zno基稀磁半导体材料的研究进展

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1、ZnO基稀磁半导体材料的研究进展集半导电性和磁性于一体的磁性半导体，可以同时利用电子的电荷和自旋，兼备常规半导体电子学和磁电子学的优越性，被认为是2l世纪最重要的电子学材料．在自旋电子领域展现出非常广阔的应用前景，引起了人们对其研究的浓厚兴趣．在非磁半导体材料中掺杂磁性元素，将有可能使其变成磁性的．因而，从材料的磁性角度出发，半导体材料可以划分为非磁半导体(nonmagneticsemiconductor)、稀磁半导体(dilutedmagneticsemiconductor)和磁半导体(mag

2、neticsemiconductor)三种类型(图1)．稀磁半导体在没有外场作用时与非磁半导体具有相同的性质；反之，则具有一定的磁性．DMS的禁带宽度和晶格常数随掺杂的磁性材料离子浓度和种类不同而变化，通过能带剪裁工程可使这些材料应用于各种器件．氧化物DMS掺杂元素主要有过渡族元素(TM)、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等以及稀土元素(RE)等，过渡族元素和稀土元素具有很强的局域自旋磁矩，这些元素掺入到半导体材料中，替代半导体材料部分阳离子的位置形成稀磁半导体．在外加电场或者

3、磁场的影响下，材料中的载流子行为发生改变，从而产生了一般半导体材料所没有的一些新物理现象．如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应、大的激子分裂、超晶格量子阱以及磁致绝缘体--金属转变等．可以开发全新的、更微型化的半导体自旋电子器件，如自旋场效应晶体管(Spin—FET)、自旋发光二极管(Spin—LED)，同时还可以将目前分立的信息存储、处理、显示集成为一体，对微电子器件产生革命性的影响．1DMS发展概述DMS的研究可以上溯到上个世纪60年代，当时所研究的磁性半导体材料大多是天然的矿石，如硫族

4、铕化物在半导体尖晶石中可以产生周期性的磁元素阵列．但这类磁半导体的晶体结构和Si、GaAs等半导体材料有极大的不同．其晶体生长极为困难，很小的晶体通常要花费数周的准备和实施时间．同时，居里温度Tc在100K以下，导电性能接近绝缘体．经过几十年的研究，由于DMS的居里温度Tc远低于室温以及较低的饱和磁化强度，DMS没有能够得到广泛的应用．进入20世纪80年代，人们开始关注稀磁半导体．即用少量磁性元素与II—VI族非磁性半导体形成的合金。如(Cd，Mn)Tc和(Zn，Mn)Se等，这些II—VI族稀

5、磁半导体可以称为第二代磁性半导体．II—VI族半导体中的II族元素被等价的磁性过渡族金属原子替代，能够获得较高的磁性原子浓度，可达到10％~25％．这些II—VI族稀磁半导体仍保持闪锌矿结构或纤锌矿结构，替代的磁性Mn离子处于一个四面体环境，且Mn离子是二价的，既不供给载流子也不束缚载流子，但引入了局域自旋，导致了Mn磁矩之间的短程反铁磁性耦合．由于在这种稀磁半导体中，替代二价阳离子的Mn离子是稳定的，产生的载流子不仅很少，而且也很难控制，所以这种稀磁半导体经常是绝缘体．II—VI族稀磁半导体的

6、磁性质受局域自旋之间的反铁磁性超交换作用控制，不同的磁性原子浓度和不同的温度条件可以导致顺磁、自旋玻璃或反铁磁等不同磁性行为．近年来Died等人运用Zener模型从理论上预言了P型Mn掺杂量为5％，载流子浓度为3．5×1020cm-3GaN和ZnO材料居里温度Tc将高于室温(图2)．基于平均场理论，在铁磁转变温度以上，磁化率对温度的依赖关系被认为服从居里--外斯定律，材料的sp—d相互作用被当作作用在载流子系统上的有效磁场，当自发磁化和空穴存在时，价带中发生自旋分裂，结果使载流子系统能量下降．同

7、时，自发磁化增加了局域磁矩的自由能，这种自由能的损失随温度的降低而减少．在一定温度，能量的获得与损失相平衡，这就是平均场模型的居里温度Tc．Died等人认为ZnO基稀磁半导体的磁性，是由于Mn离子取代了Zn离子后的局域d电子与ZnO中的载流子(空穴)的交换作用而导致了铁磁性，空穴的浓度决定了上述交换作用结果，即产生铁磁性、反铁磁性还是顺磁性，以及居里温度Tc的高低．2005年《Science》杂志对稀磁半导体的研究发表评论：“Isitpossibletocreatemagneticsemicon

8、ductorsthatworkatroomtemperature?”。这进一步激发了人们研究稀磁半导体的兴趣，GaN稀磁半导体已获得了一定的成果，而ZnO稀磁半导体还在进一步的研究中．目前，已有的实验研究主要集中在Mn掺杂ZnO和Co掺杂ZnO方面，其它TM元素掺杂ZnO也有一定的报道．2研究现状ZnO及其掺杂薄膜的制备方法比较多，常见的制备方法有：分子束外延(MBE)技术、脉冲激光沉积(PLD)、各种化学气相外延生长(CVD)、磁控测射、溶胶--凝胶(sol—gel)、超声喷雾热解(USP)等