稀磁半导体概述
稀磁半导体材料的结构与性质
稀磁半导体材料的结构与性质稀磁半导体材料是一类具有特殊磁性和半导体特性的材料，它们在磁性和电子学领域具有重要的应用潜力。
本文将探讨稀磁半导体材料的结构与性质，并介绍一些相关的研究进展。
一、稀磁半导体材料的基本概念稀磁半导体材料是指在晶体中含有稀土元素或过渡金属离子的半导体材料。
这些材料既具有半导体的电子学特性，又具有磁性的特点。
稀磁半导体材料的磁性来源于其中的稀土或过渡金属离子的磁性，而半导体特性则来自于材料的能带结构。
二、稀磁半导体材料的结构稀磁半导体材料的结构通常是由晶体结构和离子掺杂结构两部分组成。
晶体结构决定了材料的晶格参数和晶体对称性，而离子掺杂结构则决定了材料中的稀土或过渡金属离子的位置和取代程度。
在晶体结构方面，稀磁半导体材料常采用锌刚石结构或闪锌矿结构。
锌刚石结构的晶胞中包含两个互相取代的离子，其中一个是半导体基底元素（如锌或镓），另一个是稀土或过渡金属离子。
闪锌矿结构的晶胞中也包含两个互相取代的离子，但其中一个是半导体基底元素，另一个是稀土或过渡金属离子。
离子掺杂结构的设计和控制对于稀磁半导体材料的性能至关重要。
通过掺杂不同的稀土或过渡金属离子，可以调节材料的磁性和半导体特性。
此外，还可以通过掺杂不同的浓度和位置，实现材料的磁性和电子学特性的优化。
三、稀磁半导体材料的性质稀磁半导体材料的性质主要包括磁性和电子学特性。
磁性是稀磁半导体材料的重要特征之一，它可以通过外加磁场或温度的变化来调节。
稀磁半导体材料通常具有铁磁、反铁磁或顺磁性质，这取决于其中的稀土或过渡金属离子的自旋排列和相互作用。
除了磁性，稀磁半导体材料还具有半导体的电子学特性。
这些材料的能带结构和导电性质可以通过离子掺杂和外加电场来调节。
稀磁半导体材料的能带结构通常包括导带、价带和禁带，电子和空穴的运动在其中起着重要的作用。
稀磁半导体材料的磁性和电子学特性使其在磁性存储、磁性传感器和自旋电子学等领域具有广泛的应用前景。
材料化学综述
稀磁半导体材料的研究进展及应用前景吕艳1前言1.1稀磁半导体概述稀释磁性半导体(Diluted Magnetic Semiconductors,DMS)，也称半磁半导体是指在III-V族、II-VI族、II-V族或IV-VI族化合物中，由磁性过渡族金属离子或稀金属离子部分替代非磁性阳离子所形成新的一类半导体材料。
理想的稀磁半导体应具有以下特点：居里温度cT>500K．铁磁性与形成载流子的杂质能带的自旋分裂相关联：可以选择n型和P型掺杂；具有高的迁移率和自旋散射长度；具有磁光效应和反常霍尔效应[1]。
由于稀磁半导体材料所具备的半导体和磁性材料的综合特性，使其可广泛应用于未来的磁(自旋)电子器件，从而使传统的电子工业面临一场新的技术革命。
什么DMS材料能引起人们很大的兴趣?概括起来有以下方面原因，1．当前世界上对半导体和磁性二大类材料研究得比较广泛和深人。
且广泛地应用于光电器件，仪表，通讯，航天等领域。
如果能把这二大类材料的优点集中在同一种材料上，既具有半导体性，又有磁性，兼有两者共同的优点，其虚用面将更广泛。
2．由于稀磁性半导体(DMS)AⅡt-x ．MaBⅡ是三元组份。
其中，带有磁佳的锰离子的组份是可调的，其材料的物理参数也随组份的改变而不同。
由于掺入了Mn，Mn“离子就取代了AⅡ族离子，Mn“分布在I族阳离子的品格上，在低温下，引起自由自旋。
3．Mn原子取代了AⅡBⅥ晶格，使它具有较高的有效的电荧光性质。
4．Mn 的存在可引起s，p价电子层和d电子层的电子与Mn”的交换作用，产生电子能级(价电子和杂质电予能级)的分裂。
Mn“在晶体中的自由自旋性质的增强将会引起新的效应，像巨大的法拉第旋转。
A一MnBⅥ的晶格参数和能带宽度随组份x 的可变性，使它有可能成为优良的量子阱超晶格材料。
以前DMS的研究主要集中在磁性离子引入半导体材料后出现的独特的磁学、电学和磁光性能方面。
而当自旋电子学这一全新领域得到飞速发展后，在更广义的情况下，这个新的领域即自旋电子学(Spin—electronic sorpintronics)[2]。
MnSi稀磁半导体
