稀磁半导体的研究
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。
Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜结构和磁性研究的开题报告
Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜结构和磁性研究的开题报告题目：Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜结构和磁性研究一、研究背景和意义稀磁半导体是一种新型功能材料，具有半导体和磁性的双重特性，被广泛应用于信息存储、传感器、磁性控制器等领域。
以ZnO为基础的稀磁半导体具有许多优点，如优良的物理性能、便于制备和稳定性等。
此外，Cr的掺杂可以使ZnO基半导体具有磁性，从而扩展了其应用范围。
因此，对Cr掺杂ZnO基稀磁半导体的磁性和结构进行研究具有重要的科学意义和应用价值。
二、研究目的本文旨在研究Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的结构和磁性质，探究Cr掺杂浓度对ZnO基半导体的结构和磁性的影响，为其在信息存储、传感器等领域的应用提供理论依据。
三、研究内容和方法1. Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的制备：采用磁控溅射法，在ZnO薄膜中掺杂Cr，制备Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜。
2. 结构表征：采用X射线衍射、扫描电子显微镜等测试手段，研究Cr掺杂浓度对ZnO基半导体的结构和晶体结构的影响。
3. 磁性测量：采用超导量子干涉仪和霍尔效应磁强计等仪器测试Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的磁性质。
四、预期成果研究Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的结构和磁性质，探究Cr掺杂浓度对其的影响，预计可以得到以下成果：1. 获得Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的结构和晶体结构的变化规律。
2. 揭示Cr掺杂浓度对ZnO基半导体的磁性的影响及其物理机制。
3. 提出有效的优化掺杂浓度的方案，进一步拓展稀磁半导体在信息存储、传感器等领域的应用。
五、研究进度安排1月-3月：文献调研和理论研究4月-6月：制备Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜，进行结构表征和磁性测量7月-9月：对实验结果进行数据处理和分析10月-12月：撰写论文，完成学位论文答辩六、参考文献1. 王清福. 稀磁半导体的研究进展[J]. 新型材料, 2007, 35(8): 43-46.2. 雷震宇, 王树敏, 等. Cr掺杂ZnO的磁性研究[J]. 功能材料, 2006, 37(11): 1841-1843.3. 吴生志, 张文军, 等. 氧化物稀磁半导体材料及其在信息存储中的应用[J]. 稀土, 2010, 31(5): 1-6.。
《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》范文
《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，稀磁半导体材料因其独特的物理和化学性质在电子器件、光电技术等领域展现出了广泛的应用前景。
在众多稀磁半导体材料中，3D过渡金属掺杂的In2O3材料因其具有优良的导电性、光学性质和磁学性能而备受关注。
本文将重点介绍3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备方法、材料性能及其应用前景。
二、制备方法1. 材料选择与准备制备3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料，首先需要选择合适的原材料。
本实验选用高纯度的In2O3粉末和不同种类的过渡金属氧化物作为掺杂剂。
2. 制备过程（1）将选定的过渡金属氧化物按照一定比例与In2O3粉末混合，充分研磨以确保掺杂均匀。
（2）将混合粉末置于高温炉中，在氧气气氛下进行烧结，以促进原子间的扩散和反应。
（3）烧结完成后，对样品进行研磨、退火等后处理，以提高材料的结晶度和纯度。
三、材料性能研究1. 结构表征通过X射线衍射（XRD）技术对制备的3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料进行结构表征，确定材料的晶体结构和晶格参数。
2. 光学性能利用紫外-可见光谱技术分析材料的光学性能，包括光吸收、光反射等特性。
同时，通过光致发光光谱研究材料的光学带隙和发光性能。
3. 磁学性能通过磁性测量技术，如超导量子干涉仪（SQUID）等设备，研究材料的磁学性能，包括饱和磁化强度、磁导率等参数。
四、应用前景1. 电子器件领域由于3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料具有优良的导电性和磁学性能，可应用于制备高性能的电子器件，如场效应晶体管、自旋电子器件等。
2. 光电技术领域该材料具有优异的光学性能，可应用于光催化、光电器件等领域，如光解水制氢、光电传感器等。
五、结论本文成功制备了3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料，并对其结构、光学和磁学性能进行了深入研究。
