稀磁半导体的研究进展

本文主要介绍了III-V族稀磁半导体(Ga,Mn)As的研究进展,包括(Ga,Mn)As的生长制备、基本磁性质、磁输运特征、磁光性质、磁性起源、相关的异质结构和自旋注入等,同时还简单介绍了其它稀磁半导体如IV族、III-VI族和IV-VI族等稀磁半导体的研究进展,在文章的最后描述了理想的稀磁半导体应该具备的特征以及对未来的展望。     

Curie温度附近稀磁半导体(Ga,Mn)As的电学噪声谱性质

建立了自发噪声谱测量系统来研究稀磁半导体（Ga,Mn）As的电学噪声性质.通过测量（Ga,Mn）As材料的自发噪声谱,发现（Ga,Mn）As的自发涨落会随温度升高而逐渐增大,同时,外加磁场会降低（Ga,Mn）As的自发涨落,这来源于外加磁场导致的（Ga,Mn）As磁畴部分有序化.此外,不同频率的噪声随温度的变化规律有很大差异：当频率低于30 kHz的时候,噪声谱和温度的变化关系和热噪声很相似,但数值上明显大于热噪声的值;当频率在30 kHz左右的时候,噪声大小和温度成线性关系;当频率大于30 kHz以后,在相变点附近噪声大小和温度的关系出现了明显的转折,高频高温噪声的大小和热噪声的理论值非常接近.这些结果有助于深入理解（Ga,Mn）As磁性起源的物理机制. 关键词： 自旋电子学 稀磁半导体 自发涨落谱     

(Ga,Mn)As 体系中Mn自补偿效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论的赝势平面波方法计算了处于填隙位置磁性原子(MnI)对(Ga,Mn) As体系电子结构和磁性的影响. 计算结果表明MnI在GaAs中是施主；代替Ga位的MnGa 与MnI的自旋按反铁磁序排列；静电相互作用使MnGa，MnI倾向于形成MnGa_MnI对. MnI的存在一方面补偿了(Ga,Mn)As中的空穴，降低了空穴浓度；同时还使邻近的MnG a失活. MnI的存在对获得高居里温度的(Ga,Mn)As是极为不利的. 关键词： (Ga Mn)As 稀磁半导体 密度泛函理论     

氧化物稀磁半导体的研究进展

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。本文主要介绍ZnO、In2O3等氧化物稀磁半导体的研究进展,一是从实验角度介绍其制备、结构、磁性、电输运性质等特性;二是从理论角度对其磁交换能、电子结构、居里温度和磁性产生的机制进行阐述;三是在稀磁半导体的基础上进一步延伸,介绍其相关的异质结构的磁电阻效应,并在文章的最后对氧化物稀磁半导体的研究进行总结和展望。     

第一原理计算稀磁半导体(In1-xMnx)As的晶格常数,磁性和电子结构

用紧束缚近似线性Muffin-tin轨道的方法计算了稀磁半导体(In1-xMnx)As(x=1/2,1/4和1/8)的晶格常数,磁性和电子结构.给出了Mn掺杂浓度的变化对(In1-xMnx)As的晶格常数,磁性和电子结构的影响.     

室温下(Ga,Mn)As中载流子的自旋弛豫特性

运用飞秒时间分辨抽运-探测克尔光谱技术,研究了室温下退火及未退火(Ga,Mn)As的载流子自旋弛豫的激发能量密度依赖性,发现电子自旋弛豫时间随激发能量密度增加而增大,而在同一激发能量密度下,退火样品比未退火样品具有更短的载流子复合时间、电子自旋弛豫时间和更大的克尔转角,显示DP机理是室温下(Ga,Mn)As的电子自旋弛豫的主导机理.退火(Ga,Mn)As的超快克尔增强效应显示其在超高速全光自旋开关方面的潜在应用价值,也为(Ga,Mn)As铁磁性起源的p-d交换机理提供了证据. 关键词： (Ga Mn)As稀磁半导体 时间分辨克尔光谱 电子自旋弛豫 DP机理     

稀磁半导体的制备与性质

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．     

操控磁性原子进入半导体晶格

半导体和铁磁体是当代信息产业的两大支柱：半导体微处理器用于计算机的逻辑线路，而铁磁体则在硬盘中承担数据的存储并接受访问。在磁性半导体材料中，上述两种功能可融为一体，在此基础上将发展出一大批功能更为强大的自旋电子学设备．锰掺杂砷化镓Ga1-xMnxAs是一种具有应用前景的磁性半导体，它在中等的Mn浓度下（x超过0．015）便成为铁磁体．GaAs原本是性能优越的半导体，在DVD播放器（激光头）和移动通信（高频线路）中已被广泛应用。不幸，在Ga1-xMnxAs中获得铁磁性是以牺牲掉GaAs良好输运性质为代价的。为解决此问题，最好先排除高Mn浓度所导致的缺陷和无序，在稀磁环境下从凝聚态物理的角度观察Mn原子在半导体晶格中的行为。     

面向应用的新一代稀磁半导体研究进展

稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性,是破解摩尔定律难题的候选材料之一.我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制,探索并研制了新一代稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案.以(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂等为代表的新一代稀磁半导体,通过等价态的Mn掺杂引入自旋、异价态的非磁性离子掺杂引入电荷,成功实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文将重点介绍几种代表性的新一代稀磁半导体的设计与研制、新一代稀磁半导体的综合物性表征、大尺寸单晶生长以及基于单晶的安德烈夫异质结研制.我们团队通过新一代稀磁半导体的新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,充分展现了自旋和电荷掺杂分离的新一代稀磁半导体材料潜在应用前景.     