稀磁半导体 （ I0@FGD >?L5DG0H AD>0HM5IFHGMN，+3/） 是在半导体中掺杂低浓度的过渡金属离子而具有铁 磁性的新型半导体材料， 在磁记忆存储、 磁传感器等 7 多年来， 由于实验上易于掺杂较高浓度的磁性过渡金属离 子， 以! 6 "族和#=$族化合物半导体为基础的稀 7 但是， 35， OM 等过渡金 属离子在 PQ 族 /0 和 RD 等半导体材料中的饱和溶 解度很小， 约为 (9 —#9 ， 难于制备出良好性能的 稀磁半导体， 导致该领域的研究较少 7 由于 /0 和 RD 基的稀磁半导体材料与已有的半导体技术具有良好
［(，(%， ((］ 的兼容性， 近年来， 也逐渐受到关注 7
的 35 ! /0( 6 （ 薄膜， 电镜结果表明 ! ! V %;%%<—%;%$<） 同时离子沟道技术 （ 0M5 存在 富 35 的 合 金 相， 表明还有以替代位形式 35 掺入 /0 晶格 HX?55D@05L） 的物相存在 7 （)*+） 方法作为一种物相分析的有 ) 射线衍射 力手段， 在对 35 ! /0( 6 ! 薄膜中合金相成分及结构的
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ZnO基稀磁半导体材料的研究进展
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(nｏnmaｇnｅtic sｅmicondｕctor)、稀磁半导体(dilutｅd magneｔｉc ｓemicｏndｕctor)和磁半导体(magｎeｔic semｉｃoｎducｔor)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．１ DMS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—V Ｉ族非磁性半导体形成的合金。
氧化物稀磁半导体的研究进展
氧化物稀磁半导体的研究进展摘要：稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性，并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。
本文论述了氧化物稀磁半导体的研究进展。
关键词：稀磁半导体；ZnO；磁学性质；光学性质在各种类型的半导体材料中，氧化物半导体材料因为具有宽带隙的特点，所以能够实现n型载流子重掺杂，有利于强铁磁交换耦合在局域自旋之间进行，是实现高居里温度的最有希望的宿主化合物之一。
而氧化物半导体材料被过渡族金属掺杂后成为极具潜力的自旋电子材料之一。
一、氧化物稀磁半导体制备条件对磁性的影响氧化物稀磁半导体的制备工艺参数对材料性能有着重要的影响，制备方法的选取、不同基底和过渡层的选取、制备过程中基底温度和氧分压的微小变化等因素都可能影响到材料的最终性能。
制备温度越低，越不利于掺杂物的充分反应，易出现杂质，尤其是对于块状样品，制备温度会影响到掺杂物在整个样品中的均匀性；而过高的沉积或烧结温度又会使掺杂物有团聚的倾向，容易形成反铁磁耦合，从而降低饱和磁化强度。
氧化物稀磁半导体样品制备过程中氧分压的大小，以及随后进行的样品退火处理都会对氧化物稀磁半导体的磁性产生影响。
氧化物稀磁半导体磁性的起源与氧空位的存在有很大关系。
增加氧空位的方法有2种：①退火，包括真空退火和在H2气氛中退火，但在完全为H2的气氛中退火并不安全。
②改变制备过程中氧分压的大小。
在高真空中退火的Cr-ZnO，分别在空气中退火和真空中退火的Fe-TiO2，在Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Fe-ZnO，通过改变制备过程中氧分压的Mn-ZnO，以及在高真空或Ar(95％)/H2(5％)气氛中退火的Cu-TiO2等都说明，不论以何种方式增加氧空位后，磁性都呈现一个从无到有或从弱到强的趋势。
不管是退火还是控制制备过程中的氧分压，都有一个共同的特点，即随着氧空位的增加(真空退火或氢气气氛中退火，或减少制备过程中的氧气含量)磁性呈现增强的趋势。
稀磁半导体的制备与性质