实验结果表明，该材料具有优良的导电性、光学性能和磁学性能，在电子器件、光电技术等领域具有广泛的应用前景。
Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的X射线吸收谱学研究的开题报告
Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的X射线吸收谱学研究的开题报告一、研究背景和意义随着信息产业的飞速发展，人们对信息技术的需求越来越高，这也促进了半导体材料的持续发展和研究。
稀磁半导体作为一类新兴的半导体材料，因其具有磁电子特性和光电子特性的双重优势，在信息学、电子、光电等领域具有潜在的应用前景。
其中，Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体作为一类新型的光电子材料，因其独特的磁电转换效应和光致发光等特性，被广泛应用于显示器件、红外探测器、半导体激光器等领域，尤其是在信息存储、数据传输和信息处理方面具有重要的应用前景。
在研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的性质和应用前景时，其电子结构和原子排布方式是需要深入探究的内容。
X射线吸收谱学是一种非常重要的表征材料电子结构和原子排布的方法。
本课题将利用X射线吸收谱学研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的电子结构和原子排布方式，为该材料的深入研究和应用提供参考和支持。
二、研究内容和方法1、研究内容（1）研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的结构和物理性质，探究其中的电子结构和原子排布方式。
（2）通过X射线吸收谱学研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的原子内壳电子能级的跃迁行为和电荷状态，揭示其电子结构和原子排布方式，为该材料的应用提供理论支持。
2、研究方法（1）利用化学沉淀法合成Mn掺杂的Ⅳ族稀磁半导体。
（2）利用X射线吸收谱仪和X光衍射仪对材料进行表征和分析。
（3）对吸收光谱进行模拟和分析，得出Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的电子结构和原子排布信息。
三、预期成果通过本课题的研究，将深入了解Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的电子结构和原子排布方式，为其相关应用提供理论支持。
同时，本课题的研究成果也将对稀磁半导体的电子结构和原子排布等领域的进一步研究提供参考和支持。
《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》
《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》一、引言稀磁半导体材料是一种结合了磁性和半导体特性的新型材料，其应用领域涵盖了自旋电子学、光电子学和磁学等多个方面。
在众多的稀磁半导体材料中，In2O3基的稀磁半导体因其优异的物理性能和化学稳定性，备受研究者的关注。
而当我们将3D过渡金属掺杂到In2O3中时，不仅可以进一步优化其电子结构，还可以为材料的磁性调控提供更多的可能性。
本文将重点介绍3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备过程及其研究进展。
二、制备方法在制备3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的过程中，我们采用了高温固相法。
首先，将所需的In2O3和过渡金属氧化物按照一定的摩尔比例混合均匀，然后在高温环境下进行长时间的烧结，使原料充分反应并形成稳定的固溶体。
最后，通过研磨、压片、再次烧结等步骤，得到所需的稀磁半导体材料。
三、材料性能研究1. 结构分析我们利用X射线衍射（XRD）技术对制备的3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料进行了结构分析。
结果表明，掺杂后的材料具有较好的结晶性，且晶格常数发生了明显的变化，这表明过渡金属已经成功掺入In2O3的晶格中。
2. 磁性研究通过振动样品磁强计（VSM）的测试，我们发现掺杂后的材料具有明显的室温铁磁性。
随着过渡金属掺杂浓度的增加，材料的饱和磁化强度也呈现出一定的变化趋势。
这表明我们可以通过调整掺杂浓度来调控材料的磁性能。
3. 光学性能研究利用紫外-可见光谱（UV-Vis）对材料的光学性能进行了研究。
结果表明，掺杂后的材料在可见光区域的透过率有了明显的提高，这有利于提高材料在光电子学领域的应用性能。
四、应用前景3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料因其优异的磁性和光学性能，在自旋电子学、光电子学、传感器等领域具有广泛的应用前景。
例如，可以将其应用于制备高性能的自旋电子器件、光电开关等。
此外，这种材料还可以用于制备高效的太阳能电池、光催化剂等。
GaN基和LiZnAs基稀磁半导体的研究进展
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随着信 息 存储 密度 迅 猛增 长 ， 为 突破 Ｍｏ ｏ ｒ定律 瓶 颈 需 要发 展新 的信 息存 储 载 体 。在 制 作 和研 发 工 艺 成 熟 的 半 导
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《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》
