磁性半导体

我们能否制造出在室温下同时显示铁磁体和半导体特性的材料？

磁性半导体是同时具有铁磁性（或类似响应）和有用的半导体特性的半导体材料。 如果在设备中实现，这些材料可以提供一种新型的传导控制。 传统电子设备基于对电荷载流子（n 型或 p 型）的控制，而实用的磁性半导体还允许控制量子自旋态（向上或向下）。 这在理论上将提供接近全自旋极化（与铁和其他金属相反，它们仅提供约 50% 的极化），这是自旋电子学应用的重要特性，例如 自旋晶体管。

虽然磁铁矿等许多传统磁性材料也是半导体（磁铁矿是带隙为 0.14 eV 的半金属半导体），但材料科学家普遍预测，如果磁性半导体与发展良好的半导体材料相似，它们才会得到广泛应用。 为此，稀磁半导体 (DMS) 最近成为磁性半导体研究的主要焦点。 它们基于传统的半导体，但掺杂了过渡金属而不是电子活性元素，或者除了电子活性元素之外。 它们因其独特的自旋电子学特性和可能的技术应用而受到关注。 掺杂的宽带隙金属氧化物，如氧化锌 (ZnO) 和氧化钛 (TiO2)，因其在光磁应用中的多功能性而成为工业 DMS 的最佳候选者。 特别是，具有可视区域透明性和压电性等特性的基于 ZnO 的 DMS 作为制造自旋晶体管和自旋极化发光二极管的有力候选者引起了科学界的极大兴趣，而铜掺杂 TiO2 进一步预测该材料的锐钛矿相会表现出有利的稀磁性。

Hideo Ohno 和他在东北大学的团队率先测量了过渡金属掺杂化合物半导体的铁磁性，例如掺有锰的砷化铟和砷化镓（后者通常称为 GaMnAs）。 这些材料表现出相当高的居里温度（但低于室温），居里温度随 p 型载流子的浓度而变化。 从那时起，人们就测量了掺杂不同过渡原子的各种半导体主体的铁磁信号。

Dietl 等人的开创性工作。 表明改进的齐纳磁性模型很好地描述了载流子依赖性以及 GaMnAs 的各向异性特性。同一理论还预测室温铁磁性应该存在于分别由 Co 和 Mn 掺杂的重 p 型掺杂 ZnO 和 GaN 中。 在做出这些预测之后，对各种氧化物和氮化物半导体进行了一系列理论和实验研究，这些研究显然似乎证实了几乎任何重度掺杂过渡金属杂质的半导体或绝缘体材料的室温铁磁性。然而，早期的密度泛函理论 (DFT) 研究因带隙误差和过度离域的缺陷水平而蒙上阴影，更先进的 DFT 研究驳斥了以前对铁磁性的大部分预测。同样，已经表明，对于磁性半导体的大多数基于氧化物的材料研究不表现出本征载流子 -介导的铁磁性，由 Dietl 等人假设。迄今为止，GaMnAs 仍然存在 ns 是xxx一种在 100-200 K 左右的相当高的居里温度下具有强健的铁磁性共存的半导体材料。

材料的可制造性取决于掺杂剂在基材中的热平衡溶解度。 例如，许多掺杂剂在氧化锌中的溶解度足以大批量制备材料，而其他一些材料的掺杂剂溶解度非常低，因此必须采用热非平衡制备机制来制备具有足够高掺杂剂浓度的材料，例如 薄膜的生长。

已经在广泛的半导体基材料中观察到xxx磁化。其中一些材料在载流子浓度和磁化之间表现出明显的相关性，包括 T 的工作。 Story 和同事证明了 Mn2+ 掺杂的 Pb1−xSnxTe 的铁磁居里温度可以通过载流子浓度来控制。 Dietl 提出的理论需要空穴情况下的电荷载流子来调节原型磁性半导体（Mn2+ 掺杂 GaAs）中锰掺杂剂的磁耦合。 如果磁性半导体中的空穴浓度不足，则居里温度会很低或仅表现出顺磁性。