第25卷 第8期2005年8月 物 理 实 验 P H YSICS EXPERIM EN TA TION Vol.25 No.8 Aug.,2005 收稿日期:2005205217 基金项目:河北省自然科学基金(E2005000178),河北省教育厅基金(B2003110&2004442) 作者简介:侯登录(1965-),男,河北师范大学物理学院教授,博士生导师,工学博士,主要从事磁学与磁性材料、纳米复合材料的研究.稀磁半导体的制备与性质侯登录(河北师范大学物理学院,河北石家庄050016) 摘 要:报道了稀磁半导体的制备、性质与实验研究进展,介绍了稀磁半导体的应用及发展前景.关键词:稀磁半导体;自旋电子学;掺杂中图分类号:O49 文献标识码:A 文章编号:100524642(2005)08200032051 引 言磁性物理和半导体物理是现代凝聚态物理的2个重要的分支,磁性材料和半导体材料又是现代工业技术中2种非常重要的材料.集成电路、高频和大功率器件是半导体中电子的电荷特性被成功利用的范例,高容量信息存储器件(如硬盘、磁带、磁光盘等)则是利用了铁磁材料中电子的自旋特性.自然想到的是:能否制备出同时利用电子的电荷和自旋特性来工作的高性能量子器件.这样信息存储和信息处理就能同时进行,设备结构可大大简化,功能大大增强.稀磁半导体(Dilu 2ted Magnetic Semiconductors ,DMS )兼备磁性和半导体特性,同时利用电子的自旋和电荷自由度,不论从理论上还是从应用上都有非常重要的意义.稀磁半导体材料是在非磁性半导体(如II 2V I 族或III 2V 族)中掺杂磁性离子,利用载流子控制技术产生磁性的新型功能材料.由于载流子和局域磁矩之间强烈的交换作用,改变了能带结构和载流子的行为,从DMS 材料中发现了许多新的物理现象,如巨法拉第效应、巨塞曼分裂、反常霍尔效应以及磁致绝缘体2金属转变等.利用这些效应,可以制成各种新型的功能器件,为一些新技术的发展提供条件.由于磁性离子局域磁矩与能带电子自旋存在交换作用,通过改变磁性杂质浓度和外磁场强度可以有效控制它们的光电、光磁、光吸收和输运特性.DMS 器件可以直接与现有的半导体器件集成,在光、电、磁功能集成等新型器件方面具有重要的应用,将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用.尽管已经研究了几十年,稀磁半导体还是没有能够得到广泛的应用,其中一个原因是其居里温度低于室温[1],另一个原因是饱和磁化强度较低[2,3].扩展更多的掺杂元素或生长更多种类材料来提高稀磁半导体材料的居里温度是当前的首要问题.目前研究的焦点还有,稀磁半导体磁性的来源、DMS 材料的实用化与DMS 器件设计与研发等问题.针对这些问题,物理学、化学和半导体材料学界开展了大量的研究工作.本文拟概括介绍DMS 的制备、性质与实验研究方法等.2 稀磁半导体的制备2.1 分子束外延低温生长技术分子束外延(Molecular Beam Epitaxy ,MB E )低温生长作为专门的课题很早就得到了研究.在稀磁半导体材料研究领域中,非平衡态的低温生长(200～300℃)是其关键技术.这是因为只有在低的生长温度下才能引入超出固溶度的高浓度的磁离子,且低温生长时的热能不足以在外延层形成第二相.低温下MB E 的二维平面生长是保证磁半导体材料质量的关键.MB E 方法的优点在于可以精确控制计量比,同时引入高浓度磁性离子.其缺点是生长温度低,不能使用高熔点的源;只限于科学研究,生产规模受限.利用低温分子束外延(L TMB E )方法,文献[4～13]分别制备了Ga 1-x Mn x As 薄膜,Zn 1-x Cr x Te 薄膜,Cd1-x Mn x Te单晶薄膜,GaMnAs/GaAs薄膜, (Ga,Mn)As薄膜,GaN∶Fe薄膜,Mn∶Ge薄膜,GaMnP薄膜,Cr y Ge1-y和Cr y Mn x Ge1-x-y薄膜以及(Zn,Mn)Se薄膜.最近,Lee等人[14]制备了CdSe和Cd0.78Zn0.14Mn0.08Se构成的量子点. 