《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》篇一一、引言随着科技的发展，稀磁半导体材料因其独特的物理和化学性质，在自旋电子学、量子计算、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。
其中，3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料因其优异的电学、磁学及光学性能而备受关注。
本文将重点介绍这种材料的制备方法，并对其性能进行研究。
二、制备方法1. 材料选择与准备首先，选择高质量的In2O3基底材料和适当的过渡金属元素作为掺杂剂。
这些元素应具有良好的化学稳定性和与In2O3基底的兼容性。
2. 制备过程（1）将In2O3基底材料进行预处理，如清洗、干燥、研磨等，以提高其表面活性。
（2）将过渡金属元素以适当的方式（如溶液法、气相法等）掺入In2O3基底材料中。
（3）通过高温热处理或化学气相沉积等方法使材料烧结，形成致密的薄膜结构。
（4）最后对材料进行退火处理，以优化其晶体结构和性能。
三、材料性能研究1. 结构分析利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对制备的3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料进行结构分析。
通过XRD分析材料的晶体结构，SEM观察材料的形貌和微观结构。
2. 电学性能研究通过霍尔效应测试、电阻率测试等方法研究材料的电学性能。
分析过渡金属掺杂对In2O3基底材料电导率、载流子浓度等的影响。
3. 磁学性能研究利用磁学测量系统（SQUID）等设备对材料的磁学性能进行研究。
分析过渡金属掺杂对材料磁化强度、矫顽力等的影响。
四、结果与讨论经过实验制备出多种不同过渡金属掺杂的In2O3稀磁半导体材料，对其结构、电学和磁学性能进行了系统研究。
实验结果表明：1. 通过合适的制备方法，可以成功将过渡金属元素掺入In2O3基底材料中，形成致密的薄膜结构。
2. 过渡金属掺杂可以显著提高In2O3基底材料的电导率和载流子浓度，降低电阻率。
同时，掺杂的过渡金属元素还可以改变材料的磁学性能，使其具有较高的磁化强度和较低的矫顽力。
ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的开题报告
ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的开题报告
一、研究背景及意义
随着人类对磁性材料的研究不断深入，发现了许多具有独特光学和电学特性的材料，如铁电材料、压电材料、磁性材料等。
其中，稀磁半导体材料是近年来研究的热点之一。
这类材料在光电工程、电子学等领域具有广泛的应用前景，例如在原子频标、光学传感、磁存储和量子计算等方面都有潜在的应用。
二、研究内容和方法
本文主要研究ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质。
具体研究内容如下：
1.了解ZnO基稀磁半导体材料的结构和性质；
2.研究ZnO基稀磁半导体的光学性质，如吸收谱、荧光光谱等；
3.研究ZnO基稀磁半导体的磁学性质，如磁滞曲线、磁性测量等；
4.比较不同条件下ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的变化，探究其变化规律。
本研究将主要采用实验和理论计算相结合的方法，通过X射线衍射、电子显微镜和光谱仪等仪器对样品进行测量和分析。
三、预期成果
通过对ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的研究，可以对其物理机制和特性进行深入理解。
同时，对于材料科学领域也具有重要的理论和应用价值。
四、研究难点
1.稀磁半导体存在较弱的磁性，如何准确测量其磁学性质是个难点；
2.稀磁半导体的光学性质与其结构密切相关，如何对其结构进行准确控制也是一个挑战。
五、研究意义和应用前景
ZnO基稀磁半导体具有广泛的应用前景，例如在电子、光电子、磁性存储和量子计算等领域应用。
因此，对其光学和磁学性质的深入研究将为其进一步应用提供理论基础和实验支撑。
稀磁半导体
稀磁半导体及其主要性质和应用稀磁半导体（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（transition metals, TM）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。
从实际应用中来看，以半导体材料为支撑的大规模集成电路空前的规模和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色，在这些技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性；而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储（如磁带、光盘、硬盘等）则是由磁性材料来完成的，它们极大地利用了电子的自旋属性。
然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的，彼此之间相互独立。
如果能同时利用电子的电荷和自旋属性，无疑将会给信息技术带来崭新的面貌，稀磁半导体就可以实现这些功能，并且由此产生了一门新兴学科，即自旋电子学。
