清華材料學(xué)院陳娜等在室溫磁性半導(dǎo)體及器件研究中取得重要進展

清華新聞網(wǎng)12月14日電 近日，材料學(xué)院材料加工研究所非晶合金研究組陳娜副研究員和合作者通過誘導(dǎo)磁性金屬玻璃發(fā)生金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的方式，開發(fā)出居里溫度高于600 K的p型磁性半導(dǎo)體，并基于此磁性半導(dǎo)體實現(xiàn)了室溫p-n結(jié)和電控磁器件的制備（圖1b和c）。該成果于12月8日在《自然通訊》(Nature communications)在線發(fā)表，論文標(biāo)題為“源于鐵磁金屬玻璃的室溫磁性半導(dǎo)體”（A room-temperature magnetic semiconductor from a ferromagnetic metallic glass）。

圖1 (a)磁性半導(dǎo)體操控電荷和自旋示意圖，（b）居里溫度高于600K的p型磁性半導(dǎo)體，直接帶隙約為2.4 eV，（c）基于該磁性半導(dǎo)體的室溫電控磁器件表明其磁性為載流子調(diào)制。

磁性半導(dǎo)體兼具磁性和半導(dǎo)體特性，可以滿足人們對電荷和自旋同時調(diào)控的期望，實現(xiàn)對信息的加工處理、存儲乃至輸運，提供了一種全新的導(dǎo)電方式和器件概念(圖1a)。這種特性可用于開發(fā)新一代電子器件，如自旋場效應(yīng)管和自旋發(fā)光二極管等，將會大幅度降低能耗、增加集成密度、提高數(shù)據(jù)運算速度，在未來電子行業(yè)具有非常誘人的應(yīng)用前景。《科學(xué)》（science）雜志在2005年提出125個重要科學(xué)問題，其中“有沒有可能創(chuàng)造出室溫能夠工作的磁性半導(dǎo)體材料”，就是專門針對這種新型自旋電子學(xué)材料。

探索高居里溫度磁性半導(dǎo)體，并基于此材料開發(fā)室溫實用型自旋電子器件一直是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究目標(biāo)。針對這一關(guān)鍵科學(xué)問題，陳娜及其合作者通過在居里溫度遠高于室溫的磁性金屬玻璃中引入誘發(fā)半導(dǎo)體電性的元素使磁性金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體(圖1b)，并基于該p型磁性半導(dǎo)體與n型單晶硅集成實現(xiàn)了p-n異質(zhì)結(jié)和p-n-p結(jié)構(gòu)的制備，表明該新型磁性半導(dǎo)體可以和現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體工業(yè)兼容。與此同時，對于載流子調(diào)制磁性的磁性半導(dǎo)體而言，其電學(xué)和磁學(xué)性能相互關(guān)聯(lián)；而基于此新型磁性半導(dǎo)體制備的電控磁器件通過外加門電壓調(diào)控其載流子濃度，實現(xiàn)了室溫磁性的顯著調(diào)控，進一步證實該p型磁性半導(dǎo)體的本征電磁耦合特性（圖1c）。

該工作是陳娜指導(dǎo)材料學(xué)院碩士生劉文劍和張紅霞共同完成，參與該工作的還有清華大學(xué)材料學(xué)院姚可夫教授和宋成副教授、日本東北大學(xué)的王中長副教授、香港科技大學(xué)的王向榮教授、中科院物理所的谷林教授等。論文的共同第一作者為碩士生劉文劍和張紅霞，論文的通訊作者為陳娜。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和教育部博士點基金的支持。

論文鏈接：

http://www.nature.com/articles/ncomms13497

供稿：材料學(xué)院 編輯：悸寔 華山