2.2 离子注入技术离子注入(Io n Implantation)技术具有良好的选择性注入能力,更具有实用价值;但由于注入能量高,会造成晶格损伤,内外表面难于均匀. Sho n等人[15,16]报道在InP中注入Mn,注入能量200keV,注入深度150nm,在N2气氛下退火温度600～900℃.王基庆等[18]报道了GaN外延片的Mn离子注入能量为60keV,注入深度约为50nm,注入剂量为1015～5×1016/cm2.热退火在N2气氛中进行,1000℃下退火5min.陈诺夫等[19]采用离子注入、离子沉积及后退火方法制备了Mn x Ga1-x Sb样品.首先,将具有1keV能量的Mn离子注入(001)晶向的非故意掺杂的p 型GaSb晶片中,注入深度约为70nm.注入时衬底晶片温度为200℃.然后,再将100eV的Mn 离子淀积到晶片表面,形成5nm厚的薄膜.之后,在Ar气氛中将样品在400℃下退火30min. GaSb表面沉积的Mn膜可阻止已注入进衬底的Mn离子在退火过程中的外扩散,并使晶片近表面处具有较高的Mn组分.2.3 脉冲激光沉积脉冲激光沉积(Pulsed Laser Depo sition, PLD)可使多组分物质能够熔化,并沉积在基底上形成化学计量薄膜.首先,将脉冲激光束聚焦在固体靶材表面上,固体表面大量吸收电磁辐射,导致靶材物质快速蒸发,而蒸发的物质在真空中到达基底并沉积在上面形成薄膜.通过控制激光脉冲能量与脉冲重复频率等条件可得到不同厚度的薄膜,甚至可精密调至单原子层厚度的薄膜.与其他溅射技术相比,PLD方法所用靶的体积小,其重要特点是沉积薄膜保留了靶的化学计量比.利用此方法文献[20～27]分别制备了Co2TiO2,Co2SnO2,Mn2ZnO,Co2ZnO, Fe2TiO2,Co2LaSr TiO3和V2TiO2等薄膜.2.4 溶胶凝胶法溶胶凝胶(Sol2Gel)法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺.近年来,此方法广泛应用于各种新型材料的制备,并有较大发展.其基本原理是:将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分,最后得到无机材料.包括以下几个过程:溶胶的制备;溶胶凝胶转化;凝胶干胶.溶胶凝胶法的优点在于化学均匀性好、高纯度以及可容纳不溶性组分.Lee等人[28]报道了ZnCoO的制备过程:将醋酸锌和醋酸钴溶于22甲氧基乙醇溶液,其浓度为0.5mol/L,滴入涂渍溶液并以3000r/min搅拌30s,由此在基底上制备出薄膜前驱体.此薄膜前驱体在空气中300℃下干燥10s,然后在O2气氛下700℃退火1min,得到薄膜的厚度由扫描电子显微镜断面成像测得为2000～2500nm.Park等人[29]报道了Co2ZnO的溶胶凝胶旋涂制备过程:利用Zn(C H3COO)2・H2O和Co(CH3COO)2・H2O作为母体,而9∶1的22甲氧基乙醇和乙醇胺混合液作为溶剂,在O2气氛600℃下热处理10min,最后快速热退火,得到Co2ZnO薄膜.修向前等人[30]报道ZnO∶Fe薄膜的制备过程如下:将一定量的分析纯醋酸锌与氯化亚铁的混合物溶于无水乙醇中,室温下用磁力搅拌器搅拌,同时逐滴加入少量乳酸.搅拌2h后得透明匀质的溶胶,浓度约为0.4mol/L.通过改变锌铁的物质的量之比达到控制掺杂的目的.将0.02mL溶胶滴加到Si(111)衬底上,利用甩胶机(2000～3000r/min)将溶胶均匀涂覆,室温下放置5～10min.再在空气气氛中300℃热处理5min.重复以上涂膜、预热过程5～20次,将样品在550℃下热处理30min,制得ZnO∶Fe薄膜.胡秀坤等人[31]报道Co TiO2的制备方法,分2步:第一,溶胶制备.将7.5mL的Ti(OC4H9)4于剧烈搅拌下滴加到15mL无水乙醇中,再滴加1mL的冰乙酸,搅拌10～15min,得到淡黄色溶液1;取5mL的乙醇,加入0.25mL的去离子水和0.25mL的硝酸,得到溶液2;在剧烈的搅拌下将溶液2缓慢滴加到溶液1中;称量一定配比的Co(NO3)2・6H2O,加入到溶液中,继续搅拌1h,得到紫红色溶液,放置陈化3h待用.