我们所知的常见的半导体材料都不具有磁性，如：Si、Ge、GaA s、InP、ZnO、GaN、SiC等，而具有磁性的材料如：Fe、Co、Ni等及其化合物不具有半导体的性质，而且它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。
半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，在GaAs、GaN、InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用以及过渡金属离子之间的自旋交换作用可导致这类材料的磁性。
这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，称其为“稀磁”。
一般地讲，在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，它具有很多独特的性质和广泛的应用。
DMS材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中新的研究热点。
磁光效应论文：稀磁半导体中磁光效应的应用研究
磁光效应论文：稀磁半导体中磁光效应的应用研究【中文摘要】近几十年来,随着以磁性存储技术为代表的自旋电子学在新兴高科技领域获得日益广泛的应用,以磁光效应为原理的各种磁光器件和磁光测量技术也在科研的基础和应用研究中显示了其独特的优势和广阔的应用前景,从而引起人们浓厚的兴趣。
根据入射光的偏振状态不同,磁光效应可以简单的归类为：基于线偏振光的磁光克尔效应(MOKE),和基于圆偏振光的磁圆二向色性(MCD)。
其中MOKE 对于样品的表面净磁矩敏感,通常作为一种重要的表面磁性测量手段;MCD主要反映样品对于左旋和右旋光的吸收差别,即圆二向色性。
对于低能量(1—5eV)的MCD能够反映费米面附件的特征吸收边的磁圆二色性,也是研究稀磁半导体的一个重要实验方法之一。
本论文主要介绍了磁圆二向色性(MCD)谱仪和磁光克尔效应(MOKE)这两种测量方法的基本工作原理和自主搭建情况,并且研究了在稀磁半导体(DMS)中的磁光效应。
其中本人的贡献主要是MCD谱仪的搭建、软件编制、调试,以及MCD和MOKE的测量工作。
本论文主要分为以下五章：第一章,一般性的背景介绍,包括磁光效应的分类,原理及应用,以及自旋电子学。
第二章,着重介绍了磁圆二色向性光谱仪的工作原理、应用情况,以及我们自主搭建的磁圆二向色性光谱仪的特点。
第三章,介绍了磁光克尔效应的工作原理和实验应用。
第四章,利用MCD和MOKE这两种测量方法,并且应用于ZnCoO稀磁半导体薄膜和CFO/KNN双层膜结构的复合多铁性材料的磁电耦合效应的研究。
第五章,总结全文和未来展望。
【英文摘要】In recent decades, as the development of magnetic-memory technique of spintronics in emerging high-tech fields, vatious kind of magnetic-optical devices and magnetic-optical measure that use the theory ofmagnetic-optical effect have displayed these special proerty and broad application prospects, which attracted people’s strong interest. According to the difference of polarization of incident light, magnetic-optical effect can be simply divided into two parts:Magnetic-optical Kerr effect(MOKE), which is based on line polarized light, and magnetic circle dichroism, which is based on circle polarized light. While MOKE is sensitive to magnetic moment on the surface of sample, so it is usually acted as an magnetic measurement for surface; and while MCD can reflect the absorption difference of right-handed light and left-handed light. For the energy between lev and 5ev, MCD can reflect the features nearby Fermi surface, which is an important tool to study diluted magnetic semiconductor.In this paper, I will mainly take a case study of the magnetic circular dichroism(MCD) and the surface magneto-optical kerreffect(SMOKE) to introduce the application of magneto-optical effect in Diluted magnetic semiconductors(DMS) and introducethe equipments that I build; I will also introduce the basic theory and the develop