稀磁半导体(Ga1-xFex)As的电子结构,磁性及其稳定性的第一性原理研究

采用基于第一性原理的紧束缚近似线性muffin-tin轨道(TB-LMTO-ASA)的方法,在原子球近似的基础上计算了均匀掺杂的稀磁半导体(Ga1-xFex)As在各掺杂浓度下(x=1,1/2,1/4和1/8)的总能量,由能量最低原理得到其在各稳定点的晶格常数,磁性及相应态密度.计算结果表明了(Ga1-xFex)As的晶格常数随掺杂浓度的增大而减小,在各掺杂浓度下(除x=1)样品都是反铁磁态的,Fe 3d和As 4p之间杂化是引起样品电子结构和磁性变化的主要原因.     

A Green＇s function model for ferromagnetism and spin excitations of （Ga,Mn）As diluted magnetic semiconductors

We study (Ga, Mn)As diluted magnetic semiconductors in terms of the Ruderman--Kittel--Kasuya--Yosida quantum spin model in Green's function approach. Random distributions of the magnetic atoms are treated by using an analytical average of magnetic configurations. Average magnetic moments and spin excitation spectra as functions of temperature can be obtained by solving self-consistent equations, and the Curie temperature T_C is given explicitly. T_C is proportional to magnetic atomic concentration, and there exists a maximum for T_C as a function of carrier concentration. Applied to (Ga, Mn)As, the theoretical results are consistent with experiment and the experimental T_C can be obtained with reasonable parameters. This modelling can also be applied to other diluted magnetic semiconductors.     

Photo-induced magnetic-solitons and spin dynamics in diluted magnetic semiconductor quantum wells

The localization mechanism of transport property in the randomly distributed system of the hole-induced magnetic solitons with the alloy potential fluctuations in diluted magnetic semiconductors has been proposed, by using the effective Lagrangian of diffusion modes. The mechanism of the long relaxation of the spin dynamics below Curie temperature in diluted magnetic semiconductor wells and the bulk system has been discussed.     

Optical properties of III-Mn-V ferromagnetic semiconductors

We review the first decade of extensive optical studies of ferromagnetic, III-Mn-V diluted magnetic semiconductors. Mn introduces holes and local moments to the III–V host, which can result in carrier mediated ferromagnetism in these disordered semiconductors. Spectroscopic experiments provide direct access to the strength and nature of the exchange between holes and local moments; the degree of itineracy of the carriers; and the evolution of the states at the Fermi energy with doping. Taken together, the diversity of optical methods reveal that Mn is an unconventional dopant, in that the metal to insulator transition is governed by the strength of the hybridization between Mn and its p-nictogen neighbor. The interplay between the optical, electronic and magnetic properties of III-Mn-V magnetic semiconductors is of fundamental interest and may enable future spin-optoelectronic devices.     

稀磁半导体材料居里温度的极值点

以Zener模型为基础,考虑反铁磁性交换作用对DMS材料居里温度的影响,理论计算得到了居里温度关于掺杂浓度和反铁磁性交换作用的二元函数,对GaAs ∶ TM(Ga,TM)As (TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)的居里温度做了详细分析得到:n型半导体居里温度有一个极大值,而p型掺杂是单调的递增。     

Diluted magnetic semiconductors and spintronics

Classification of concentrated and diluted magnetic semiconductors is given and their physicochemical properties that are interesting for spintronics are characterized. The electronic structure of magnetic impurities in semiconductors and the nature of indirect exchange interactions between impurity spins in diluted magnetic semiconductors are considered. On the basis of the proposed theory of kinematic exchange, the Curie temperature T _C for bulk diluted magnetic semiconductors (In,Mn)Sb are estimated.     

稀磁半导体--自旋和电荷的桥梁

稀磁半导体可能同时利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件．尤其是铁磁半导体材料的出现带动了半导体自旋电子学的发展．室温铁磁半导体材料的制备，半导体材料中有效的自旋注入，以及自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的热门课题．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，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．     

ZnS(111)表面掺杂Mn的电子结构和磁性的第一性原理研究

应用基于密度泛函理论的第一性原理,研究Mn原子掺杂在ZnS(111)表面的电子结构和磁性.对于单原子的掺杂组态,替位表面第一层的Zn原子时体系形成能最低,说明该层是最稳定的掺杂位置.体系总磁矩取决于Mn原子的局域环境.而对于双掺杂组态,当Mn与Mn之间呈短程铁磁耦合作用时体系最稳定.这可由Mn原子和近邻S原子的p-d杂化作用解释.此时,体系的居里温度估算值为469 K,明显高于室温,具有理论指导意义.Mn原子和受主半导体之间的相互作用是自旋极化产生的主要原因.计算结果表明,该掺杂材料可以很好的用来制作稀磁半导体,具有良好的应用前景.