按此方法分别配置了不同成分的Ti1-x Co x O2(x=0.00, 0.04,0.07,0.10)溶胶.第二,样品制备.采用匀4 物 理 实 验第25卷胶法制膜,以洁净的玻璃片(2.2cm×2.2cm)为基片,匀胶转速为3000r/min,时间为39s.将载膜玻片在200℃干燥30s.多层膜的制备则经反复匀胶干燥.将烘干的薄膜放在炉中焙烧,温度控制在485℃,焙烧时间为2h,之后随炉冷却到室温.取部分溶液在90℃恒温水浴蒸干,然后研磨、压型,在485℃热处理12h,得到块材.2.5 其他制备方法溅射沉积方法包括射频溅射、磁控溅射、反应溅射和粒子束溅射等.宋红强等人[32,33]利用射频磁控反应溅射制备TiCoN薄膜样品.然后通过低真空氧化制得TiCoO2薄膜样品.黄良安等人[34]利用射频溅射法制备了Pb1-x Co x Se薄膜.颜世申等人[35]在水冷衬底下,通过磁控溅射,在亚纳米尺寸制备了形式上的[ZnO(0.5nm)/Co (0.6nm)]60多层膜结构.文献[36～38]分别利用粒子束溅射制备了Ge1-x Mn x Te,ZnO∶Co和ZnO/Co Fe多层膜.文献[39～43]报道了化学气相沉积(CVD)方法制备稀磁半导体.文献[39,40]利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备了Mn∶GaN样品.文献[41]利用金属有机气相外延(OMV PE)方法制备了厚度为300～600nm的Mn∶InAs薄膜.文献[42]利用一种热化学气相沉积(TCVD)方法制备了Zn1-x Co x O取向纳米棒,而文献[43]利用气相蒸发(V PE)方法制备了Zn1-x Mn x O纳米线.3 DMS的性质、研究进展及其应用稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质,如巨塞曼效应、巨法拉第旋转、自旋共振隧穿和自旋霍尔效应等.这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础[44].巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp2d交换相互作用引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应.采用圆偏振抽运光照射半导体材料,当一束线偏振的探测光透过材料后其偏振面会发生偏转,透射光偏振面的偏转角称为法拉第角(反射光称为克尔角).当材料是稀磁半导体时,偏转角要比非磁性半导体材料大1～2数量级.该现象被称为巨法拉第旋转.可以从法拉第角随时间变化的规律来研究载流子和磁离子自旋的弛豫和输运,以及如何用外电场、外磁场和光场来操纵自旋.近年来稀磁半导体材料在磁场下的输运性质有大量的研究,主要研究的是稀磁半导体结的隧穿和霍尔效应.隧穿输运方面主要是研究通过磁性半导体结的自旋注入.自旋注入是实现半导体材料自旋电子器件的首要问题,尤其是如何实现室温下半导体材料中的自旋注入是目前大家十分关注的问题.实验上人们采用不同的方法,目前大致有2类途径:一类是通过铁磁金属和半导体界面注入;另一类是通过稀磁半导体结隧穿注入.目前前者实验上注入所产生的自旋极化率大约在2%左右.较低的极化率来自铁磁金属与半导体材料的电导率的失配.但近来人们利用在铁磁金属和半导体之间的肖特基势垒的隧穿实现了室温自旋注入,注入电子的极化度为30%.在输运性质方面,人们还在铁磁半导体中发现了反常霍尔效应(或自旋霍尔效应)和各向异性磁电阻.反常霍尔效应引起人们理论研究的兴趣,反常霍尔效应给我们提供关于磁性半导体薄膜载流子自旋极化和散射机制的信息.通常稀磁半导体材料的磁化强度相当小,由于反常霍尔效应灵敏度较高,因此可间接反映磁化强度的大小,甚至确定居里温度.由反常霍尔效应确定的居里温度与直接测量磁矩的实验结果很好地吻合.目前,DMS的研究在理论、实验及应用上发展相当令人喜悦[45].近来,有人成功掺入5%Mn 到GaN中,获得高于室温的居里温度,与理论计算相当一致.还有人成功掺入9%Mn到GaN 中,实验表明其居里温度达945K.