process of the magnetic circular dichroism spectroscopy and the kerr effect spectroscopy, whilethe major work that I have done is setting up the equipments, writing the program, and debuging the MCD and MOKE spectrograph.This paper can be devided into five chapters:Inthe first chapter, I will mainly introduce the background,which include the sort, theory and application ofmagnetic-optical effect and spintronics.In the second chapter,I will mainly introduce the application and working principleof magnetic circular dichroism(MCD) spectroscopy, andintroduce the MCD spectroscopy which is set up by our group.Inthe third chapter, I will mainly introduce the basic theory and application of magneto-optical kerr effect(MOKE).In the fourth chapter, I will make use of the data that taken by MCD and MOKEto measure some sample, and explain the data.In the five chapter,I will summary the whole paper.【关键词】磁光效应磁圆二向色性磁光克尔效应铁磁性自旋电子学稀磁半导体【英文关键词】Magneto-optical effect Spintronics SMOKE MCD DMS【目录】稀磁半导体中磁光效应的应用研究摘要8-9ABSTRACT9-10第一章绪论11-21第一节引言11-12第二节磁光效应简介12-15 1.2.1 法拉第效应12-13 1.2.2 科顿-穆顿效应13-14 1.2.3 磁光克尔效应14 1.2.4 塞曼效应14-15 1.2.5 光磁效应15第三节磁光效应的应用15-21 1.3.1 磁圆二向色性(MCD)光谱仪15-17 1.3.2 磁光克尔效应光谱仪17-18 1.3.3 磁光调制器18 1.3.4 磁光隔离器18-19 1.3.5 磁光记录19-21第二章 MCD光谱仪的原理及设计21-49第一节磁圆二向色性简介21-24第二节磁圆二向色性(MCD)的基本原理24-38 2.2.1 MCD光谱学理论24-30 2.2.2 MCD中的A项、B项和C项贡献30-38第三节 MCD光谱仪的设计38-49 2.3.1 MCD光谱仪的基本结构38-43 2.3.2 MCD光谱仪的校准43 2.3.3 本组自主搭建的MCD光谱仪43-49第三章磁光克尔效应(MOKE)的介绍及应用49-56第一节磁光克尔效应简介49-50 3.1.1 磁光克尔效应的发展49 3.1.2 磁光克尔效应的优点49-50 3.1.3 磁光克尔效应的应用50第二节磁光克尔效应的原理50-53第三节 MOKE仪器装置简介53-56第四章磁光效应实验测量与结果讨论56-64第一节 MCD光谱仪的测试结果及数据分析56-62 4.1.1 标准样品的MCD测量56-57 4.1.2 稀磁半导体Co:ZnO的MCD测量57-62第二节 MOKE的测试结果及磁电耦合效应的初步探索62-64第五章总结与未来展望64-65参考文献65-69致谢69-70学位论文评阅及答辩情况表70。
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稀磁半导体的研究
摘要：稀磁半导体因兼具有磁性材料的信息存储功能和半导体材料的信息处理
功能，使其成为微电子学研究的热点。
本文将就稀磁半导体的性质和应用，以及研究现状和发展趋势等做一简单介绍。
关键词：稀磁半导体自旋电子学半导体物理学
1.引言
信息的海量存储和高速互联，把人们带入了信息时代。
目前支撑信息技术存在和发展的两大决定性因素分别是信息的存储和信息的处理。
信息的存储是利用了磁性材料中电子的自旋属性，而信息的处理则依靠半导体芯片中电子的电荷属性得以实现。
而随着近年来制作工艺水平的迅速提高，这种电荷和自旋彼此孤立的微电子学器件也即将达到物理极限[1]。
因此一直以来，研究人员有个自然的想法：能否构造将磁、电集于一体的半导体器件。
同时利用自旋和电荷自由度最为成功的的电子器件是由多层铁磁金属膜制备的磁盘读写头,而几乎所有的半导体器件都是利用载流子的电荷来完成其功能的[2]。
这是因为通常半导体材料如硅、砷化镓等都是非磁性材料。
长期以来，人们试图将少量的磁性原子掺入非磁性半导体材料中,期待得到磁性半导体材料,制备出集磁、光、电于一体的,低功耗的新型半导体电子器件。
2.稀磁半导体简介
稀磁半导体（DMS）又称半磁半导体，是指在非磁性半导体材料基体中通过掺入少量磁性过渡族金属元素或稀土金属元素使其获得铁磁性能的一类新型功能材料[3]。
因稀磁半导体既利用了电子的自旋属性和电荷属性，所以稀磁半导体制作的器件既具有磁性材料器件的信息存储功能，又具有半导体器件的信息处理功能。
