上还是实验上都非常有意义。
对传统的稀磁半导体虽然进行了大量的研究，并取得可喜的研究成果，但是其还是存在一些难以克服的问题。首先，由于材料中电荷与自旋同时引入，这种捆绑限制了电性和磁性的调控机制，进而无法直接进行电子掺杂，也就无法构成半导体器件的基本单位P-N结。其次，由于掺杂的不等价代替换导致磁性离子的溶解度受限，使其制备工艺非常苛刻，只能形成亚稳态薄膜结构，制约了材料的宏观表征，使其磁性机理尚存争议的问题。I-II-V族基新型稀磁半导体实现了自旋和电荷的分别注入机制，成为了解决这些问题的最可能的突破口。
1 I-II-V族基新型稀磁半导体的研究现状
在理论方面，2007年Masek等[1]利用LDA+U的计算方法得到Li（Zn，Mn）As中的由于Mn2+与Zn2+的等价替换，使Mn的平均溶解度提高，载流子的浓度可以通过Li的计量数调控，并且发现其居里温度比当时的稀磁半导体（Ga，Mn）As更接近室温。2012年Sato[2]等利用Korringa—Kohn—Rostoker方法的相干近似理论计算并进行优化得到了Mn掺杂的LiZnAs，LiZnP，LiZnN体系的电子结构，发现Li空位阻碍了体系的亚稳态分解，增强了Mn离子间的铁磁交换作用可以提高体系居里温度。对于Cr掺杂LiZnAs系统他们猜想由于强铁磁双交换占主导地位，使其可能具有更高的居里温度。2014年王爱玲[3]利用第一性原理计算了Mn掺杂LiZnAs半导体发现材料的磁性和电性可分别通过Mn的掺入和Li的计量数的改变进行调控。同时发现随着Mn的掺杂增大了体系光学带隙，改变Li的含量也使其光学性质发生了变化。2015年邓军权等[4]采用第一性原理计算方法对新型稀磁半导体Cu掺杂LiMgN体系进行了研究发现，Cu的掺入也使体系产生了净磁矩，且可以通过调节Li的含量来实现电性和磁性的调控，实现了自旋和电荷注入机制的分离。同时发现其光学性质也受Cu的掺入和Li的含量调控。
实验研究方面靳常青等实验组[5]首先用直接单质合成的方法成功进行了合成Li（Zn，Mn）As块状材料，其为中子散射等其他多种宏观性表征提供了条件。研究发现材料在3%Mn掺杂量时即可具有接近3个Bohr磁子的饱和磁矩，并且具有低的矫顽力（～30 Oe），这为瞄准应用的低场调控自旋和电荷提供了可能。电性质及输送研究发现了该系列材料无论是Li过量掺杂还是Li不足掺杂，样品的电阻率都会降低，表现出半导体行为。这说明引入过多的Li或者使得不足Li两种情况都会引入载流子。实验组还进行了μSR测量，通过测量磁有序体积发现此样品的掺杂是均匀的，还得到其铁磁转变温度。实验结论得到当Mn浓度增加至15%，其居里温度可达50K。后面该实验组[6]通过P替代之前的有毒物质As，利用固体合成法制备了块状Li（Zn，Mn）P样品进行研究发现，该体系不仅实现了电荷与自旋注入机制的分离；并且在固定Li含量不变时，随着样品中Mn含量的增加其居里温度也持续上涨。实验得到了3% Mn浓度掺杂的Li（Zn，Mn）P具有接近2个Bohr磁子的饱和磁矩，同时材料具有很小的矫顽力（～50 Oe），这同样为低场调控自旋和电荷的潜在应用提供了可能。另外，浙江大学宁凡龙研究组[7]利用核磁共振实验证实了Li（Zn，Mn）P中的铁磁来源于Mn磁矩的长程有序排，并且对Li（Zn，Mn）P的弛豫时间测量，发现这个体系中传导电子和局域电子的自旋涨落行为，说明了巡游电子对于自旋的调制作用。虽然目前实验研究证明其居里温度只能达到34K，但是其载流子浓度要比之前的Li（Zn，Mn）As的载流子少3个数量级。通过理论和实验可以得到增加载流子浓度有利于提升居里温度，因此对于Li（Zn，Mn）P的研究还是有很大潜力，可以通过材料的优化，提高它的居里温度。2014年，王权等[8]通过Li1.1（Zn1-xCrx）As的合成以及物理性质的研究。发现Li1.1（Zn1-xCrx）As与III-V族GaAs结构类似，都是立方晶体结构，空间群为F-43m。实验证实，过量的Li产生了p型载流子，10% Cr替代了Zn引入自旋磁矩，在温度下Tf=218K形成自旋玻璃态，矫顽力达到了714 Oe，有效磁矩约为2～3μB/Cr；这为后面Cr掺杂系统通过精确控制载流子/自旋载体研究个体对铁磁有序的影响提供了引导作用。endprint
2 现状与展望
理想的稀磁半导体应具有高于室温的居里温度，虽然I-II-V族基新型稀磁半导体实现了自旋与电荷的分离调控，但是通过研究发现其居里温度远低于室温，因此对于I-II-V族基新型稀磁半导体我们还是面临一系列的挑战。例如对于材料的制备，我们需要考虑制备的材料是否具有室温铁磁性，还需要考虑铁磁体能否与半导体完全兼容，及以后如何将材料投入到应用中去。如若后面能攻克这些难题，I-II-V族基新型稀磁半导体的应用将大大的影响人们的生活，也将推动半导体材料研究的进展。
【参考文献】
[1]Ma？觢ek J，Kudrnovsk？伥 J，Máca F，et al.Dilute moment n-type ferromagnetic semiconductor Li（Zn，Mn） As[J].Physical review letters，2007，98（6）：067202.
[2]Kacimi S，Mehnane H，Zaoui A.I–II–V and I–III–IV half-Heusler compounds for optoelectronic applications： Comparative ab initio study[J].Journal of Alloys and Compounds， 2014， 587： 451-458.
[3]王愛玲，毋志民，王聪，等.新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究[J].物理学报，2013，62（13）：137101-137101.
[4]邓军权，毋志民，杨武庆，等.新型稀磁半导体Cu掺杂LiMgN的电子结构和光学性质[J].科学通报，2015，9：007.
[5]Deng Z，Jin C Q，Liu Q Q，et al.Li （Zn，Mn）As as a new generation ferromagnet based on a I–II–V semiconductor[J]. Nature communications，2011，2：422.
[6]Deng Z，Zhao K，Gu B，et al.Diluted ferromagnetic semiconductor Li（Zn，Mn）P with decoupled charge and spin doping[J].Physical Review B，2013，88（8）：081203.
[7]Ding C，Qin C，Man H，et al.NMR investigation of the diluted magnetic semiconductor Li（Zn1-xMnx）P（x=0.1）[J]. Physical Review B，2013，88（4）：041108.
[8]Wang Q，Man H，Ding C，et al.Li1.1（Zn1-x Cr x）As：Cr doped I–II–V diluted magnetic semiconductors in bulk form[J].Journal of Applied Physics，2014，115（8）：083917.endprint