另外,近来一系列的报道也提及了在其它半导体中发现了高于室温的铁磁性转变:320K在II2IV2V I黄铜矿(Gd1-x Mn x)GeP2,290～380K在(Zn,Co)O,室温铁磁性在TiO2∶C,以及高于400K的闪锌矿结构CrAs和CrSd.可以预见,不久的将来,室温DMS将引起的冲击毫不亚于普通半导体器件对人类生活的影响.稀磁半导体一个重要的应用方向是自旋电子器件[46].人们已提出了几种自旋电子器件结构,备受世界各著名实验室关注.例如自旋偏振场效应管是利用自旋电子注入制备的自旋极化场效应管.沟道电流是InAlAs/In GaAs形成的高迁移率的二维电子气,自旋电子的注入和收集是通过磁场控制的铁磁性金属电极,栅电极的作用是使5第8期 侯登录:稀磁半导体的制备与性质载流子的自旋和外磁场一致.此外,高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成、光隔离器件和半导体激光器的集成以及量子计算机等是稀磁半导体的重大的潜在应用.但上述以稀磁半导体为基础的自旋电子器件的研制尚处于起步阶段,距实用化还有很长的路程.此外,亚微米的磁微机械也有了初步探索.由于DMS材料的特殊性,它可应用在磁学、光学、电学等领域.主要有:由于磁性粒子的掺杂,其带隙可随磁性粒子的浓度而变化,因此可以制成各种光电子和磁光器件;由于其能带结构明显受外磁场的影响,可以应用到磁控量子阱和超晶格器件中;用作磁性金属与半导体的界面层,实现自旋极化载流子向非磁性半导体中的注入,用于自旋极化发光二极管的制造.4 结束语最近,大量研究工作投入到过渡元素掺杂的氧化物稀磁半导体中,如ZnO,TiO2,SnO2, Ba TiO3,Cu2O,Sr TiO3和KTaO3.这些材料大都具有接近或高于室温的居里温度,这对于自旋电子器件的实用化进程是非常有用的.研究表明,在优化的合成条件下,原子比在几个百分点的过渡元素可以不产生新的相,而导致室温铁磁性.脉冲激光沉积、反应溅射方法(Reactive Sp utte2 ring)、分子束外延和离子注入方法等都可用来制备稀磁半导体.磁性产生的机理仍在热烈讨论着,如载流子诱导(carrier2induced)、双交换相互作用(double2exchange)极化R KKY相互作用和束缚磁极化子形成(Bound Magnetic Polaron Formation)都有可能解释磁性来源.参考文献:[1] Dietl T,Ohmo H,Matsukura F,et al.Zener Mod2el 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稀磁半导体
稀磁半导体
稀磁半导体是在近年来发展起来的一种新型半导体材料，它可以将磁
性和半导体的功能结合起来，由此出现了新的物理现象。
稀磁半导体的指
标是它具有中性电子磁矩，这种磁矩也被称为非常低的磁矩。
由于它有着
非常低的磁矩，当它处于外加磁场中时，它不会出现显着的磁响应。
也就
是说，当稀磁半导体接触到外加磁场时，它可以很好地阻挡磁场的影响，
不会产生明显的磁响应，这是一种特殊的磁响应特性。
由于稀磁半导体具有独特的电子磁矩，它有着多种用途。
例如，它可
以用于电子器件的设计，实现微电子的变换，能够提供更高的电子性能。
例如，它可以用于电容器的制造，可以提高电容器的容量，也可以用于电
子磁路的设计，可以提升磁路的性能。
此外，稀磁半导体也可以用于控制磁场。
它可以被用来制作磁控开关，能够抑制磁场的影响，从而使电子设备的性能得到改善和提高。
因此，稀
磁半导体在微电子领域有着广阔的应用前景。
SnO2稀磁半导体的制备与性能研究