常用的制备方法有离子注入法（Ion implantation）、分子束外延法（MBE）、金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）等多种工艺[4]。
3.稀磁半导体的性质
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．这些效应为人们研究制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础[5]。
3.1.巨塞曼效应和巨法拉第旋转
巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp-d交换相互作用引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应[6]。
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。
3.2.自旋共振隧穿和自旋霍尔效应
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。
室温下半导体材料中的自旋注入，目前实验上有两种实现途径：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．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[7]。
反常霍尔效应给我们提供了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。
4.稀磁半导体的研究进展
关于磁性半导体的研究可以追溯到上个世纪60年代，即关于浓缩磁性半导体的研究。
所谓浓缩磁性半导体即在每个晶胞相应的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半导体。
例如Eu 或Cr 的硫族化合物:岩盐结构(NaCl—type) 的EuS 和EuO 以及尖晶石结构( Spinel s) 的CdCr2 S4 和CdCr2 Se4等 ,这些浓缩磁性半导体也被称为第一代磁性半导体[8]。
但由于这类浓缩磁性半导体的居里温度太低，且高质量的浓缩磁性半导体薄膜及其异质结构的生长制备和加工方面存在着难以克服的困难，因此,迄今为止这些岩盐结构和尖晶石结构的磁性半导体主要用于基础研究和概念型器件的研究。
进入上个世纪80 年代,人们开始关注稀磁半导体，即少量磁性元素与II—VI 族非磁性半导体形成的合金，如(Cd ,Mn) Te 和(Zn ,Mn) Se 等[9]。
这些II—VI 族稀磁半导体被称为第二代磁性半导体。
这类稀磁半导体虽然相对容易制备，但替代二价阳离子的二价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。
这严重地限制了其实际应用。
尽管如此,人们对II—VI族稀磁半导体的研究和探索一直没有放弃,近年来,又不断地取得了一些新的进展。
上世纪80年代末和90年代中期,利用低温分子束外延技术(L T—MBE) 生长的Mn 掺杂III—V 族稀磁半导体( In ,Mn) As 和( Ga ,Mn) As 等引起了人们的高度关注,并称以( Ga ,Mn) As 为代表的III—V 族稀磁半导体为第三代磁性半导体。
这些III—V 族稀磁半导体很容易与III—V 族非磁性半导体GaAs、AlAs、( Ga ,Al) As 和( In , Ga) As 等结合形成异质结构,并且与呈现巨磁阻( GMR) 效应的金属多层膜类似,其异质结构中也存在着自旋相关的散射、层间相互作用耦合、隧穿磁阻等现象。
目前这类稀磁半导体的居里温度还不能满足实际工作要求。
因此,提高稀磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为目前半导体自旋电子学研究的一个热点[10]。
5.稀磁半导体的应用
稀磁半导体因具有一系列良好的属性，因此近年来得到了较大的关注。
随着研究的一步步深入，稀磁半导体也逐渐能够应用到光电子学或微电子学的器件制备中：（1）利用稀磁半导体的巨法拉第旋转效应可制备非倒易光学器件,也可用于制备光调谐器、光开关和传感器件；（2）利用磁性和半导体性实现自旋的注入与输运,可造出新型的自旋电子器件,如自旋过滤器和自旋电子基发光二极管等;（3）通过改变磁性离子的浓度可得到所需要的带隙,从而获得相应的光谱效应。
由于其响应波长可覆盖从紫外线到远红外线的宽范围波段,这种DMS 是制备光电
器件、光探测器和磁光器件的理想材料；（4）稀磁半导体的磁光效应为光电子技术开辟了新的途径。
利用其磁性离子和截流子自旋交换作用( sp-d 作用) 所引起的巨g 因子效应,可制备一系列具有特殊性质的稀磁半导体超晶格和量子阱器件。
除了以上这些具体的应用之外，利用与自旋相关的输运、磁阻效应和磁光效应等，还可制造出一些新材料和人造纳米结构,包括异质结构( HS) 、量子阱(QW)和颗粒结构。
总之，随着研究的深入和制备技术的进步，稀磁半导体在半导体微电子学，光电子学，固体物理学等方面的应用将非常普遍[11]。
6.结语
稀磁半导体材料具有极高的应用价值,其研究已愈来愈受到人们的重视，各国已开展了大量的实验工作,研究重点已由先前的纯理论研究慢慢转向将基础研究与应用研究相结合。
随着MBE 等技术的发展,制备高质量的稀磁半导体量子阱和超晶格成为可能,使DMS材料在光电子器件上的应用将具有更广阔的前景，并将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用[12]。
参考文献
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