发现自旋电荷注入机制分离的“111”型稀磁半导体LiZnP

  

  稀磁半导体是在非磁性半导体中掺杂磁性离子,利用对载流子的控制在半导体材料产生磁性的新型量子功能材料,实现半导体材料长程磁有序。稀磁半导体同时利用电子电荷和自旋两个自由度,如果将其用于信息的处理和存储,将会大幅度地提升现有半导体器件的性能并拓展其应用功能,将有望为解决 Moore 定律带来的瓶颈效应提供重要解决方案。

  在半导体中实现磁有序需要具备两个基本物理条件,局域磁矩和引发局域磁矩长程量子序的低浓度载流子。在几类已知的稀磁半导体中,磁矩和载流子均由同一种掺杂元素提供,即自旋和电荷天然一体。比如广为研究的基于III-V族的(Ga,Mn)As稀磁半导体,由于Mn2+和Ga3+具有不同价态,Mn对Ga的替代引入自旋的同时也提供了P型载流子。这种自旋和电荷的捆绑效应严重制约了对材料电性和磁性的调控维度,实现自旋和电荷注入机制的分离成为稀磁半导体材料设计和研制的重大挑战。

  为解决自旋电荷分别注入这个关键问题,本研究组在 2011年首先发现了基于I-II-V族半导体的新型稀磁体 Li(Zn,Mn)As ( Nature Communications 2:422 (2011)),其具有和GaAs同样的晶体结构。与GaAs不同,对Li(Zn,Mn)As在Zn2+位注入Mn2+只引入自旋,载流子浓度则通过改变Li的含量来进行调控。这样,在 LiZnAs半导体中就可以实现自旋和电荷的分别注入,但其50K的居里温度明显低于 (Ga,Mn)As 体系的铁磁转变温度。随后他们发现了新型稀磁体(Ba,K)(Zn,Mn)2As2 ,将铁磁转变居里温度大幅提升到 180K 以上 (Nature Communications 4:1442 (2013))。通过在Ba2+位替代K1+控制载流子浓度,在Zn2+位掺杂Mn2+引入自旋,实现载流子和自旋的分别注入和调控。

  最近,靳常青研究员指导的邓正博士等人在以上研究的基础上发现了新型稀磁体Li(Zn,Mn)P,这一不含毒性元素的半导体材料通过Zn2+位的Mn2+掺杂引入自旋,通过改变Li的含量改变载流子浓度,从而实现了自旋和电荷的分别调控。靳常青研究组通过大量系统的实验工作发现,Li(ZnMn)P在3%Mn掺杂量可具有接近2个 Bohr磁子的饱和磁矩。同时材料具有很小的矫顽力(~50Oe),这为低场调控自旋和电荷的潜在应用提供了可能。虽然Li(Zn,Mn)P体系的居里温度只有34K,但是材料具有优良的半导体电输运行为,这有利于通过掺杂改变材料的电导行为,也为材料的进一步优化提供了极大地空间。发现的新型稀磁体Li(Zn,Mn)P,是我们以上研究工作的深化和扩展。以上工作发表在近期 Physical Review B (Rapid Communications) 上 ( Phys. Rev. B 88, 081203(R) (2013) (Rapid Communications))

相关参考文献:
Z. Deng, K. Zhao, B. Gu, W. Han, J. L. Zhu, X. C. Wang, X. Li, Q. Q. Liu, R. C. Yu, T. Goko, B. Frandsen, L. Liu, Jinsong Zhang, Yayu Wang, F. L. Ning, S. Maekawa, Y. J. Uemura, C. Q. Jin, “Diluted ferromagnetic semiconductor Li(Zn,Mn)P with decoupled charge and spin doping”, Phys. Rev. B 88, 081203 (2013) (Rapid Communications)

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