目录摘要 (1)关键词 (1)1 概述 (2)1.1引言 (2)1.2稀磁半导体的研究概述和自旋电子学 (3)1.2.1自旋电子学 (3)1.2.2稀磁半导体定义和分类 (4)1.3稀磁半导体中的交换互作用 (4)1.3.1 d-d交换作用和磁性 (5)1.3.2 sp-d交换作用和磁性 (5)1.4稀磁半导体中的磁极化子 (6)1.5稀磁半导体的研究概况和进展 (6)1.5.1稀磁半导体的研究概况 (6)1.5.2稀磁半导体的研究进展 (7)1.6 SnO2半导体的结构及基本性质 (9)1.6.1 SnO2半导体的晶体结构 (9)1.6.2 SnO2半导体的能隙 (9)1.6.3 SnO2半导体的光电性质 (10)1.6.4 SnO2半导体的气敏性质 (10)1.6.5 SnO2半导体的湿敏性质 (10)1.6.6锰掺杂二氧化锡薄膜基稀磁半导体的应用前景 (11)2 锰掺杂二氧化锡薄膜的制备 (11)2.1溶胶-凝胶法制备锰掺杂二氧化锡薄膜 (11)2.1.1基本概念和原理 (11)2.1.2溶胶凝胶体系的选用 (12)2.1.3试验设备与器材 (12)2.1.4试样制备过程 (13)2.1.5薄膜结构的表征方法 (14)2.2 SnO2：Mn薄膜的结构和性能分析 (16)2.2.1样品表面形貌XRD的结果与分析 (17)2.2.2 样品SEM的结果与分析 (17)3 全文总结 (17)致谢 (19)参考文献 (20)SnO2稀磁半导体的制备与性能研究摘要SnO2薄膜作为新型功能材料，在现代技术领域得到了广泛的应用。
对于它的制备方法，确定了采用溶胶－凝胶旋涂法制备SnO2薄膜的工艺。
以无机金属SnCl2·H2O和MnCl2·4H2O为原料，采用溶胶凝胶旋涂法制备得到组成、微观结构、性能良好的2%Mn掺SnO2薄膜。
本文系统研究了热处理温度、薄膜厚度和锰掺杂浓度对SnO2薄膜微观结构、薄膜组成的影响。
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简述稀磁半导体
摘要：本文中主要介绍的稀磁半导体的情况。
稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。
文中分为三个方面介绍，首先简述了稀磁半导体的研究现状，有稀磁半导体的制备情况及其分类状况；再者分析了稀磁半导体的主要性质然后根据它的性质和特点介绍稀磁半导体的应用方面；最后对稀磁半导体进行了总结，稀磁半导体的应用情况。
关键词：稀磁半导体应用制备方法
一稀磁半导体的制备方法及进展
稀磁半导体是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。
稀磁半导体的制备方法有凝胶溶胶法[1]、气相淀积法、溅射沉积法[2]、分子束外延成长、水热法和其他制备方法[3]。
制备稀磁半导体的主要困难是磁性离子在Ⅲ-Ⅴ族半导体中的固溶度太低。
而在半导体中磁性离子的浓度<10cm 时，即起不了什么作用；但若采用MBE的低温非平衡生长工艺可克服此困难，从而相继制备出了（In，Mn）As和（Ga，Mn）As等Ⅲ-Ⅴ族磁性半导体。
研究者还利用其他方法成功制备出稀磁半导体，如电子束蒸发法，高温固相反应法[4]。
尽管已经研究了几十年,稀磁半导体还是没有能够得到广泛的应用,其中一个原因是其居里温度低于室温,另一个原因是饱和磁化强度较低[5]。
随着稀磁半导体制备技术的不断发展，以及研究人员更深入的研究，稀磁半导体的应用和研究领域也在不断的拓宽，其在光、电、磁功能集成等新型器件方面具有重要前景。
并将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用。
二稀磁半导体的性质及应用
稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质,如巨塞曼效应、
巨法拉第旋转、自旋共振隧穿和自旋霍尔效应等. 这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础[6] 。
巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp2d 交换相互作用引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应. 采用圆偏振抽运
光照射半导体材料,当一束线偏振的探测光透过材料后其偏振面会发生偏转,透射光偏振面的偏转角称为法拉第角(反射光称为克尔角) . 当材料是稀磁半导体时,
偏转角要比非磁性半导体材料大1～2 数量级. 该现象被称为巨法拉第旋转. 可
以从法拉第角随时间变化的规律来研究载流子和磁离子自旋的弛豫和输运,以及
如何用外电场、外磁场和光场来操纵自旋.近年来稀磁半导体材料在磁场下的输运性质有大量的研究,主要研究的是稀磁半导体结的隧穿和霍尔效应. 隧穿输运方面主要是研究通过磁性半导体结的自旋注入. 自旋注入是实现半导体材料自
旋电子器件的首要问题,尤其是如何实现室温下半导体材料中的自旋注入是目前大家十分关注的问题. 实验上人们采用不同的方法,目前大致有2 类途径:一类
是通过铁磁金属和半导体界面注入;另一类是通过稀磁半导体结隧穿注入.目前
前者实验上注入所产生的自旋极化率大约在2 %左右. 较低的极化率来自铁磁金属与半导体材料的电导率的失配. 但近来人们利用在铁磁金属和半导体之间的
肖特基势垒的隧穿实现了室温自旋注入,注入电子的极化度为30 %.在输运性质
方面,人们还在铁磁半导体中发现了反常霍尔效应(或自旋霍尔效应) 和各向异
性磁电阻. 反常霍尔效应引起人们理论研究的兴趣,反常霍尔效应给我们提供关于磁性半导体薄膜载流子自旋极化和散射机制的信息. 通常稀磁半导体材料的
磁化强度相当小,由于反常霍尔效应灵敏度较高,因此可间接反映磁化强度的大小,甚至确定居里温度. 由反常霍尔效应确定的居里温度与直接测量磁矩的实验结果很好地吻合.目前,DMS 的研究在理论、实验及应用上发展相当令人喜悦[7] . 近来,有人成功掺入5 % Mn到GaN 中,获得高于室温的居里温度,与理论计算相当一致. 还有人成功掺入9 %Mn 到GaN中,实验表明其居里温度达945 K. 另外,近来一系列的报道也提及了在其它半导体中发现了高于室温的铁磁性转变: 320 K
II2IV2VI 黄铜矿（ Gd1 - xMnx ) GeP2 ,290～380 K 在( Zn ,Co) O ,室温铁磁性在TiO2 C ,以及高于400 K 的闪锌矿结构CrAs 和CrSd. 可以预见,不久的将来,室温DMS 将引起的冲击毫不亚于普通半导体器件对人类生活的影响.
稀磁半导体一个重要的应用方向是自旋电子器件[8] . 人们已提出了几种
自旋电子器件结构,备受世界各著名实验室关注. 例如自旋偏振场效应管是利用自旋电子注入制备的自旋极化场效应管. 沟道电流是InAlAs/ InGaAs 形成的高迁移率的二维电子气,自旋电子的注入和收集是通过磁场控制的铁磁性金属电极,栅电极的作用是使载流子的自旋和外磁场一致. 此外,高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成、光隔离器件和半导体激光器的集成以及量子计算机等是稀磁半导体的重大的潜在应用. 但上述以稀磁半导体为基础的自旋电子器
件的研制尚处于起步阶段,距实用化还有很长的路程. 此外,亚微米的磁微机械也有了初步探索.。
由于DMS 材料的特殊性,它可应用在磁学、光学、电学等领域. 主要有: 由于磁性粒子的掺杂,其带隙可随磁性粒子的浓度而变化,因此可以制成各种光电子和磁光器件;由于其能带结构明显受外磁场的影响,可以应用到磁控量子阱和超晶格器件中;用作磁性金属与半导体的界面层,实现自旋极化载流子向非磁性半导体中的注入,用于自旋极化发光二极管的制造。
三关于稀磁半导体的总结
随着稀磁半导体制备技术的不断发展，以及研究人员更深入的研究，稀磁半导体的应用和研究领域也在不断的拓宽，其在光、电、磁功能集成等新型器件方面[9]具有重要前景并将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用。
最近,大量研究工作投入到过渡元素掺杂的氧化物稀磁半导体中, 如ZnO , TiO2 ,
SnO2 ,Ba TiO3 ,Cu2O ,Sr TiO3 和KTaO3 . 这些材料大都具有接近或高于室温的居里温度,这对于自旋电子器件的实用化进程是非常有用的. 研究表明,在优化的合成条件下,原子比在几个百分点的过渡元素可以不产生新的相,而导致室温铁磁性.脉冲激光沉积、反应溅射方法、分子束外延和离子注入方法[10]等都可用来制备稀磁半导体。
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